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1、1水文地质学基础水文地质学基础General Hydrogeology -主讲：李明辉主讲：李明辉2 第十一章 岩溶水 概述 岩溶发育的基本条件 岩溶水系统的演变 岩溶水特征 我国南北方岩溶及岩溶水差异3岩岩溶溶对对大大多多数数人人来来说说都都不不陌陌生生，岩岩溶溶现现象象对对许许多多人人来来说说是是很很神神密密的的（含含部部分分专专业业人人员员），岩岩溶溶现现象象的的壮壮观观奇特，岩溶水的神出鬼末，有着奇特，岩溶水的神出鬼末，有着积极的一面积极的一面：济南泉城济南泉城世界著名：世界著名：蕴育滋养了该城文明与发展蕴育滋养了该城文明与发展山山西西自自北北向向南南沿沿太太行行山山脉脉的的名名泉泉：
2、晋晋祠祠泉泉，娘娘子子关关泉泉，洪洪山山泉泉，郭郭庄庄泉泉，广广胜胜寺寺胜胜泉泉，龙龙子子祠祠泉泉，是是山西盆地的工农业发展的主要支柱山西盆地的工农业发展的主要支柱广西桂林山水甲天下，奇特岩溶景观广西桂林山水甲天下，奇特岩溶景观云南的路南石林，壮观与气势，让游人流涟忘返云南的路南石林，壮观与气势，让游人流涟忘返第1节 概 述山水甲天下的桂林九马山九马山烟雨漓江烟雨漓江塔山塔山象鼻山象鼻山岩溶水的奇特又使人无可耐何消积不利n华华北北的的大大多多数数煤煤层层，下下伏伏O2灰灰岩岩水水承承压压水水头头之之高高，带带来来开开采采风险巨大风险巨大n云云南南、广广西西、贵贵州州省省岩岩溶溶山山区区，缺缺水
3、水严严重重，阻阻碍碍发发展展，生生活活赤赤贫现象贫现象n岩溶区的库水渗漏，处理困难岩溶区的库水渗漏，处理困难n在在基基本本建建设设中中，地地下下施施工工，燧燧道施工困难重重道施工困难重重5金沙江溪洛渡水电站库区 岩 溶 洞 穴6第1节 概 述岩溶 水对可溶岩石进行化学溶解，并伴随以冲蚀作用及重力崩坍，在地下形成大小不等的空洞，在地表造成各种独特的地貌现象以及特殊的水文现象，上述作用及由此产生的各种现象称为岩溶。 岩溶水 赋存并运移于岩溶化岩层中的水。 岩溶水系统 能够通过水与介质相互作用不断自我演化的动力系统。7第2节 岩溶发育的基本条件基本条件 n岩石的可溶性 n岩石的透水性 n水的溶蚀性
4、n水的流动性 碳酸盐岩：碳酸盐岩：灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩、白云岩；结构：结构：豹皮灰岩，生物碎屑灰岩，厚层状，薄层状裂隙发育（初始裂隙）岩溶系统断层发育决定了溶洞形成开放体系中的方解石溶解的基本物理化学模式n水中碳酸平衡：水中碳酸平衡：H H2 2COCO3, 3, HCOHCO3 3- - CO CO3 32-2-CO2CO2( eq)H2OH2CO3HCO3-H+CO32 -Ca2+HCO3-大气液相固相第一条途径：第一条途径： 水与气水与气第二条途径：第二条途径： 水与固水与固12.1 岩溶发育的基本条件在上述模式中：n第一条途径（水与气）第一条途径（水与气） 增加增加 H+n第二
5、条途径则产生第二条途径则产生 CO32-n结果：增加结果：增加 Ca2+ HCO3-nCO2的参与是岩溶发育的另一重要前提，也是影响因素之的参与是岩溶发育的另一重要前提，也是影响因素之n CO2来源：浅层大气与土壤层，深部来源尚无定论来源：浅层大气与土壤层，深部来源尚无定论4. 水的流动性水的流动性 地下水的循环交替是岩溶发育的充分必要条件地下水的循环交替是岩溶发育的充分必要条件n其其作作用用：不断更替补充具侵蚀性的水；将溶解与侵蚀的物质带走-留下空洞（岩溶）10 影响因素 n构造作用 w控制构造裂隙的发育而影响可溶岩透水性 w控制水的汇集与主要通路而影响地下水流动 n气候 总体决定着一个区域
