Question

岩溶水脆弱性的概念及影响因素

Answer 1

随着农业用地的扩张和大量使用化肥农药，引起地下水中硝酸盐、硫酸盐浓度升高和杀虫剂、六六六、DDT等含量显著增加，造成地下水水质恶化。工业化和城市化发展产生的“三废”，引起岩溶水的酸化以及水中氮、磷酸盐、氯化物、硫酸盐、重金属、有机溶剂、大肠菌群等污染物增加，造成污染。地下水污染问题早已引起了全世界的关注，同时也推动了地下水脆弱性概念的发展。在寻求解决地下水污染的方法的过程中，1968年Margat首次提出地下水脆弱性的概念，最初的定义称为“地下水对污染的脆弱性”^[14]。之后许多学者从不同的角度给“地下水脆弱性”以新的定义。

Albinet与Margat(1970年)认为地下水脆弱性是在自然条件下，污染源从地表渗透与扩散到地下水面的可能性。Olmet与Rezac(1974年)则认为地下水脆弱性是地下水可能遭受危害的程度，这种危害程度由自然条件决定，而与现有污染源无关。

Vrana(1981年)则这样定义地下水脆弱性：地下水脆弱性是影响污染物进入含水层的地表与地下条件的复杂性。Villumsen等于1983年给予地下水脆弱性这样的定义：地下水脆弱性是应用中的或废弃于地表的化学物质对地下水的危害性。关于定义地下水脆弱性所应该考虑的因素，许多学者都提出了自己的看法。Vierhuff等于1981年认为定义地下水脆弱性离不开以下两方面：一是包气带的保护能力；二是饱水带的净化能力。他们进一步提出定义地下水脆弱性应着重考虑以下3个因素：含水层类型，含水层在水文地质循环中的位置，包气带性质。Gppsens与Vandamme于1987年在定义地下水脆弱性时，以同等重要的程度看待静态与动态因素。Klauco于1987年认为描述地下水流的变量是影响地下水脆弱性最重要的因素，而Friesel于1987年则认为补给量是至关重要的。Johnston于1988年认为地下水的脆弱性由地下水流系统，水文地质结构和气候3个要素确定。在1987年的“土壤与地下水脆弱性国际会议”上，专家们结合影响地下水脆弱性的内外因素提出了不少定义方式。一些学者给出了直接定义，一些学者则只是提出了定义地下水脆弱性应该考虑的因素。Foster认为地下水污染是由含水层本身的脆弱性与人类活动产生的污染负荷造成的。在此基础上，他提出了“含水层脆弱性”这一术语。

近十年来，大多数学者主张在定义地下水脆弱性时应该结合考虑含水层本身的易污染性和人类活动与污染源的影响。Bachmat与Collin认为地下水脆弱性是地下水质对现在或将来有害于地下水使用价值的人类活动的敏感性。他们进一步建议地下水脆弱性应该用特定化学成分相对于特定人类活动的浓度变化来表示。Sotnikova与Vrba则从水文地质的角度来考虑脆弱性问题，他们指出水文地质系统的脆弱性是这个系统对从时间和空间上影响它的状态与性质的外部(天然与人类活动)冲击的处理能力。Vrba于1991年将时间尺度引入到地下水脆弱性定义中。他认为地下水脆弱性相对人文历史时期来说是地下水系统的一个不变的本质特征，它依赖于这个系统消化自然演化和人类活动影响的能力。Plamquist于1991年这样定义地下水脆弱性：地下水脆弱性是人类活动或污染源施加于地下水的一种危险性度量。他同时指出，如果没有污染源与人类活动存在，即使最易污染的地下水也不可能受到污染，因而脆弱性就无从谈起。美国审计署于1991年应用“水文地质脆弱性”来表达含水层在自然条件下的易污染性，而用“总脆弱性”来表达含水层在人类活动影响下的易污染性。美国国家科学研究委员会于1993年给予地下水脆弱性如下定义：地下水脆弱性是污染物到达最上层含水层之上某特定位置的倾向性与可能性。但与此同时，这个委员会将地下水脆弱性分为两类：一类是本质脆弱性，即不考虑人类活动和污染源而只考虑水文地质内部因素的脆弱性；另一类是特殊脆弱性，即地下水对某一特定污染源或污染群体或人类活动的脆弱性。

国内关于地下水脆弱性的研究开始于20世纪90年代中期，因而“地下水脆弱性”这一术语在国内出现的较晚。目前，国内学者引用水源地卫生防护条件评价的经验，多从水文地质本身内部要素的角度来研究地下水的脆弱性，因而多是研究地下水的本质脆弱性，至今尚没有明确的“地下水脆弱性”定义，定义多引用外文资料^[15]。

