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1、1,水文地质学基础,General Hydrogeology,-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,岩溶对大多数人来说都不陌生，岩溶现象对许多人来说是很神密的（含部分专业人员），岩溶现象的壮观奇特，岩溶水的神出鬼末，有着积极的一面：济南泉城世界著名：蕴育滋养了该城文明与发展山西自北向南沿太行山脉的名泉：晋祠泉，娘子关泉，洪山泉，郭庄泉，广胜寺胜泉，龙子祠泉，是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,烟
2、雨漓江,塔山,象鼻山,岩溶水的奇特又使人无可耐何消积不利,华北的大多数煤层，下伏O2灰岩水承压水头之高，带来开采风险巨大云南、广西、贵州省岩溶山区，缺水严重，阻碍发展，生活赤贫现象岩溶区的库水渗漏，处理困难在基本建设中，地下施工，燧道施工困难重重,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
3、发育的基本条件,基本条件 岩石的可溶性 岩石的透水性 水的溶蚀性 水的流动性,碳酸盐岩：灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩、白云岩；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,水中碳酸平衡：H2CO3,HCO3-CO32-,CO2,CO2(eq),H2O,H2CO3,HCO3-,H+,CO32-,Ca2+,HCO3-,第一条途径：水与气,第二条途径：水与固,12.1 岩溶发育的基本条件,在上述模式中：第一条途径（水与气）增加 H+第二条途径则产生 CO32-结果：增加 Ca2+HCO3-CO2的参与是岩溶
4、发育的另一重要前提，也是影响因素之 CO2来源：浅层大气与土壤层，深部来源尚无定论4.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其作用：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 构造作用 控制构造裂隙的发育而影响可溶岩透水性 控制水的汇集与主要通路而影响地下水流动 气候 总体决定着一个区域的植被与土壤，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
5、节 岩溶水系统的演变,地下水对介质的改造 岩溶演化的正反馈过程 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 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。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,起动阶段：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，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,快速发展阶段
6、：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。地下出现各种规模的洞穴。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。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,通道争夺水流的竞争变得更加剧烈。不同地下河系发生袭夺，地下河系不断归并，流域不断扩大。停滞衰亡阶段 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,结果 1、介质改造愈强烈，机械破坏也愈强2、介质改造后，地下岩体中出
7、现各种规模洞穴3、地表形成溶斗，落水洞以及各种规模的洼地，汇集降水4、介质导水能力增加，地下水位总体下降，水面以上岩体或洞穴失去进一步发展的水动力条件5、地下河系发生袭夺，河系归并，地下河系的流域不断扩大,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 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。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。岩溶含水系统
8、上覆隔水层且断层不导水，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。,岩溶水系统演变过程,与介质改造同步四个过程1、岩溶发育初期流动系统2、局部岩溶水系统形成3、岩溶水系统的袭夺4、统一的地下水河系的形成发育：垂直落水洞，溶斗，过水溶洞（无水）常年有水地下河道,演变过程图示,Company Logo,岩溶水系统演变过程,甲河,乙河,甲河,乙河,A)岩溶发育初期 B)局部岩溶水系统发育阶段,Company Logo,岩溶水系统演变过程,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
9、溶分带及水动力图,第3节 岩溶水系统的演变,30,排泄型河谷深岩溶分带及水动力图,第3节 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；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 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
10、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 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
11、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 水平分带 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：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
12、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，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,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
13、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，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
14、，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,48,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,55,岩溶水的垂直分带,56,岩溶水的特征,1.水量丰富但分布不均一；2潜水、承压水并存；3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、地表水入渗；排泄以集中排泄为主；5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；7.岩溶水水质较好但极易受污染。,57,
