IGCP513 “岩溶含水层与水资源”项目 中国国家工作组 2005 年度进展报告

袁道先
(中国地质科学院岩溶地质研究所，国土资源部岩溶动力学重点实验室，桂林 541004)

1. 有关项目进展的学术性小结。扼要陈述工作组一年内的科研活动（包括野外、室内工作）初步成果。

1) 水文和岩溶生态系统功能与健康

   生态恢复重建效果的评价需要系统的、连续的、动态的定量研究以便建立评价指标体系，其中表层岩溶泉是岩溶生态系统恢复重建的重要指标 ( 谢运球 , 蒋忠诚等 , 2005) 。已有的研究表明桂林灌丛演替阶段的表层岩溶泉 Ca2+ 、 HCO3- 等离子浓度表现出逐年增高的趋势。弄拉次生林阶段的兰电堂泉与灌丛阶段的东旺泉比，流量稳定，断流时间短， Ca2+ 、 Mg2+ 、 HCO3- 等离子浓度明显升高。茂兰拉桥顶级演替阶段的 1 号泉终年不断流，而灌丛中的 2 号泉流量小、常断流。以“空间代时间”，从岩溶灌丛—岩溶次生林—岩溶原生林，随着岩溶生态系统结构的恢复，表层岩溶泉从长时间断流—短时间断流—不断流，水中可溶性离子含量不断增加。因此，表层岩溶泉可以指示岩溶生态恢复重建的状况，且到次生林阶段时已具有重要的饮用、灌溉等供水意义。
   李强等（ 2005 ）研究了岩溶区降雨对土壤养分淋失的影响。通过监测泉水水化学和降雨，研究了岩溶区不同降雨过程土壤养分淋失特征。结果表明，泉水 K+ 和 NO3-含量与降雨存在显著正相关关系。说明降雨过程是导致岩溶区土壤养分淋失的一个重要原因，可加速土壤侵蚀过程，应在调整土地利用结构中考虑这一因素，尤其是补给区。

2)岩溶区的水资源

   姜光辉 (2005) 分析了云南木美岩溶石山地区水窖的水质状况与污染原因，认为目前水窖的污染类型主要是肉眼可见物、色度、浊度、 pH 以及生活垃圾、粪便引起的离子浓度异常。引起污染的原因有人为方面的，比如生活条件、经济条件差，无力改善生活环境，卫生意识薄弱等。自然方面的原因是虽然南方降雨量充沛，但是降雨过于集中在雨季，枯季长达半年之久，降雨稀少，主要依靠雨季贮存的雨水维持，导致水窖水超长时间放置，容易导致污染。
   裴建国 (2005) 概述了湘中集中分布的溶蚀丘陵区岩溶水系统的结构、流场、动态、输入和输出特征等。湘中地区四周环山，中部为以溶蚀丘陵为主的涟源、邵阳、零陵三个盆地，地层发育较全，从中元古界至第四系均有出露，其中泥盆系至三叠系中统以浅海相碳酸盐沉积为主，岩溶发育，分布着较为丰富的岩溶水，具有较大的开发前景。溶蚀丘陵区岩溶水系统具有多块多层的结构特征，含水介质以裂隙－溶洞型为主，地下水动力场具有高度非连续水流的特点，而不具有统一的流场，岩溶水的动态对降水反映灵敏，滞后时间短，具有同步变化的特征。
  李向全 , 侯新伟 (2005) 应用示踪元素均衡分析的方法对太原盆地地下水系统转化关系进行了定量研究。结果表明，太原盆地孔隙水与周边岩溶水，砂岩裂隙水有密切的水力联系。太原市区以北地区主要接受岩溶水补给，其补给量占总补给量的 30 ％以上，盆地东侧大部分地区以裂隙水补给为主。应用环境同位素分析方法对盆地孔隙水的起源与更新能力进行了研究分析，指出含水层埋藏深度在 50 米以内的浅层水，主要接受大气降水和地表水的补给，更新周期在 60 年以下，更新能力较强；含水层埋深在 50 ―― 200 米之间的为混合水，是煤层古水与浅层现代水混合形成，与现代水交换比例在 40 ％以上，更新能力较强；含水层埋深在 200 米以下的，为深层古水，更新能力较差。
  山东双村岩溶水系统是中国北方典型单斜构造型岩溶水系统之一，面积 553km 2 ，岩溶水系统产水量 16 万 m3/d 。长期地下水监测表明，山东双村岩溶水系统具有显著开采激励效应 ( 吴爱民等， 2005) ，主要表现为水位降落漏斗形成。 水位变化幅度增大、自然排泄减少、诱发补给增加等。以传统地下水数值模型为基础，通过构建降水补给函数，实现了非线性降水入渗补给数值模拟。
  喀斯特地区含水介质的多重性和高度复杂性，给地下河系统的水资源量评价带来许多难题。在分析地下河系统水资源形成，分布和运移特征基础上，郭琳， 陈植华 (2005) 认为目前用于地下水评价的主要方法都不太适用来解决地下河系统水资源量的评价和预测问题。作者比较地下河与地表水多方面的相似性后，建议引入现代水文学的理论方法和模型来解决喀斯特地区地下河系统水资源评价问题，并分析了可能需要解决的若干关键问题。作者认为，针对岩溶永资源的特征，需要改变传统定量评价的思维，引进运用现代水文学理论方法和充分利用 3S 技术是解决地下河系统水资源定量评价的主要出路。