本书所研究的也着重是岩溶水的本质脆弱性，主要由水文地质内部因素和其他相关的地质环境因素所决定。

岩溶地区由于存在地下空间及水文网，大气圈、水圈、生物圈都具有地表、地下双层结构特征。随着人口的快速增长，人类不合理的活动带来了一系列特殊的环境地质问题，如：石漠化、水土流失、旱涝交替、地面塌陷、矿坑突水等。以上不同类型的环境地质问题，均从不同侧面反映出了岩溶地块的高度渗透性。这种特性，使得地表的各种物质能够顺畅地进入到岩溶水赋存空间中，引起岩溶水的污染，这是岩溶水系统脆弱性较高的本质原因。

岩溶水的脆弱性，除了与岩溶含水层本身的固有水文地质属性有关，上覆岩土层地质特征(岩性、结构、厚度、透水性能等)、含水介质特征、地形地貌、岩溶水补给量以及植被覆盖度等也是起决定作用的自然因素。同时，不合理的人类活动对岩溶水脆弱性的影响也不容忽视。

岩溶含水层的盖层条件对岩溶水脆弱性的影响非常显著。岩溶含水层的上覆盖层通常为以下几种类型：一是固结的岩层；二是松散土层；三是处于裸露状态的岩溶包气带多空隙岩层。另外还有介于三者之间的过度类型。在岩溶含水层裸露情况下，大气降水、地表水容易通过落水洞、漏斗、竖井等通道集中灌入地下，在岩溶水获得补给的同时，当有污染源存在，也易造成岩溶水的直接污染。20世纪80年代，人类对工业“三废”随意排放，有的固体废弃物堆放场就选择于裸露的岩溶洼地中，而落水洞往往成为废水排泄口。如昆明化工厂，酸碱废渣、废水堆放场位于地表溶沟、洼地、落水洞发育的岩溶水补给区，对距堆放场最近的开采井取样分析，其水化学类型为SO₄·HCO₃-Ca·Na型，

含量最高达236.07mg/L，是该地区浅循环岩溶水平均含量的16倍，Na⁺含量为88mg/L，远远高于该地区浅循环岩溶水的化学背景值。而表层泉域多处于裸露或半裸露的岩溶石山区，岩石、水、生物和大气四圈的密切交互带，表层岩溶水与外界环境联系最为密切。所以它们都与外界水交替迅速，对外界影响非常敏感，水质变化频繁。岩溶含水层上覆岩层或松散土层，且它们的渗透性差的地区，岩溶系统的开放程度较低，地表水、大气降水对岩溶水系统的垂向入渗补给量减少，并且上覆盖层能够通过过滤、吸附等物理、化学作用，降解渗流污染物的浓度，有利于保护岩溶水。很多国家和地区的地下水脆弱性评价工作中，将含水层上覆土层和其他弱透水地层的厚度作为评价地下水脆弱性的重要特征参数，认为土层越薄，地下水的脆弱性越高。如：爱尔兰把岩溶分布区上覆土层厚度小于30m的区域都划为脆弱性极高的类型。我国西南岩溶石山地区是我国岩溶塌陷灾害重点发育区，仅广西、云南、贵州、四川和重庆5个省市区就发生岩溶塌陷859次，占全国的78%。研究表明：可溶岩中的岩溶发育情况、覆盖层性质以及水动力条件是控制岩溶地面塌陷形成的主要地质环境因素，而其中覆盖层的厚度和物理性质是关系到是否发生岩溶塌陷的关键因素。通常情况下，上覆盖层愈厚，透水性愈弱，则塌陷发生率愈低。塌陷一般都分布于上覆土层厚度小于30m的地段，在昆明地区的翠湖、海口、大板桥发生的岩溶塌陷，塌陷区上覆土层厚度一般为 0～10m。据对广西地区 614 处岩溶塌陷调查，76.55%的塌陷点位于上覆土层厚度为0～6m的岩溶区，94%的塌陷点出现在上覆土层厚度小于10m的地段。当然，岩溶塌陷的产生与否，还与土层的物理性质有很大的关系，有的地区尽管土层不厚，并未因此出现塌陷。岩溶塌陷不仅毁坏农田、公路和建筑物等，造成巨大经济损失，还可能使地表污染物直接进入地下，造成岩溶水的严重污染。岩溶塌陷造成的突发性岩溶水污染事故，如果不能被及时发现和处理，将会很快地造成岩溶含水层的大面积污染。如昆明肉联厂，因岩溶塌陷，位于塌坑旁排污沟中的废水，通过岩溶管道直接灌进岩溶水中，造成岩溶水中总硬度、细菌、三氮、Fe、Mn、COD等物质超标，污染了饮用水水源。因此，岩溶含水层上覆的土层和其他弱透水地层的厚度对岩溶水脆弱性影响最大，上覆一定厚度的土层和其他弱透水地层既能对污染物起到阻隔和过滤作用，还会降低岩溶塌陷产生的可能，从而保护下伏岩溶含水层。如果上覆盖层渗透性好，往往容易与下伏岩溶含水层发生水力联系，脆弱性也随之增高。