6、的植被与土壤，而植被土壤又是地下水中CO2的主要来源 。第2节 岩溶发育的基本条件11第2节 岩溶发育的基本条件12第2节 岩溶发育的基本条件13第2节 岩溶发育的基本条件14 碳酸盐岩溶解反应综合模式图第2节 岩溶发育的基本条件15第3节 岩溶水系统的演变 地下水对介质的改造 n岩溶演化的正反馈过程 n 不均匀介质不均匀水流差异性溶蚀更不均匀的介质更不均匀的水流进一步的差异性溶蚀 n 上述过程的实质是介质的非均质化过程与水流的集中过程。 n岩溶发展速度划分为三个阶段： 16第3节 岩溶水系统的演变w起起动阶段段 ： 地下水对介质以化学溶蚀作用为主，水流通道比较狭小，地下水几乎没有机械搬运能力
7、，岩溶发展比较缓慢。 随着水流越来越集中的正反馈机制的加强，岩溶演化加快。当主体通道的宽度达到550mm时，紊流开始出现，地下水开始具有一定机械搬运能力，岩溶演化便进入快速发展阶段。17第3节 岩溶水系统的演变18第3节 岩溶水系统的演变w快速发展阶段快速发展阶段 ： n地下水流对介质的改造由化学溶蚀变为机械侵蚀与化学溶蚀共存，机械侵蚀变得愈益重要。 n地下出现各种规模的洞穴。 n地表形成溶斗及落水洞，并以它们为中心形成各种规模的洼地，差异集降水。 n随着介质导水能力迅速提高，地下水位总体下降，新的地下水面以上洞穴干涸，失去进一步发展的动力。 19第3节 岩溶水系统的演变n通道争夺水流的竞争变
8、得更加剧烈。 n不同地下河系发生袭夺，地下河系不断归并，流域不断扩大。 w停滞衰亡停滞衰亡阶段段 w 随着地下水位的总体下降和水力坡度的逐渐降低，地下水的溶蚀能力逐渐降低甚至消失，岩溶发育呈停滞状态。20第3节 岩溶水系统的演变n结果结果 1 1、介质改造愈强烈，机械破坏也愈强、介质改造愈强烈，机械破坏也愈强2 2、介质改造后，地下岩体中出现各种规模洞穴、介质改造后，地下岩体中出现各种规模洞穴3 3、地地表表形形成成溶溶斗斗，落落水水洞洞以以及及各各种种规规模模的的洼洼地地，汇汇集降水集降水4 4、介介质质导导水水能能力力增增加加，地地下下水水位位总总体体下下降降，水水面面以以上岩体或洞穴失去
9、进一步发展的水动力条件上岩体或洞穴失去进一步发展的水动力条件5 5、地地下下河河系系发发生生袭袭夺夺，河河系系归归并并，地地下下河河系系的的流流域域不断扩大不断扩大第3节 岩溶水系统的演变22第3节 岩溶水系统的演变地下水流动系统与岩溶发育的空间特征地下水流动系统与岩溶发育的空间特征 n处于同一气候条件下构造开启程度不同的岩溶含水系统可能由于种种原因地下水径流交替条件不同而具有不同的岩溶发育程度。 n岩溶含水系统在可溶岩之上无隔水层覆盖，有利于按受降水补给与径流排泄，流线最为密集，岩溶最为发育。愈靠近排泄区流线愈密集，岩溶愈发育，排泄区断层附近的流线最为密集，岩溶也最发育。n岩溶含水系统上覆隔
10、水层且断层不导水，除了石灰岩裸露区浅部有短程地下水径流，岩溶有一定发育外，深部地下水不发生径流，无岩溶发育。 Company L岩溶水系统演变过程甲河甲河乙河乙河甲河甲河乙河乙河A) 岩溶发育初期岩溶发育初期 B)局部局部岩溶水岩溶水系统发育阶段系统发育阶段Company L岩溶水系统演变过程乙河乙河甲河甲河乙河乙河甲河甲河乙河乙河C) 岩溶水系统岩溶水系统的袭夺的袭夺 D)统一统一地下河系地下河系的形成的形成26第3节 岩溶水系统的演变27第3节 岩溶水系统的演变28第3节 岩溶水系统的演变29 补给型河谷深岩溶分带及水动力图第3节 岩溶水系统的演变30w排泄型河谷深岩溶分带及水动力图第3节
11、 岩溶水系统的演变31 河谷地下水与岩溶发育第3节 岩溶水系统的演变32 岩溶管道水流地质模型第3节 岩溶水系统的演变33 库区地下水连通试验图示第3节 岩溶水系统的演变34第4节 岩溶水特征 岩溶含水介质的特征 是尺寸不等的空隙构成的多级次空隙系统； n 尺度不等的空隙彼此之间存在着不同程度的水力联系，构成宏观上具有统一水力联系的岩溶含水介质。 35第4节 岩溶水特征36第4节 岩溶水特征 岩溶水运动特征岩溶水运动特征 孤立水流与具有统一地下水面的岩溶含水系统并存 层流与紊流并存 溶洞、暗河中的岩溶水为紊流运动。有压流与无压流交替并存明流与伏流并存 一般具有吸水（接受降水补给）能力、排水（泉
