西南巖溶山地石漠化生態(tài)脆弱區(qū)水文地質(zhì)工作方法——以貴州為例

楊光照

?

西南巖溶山地石漠化生態(tài)脆弱區(qū)水文地質(zhì)工作方法——以貴州為例

楊光照

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局一總隊，貴陽 550001）

我國是世界上生態(tài)脆弱區(qū)分布面積最大、脆弱生態(tài)類型最多、生態(tài)脆弱性表現(xiàn)最明顯的國家之一。而貴州地處我國西南地區(qū)是西南巖溶山地石漠化生態(tài)脆弱區(qū)的核心區(qū)，地質(zhì)環(huán)境脆弱，生態(tài)承載力低。在這樣的區(qū)域內(nèi)完成水文地質(zhì)工作需依據(jù)水文地質(zhì)模式，采取諸多特殊的均有針對性的工作方法，在對環(huán)境影響最小的情況下查清區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件。

水文地質(zhì)；石漠化；工作方法；西南巖溶山地

1 生態(tài)脆弱區(qū)概述

生態(tài)脆弱區(qū)也稱生態(tài)交錯區(qū)(Ecotone)，是指兩種不同類型的生態(tài)系統(tǒng)的交界過度區(qū)域，我國是世界上生態(tài)脆弱區(qū)分布面積最大、脆弱生態(tài)類型最多、生態(tài)脆弱性表現(xiàn)最明顯的國家之一。

圖1 中國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)空間分布圖[2]。

(1)古爾班通古特沙漠邊緣; (2)塔克拉瑪干沙漠邊緣; (3)黑河流域中下游; (4)騰格里與烏蘭布和沙漠邊緣; (5)毛烏素沙地; (6)陰山北麓-渾善達克沙地; (7)科爾沁沙地; (8)呼倫貝爾沙地; (9)橫斷山; (10)黃土高原丘陵溝壑區(qū); (11)三峽庫區(qū); (12)大別山; (13)羅霄山; (14)黃山; (15)仙霞嶺-武夷山; (16)天山; (17)西南喀斯特地區(qū); (18)羌塘高原西部。

1.1 我國生態(tài)脆弱區(qū)的劃分

20世紀(jì)80年代, 國內(nèi)開始出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的基礎(chǔ)判定研究[1]。直至近幾十年受到全球氣候變化的影響, 年降水量、地下水位、植被覆蓋度等評價指標(biāo)不斷發(fā)生變化, 脆弱生態(tài)環(huán)境的定義及分布范圍也相應(yīng)發(fā)生一定程度的變化。近年根據(jù)自然生態(tài)系統(tǒng)開展的生態(tài)敏感性和脆弱性評價識別出生態(tài)脆弱區(qū)[2], 并進行統(tǒng)一區(qū)劃。環(huán)境保護部2008年印發(fā)的《全國生態(tài)脆弱區(qū)保護規(guī)劃綱要》以生態(tài)交錯帶為主體, 確定了8個生態(tài)脆弱區(qū): 東北林草交錯生態(tài)脆弱區(qū)、北方農(nóng)牧交錯生態(tài)脆弱區(qū)、西北荒漠綠洲交接生態(tài)脆弱區(qū)、南方紅壤丘陵山地生態(tài)脆弱區(qū)、西南巖溶山地石漠化生態(tài)脆弱區(qū)、西南山地農(nóng)牧交錯生態(tài)脆弱區(qū)、青藏高原復(fù)合侵蝕生態(tài)脆弱區(qū)、沿海水陸交接帶生態(tài)脆弱區(qū)。

劉軍會等在2015《中國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)范圍界定》一文中將生態(tài)脆弱區(qū)劃分為土地沙化區(qū)、土壤侵蝕區(qū)、石漠化區(qū)、凍融侵蝕區(qū)四個區(qū)

1.2 西南巖溶山地石漠化生態(tài)脆弱區(qū)水文地質(zhì)特征

西南巖溶山地石漠化生態(tài)脆弱區(qū)，以貴州為典型代表，這一區(qū)域巖溶發(fā)育強烈，巖溶石山地區(qū)地下水資源豐富。但受到地質(zhì)構(gòu)造及可溶性巖層多的化學(xué)成分，巖性結(jié)構(gòu)的影響，巖溶地下水具有一定的分布規(guī)律但又具有一定的各向異性表現(xiàn)出不同的水文地質(zhì)特征。

