岩溶水的特征

第五章

岩溶水

第一节

岩溶水的循环第二节

岩溶水的基本特征与分类

第三节

岩溶含水层的分类

第四节岩溶水资源的估算第一节

岩溶水的循环

一、岩溶水循环的基本模式

岩溶水的循环过程，主要由水的输入、岩体内的蓄存、运移和水的输出三大部分组成。

附属系统指的是循环体内地下水与地表水相互转化的水流。这是理想化的概化图，实际上，每个地区的岩溶水循环系统都与其本身的边界条件、岩溶地貌以及水动力条件等多种因素相关，各自的循环体结构是有所不同的。一般在厚层块状石灰岩、白云岩地区，补给、径流、排泄条件有利时，可能存在完整的岩溶水循环系统。

渗入

排泄

二、岩溶水循环系统分析

在岩溶水循环系统分析中，把渗入、运移与蓄存、排泄，分别相应称为输入函数e(t)、传递函数z(t)（或叫系统特征函数）、输出函数s(t)。三者之间的关系如下：

激励

响应

e(t)

s(t)

动量反应

一次降水过程的有效渗入，对循环系统产生一次激励过程，通过循环体的动量反应，输出相应的流量过程，就显示出一次响应过程。动量反应取决于降雨因素和循环体的系统特征，具体为：降雨强度、持续时间、分布；含水层的空间结构、构造、渗透性（岩溶发育强度）等。整个循环系统就是把雨量过程图，通过含水层的动量反应，转换为流量过程图。

三、岩溶水循环的动力特征

1．循环系统的调蓄能力

当在一段时间内，无大气降水有效渗入补给，但在输出端仍有流量消耗时，表明以前的输入量对流量起着滞缓调节释放作用，这个时期水的动态就称为消耗期水动态。如果这种状况持续时间较长，说明系统的调蓄能力较强。当一段时间内，有大气降水有效渗入补给时，流量、水位回升，这个时期水的动态就称为补给期水动态。

2．水动力分带

岩溶区存在着四个水动力带：充气带、季节变动带、完全饱水带和深饱水带。前二者水动态呈不稳定状态，水流性质多呈重力梯度流；后两者的动态较稳定，多呈压力梯度流。在不同地区，这四个水动力带的优势和组合是有差异的，如在峰林、峰丛地区，充气带和季节变动带比较深厚，在岩溶平原则很薄。3．水动力分带的意义

在严重缺水的岩溶山区，建立地下水库，其目的就是滞蓄洪水期季节变动带中的水资源，增加饱水带厚度，使更多的地下水得以改造、利用。

四、岩溶水循环中的水位

岩溶区地下水位的研究很重要，如找水、开发利用水资源深度和范围、防渗工程等都要详细查明地下水位高程。从理论上来说，对于地下水是可以确定流网和流场的。但是，由于岩溶发育的不均匀性，有的是无法勾画等水位线图的，如垂直循环带巨厚、排水基准面很深、构造断裂纵横、岩相变化剧烈、多跌水，很难形成区域性的统一流场。然而，在临近排水基准面附近的岩溶平原或开阔的大谷地，岩溶发育均匀，各向渗透性均等，水力联系好，一般都存在统一流场，可勾画出等水位线图。

五、岩溶水的循环速度

岩溶水的循环速度(V)是指岩溶循环体内的水流速度。即由输入端通过循环体至输出端的流程(L)与循环系统反应时间(τ)的比值：

V=L/τ

这个概念里也包含了两个效应：粘滞效应和加速度效应，主要是由于介质糙率和水力坡度不同引起的。循环速度可通过示踪剂连通试验测得，示踪剂的类型很多，如萤光红、食盐和放射性元素。岩溶水的循环速度变化范围较大，我国广西、云南、贵州岩溶区，枯水期、平水期和洪水期的流速一般分别为每秒0.1~0.2、0.2~0.5和0.5~1.5米，有的洪水期可达到2米/秒。

