岩溶孔隙水动力特征及研究方法综述

岩溶孔隙水动力特征及研究方法综述

代玉婷

陕西省土地工程建设集团有限责任公司  陕西省西安市 710075

摘要：岩溶作用是水文地质学中十分常见的现象，我国岩溶地质环境分布广泛，约占国土面积的1/3，针对岩溶地质结构，结合国内外学者的研究，将岩溶孔隙从尺度上分为三种，这三种孔隙水系统中含有复杂的结构，众多学者在岩溶区的工程基础上，建立相对应的水动力模型，研究其运移规律，认为岩溶孔隙多形成自我循环，供给的水动力系统。结合国内外资料，将岩溶孔隙研究方法进行了归纳和总结，其中人工示踪剂特别有用和适用，它可以确定岩溶孔隙结构的连通性和线性流速，划分岩溶区的集水区，放水区，还可以对岩溶系统内污染物进行检测，此方法具有较高的可靠性。

关键词：岩溶孔隙；水动力特征；运移规律；研究方法

0引言

国内外学者对岩溶有着独特的定义，都表明岩溶是描述一种特殊地貌的名词，我国岩溶学者解释到岩溶就是在岩溶作用下产生的一系列水文现象，其中岩溶作用包括物理作用和化学作用。我国岩溶地质环境分布十分广泛，占我国国土面积的1/3，在气候变化以及经济发展的条件下，岩溶地质灾害频发，这严重制约了岩溶地区的基础建设，威胁着岩溶地区人居安全和社会稳定。岩溶孔隙在岩溶山体以及其他构造中占据主体，其在水动力作用下，会进一步发展，从而发育成不可控制的结构面，针对其水动力特征，目前的常规研究方法是通过区域示踪试验以及室内试验推导岩溶孔隙的运移规律。

1.岩溶孔隙类型

岩溶系统中存在三种类型的孔隙：（1）在岩体形成过程中发育的微孔隙；（2）由于构造作用而发育的小裂缝和裂隙；（3）由于岩溶作用而发育的大裂隙和岩溶管道。这些孔隙致使岩溶含水系统表现出非均质性和各向异性[1]。在西南地区岩溶山体中，地下水动力条件活跃，岩溶孔隙广泛分布[2]。流体沿着大裂隙或者孔隙流动时，其主要特点是地下水集中，流量较大[3]。众多学者对岩溶地质开展了深入的研究，对我国岩溶水文地质学的进步做出了巨大贡献，岩溶山体中发育大量岩溶孔隙及裂隙，这些岩溶地质结构对岩体的水力学性质有一定影响，是控制岩体变形和破坏的关键因素，岩溶裂隙是岩体内部发生流动的主要场所，在流动过程会使裂隙壁不断溶蚀，从而引起裂隙进一步扩张，是山体不稳定的关键因素。

2.岩溶孔隙水动力特征

岩溶孔隙水系统中含有复杂的介质结构，众多学者在西南岩溶地区的调查资料基础上建立了一种岩溶化含水系统的理想概化模型，认为层流与紊流状态均存在于岩溶孔隙中，揭示了强岩溶化三重空隙含水系统独特的水动力特征[4]；从多种岩溶地貌出发，研究探讨孔隙流在岩溶水系统中的补给形式及特征，结果表明孔隙流在岩溶水系统中的角色主要与孔隙结构形式、孔隙的补给方式以及补给路径有关，这对孔隙流的研究有一定的理论价值和实用意义，认为岩溶水系统是最活跃的地下水系统，它可以独自进行补给，径流等，组成相对独立的水循环系统，White根据岩溶含水层的一般概念提供了岩溶系统功能的示意图，认为岩溶孔隙中的水流通常是快速和湍急的，基质和岩溶孔隙之间可以交换流量[5]；Goldscheder和Drew认为内部径流和扩散入渗代表自生补给，而外部径流和下沉河流提供来自周围地区的同源补给[6]；Williams认为向下的水流可以储存和进一步集中，然后输送到岩溶孔隙中[7]；总而言之，基质内流速低，岩溶孔隙内流速快，枯水期流量低且连续，系统以基质水流为主，降雨过程中流量大，系统受岩溶孔隙流影响较大。岩溶孔隙水动力特征十分复杂，对于三种不同尺度的孔隙来说，水动力系统不同，在研究其特征时，需建立不同的岩溶含水系统模型，根据现场实际情况设置含水系统的物理形态。