貴州省內(nèi)主要河流集中在西部地帶，受到挽近構(gòu)造運動的影響貴州高原呈西部向上抬升的形態(tài)，導(dǎo)致河流下切加速，溯源侵蝕強烈。貴州山區(qū)水文地質(zhì)工作規(guī)律受地質(zhì)構(gòu)造的控制明顯，從空間上可將水文地質(zhì)特征分為裸露型（表層帶巖溶），淺部構(gòu)造控制覆蓋型，深層埋藏型（古巖溶）。

1）裸露型（表層帶巖溶）：裸露型巖溶即表層帶巖溶，一般在地下水集中匯流的徑流、排泄區(qū)或厚層石灰?guī)r分布的峰叢洼地區(qū)域最常發(fā)育，其形態(tài)特征表現(xiàn)為溶溝、溶槽、溶孔溶隙等。水平方向具有連通性。產(chǎn)狀組合一般較為平緩，水力聯(lián)系強受到季節(jié)影響大。裸露型巖溶在水平方向表現(xiàn)出節(jié)理和層面相交形成交線控制的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，在垂直方向表現(xiàn)為淺部開口深部尖滅的特征。石灰?guī)r表現(xiàn)為X型節(jié)理網(wǎng)格，白云巖表現(xiàn)為連續(xù)的溶孔溶隙形態(tài)。

2）淺部構(gòu)造控制覆蓋型：此類型受到淺部控制的的巖溶其空間特征表現(xiàn)為巖地下水流方向延伸，溶蝕方向受到淺部地質(zhì)構(gòu)造影響相對明顯。其中褶皺和斷層對巖溶發(fā)育的控制尤為明顯，褶皺控制其發(fā)育的平面分布規(guī)律，斷裂和節(jié)理控制其發(fā)育的空間位置。在貴州山區(qū)產(chǎn)狀較為平緩，石灰?guī)r分布面積較大的地區(qū)巖溶較為發(fā)育，如黔南地區(qū)的王司背斜此類寬緩背斜地層均為石炭系和二疊系石灰?guī)r多發(fā)育地下河系統(tǒng)。而白云巖分布區(qū)則表現(xiàn)為小型的溶孔裂隙組合，局部形成較大型的含水空間，如黔北的隆崗槽谷區(qū)。

3）深層埋藏型（古巖溶）：深層埋藏型巖溶在空間上表現(xiàn)為地層埋深大，地表出露少，具有良好的覆蓋層及上部隔水條件，為隱伏型巖溶。古侵蝕面保存良好，巖溶發(fā)育以較大的孔隙和通道為主，地下水動態(tài)特征較穩(wěn)定，賦存量大。貴州古巖溶發(fā)育一般以二疊系中統(tǒng)茅口組（P2）及震旦系燈影組（Z）、寒武系中上統(tǒng)局部地層也有發(fā)育。而二疊系中統(tǒng)茅口組（P2）為在貴州分布最為廣泛、特征最為明顯的石灰?guī)r地層，古茅口期地貌主要分布在貴州中西部以六盤水地區(qū)最為突出，埋深一般大于100m，東南部大部分剝蝕，局部埋深較淺。

圖2 貴州山區(qū)茅口組古巖溶分布圖[3]

Ⅰ. 巖溶臺地 Ⅱ. 巖溶斜坡 Ⅲ.巖溶盆地

2 水文地質(zhì)工作方法

貴州省在20世紀(jì)70年代至80年代初期已經(jīng)基本完成了全省1∶20萬水文地質(zhì)普查，從區(qū)域上查明全省的水文地質(zhì)條件，進入21世紀(jì)后完成了21個四級流域1∶5萬地下水調(diào)查。2007~2016年施工機井3 000余口，機井總涌水量大于10×105m3/d取得了顯著地社會效益，總結(jié)了諸多寶貴經(jīng)驗。

2.1 表層巖溶區(qū)

表層巖溶區(qū)水文地質(zhì)工作以地表工作為主，收集已有資料綜合研究為輔，在地表工作中遙感設(shè)備的應(yīng)用起到了事半功倍的效果，遙感技術(shù)在水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)工作中的應(yīng)用作用巨大。

1）收集已有資料，按照中國地調(diào)局《空間數(shù)據(jù)工作指南》和《數(shù)字化地質(zhì)圖層及屬性文件格式》要求收集整理相關(guān)資料。相關(guān)的水文地質(zhì)資料應(yīng)該以全省的1∶20萬及部分1∶5萬水文地質(zhì)勘查成果為基礎(chǔ)，結(jié)合專門性勘查的成果資料進行綜合論證分析。