第二节

岩溶水的基本特征与分类

一、岩溶水的基本特征1．空间分布的不均匀性

主要归因于含水介质的结构、构造在三度空间上的非均质性和渗透性的各向异性，形成溶蚀优势方向的岩溶发育强于其他方向。如洞穴或管道发育方向，就代表溶蚀优势方向，这个方向的渗透性比原生孔隙大100万倍，比溶蚀扩大的节理和层面大100倍。

以各向异性系数来表示空间的不均匀性，即：（公式）

Kx、Ky、Kz分别代表三个主轴轴向的渗透性。

或图

含水层性质的均匀性和不均匀性

2．时间动态的不稳定性（1）流量随时间动态的不稳定性a.降雨有效渗入量与岩溶含水层系统内的调蓄能力之间的不相容性，是时间动态不稳定性的根本原因。不相容性的程度决定了不稳定性的程度，循环系统反应时间越短，动态越不稳定。b.时间动态的不稳定性不仅表现在补给期动态上，而且还反应在消耗期动态上。c.用调节系数γ（或称非稳定系数）表示时间动态的不稳定性：

Qmax表示t时间最大流量，Qmin表示t1时间最小流量。按时间区分，分为多年、年、季等调节系数，一般用年调节系数的较多。峰林、峰丛岩溶区的地下河出口流量年调节系数正常值为50~200，岩溶泉的年γ值较小，岩溶平原或开阔谷地的γ值为1.5~5。

表15岩溶水流量动态稳定性程度

（2）水位随时间动态的不稳定性用水位变幅表示：Δh=hmax-hmin峰林、峰丛岩溶区的Δh正常值为20~30米，最大达80~100米，甚至超过100米。平原或开阔谷地的Δh值为1~5米，或5~10米。表16岩溶水水位动态稳定性程度

（3）水质时间动态的不稳定性水质动态变化，取决于岩溶水的化学元素迁移和交换的时空规律，主要取决于下列因素：a.流程边界地层岩性；b.岩溶水流量、水温、压力的变化；c.地下水开采引起的水质动态变化。a和c属于环境地质研究的范畴。在一定的水文地质边界条件下，当流量增加的速度比溶解（即离子交换和迁移）速度快时，就会出现离子浓度随流量增加而减小的规律。美国学者R.P.Betson提出了一个水质数学模式，即：

a、b为系数，Q表示排泄流量，DA表示补给面积。

滨海岩溶水水质动态变化，主要取决于淡水和咸水界面的波动，即接触深度。因此，抽水应克制在水质标准范围内，即允许开采降深范围内。

3．流态多变性

判断地下水流态的方法，一般都应用水力学中的雷诺数或临界渗透速度。一般可分为层流、紊流、过渡流三种：紊流流量与管道直径、水力坡度之间的关系式为：

式中，Q—流量；a—横断面面积；d—管道直径；f—摩擦系数；d—重力加速度；—水力坡度。表明：紊流区，流量的平方与水力坡度成正比。

层流流量与管道直径、水力坡度之间的关系式为：

ρ—水的密度，μ—动力粘滞系数。表明：流量与水力坡度成正比。

在岩溶水分布相对均匀，水力联系比较好的岩溶平原或开阔谷地，可以用渗流定律直接判断流态：层流：

紊流：

过渡流：

K—渗透系数；I—水力坡度；V—流速；W—过流断面；m—流态指数，取值1.0~2.0。

4．地下水与地表水相互转化的敏捷性

根据转化的特点和边界条件，可归纳为季节型、伏流型（或渗漏型）、阻隔型三种基本类型。（1）季节转化型单向转化：洪水期时，甲地下河溢流，以地表河形式排向邻近地表河乙；枯水期时，甲地下河仍向乙地表河排泄。循环转化：洪水期时，甲地下河溢流，以地表河形式排向邻近地表河乙；枯水期时，乙地表河却向甲地下河补偿。（2）伏流转化型（或渗漏型）地表水流进入岩溶化岩体内成暗流，在岩体另一端又重现为明流，简称伏流。在岩溶发育区，伏流转化类型很常见。