12、和径流）能力强，径流速度大的特点。37第4节 岩溶水特征 岩溶水的补给、排泄与动态岩溶水的补给、排泄与动态 补给来源 大气降水 地表水 邻近含水层地下水 洞穴凝结水 补给方式 直接补给 间接补给38排泄 最大特点是集中排泄 动态 裸露型岩溶潜水：水位变化强烈，且缺乏滞后。 埋藏型岩溶承压 水：动态稳定，受降水影响较小，但有明显的滞后效应。 例如：云南四营煤矿喷水洞暗河，一般雨后12-24小时内流量显著增大，为6214.9 L/S，水位升高，水变混浊，延续2-3天。旱季最小流量为367.5L/S，二者相差16.9倍。第4节 岩溶水特征39第4节 岩溶水特征40第4节 岩溶水特征分带性特征 n水平
13、分带 n垂直分带 岩溶水的径流具有明显的分带性：即带（包气带）、带（水位季节变化带）带（饱水带）和带（深部循环带），如右图示。 水质变化小，矿化度低，但容易受污染41岩溶水的富水特征：岩溶水的富水特征：富水性空间分布极不均匀，具有明显的方向性。水平方向：同一岩溶含水层，水平方向相距几十米甚至几米，富水性的差异为数倍甚至数十倍。例如：广东凡口矿区0m标高中段的坑道中施工两个水平放水孔，相距0.3m，平行钻进壶天群石灰岩中，孔深47m，一个孔出水量50L/S，另一孔出水量0.5 L/S。第4节 岩溶水特征42垂直方向：同一岩溶含水层，垂直方向的富水性很不均一。例如：凡口矿区20m标高以上，富水性强
14、，单位涌水量1.55-5.10L/S.m； 20m标高以下，富水性弱，单位涌水量0.0076L/S.m；岩溶发育朝断裂破碎带的延伸方向时透水性好，垂直岩溶发育方向透水性差。第4节 岩溶水特征43第5节 我国南北方岩溶及岩溶水差异n我国南北方岩溶及岩溶水的差异源于地域性因素的差异性。 岩溶介质差异 岩溶发育程度与形态差异 岩溶泉动态差异 影响南北方岩溶发育及岩溶水系统的因素44以秦岭淮河为界，南、北方岩溶有明显的差异。北方地区：气候干旱少雨，岩溶区的碳酸岩盐成层薄，常夹有泥质、硅质，在构造应力的作用下，形成密 集、短小、均匀的溶隙。此地区以溶隙水为主，分布较均匀，水位埋深大，具有统一的地下水位，
15、动态变化小（如图示）。第5节 我国南北方岩溶及岩溶水差异45太行山山区岩溶水剖面示意图第5节 我国南北方岩溶及岩溶水差异46山西洪洞广胜寺泉流量动态图第5节 我国南北方岩溶及岩溶水差异47南方地区：气候湿热多雨，岩溶区发育有块状厚层纯净碳酸岩， 水中CO2含量高，以溶洞水为主，水量丰富，多集中于溶洞之中，洞之间有溶隙相连，区域上具有统一的地下水位，水动态变幅大。西南地区：第三纪末长期上升，补给区与排泄区的水头差越来越大（水力坡度越来越大），冲蚀作用强烈，发育地下暗河（如下图示），水量丰富，暗河之间连通性差，多不具统一地下水位，水动态受降水影响易产生暴涨暴落。第5节 我国南北方岩溶及岩溶水差异4
16、8第5节 我国南北方岩溶及岩溶水差异49第5节 我国南北方岩溶及岩溶水差异50第5节 我国南北方岩溶及岩溶水差异51第5节 我国南北方岩溶及岩溶水差异52岩溶落水洞53地下暗河-本溪水洞54岩溶水分布岩溶水分布55岩溶水的垂直分带岩溶水的垂直分带56岩溶水的特征岩溶水的特征1. 水量丰富但分布不均一；水量丰富但分布不均一； 2潜水、承压水并存；潜水、承压水并存； 3各方向水力联系有很大差异；各方向水力联系有很大差异； 4补给主要来自于大气降雨入渗、地表水入补给主要来自于大气降雨入渗、地表水入渗；排泄以集中排泄为主；渗；排泄以集中排泄为主； 5地下水动态变化很大；地下水动态变化很大； 6岩溶水本身就是改造赋存环境的动力；岩溶水本身就是改造赋存环境的动力； 7. 岩溶水水质较好但极易受污染。岩溶水水质较好但极易受污染。57