2）水文地質(zhì)調(diào)繪，按1∶20萬精度進行，局部區(qū)域按照實際需要可調(diào)整為1∶5萬精度。區(qū)域調(diào)繪一般按照一般、重點、典型相結(jié)合的方式進行，目的在于查明地表巖溶形態(tài)的空間分布特征，地表水的空間分布特征，初步查清地表水和地下水系統(tǒng)的聯(lián)系及轉(zhuǎn)換關(guān)系。

3）巖土樣分析，確定巖溶發(fā)育特征，了解巖溶石山地區(qū)“水、土、生、石”循環(huán)系統(tǒng)中起到重要作用。

巖、土樣采取自對發(fā)育巖溶水文地質(zhì)單元有控制作用的具有典型結(jié)構(gòu)的石灰?guī)r或互層地區(qū)，測試分析化學(xué)成分對表征結(jié)構(gòu)進行鑒定，以配合水文地質(zhì)調(diào)查評價巖溶發(fā)育程度和富水規(guī)律等。

4）遙感技術(shù)，在貴州山區(qū)巖溶調(diào)查中遙感技術(shù)的運用也是非常廣泛，遙感技術(shù)應(yīng)用內(nèi)容主要包括對巖溶地下水發(fā)育相關(guān)的水文地質(zhì)單元和系統(tǒng)的劃分，巖溶地貌的劃分，地下河和巖溶大泉流域的確定，白云巖和石灰?guī)r的劃分石漠化的分布和分級確定等方面。

2.2 覆蓋型巖溶區(qū)

覆蓋型巖溶由于其空間分布特征，地表及遙感調(diào)查無法將其直觀的顯示。在這樣的條件下，鉆探、地球物理勘查就成為了對覆蓋型巖溶水文地質(zhì)勘查的主要方法，而地下水循環(huán)系統(tǒng)勘查則最常應(yīng)用示蹤法配合地表水文調(diào)查進行。

1）示蹤法，已有了百余年的歷史，此法在解決巖溶水文地質(zhì)問題方面具有獨特的優(yōu)勢，并且簡單易行。示蹤法在定位地下水流和地下水系統(tǒng)終端、圈定地下水盆地，評價地下水的速度污染等方面運用廣泛，示蹤法分為人工示蹤法和天然示蹤法兩種。

A、人工示蹤法，是在流體中添加人工示蹤劑的簡單方法，示蹤劑一般為染料、放射性物質(zhì)，鹽。上世紀(jì)60年代到上世紀(jì)末，貴州山區(qū)人工示蹤采用的均為最簡單有效且經(jīng)濟實用的投鹽方式，將鹽作為人工示蹤劑，21世紀(jì)后應(yīng)用較為廣泛的示蹤劑一般是熒光材料，這種方式可以直接用肉眼進行觀測。還有一種有效的示蹤方式是利用噬菌體作為地表水和地下水的人造示蹤劑，這種示蹤方式由來已久，這種法式通常用于對熒光示蹤的結(jié)果比較。

B、天然示蹤法：天然示蹤包括了液體中的離子、環(huán)境同位素溫度和導(dǎo)電率等。其中環(huán)境同位素是一個最為理想的示蹤劑，可以用來確定巖溶地區(qū)地表水和地下水之間的關(guān)聯(lián)，得出水流的平均運移時間和其運移時間分布。

2）地球物理法，服從于巖溶水文地質(zhì)調(diào)查的需要，對地表調(diào)查難于確定的隱伏巖溶帶，含水層和儲水構(gòu)造進行探查。尤其是可以有效的利用地下水開采資源潛力進行評價，對開采前景好的地下河、儲水構(gòu)造、帶狀水帶等效果較好。

A、電法：電法勘探已經(jīng)廣泛的運用于水文地質(zhì)工程地質(zhì)工作中，電法涵蓋了自然電位法以及電阻率和地面電導(dǎo)率法等，通常幾種方法是可以交叉使用，可以用來確定基巖走向、地下水通道，確定流量和流速。

自然電位法是一種對流體運動而不是對流體運動本身產(chǎn)生響應(yīng)的物探方法，是由環(huán)境直流地面形成的天然電壓，流體通過土壤和巖性界面的擴散，地下化學(xué)和溫度梯度、水流過孔隙、裂隙和巖溶洞穴時形成的動電效應(yīng)，對導(dǎo)水性識別效果明顯，可示蹤法提供可靠的監(jiān)測點。