（3）阻隔转化型在岩溶地下水流动过程中，遇到隔水岩组时，被顶托溢流成地表河，称阻隔转化型。在岩溶发育的不同部位，不同时间，经常出现上面三种转化关系的组合。5．地表分水岭与地下分水岭的不一致

二、岩溶水的分类

岩溶水的分类方法，到目前都没有一个统一的标准和原则。根据国内外的文献资料，概括为以下几种分类方法：（1）按循环系统特征分：扩散流和管道流。包括：隙流、脉流、网流、管道流；裂隙水、溶洞水、地下河；蓄存岩溶水、运移岩溶水；扩散补给水、离散补给水等。（2）按水的运动带分：充气带水、季节变动带水、饱水带水。（3）按水流水力学性质分：自由流和限制流，包括承压水、非承压水（或上升泉、下降泉）。（4）按水文地质结构分：断裂带水、层间水、接触带水、裂隙水。（5）按水文地质勘察类型分：裸露型、覆盖型、隐伏型。

1．岩溶水的水文学分类

第一水文显示类型：流量、水位起涨猛、跌落快、峰值陡，雨量、流量峰值之间的滞后时间短，流量非稳定系数大。对应的是管道流岩溶水类型，代表的是地下河或洞流系统中迅速流动的岩溶水。

第二水文显示类型：与第一类水文显示相反。反映为扩散流岩溶水类型，代表裂隙—孔隙系统特征的迟缓渗流。

第三水文显示类型：界于第一类与第二类水文显示之间。反映为混合流类型，既有管道流，又有扩散流的特征，只是二者之间的比例程度有差异。水文过程线是两种水流的叠加过程线。

岩溶水循环系统渗入、储存、运移、排泄示意图

渗流关系图

水文图

第一水文显示类型第二水文显示类型第三水文显示类型

2．岩溶水的水力学性质分类

（1）有压流（限制流）取决于两个条件：水头压力差的存在、隔水顶板的存在。压力流的状态取决于流场的压力梯度。当两种岩层的透水性差别较大时，强透水层中的流线趋于与相对隔水层平行，等势线与它接近正交。在弱透水层中，流线与岩层界面趋于垂直，等势线趋向于同岩层界面平行。从岩溶水水动力角度看，饱水带中的虹吸管流，就是沿通道的压力梯度流；季节变动带中的洪水期，多呈局部压力流状态；包气带中一般以垂向重力梯度流和无压流居多。（2）无压流无压流具有自由水面，水流以重力流为主，如下降泉。3．岩溶水的水文地质和岩溶地貌分类

（1）按岩溶水蓄存、运移和岩体地质构造性质可分为：①层间岩溶水：发育于岩溶岩层与非岩溶岩层相间地区，水多为侧向流动，具有压力流的性质。②断层带岩溶水：发育于断层破碎带，水的流向受断裂带延伸方向控制，局部受地貌影响。③裂隙岩溶水：富集于裂隙密集带中的地下水，流量小，但动态较稳定；④接触带岩溶水：一般在接触带上有利的汇水条件下岩溶较发育地段，富水条件好，多为大泉和地下河的出口。①、②、④部位往往是找水方向。

（2）按供水水文地质勘察类型可分为：裸露型、覆盖型、隐伏型（3）按岩溶水出露地貌部位及其与侵蚀基面的空间关系可分为：

高层水：高于排水基面，形成高栖地下水，随季节变化，时间动态不稳定。中层水：临近基面，相当于水平循环带部位，动态较稳定。低层水：基面以下，界于水平循环带与深部循环带之间，动态稳定。深层水：深饱水带水，动态极稳定，具有一定压力梯度流性质。