3)岩溶区与水相关的环境问题

  地下河的长期自动化监测、现场测试 pH 、电导率、水温、 HCO3-和 Ca2+这些对环境变化敏感的指标，月观测和洪水过程特别是施肥季节加密观测是探索南方岩溶区地下河水质变化规律的途径。郭芳等 (2005) 研究了南方岩溶地区典型地下河――广西融安县大良官村地下河主要离子浓度变化规律及趋势。 NO3-、 SO42-、 Cl-、 K+成为观测的主要对象。对官村地下河近一年的监测取样分析表明，地下河水质变化除与降雨有关系外，农业活动是影响水质变化的主要原因。 K+、 NO3-、 SO42-、 Cl- 明显受施肥影响。 20 年来 NO3-明显升高； SO42-变化规律复杂，需要更长时间段的观测； Cl-有所升高,K+ 、Na+ 浓度变化不明显； Mg2+ 有升高的可能； HCO3-和Ca2+没有变化。建议加强岩溶含水层的保护，合理施用化肥，同时进一步加强对人类活动影响地下河水水质的机理研究。
   何师意，周锦忠等 (2005) 对比分析了湘西大龙洞和广西凤山县坡心地下河流域资源的特征，并根据流域水文地质条件、主要社会需求和资源的地域优势，有针对性地提出了资源开发的初步方案或建议。大龙洞地下河流域具有较好的成库地质条件，采取堵洞形式，形成地表、地下联合水库，库容大，水头高，灌溉面积大，城市防洪效益好。因此，开发工程方案的论证工作量主要是：查明边界条件、主要岩溶渗漏带和渗漏量评估、坝区稳定性评价、流域水资源量和水质评价等；在广西坡心地下河流域，岩溶石山区干旱缺水和边缘坡立谷土地内涝是主要环境地质问题。石山区地下水埋深通常在 100 米以上，难于开采。地下河水力坡度仅为 0.3 ～ 0.4 ％，雨季排水不畅，极易造成内涝。流域外围补给区为碎屑岩，雨季大量泥沙被带入地下河，加之生活废弃物倾倒入地下河管道中，造成地下河床淤积。因此，流域内资源的开发规划，应以洞穴探测技术为支撑，以疏通地下河管道为主要措施，以解决土地内涝为主要目的。同时，加强碎屑岩补给区山塘和拦沙工程建设，合理开发岩溶石山区表层岩溶泉水，解决人饮困难，加强矿山开采管理和对输入地下河的泥沙含量进行系统观测等措施。
  山西是我国北方岩溶面积分布最广、岩溶地下水最丰富的省份，全省岩溶水天然资源总量约 35 亿 m3/a ，岩溶地下水为山西能源基地建设发挥了巨大作用。进入上世纪 80 年代以后，由于气候、人类采煤等活动对自然环境改造破坏，带来了一系列突出的岩溶水环境问题。梁永平 (2005) 从水资源系统角度出发，论述了山西岩溶大泉泉域水资源环境地质问题成因与保护区划定。通过山西 19 个岩溶大泉泉域水资源系统结构、模式、水资源要素组成与循环过程研究，从自然、人为两面对引起泉域岩溶地下水原因进行了分析，以次为基础，对 19 个泉域分水质、水量、泉域区以及煤炭开采划分出不同级别保护区，并提出对应的保护措施与内容。

