我国西南地区基岩裂隙水的形成与分布规律及探测理论研究

Groundwater has become a major, or the only in many locations, water resource for the people in the southwestern region of China due to serious droughts in recent years. Groundwater in the region is mainly stored in fractured rocks. It is well known that the distribution of groundwater in fractured rocks is extremely uneven and the amount of available groundwater is quite different at different locations because of hydrogeological heterogeneity of fractured aquifers. Therefore, it is usually very difficult to find groundwater in fractured rocks and successful rate of locating a water well and the well specific capacity are relatively low. The formation and distribution of groundwater in fractured rocks is a research topic at the frontier of international hydrogeological research. In this project we will study the crust movement and its stress field as well as their relationship with the formation and distribution of recent and active fractures and faults at regional and local scale. The study is based on the theory of tectonics and the theory that groundwater in fractured rocks is mainly controlled by recent and active fractures and faults. We will utilize the rapidly developed GPS, crust stress and cross-fault measurement techniques, collect and analyze existing GPS，remote sensing, and well data, and conduct field investigation and experiments and numerical simulations. The objectives of this project are to understand the mechanism of the formation and distribution of groundwater in the regional fractured aquifer systems and hydrogeological characteristics and their main controlling factors of a local fracture and fault system in the southwestern region of China, to provide theoretical basis for a new method of locating groundwater in fracture rocks and to develop a new theory of groundwater in fractured aquifer systems.

近年来，我国西南地区连续遭受严重干旱，开采地下水已成为该地区抗旱减灾的重要措施。除溶隙外，该地区地下水主要储存于基岩的裂隙和断裂中。由于裂隙和断裂发育和分布极不均一，富水性差异甚大，故在该地区寻找地下水难度很大，急需理论指导和有效探测方法。裂隙水的形成和分布也是水文地质流域的一个国际前沿课题。针对这一重大需求和科学问题，本项目选择我国西南地区，依据板块构造和新活构造控水理论，利用GPS连续观测、地应力和跨断层形变等测量技术，通过收集和分析已有GPS、遥感遥测和水井等资料，野外调查、测量和试验以及数值模拟等多学科交叉研究，从区域和局部两个尺度研究我国西南地区地壳运动和应力场与新活裂隙和断裂发育和分布之关系，搞清我国西南地区裂隙水的形成和分布规律和新活裂隙和断裂的局部富水和导水特征及主控因素，建立探测基岩裂隙水的新理论和新方法，完善并发展具有原创性的我国基岩裂隙水形成和分布理论。

在干旱缺水的基岩地区，地下水通常是工农业生产和人民生活最重要的水源。在基岩地区，地下水主要储存于裂隙和断裂中。由于裂隙和断裂发育和分布极不均一，富水性差异甚大，故在基岩地区寻找地下水的难度很大，急需理论指导和有效探测方法。本项目选择我国西南著名活动鲜水河断裂，采用多种手段开展学科交叉研究，先后进行了野外调查、采样与试验，室内分析、模拟与计算，从区域和局部两个尺度深入地研究了裂隙水的形成与分布规律及探测方法，取得了很好的成果。在区域上，1）根据研究区周边6个GPS连续站和49个GPS区域流动观测站的数据，解算出研究区域与试验场区1999-2017期间的地壳面应变和剪应变分布，揭示了我国西南地区地壳运动速度和应力场与新活裂隙和断裂发育和分布之间的关系；2）收集整理中国活动构造图及西南多条主要新活断裂1:5万地质图等资料，从区域动力学角度分析不同时间、不同性质和方向新活断裂的形成及分布规律；3）选取2009-2010年云南省抗旱工程的635个基岩抽水井资料和1：400万云南地区活动断裂数据库，分析区域活动断裂及河流对抽水井分布及富水程度的控制作用，并结合相关资料分析了我国西南基岩山区地下水分布和赋存规律与运移特征及主要控制因素。局部上，1）通过2014年和2015年两次现场踏勘，结合鲜水河断裂不同地段的运动学特征及炉霍段的水文地质特征，选定炉霍虾拉沱为实验场地；2）在该场地进行了流动GPS及跨断层测量，分析了观测试验场地周边的地应变、剪切应变分布及鲜水河断裂虾拉沱段水平及垂向形变规律；3）在现场成功布设并建成一口出水量500方/天的优质水井，并进行了抽水试验及地下水位长期自动监测；4）与跨断层形变测量网配合，研究了鲜水河断裂水平及垂向形变与地下水水位变化之间的关系；5）基于勘探孔长期井水位固体潮变化规律，分析振幅和相位差与含水层岩石力学特征的关系，得到其与跨断层测量形变的关系；6）基于弹塑性力学及Darcy定理，采用有限差分方法建立岩体应力-渗流耦合数值模型，模拟非均匀板块运动作用下，断裂形成及演化过程对地下水运动的控制作用，并给出倾斜断裂带含水层抽水的水动力特征解析解。项目执行期间共发表论文27篇, 包括SCI论文17篇(大部分发表于顶级SCI期刊WRR, HESS, JoH等)，学术专著2部，培养博士后2名，博士生5名，硕士生10名。