岩溶含水层的赋水空间类型及透水性对岩溶水脆弱性的影响也很显著。暗河、大泉系统岩溶含水层分异溶蚀突出，岩溶发育不均匀，地下溶洞、管道发育。降水既可以通过溶隙成面状入渗补给散流层，再汇入溶洞管道流；也可以通过落水洞、天窗、脚洞形成点状补给，直接灌入补给溶洞管道流。溶洞管道流流速极快，岩溶水的净化能力弱。如开远南洞暗河，其水中的细菌总数、大肠菌群以及Fe、Mn等污染指标，雨季含量明显高于旱季，与地表水相似。反映出溶洞管道流与大气降水、地表水联系密切，降水和地表水极易将地表的各种污染物带入到岩溶水中。溶隙扩散流主要分布于岩溶含水层被非可溶土(岩)层覆盖或埋藏、均匀溶蚀为主的岩溶盆地、槽谷、大型洼地底部和平原区，岩溶发育相对均匀，网状管道、溶隙为岩溶水的赋存及径流空间。岩溶水主要从裸露型岩溶含水层侧向径流及其他含水层(带)的越流获得补给，以二维平面渗透流的形式运动为主，岩溶水往往以泉、渗流带的形式排泄。由于溶隙扩散流岩溶水系统的开放程度远不及溶洞管道流系统，与大气降雨等自然和人为的环境因素联系相对较弱，卫生防护条件较好，不易受各类污染源的影响，其水化学组分较稳定，季节变化不明显，岩溶水的自净能力也较强，水质普遍较好。此外，一般往往随着岩溶水埋藏深度增大，水化学环境条件趋于封闭，水交替逐渐迟缓，其脆弱性会有所下降。

岩溶水的脆弱性与地形地貌条件有一定的关系。一般而言，地表水容易汇集的地区，同样易于聚集污染物，岩溶水容易形成污染；地表水快速径流的地区，污染物不易下渗污染岩溶水。此外，由岩溶山区到盆地、河谷底部，一般岩溶水从补给、径流区向排泄区运移，随着水力坡度减小，岩溶水径流沿程排泄，径流速度逐渐减缓。补给区水交替强烈，污染物能够很快被淡化和带走，岩溶水化学成分含量较低。而岩溶水的排泄区，往往是地形较平坦或较低洼的地带，岩溶径流逐渐汇集，水交替较缓慢，随着各种化学成分的积累，岩溶水中大部分化学成分含量往往较高。如云南泸西岩溶盆地，周围裸露型岩溶山地补给区，岩溶水水质较好，多为良好和较好级；盆地底部平坝覆盖型岩溶排泄—径流区，水质以良好为主，少部分为较好；下游裸露型岩溶河谷集中排泄带水质较差，主要因为地表水大量转化为地下水，受污染严重，大部分岩溶水已不适宜饮用。反映出在岩溶水的溶解与搬运作用下，污染物质逐渐向下游累积的趋势。

岩溶水补给量对其脆弱性也有一定的影响。大气降水是西南地区岩溶水的主要补给源，年降水量一方面决定着岩溶水系统中水及其溶解组分的输入和输出量，引起水质的变化；另一方面也影响岩溶水的开采量，一般情况下，丰水年岩溶水的人工开采量会减少，而枯水年由于岩溶水天然排泄量减少，人工开采量增加，水位降幅增大，受污染的机会也相应增大。

植被覆盖情况对岩溶水脆弱性的影响主要表现在两个方面：一方面，植被系统能够拦截滞留大气降水，减少地表径流，增加大气降水对岩溶水的有效补给，且与植物相关的根系通道、动物通道、结构性孔隙等在岩土体中形成的相对稳定的大孔隙系统还可以显著优化岩溶水的补给条件，增加渗入补给量^[16]；另一方面，植被生态系统养分循环的各个过程能够过滤、吸收或吸附各种营养元素及污染物质，减少细菌数量，保护和改善水质，并减轻因水土流失造成的岩溶水污染。

不合理的人类活动对岩溶水脆弱性的影响主要是通过破坏生态地质环境来实现的。如：西南岩溶石山地区生态环境脆弱，有约25.03%的面积属于石漠化地区，从20世纪80年代至90年代末，西南岩溶石山地区的石漠化平均每年净增1650.26km²。岩溶生态环境的恶化，对岩溶水的脆弱性影响主要表现在以下几个方面：①植被涵养水源能力下降，地下径流变化幅度增大，表层岩溶泉流量减少或枯竭；②水土流失加剧，导致土壤颗粒及其所吸附的营养元素和农药易于转移到水中，既污染了水质又造成土壤肥力下降；③破坏土壤层，土壤层中的植物根系能够通过微生物、化学或物理作用有效的吸收和分解污染物，缺失土壤层，损坏了能够缓解和降低污染物浓度的过滤层，使岩溶水容易遭受污染。