電磁法常用做查明構(gòu)造發(fā)育情況和含水層分布形態(tài)，常有的方法有CSAMT聲控音頻大地電測測探和大地電場巖性探測兩種。

CSAMT聲控音頻大地電測測探（V8）：原理是將大地看作水平介質(zhì)，大地電磁場是垂直投射到地下的平面電磁波，在地面可觀測到相互正交的電磁場分量，通過測量正交電場和磁場分量可以確定介質(zhì)的卡尼亞電阻率值。在水工環(huán)地質(zhì)工作中初步確定的靶區(qū)內(nèi)，垂直于斷裂構(gòu)造布置探測剖面，不同的巖層、斷層破碎帶、地下水富集帶因巖性組合和物性差異具有不同的電阻率，能大致確定斷裂構(gòu)造的形態(tài)分布和地下水富集區(qū)位置。

大地電場巖性探測是基于太陽輻射的質(zhì)子和電子形成的離子流于大地電場碰撞，垂直方向穿越地層反射回地表，帶回不同地層的異性電磁波，通過電磁波判斷巖性界面、斷層、含水層等，通過探測結(jié)合CSAMT聲控音頻大地電測測探進一步確定含水層巖性組合和富水區(qū)位置。

以上兩種方法在西南巖溶山區(qū)應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于深部地?zé)崴目辈椋诖_定含水層、儲層、導(dǎo)水空間上經(jīng)過了諸多驗證，成果可靠。

B、地震法：地震法在巖溶山區(qū)的應(yīng)用多種多樣，如管液地震測量、平行波地震測量、層面波地震法測量，多層地震測量、PSV法測量等，如塌陷或溶解作用產(chǎn)生的地下空間探測和圈定含水和飽水區(qū)及地下河道應(yīng)用中如蓋層厚度在10m內(nèi)應(yīng)用地震法效果最優(yōu)。

C、測井法：測井法分為常規(guī)測井、混合測井和特定測井方法，在探測硬質(zhì)巖裂隙方面一般認(rèn)為測井法效果最優(yōu)，但如測井法和其他方法結(jié)合使用可大大提高可靠性。

3 水文地質(zhì)工作中的問題探討

3.1 水文地質(zhì)單元邊界確定

貴州喀斯特區(qū)范圍經(jīng)歷了多次的構(gòu)造抬升，巖溶形態(tài)多種多樣，受構(gòu)造影響強烈，無論是平面范圍的邊界還是垂直分帶的邊界都存在很多不確定性。巖溶水系統(tǒng)無法確定邊界對整個系統(tǒng)的徑流、排泄、補給單元確定造成較大影響，對巖溶水水資源計算的結(jié)果和精度均會帶來影響，這些問題都應(yīng)通過詳實多樣的水文地質(zhì)工作補充查明，也是本區(qū)水文地質(zhì)工作的重點。

3.2 地下巖溶空間的探測

由于巖溶介質(zhì)在空間上的各向異性，在巖溶區(qū)水文地質(zhì)工作中，查明地下巖溶空間是投入工作最大，耗費人力、物力最多的一項工作，但效果并不理想。未來巖溶空間的探測應(yīng)該是多種方法結(jié)合，聯(lián)合公關(guān)的方向，通過整體到局部的戰(zhàn)略依次查清。

[1] Niu WY (牛文元) (1989) The discriminatory index with regard to the weakness, overlapness, and breadth of ecotone. Acta Ecologica Sinica(生態(tài)學(xué)報), 9, 97-105. (in Chinese with English abstract)

[2] 劉軍會, 鄒長新, 高吉喜, 馬蘇, 王文杰, 吳坤, 劉洋. 中國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)范圍界定[J]. 生物多樣性，2015，23(6): 725-732

[3] 王明章，等.. 貴州省巖溶區(qū)地下水與地質(zhì)環(huán)境［M］. 地質(zhì)出版社，2015.

[4] 鄭萬模, 魏倫武. 西南巖溶石山地區(qū)地下水資源勘查于生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查技術(shù)方法探討[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2001

Methodology of Hydrogeological Work in Rocky Desertification Ecologically Vulnerable Area, Karst Mountains in Southwest China

YANG Guang-zhao

(The First General Party, Guizhou Bureau of Nonferrous Metals and Uranium Geology, Guiyang 550001)

China is one of the countries with the largest ecologically vulnerable area, most vulnerable ecosystems and the most visible manifestations of ecological vulnerability in the world. And Guizhou lie in the core of rocky desertification ecologically vulnerable area in southwest China karst mountains and is characterized byvulnerable geological environment and low ecological carrying capacity. This paper proposes some specialized working methods to find out hydrogeological condition based on the hydrogeological model of the rocky desertification ecologically vulnerable area.

hydrogeology; rocky desertification; working method; southwest China karst mountains

2018-05-28

楊光照（1981-），男，河北人，工程師，主要從事水文地質(zhì)，工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作

[P641.69]

A

1006-0995（2019）01-0113-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.027