第三节

岩溶含水层的分类

基本概念：具有一定厚度、区域延伸范围、蓄水能力和导水能力及供井出水量的可能性的蓄水层。如果含水层与岩层一致，该岩层即为含水层；如果不一致，跨层位，称含水层系统。一、岩溶含水层的分类（1）高层、中层、浅层、深层含水层；（2）承压含水层（压力流）、自由流含水层（无压流）；（3）强、中、弱富水含水层；（4）扩散流含水层、管道流含水层。一般来说，在含水层的前面要加上地层代号或岩性说明。二、岩溶含水层的主要参数1．厚度以基流为界面，上部称调节含水层厚度，可通过季节变动带水位变幅△h确定；下部称稳定含水层厚度，可借助于勘探手段揭露。确定稳定含水层厚度，可利用下面两个参数：

2．其他参数

（1）孔隙度（或岩溶率）

Vr——水位变动带内的岩溶水储量（升）；Vs——水位变动带内的岩溶化岩体的体积（升）。（2）渗透系数（或渗透性K）：表示地下水运移的速度，可通过连通试验或抽水试验取得。

（3）贮水系数（S）：表示每单位水头变化△h，含水层的每单位平面面积（F）的储水量

（W）。

（4）传导系数（T）：单位含水层厚度△h的渗透速度。

（5）给水度（μ）：表示单位补给面积（F）上，水位变化△h时，含水层排出（或通过）的储量（W）。

在岩溶水中，孔隙度、贮水系数、给水度概念接近，数值相等，一般用岩溶率代替贮水系数与给水度。

第四节岩溶水资源的估算一、岩溶水资源的基本概念与分类二、岩溶水资源估算的基本方法1．水文分析法（1）消耗期动态法（2）有效渗入系数法（3）径流模数法（4）基流分割法2．回归分析法3．概率论法4．抽水实验法第五节岩溶水特征5.1岩溶地下水赋存方式5.2岩溶地下水径流特征5.3均匀状纯可溶岩的河谷岩溶地下水垂直分带5.4均匀状纯可溶岩的河谷岩溶水动力类型5.5岩溶地下水位5.6岩溶地区河流分类5.7岩溶地下水动态

1岩溶地下水赋存形式地下水赋存条件：是指地下水埋藏深度、分布范围、含水层的类型、含水构造特点等条件。查明地下水的赋存条件包括：含水层的层数、分布的位置和深度,地下水的类型(潜水、承压水、孔隙水、裂隙水、岩溶水),以及含水层受何种构造控制等。（1）裂隙水（2）溶蚀裂隙水（3）岩溶管道水（4）溶洞水

岩溶地下水的赋存形式5.2岩溶地下水径流特征1.系统性

5.2岩溶地下水径流特征2.孤立性

5.2岩溶地下水径流特征2.孤立性

5.2岩溶地下水径流特征3.悬托性

悬托性（1）非可溶岩造成的悬托非可溶岩不仅可造成地表水悬托，形成河水补给地下水的悬托，还可以造成地下水悬托，形成高位岩溶泉。

悬托性（2）弱可溶岩形成的悬托

悬托性（3）岩溶发育不均匀性造成的悬托，即可岩溶不透水岩体造成的悬托

悬托性（4）可岩溶不透水岩体与弱透水覆盖层共同形成的悬托5.2岩溶地下水径流特征4.变迁性（1）非可溶岩隔水作用产生或失去引起的变迁（2）当地排泄基准面变化引起的变迁（3）异地排泄基准面引起的变迁

变迁性（1）非可溶岩隔水作用产生或失去引起的变迁

变迁性（1）非可溶岩隔水作用产生或失去引起的变迁

变迁性（2）当地排泄基准面变化引起的变迁排泄基准面下降引起的变迁

变迁性（2）当地排泄基准面变化引起的变迁物理地质作用引起的变迁

变迁性（2）当地排泄基准面变化引起的变迁

在特定的地质条件下，由于河流溯源侵蚀作用跟不上地壳上升速度形成裂点；支流入注干流，由于侵蚀作用的差异形成悬谷。