4)岩溶区土地利用变化对地下水水质的影响
    岩溶地区由于 特殊的岩溶地质环境， 就其水环境而言，由于地表、地下双层结构的存在，地表水与地下水的相互转化迅速；而很薄或缺乏土壤层的覆盖，使得对地表水的过滤作用、净化作用相当弱，导致地下水十分容易遭受污染。因此，人类不合理的土地利用及其变化对岩溶水质造成极大的影响。蒋勇军等(2005) 以云南省泸西县小江典型岩溶农业流域为研究单元，研究了土地利用变化对地下水质的影响 。他们利用1982的航片和 2003 年的 TM 影像及地下水质监测数据，在 GIS 支持下，研究其 20 年来的土地利用变化及其水文环境效应。结果表明：小江流域1982——2003 年 610.12Km 2 的土地利用发生了变化，变化类型主要是由林地向耕地以及未利用地向耕地、林地的转变 ； 人口的增加和社会、经济的发展及理智的生态决策是流域土地利用变化的主要原因；流域 地下水质的变化与土地利用的变化表现出动态一致性，耕地扩张和大量化肥、农药使用带来的非点源污染，造成地下水中的 NH 4 + 、SO42- 、NO3- 、NO2- 、Cl- 离子含量及pH值、总硬度、总碱度明显升高；而林地减少或林地质量的下降，土地发生石漠化时，地下水中的 Ca 2+ 、HCO 3 - 浓度明显降低。

5)岩溶含水层／地貌系统的水文地球化学

表层岩溶动力系统对环境变化十分敏感，章程等 (2005) 利用多参数自动记录仪 (CTDP300) 对广西马山县弄拉监测站的降雨量及表层岩溶泉水的水位、水温、 pH 值、电导率等自动化监测记录进行了研究与分析。结果表明，系统对环境变化响应及时，其地球化学行为表现为明显的季节与昼夜动态变化，且在不同的气候条件下，水化学动态变化有不同的表现。在正常气候 ( 无雨 ) 条件下，水温、 pH 与电导率之间具有较好的正相关关系。暴雨期间，降雨开始阶段稀释作用明显，降雨中后期， CO2 效应逐渐占主导地位。重庆金佛山垂直气候带不同海拔高度表层岩溶泉的水化学特征对比研究结果表明，气温和土壤 CO2 浓度是引起水化学动态变化的两个重要因子。位于海拔较低的碧潭泉气温，土壤 CO2 浓度相对较高，岩溶作用也相对强，位于海拔较高的水房泉则相对较弱。受气温控制，前者的水温、 pH 表现出明显的白天高，夜间低的昼夜变化规律。降雨过程中，至少有两种效应在影响水化学性质：雨水的稀释效应和 CO2 效应，前者对碧潭泉水化学变化影响较大，降雨可引起泉水电导率、水温及 pH 的显著下降，降雨强度越大，下降速度与幅度越大，而从泉水电导率下降、 pH 值略有上升看，两者均对水房泉的水化学变化产生了影响。因此有必要把水、岩、 CO2 气体作为一个整体来解释表层岩溶作用的水文地球化学行为。