3.岩溶孔隙常规研究方法

众多学者对岩溶含水系统进行了研究，但是岩溶孔隙内部结构十分复杂，水动力运移规律多变，所以需采用多种方法对岩溶孔隙进行系统的研究。岩溶水文地质学中可用的方法包括地质，地球物理和岩溶学方法，水文和力学技术，以及天然示踪剂的使用，例如同位素和水化学参数，可以选择合适的方法对岩溶孔隙进行研究。因为岩溶含水系统的过渡时间短（限制了所需的采样和检测器），采用传统的水文地质方法，往往会导致结果含糊不清和不完整[8]，众多学者对于岩溶孔隙都采用了示踪试验来确定其流量、孔隙参数以及孔隙溶质的运移规律。人工示踪剂特别有用和适用，它可以确定岩溶孔隙结构的连通性和线性流速，划分岩溶区的集水区，放水区，还可以对岩溶系统内污染物进行检测，此方法具有较高的可靠性。通过现场示踪试验确定水团流程时间及各类混合输移参数，采用罗丹明B示踪剂进行试验[9]，通过示踪剂对岩溶区含水系统运移规律进行跟踪；Field和Pinsky、Maloszewski人通过示踪剂将岩溶系统中的水文模型概念化，估算出过渡时间、岩溶含水系统的水文特征等[10]；何师意，Michele L等人在桂林毛村岩溶地下河流域示踪试验结果的基础上，提出另一种具有高精度的示踪方法，采用此种方法探明了流域具有典型河间地块特征，水文地质边界较复杂，具有多孔隙，沿途发育多个较大溶潭[11]；Worthington在猛犸岩溶含水层中加入示踪剂测试结果，提高了模型的有效性[12]；赵良杰等人针对西南岩溶地区进行研究，选取一些特定区域进行示踪试验以及室内试验，分别探讨在不同水动力条件下浊度来源对孔隙参数的影响以及水动力特征，在此基础上推导岩溶孔隙参数，为岩溶孔隙的研究提供科学基础[13]；赵小二[14]等人建立了实验室水箱-孔隙系统，在此系统中改变孔隙结合和水流条件，再进行示踪试验，探讨水流动力特征。

4.结论

（1）根据孔隙尺度可将岩溶系统中存在三种类型的孔隙：（1）在岩体形成过程中发育的微孔隙；（2）由于构造作用而发育的小裂缝和裂隙；（3）由于岩溶作用而发育的大裂隙和岩溶孔隙。不同岩溶孔隙水动力特征十分复杂，对于三种不同尺度的孔隙来说，水动力系统不同，在研究其特征时，需建立不同的岩溶含水系统模型，根据现场实际情况设置含水系统的物理形态。

（2）岩溶孔隙水动力特征十分复杂，众多学者认为岩溶孔隙流可以独自进行补给，径流等，组成相对独立的水循环系统。

（3）岩溶水文地质学中可用的方法包括地质，地球物理和岩溶学方法，水文和力学技术，以及天然示踪剂的使用，例如同位素和水化学参数，可以选择合适的方法对岩溶孔隙进行研究。众多学者对于岩溶孔隙都采用了示踪试验来确定其流量、孔隙参数以及孔隙溶质的运移规律。

参考文献

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[2]崔光中,于浩然,朱远峰.我国岩溶地下水系统中的快速流[J].中国岩溶,1986(04):65-73.

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[4]陈崇希.岩溶孔隙-裂隙-孔隙三重空隙介质地下水流模型及模拟方法研究[J].地球科学,1995(04):361-366

[5]White, W. B. (2002), Karst hydrology: Recent developments and open questions, Eng. Geol., 65, 85– 105.

[6]Goldscheider, N., and D. Drew (2007), Methods in Karst Hydrogeology, 264 pp., Taylor and Francis Group, Leiden, Netherlands.

[7]Williams, P. W. (2008), The role of the epikarst in karst and cave hydrogeology: A review, Int. J. Speleol., 37(1), 1– 10.

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[11]何师意,Michele L,章程,汪进良,李强.高精度地下水示踪技术及其应用——以毛村地下河流域为例[J].地球学报,2009,30(05):673-678.

[12]Worthington, S. R., and D. C. Ford (2009), Self-organized permeability in carbonate aquifers, Ground Water, 47(3), 326– 336.

[13]赵良杰,夏日元,杨杨,邵景力,易连兴,王喆.基于MODFLOW的岩溶孔隙水流模拟方法探讨与应用[J].中国岩溶,2017,36(03):346-351.

[14]赵小二,常勇,彭伏,吴吉春.水箱-孔隙系统溶质运移实验研究及其岩溶水文地质意义[J].吉林大学学报(地球科学版),2017,47(04):1219-1228.