中国北方岩溶含水层非均质性识别研究

岩溶含水层的非均质性是指岩溶裂隙管道在含水层中的非均匀分布，即含水层岩溶化程度的差异。岩溶化程度高的区域，岩溶裂隙管道强烈发育，是岩溶地下水的强径流带，也是污染物扩散的主要通道，因而，这个区域是地下水保护及污染控制的重点区域。岩溶含水层的非均质性识别主要是为了满足岩溶地下水保护和污染修复的需要，确定岩溶化程度高的区域和岩溶裂隙管道的分布。为此，本项目：①在大尺度下，提出以泉水对不同区域降水的水力响应时间为指标，识别含水层岩溶化程度，从而确定岩溶化程度高的区域,亦即确定地下水保护与污染控制的重点区域，以满足我国北方岩溶区在泉域尺度下地下水管理的需要；②在小尺度下，运用水力层析技术识别岩溶含水层的岩溶管道和裂隙带的分布，亦即确定地下水污染物在含水层中扩散的路径，以满足地下水污染修复的需要。本项目以山西柳林岩溶泉域和天津北部蓟县岩溶盆地为研究对象，通过以上工作为地下水污染控制与修复提供基础研究。

岩溶含水层的非均质性控制着地下水的流动和污染传播途径。本项目主要通过分析泉域降水序列与泉水流量序列的关系识别含水层的非均质性，从而为岩溶地下水的开发利用和污染修复提供基础资料。主要工作如下：①首先从我国南北方岩溶的差异入手，研究我国南北方岩溶地层形成、岩溶发育过程和含水层的特性。结果认为，南北方岩溶沉积时间和沉积环境不同，北方岩溶沉积时间起始于中元古纪，结束于中奥陶纪；南方岩溶沉积时间较晚，起始于震旦纪，结束于三叠纪。不同的沉积时间和沉积环境造成了南北方岩溶岩性不同，在北方形成的碳酸盐岩属于微晶质岩，南方的碳酸盐岩属于泥质岩。因而，北方岩溶不容易被侵蚀。第四纪北方黄土堆积推迟和阻碍了北方岩溶化，于是，北方岩溶化多数形成于地下，南方则形成于地表。相应地，南方岩溶形成峰丛，落水洞，溶洞，地下河等，而北方岩溶多数是裂隙与岩溶管道。②以水力响应时间为指标，识别岩溶含水层的非均质性。泉水流量的变化过程，实际上是泉域地下水系统对降水过程的响应，这段时间被称为水力响应时间。对于裸露岩溶区，压力波传播畅通，水力响应时间短；相反，对于岩溶覆盖区，水力响应时间长。通过水力响应时间可以实现对岩溶含水层的非均质性识别。本项目运用灰色系统理论建立了岩溶地下水的水文模型，包括泉水流量对降水量水力响应时间的求解方法及泉水流量对降水量的响应模型。③运用交叉小波分析方法识别不同区域的降水信号穿过含水层转化为泉水流量信号的能量分布，从而识别岩溶含水层的非均质性。对研究区不同子区的降水量与泉水流量进行交叉小波分析，通过交叉小波模的分布，可以揭示不同区域的降水信号穿过含水层转化为泉水流量信号的能量分布，使我们比较容易地发现泉域的强径流带，也就是，交叉小波模高的子区是岩溶管道和裂隙带发育程度高的强径流带。④通过分阶段分析方法，获得由于人类活动对岩溶含水层结构的破坏而造成的地下水补、径、排关系的改变。岩溶泉域的地下水在没有开发之前处于自然平衡阶段，在开发之后首先经过一个过渡阶段，最终达到新的平衡阶段。本项目分别对自然状态下的和新平衡阶段的泉水流量进行模拟，得出以下结论，在新平衡阶段地下水系统变得更加脆弱，也就是说，人类活动（钻井）破坏了含水层隔水顶板的完整性，使含水层结构改变，同时，大规模抽取地下水造成地下水压力波传播速度减慢，泉水流量的衰减速度加快，降水对泉水流量的驱动力减弱。