2.工作组组织或参加的国内外有关专业学术会议，工作会议；介绍会议内容，与会人数，专业评述。

  结合地调局与国家自然科学基金委主办的“全国地下水资源与环境学术研讨会暨 34 届国际水文地质大会第三次筹备会” (2005 年 12 月 5 － 10 日 ) ， 513 中国国家工作组第一次会议于 2005 年 12 月 7 日在海南海口召开，来自南京大学、中国地质大学、中国矿业大学、中国地质科学院岩溶地质研究所、中国地质科学院水文地质环境地质研究所等 15 个单位的 23 位代表参加了工作组会议。国家工作组负责人袁道先院士作工作报告，介绍了 IGCP513 项目的背景、研究内容与目标，及中国国家工作组拟开展的工作与 2005 年研究进展，并就工作组今后四年的工作安排进行了讨论。讨论了参加 2006 年 10 在北京召开的 34 届国际水文地质大会及 2 条 513 考察路线有关事宜。会议收到有关论文全文及摘要 18 篇，内容涉及我国南北方岩溶水、水资源开发利用、含水层保护、岩溶灾害等。

  2005 年工作组成员还参加了在希腊雅典 14 届洞穴大会和塞黑共和国贝尔格莱德“岩溶水资源和环境问题”国际会议。

1. 贝尔格莱德国际岩溶会议

  “岩溶水资源和环境问题”国际会议与野外研讨会于 2005 年 9 月 13 － 19 日在塞尔维亚与黑山共和国首都贝尔格莱德召开。 11 － 12 日会前考察塞尔维亚东部 Carpatho-Balkanides 地区岩溶， 13 日下午考察了多瑙河及其支流萨瓦河交汇处景观， 14 日参观了前南斯拉夫岩溶研究的先驱斯维琼－ Jovan Cvijic 工作和生活过的地方， 16 日游览了与阿尔巴尼亚共享的斯库台湖（ Skadar ）、观赏了 Podgorica- Zetska 谷地和亚德里亚海岸风光， 17 － 19 会议期间考察了黑山共和国南部岩溶特征如大型的 Nik?i? 坡立谷、海湾及其岩溶泉、水电站等。
   本次会议主题包括岩溶环境和生态问题的脆弱性，岩溶水资源管理与可持续利用，岩溶水文地质与多学科研究，人为活动对岩溶生态系统的影响，岩溶地质和生物多样性的脆弱及其保护、法律和环境教育，提交论文 133 篇，包括中国代表的 4 篇，其中袁道先研究员、卢耀如研究员和谢运球副研究员在大会上口头交流了其论文“岩溶含水层和水资源的全球研究（ IGCP513 ）－目标与实施计划”、“中国典型地区的岩溶水资源和地质生态”、“论中国西南岩溶环境脆弱的原因”，张凤娥博士以展板形式交流她的论文“细菌在硫酸盐岩溶发育中的作用”。

2. 希腊雅典 14 届洞穴大会

  第十四届国际洞穴大会于 2005 年 8 月 21-28 日在希腊雅典海滨城市 Kalamos 召开，同时召开国际洞穴学联合会成员国会议，以及 IGCP513 项目年会。 42 个国家近 400 多人参加了会议，共收到学术论文 311 篇。涉及的内容最多的领域是洞穴形成与岩溶含水层发育的机制研究。我国递交了 3 篇论文。我国西南大学资源环境科学学院刘玉参加了会议并作了口头发言。此次大会包括学术交流、野外考察、改选国际洞穴协会执行局、决定第十五届洞穴大会举办国和举办地点等项内容。
   会议着重强调洞穴发育和岩溶含水层研究等方面的基础研究；探讨地球系统中地气水土生各要素对洞穴形成和岩溶发育的作用；强调长期连续动态高精度定位观测，如滴水、洞穴沉积物生长等。

3. 工作会议

  结合学术研讨会，工作组成员分别参加了在希腊雅典 (Aug. 26) 和贝尔格莱德 (Sept. 13) 了召开的两次 513 工作会议。听取了 513 负责人年度工作报告，经过袁道先院士的努力亚洲岩溶区水文地质图将由中国国家工作组承担。

3. 下一年度工作计划（野外、室内工作安排、会议、考察等）。

  2006 年的主要工作有编写亚洲岩溶水文地质图。

  参加在西班牙马拉加 (Malaga)举行的第三届国际岩溶研讨会及IGCP513年会 ( April 24-28, 2006) 。参加由国际第四纪研究联合会举办在澳大利亚佩思 (Perth) 召开的大陆架国际研讨会 (August 13-18, 2006) 。

