Question

岩溶水系统脆弱性评价因素

Answer 1

一、岩溶水系统脆弱性评价因素

1.岩溶水系统水量脆弱性评价的因素

与水量有关的岩溶水环境问题包括了泉水断流与过量衰减、区域水位持续下降、水资源超采以及相关的岩溶塌陷、地裂、海水入侵和由于区域流场变化引起的水文地质条件改变等等。岩溶大泉作为北方岩溶水系统最普遍的一种自然排泄形式，除了供水功能以外，还有重要的旅游、生态等功能，因此岩溶泉水是在水量脆弱性评价以及水量保护区划分中着重考虑的因素。从岩溶水系统整体出发评价其水量脆弱性需要考虑以下因素：

1）系统规模大小。岩溶水系统规模大小一定程度上能够反映出岩溶水系统的调节性能和资源量大小。规模小的系统极容易引起资源超采、区域水位下降及相关的问题。

2）可开采资源量多少。

3）资源要素构成数量及动态。

4）系统结构模式。系统结构模式对岩溶水水量环境问题影响较大。例如，顺置型系统模式泉水多由隔水顶板阻挡排泄，在岩溶含水层与隔水顶板一定埋藏深度（一般在100～250m）的接触位置往往发育岩溶地下水强径流带，泉口下游存在承压自流区。因此，在这种结构模式的排泄区打井或采煤活动，与由隔水底板隔水形成排泄的“单斜逆置型”系统的泉水更容易出现断流。例如，太行山东部山前岩溶大泉，多数断流。

5）泉水排泄出露形式。多数北方岩溶大泉的出露排泄与阻水体有关，除了岩溶含水层隔水顶、底板阻水作用形成的泉水外，断层和火成岩体的侧向阻隔出流形成的泉水也占有一定比重。由于岩溶水在阻水体一侧富集，因此，这类泉水也容易出现断流。例如，在内蒙古桌子山地区的拉僧庙泉系由老石担山东缘断层使得桌子山组（马家沟组）碳酸盐岩含水层与克里磨里组（相当于平凉组）隔水层接触而排泄（图7-2），沿导水性很强的老石担山东缘断层大量开采岩溶水而导致拉僧庙泉水断流。这种情况在汾渭地堑区最为普遍，区内多数泉水在山前受断裂带一侧相对弱透水的地层阻水出流。由前述所知，区内泉水多与张扭性的裂谷山前断裂构造有关，这些断裂形成的岩石破裂以及沿断裂岩溶发育强烈，从而导致具有很高的导水能力，沿断裂带开采岩溶水极易造成泉水干涸或搬家。例如，太原晋祠泉，1954～1958年实测泉水平均流量为1.94m³/s，1977～1978年，清徐县在距晋祠泉10余千米的平泉和梁泉建成两处自流井群，共14眼深井，最大自流量达1.03m³/s。开采使泉水流量逐年减少，直到1994年4月30日彻底断流。中条山岩溶水系统内的南梁泉，20世纪80年代前流量为0.52m³/s，由于岩溶水开采流量逐年减少，2002年初在距其10km的太子滩凿成一岩溶热水井，井深1547.46m，自流水头0.9MPa，使海头泉流量严重衰减并于当年3月20日断流，同时泉口处水位也降至地面以下10～12m。山西介休洪山泉的严重衰减也是在山前断裂带大量开采以及采矿排水的结果。陕西周公庙泉出露于亚柏断裂带，岐山自来水公司在断裂带内打井取水也使泉水失去了复出的可能。总体上，区域隔水顶板、侧向地层或隔水岩体阻水出露的泉水水量敏感程度较高，相对而言，由区域隔水底板阻水形成的泉水水量敏感程度较低。

图7-2 拉僧庙泉出流条件示意图

2.岩溶水系统水质脆弱性评价的因素

（1）系统的规模

系统规模大虽然能在水量方面体现出较强的调蓄能力，但对水质而言就存在地下水循环更替速度慢的问题，一旦地下水遭受污染，恢复治理的难度将大大增加。另一方面，系统规模大小一定程度上也意味着系统资源要素构成的多少，一般系统规模越大，岩溶水的补给项构成越多，岩溶水水质的影响要素也就越复杂。

（2）系统内降水量

降水量作为岩溶水系统最重要的补给源，总体上水质质量相对较好，降水量大小所体现的是系统岩溶水“纳污能力”。降水量大小也体现雨水对包气带岩土的溶滤程度，因此降水量对系统水质脆弱性具有正效应。

（3）系统结构模式

从水质方面，“单斜逆置型”岩溶水系统其上游往往存在煤系地层、容易遭受矿坑污水的渗漏污染，而“向斜-盆地型”岩溶水系统由于水位埋藏浅、浅覆盖型岩溶区分布面积广，地表水、地下水向心汇流，更容易遭受农业施肥等的污染。

（4）地球化学背景

煤系地层分布面积比重，中奥陶统碳酸盐岩含水层中是否存在有石膏，覆盖区分布的面积比重等等都是在评价系统岩溶水质脆弱性时需要考虑的因素。

（5）岩溶水系统包气带平均厚度

岩溶含水层包气带可以吸附降解部分污染物，总体上包气带越厚其自净能力越强，岩溶水系统防污性能也越强。

岩溶水系统脆弱性是不同系统间脆弱性比较，是一个相对的概念，评价中各项因素的分级指标的确定将直接影响到评价结果。然而迄今为止，对岩溶水系统整体脆弱性评价的概念及方法尚未见探讨，同时就目前所拥有的资料开展评价指标的定量化分类的条件还不具备，需要参与评价的要素不尽合理完备（比如人口密度等因素），这项工作只能随着资料积累和评价方法的完善成熟逐步开展。