  参加 第 34 届国际水文地质大会(IAH) (2006 年 10 月 9-13 日 ) 及会后 地质考察，与 513相关的考察路线有两条： 四川黄龙—九寨沟生态环境地质考察 (T2), 重点考察九寨沟 -黄龙现代沉积和岩溶地质及都江堰水利枢纽程。 广西岩溶水文地质考察 (T5) ,主要考察广西桂林冠岩典型现代地下河系统的形成与发育特征，游览及考察典型峰林谷地和峰林平原地貌景观及水文特征。考察都安县三只羊地区典型峰丛洼地表层岩溶水系统发育特征及其水资源开发利用、生态重建和经济发展综合示范工程，宾阳县黎塘镇典型孤峰平原岩溶水文地质特征及表层岩溶水资源综合开发利用示范工程。

4.出版物。

(1)Zhang Cheng, Yuan Daoxian, Cao Jianhua. Analysis on the environmental sensitivities of typical dynamic epikarst system at the Nongla monitoring site, Guangxi, China. Environmental Geology. 2005,47(5): 615 – 619

(2) Lu YR. Karst water resources and geo-ecology in typical regions of China. In: Water Resources and Environmental Problems in Karst—Proceedings of the international conference and field seminars. Belgrade&Kotor/Serbia & Montenegro / 13-19 September 2005. Zoran Stevanovic & Petar Milanovic(Eds). Belgrade, 2005, 19-26

(3) Xie Y. On the causes of vulnerability of karst environment in Southwest China. In: Water Resources and Environmental Problems in Karst—Proceedings of the international conference and field seminars. Belgrade&Kotor/Serbia & Montenegro / 13-19 September 2005. Zoran Stevanovic & Petar Milanovic(Eds). Belgrade, 2005, 103-108

(4)Daoxian Y. “Global study of karst aquifers and water resources”(IGCP513): Objectives and implementation plan. In: Water Resources and Environmental Problems in Karst—Proceedings of the international conference and field seminars. Belgrade&Kotor/Serbia & Montenegro / 13-19 September 2005. Zoran Stevanovic & Petar Milanovic(Eds). Belgrade, 2005, 227-230

(5)Zhang FE, Lu YR et al. The role of bacteria in the development of sulfate karst. In: Water Resources and Environmental Problems in Karst—Proceedings of the international conference and field seminars. Belgrade&Kotor/Serbia & Montenegro / 13-19 September 2005. Zoran Stevanovic & Petar Milanovic(Eds). Belgrade, 2005, 485-492

(6)章 程 , 袁道先等 . 典型表层岩溶动力系统的环境敏感性研究 . 水文地质工程地质 . 2005, 32(1):78-80

(7)李向全，侯新伟 . 太原盆地地下水系统转化关系及更新性研究 . “全国地下水资源与环境学术研讨会”论文集 . 中国地质调查局和国家自然科学基金委员会 . 海南海口市， 2005 年 12 月 5 － 10 日 . 57-63

(8)吴爱民 , 周治民 , 梁永臣 , 王月红 . 山东双村岩溶水系统开采激励效应研究 . “全国地下水资源与环境学术研讨会”论文集 . 中国地质调查局和国家自然科学基金委员会 . 海南海口市， 2005 年 12 月 5 － 10 日 . 658-663

(9)梁永平 . 山西岩溶大泉泉域水资源环境地质问题成因与保护区划定 . “全国地下水资源与环境学术研讨会”论文集 . 中国地质调查局和国家自然科学基金委员会 . 海南海口市， 2005 年 12 月 5 － 10 日 . 664

(10)郭琳 , 陈植华 . 喀斯特地区地下河系统水资源定量评价的问题与出路 . “全国地下水资源与环境学术研讨会”论文集 . 中国地质调查局和国家自然科学基金委员会 . 海南海口市， 2005 年 12 月 5 － 10 日 . 670-675