二、岩溶水系统含水层脆弱性分区评价因素与方法

岩溶含水层的脆弱性评价是系统内部岩溶含水层分布区环境问题的易发性分区评价。岩溶含水层的脆弱性同样要分为“水量脆弱性”和“水质脆弱性”两种。

1.含水层水量脆弱性分区评价的因素与方法

岩溶含水层的“水量脆弱性”是含水层对外界干扰的响应程度并引发水量方面水文地质环境问题可能性的表征，这种敏感程度表现在时间和空间上。例如，在北方东部岩溶相对发育且覆盖层厚度小的区域，开采岩溶地下水就容易发生岩溶塌陷，可认为这些地区具有含水层水量脆弱性特征。同样，如果某一地区开采岩溶水，在一定时间内会引起泉水流量（或水源地出水量）较大的削减量，也可认为含水层具有水量脆弱性。水量脆弱性的实质是含水层导水性能的综合体现。由于与岩溶含水层水量相关的水文地质环境问题包括了纯水量的问题以及特殊水量问题，因此水量脆弱性评价因素要与水文地质环境问题相结合。

（1）纯水量脆弱性分区评价

纯水量脆弱性是系统内某点的岩溶水位（包括区域或重点位置的水位）或流量（泉水流量或水源地出水量）对其他点在水量激励下的时空响应，其制约的因素主要是岩溶含水层的导水性能。总体上，北方岩溶地下水符合达西渗流理论，能够描述系统含水层渗流的数值模型更适用于纯水量脆弱性评价，在后面的典型岩溶水系统（娘子关泉域岩溶水系统）实例中，我们采用了响应矩阵法进行评价。

（2）特殊量脆弱性分区评价

特殊水量脆弱性分区评价中需要把水位与具体问题的相关地质条件结合起来进行评价，北方最常见的主要有岩溶塌陷问题和矿坑突水问题。

在岩溶塌陷的脆弱性（或风险性）评价中，需要考虑岩溶发育程度、覆盖层因素（包括厚度、岩性、结构及地貌条件）、地下水因素（包括埋深、变幅及地下水动态变化的动因）等因素。目前采用的评价方法有模糊数学法、神经网络法、GIS方法以及一些统计学方法等。在后面的典型岩溶水系统（枣庄十里泉泉域岩溶水系统）实例中，我们采用了模糊数学法进行评价。

对煤矿底板突水的脆弱性（或风险性）评价，20世纪30年代苏联学者斯列萨列夫提出了临界水压值公式，是一个纯水量问题，后经实践中不断改进，中国煤炭研究院西安分院提出了突水系数并由此预测煤矿突水的风险大小，突水系数的表达式为

中国北方岩溶地下水环境问题与保护

式中：T_s为突水系数（MPa/m）；P为隔水底板承受的水压力（MPa）；M为底板隔水层的厚度（m）；h₁为矿山压力破坏隔水层的厚度（m）；h₂为隔水层中导升高度（m）。

1984年，煤炭工业部的《矿井水文地质规程》中，以突水系数0.6线为界，划分安全区及危险区。然而大量统计结果表明，80%以上的煤矿突水与断层有关，突水系数低于0.6的地区同样出现底板突水问题。2007年中国矿业大学武强教授根据多年研究，提出了煤层底板突水评价的脆弱性指数法，采用GIS与人工神经网络、证据权法、Logistic回归法及层次分析法耦合的方法对煤层底板突水脆弱性进行分区评价，为煤矿底板突水风险性评价提供了新的思路。但由于影响煤矿突水的因素比较多且较复杂，而且一些准确的数据难于获取，因此，评价方法还有待完善。

2.含水层水质脆弱性分区评价的因素与方法

国外对狭义的地下水脆弱性（指水质脆弱性）评价方法目前主要有叠置指数法、过程数学模拟法和统计方法（Barnali Dixon，2007），单防污性能评价指数模型有30多种，其中，DRASTIC模型（D为地下水埋深；R为净补给量；A为含水层介质；S为土壤介质；T为地形坡度；I为包气带影响；C为水力传导系数）应用最为广泛，它是美国环保局1985年提出的。在美国许多地区曾用DRASTIC模型进行地下水防污性能编图，该方法在其他一些国家或地区也曾应用，例如，欧盟、南非、葡萄牙、尼日利亚、韩国、以色列等。然而一般认为DRASTIC模型更适合于松散层孔隙地下水脆弱性的评价。针对岩溶含水层的特殊性，欧洲制定比较多的岩溶含水层脆弱性评价方法，特别在COST620项目中广泛应用并完善。评价中一般考虑的因素有覆盖层（O因子，包括厚度、岩性等）、径流特征（C因子）、降雨（P因子，大小及动态）和岩溶网络发育特征（K因子）。如基于起源-路径-目标模型的EPIK法、PI法、COP法和基于示踪试验的VULK方法等。结合我国北方具体情况，我们认为含水层水质脆弱性评价中需要考虑因素有：

1）岩溶地下水的天然补给强度（降水量是其中之一，还应该包括河流、水库以及其他类型地下水对岩溶水的补给）。

2）碳酸盐岩分布埋藏类型。

3）包气带厚度。

4）岩溶含水层的导水性能。

5）到主排泄区（或水源地）的距离（可体现在渗流模型中）。

在各评价因素的分级中，结合我国北方岩溶水系统的具体情况进行了调整，具体方案在典型岩溶水系统实例中进行叙述。