水文地質(zhì)
基巖山區(qū)水文地質(zhì)發(fā)展的緊迫性及其編圖方法
文章來(lái)源:地大熱能 發(fā)布作者: 發(fā)表時(shí)間:2021-11-10 15:04:01瀏覽次數(shù):1662
水資源是寶貴的自然資源,又是重要的生態(tài)支撐條件與環(huán)境要素,對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有不可替代的作用??娠嬘玫那鍧嵥侨祟惿С窒到y(tǒng)的基本因素之一①,地下水是人類主要的飲用水源,我國(guó)山區(qū)地下水分布面積約5. 75 × 106 km2,占全國(guó)水資源評(píng)價(jià)區(qū)總面積的60. 60%,其地下淡水資源天然補(bǔ)給量占全國(guó)地下淡水資源天然補(bǔ)給量的74. 21%,可開采資源量1 970 × 108 m3·a - 1,占全國(guó)地下淡水可開采資源總量的55. 81%〔1〕,開采基巖山區(qū)地下水是解決我國(guó)水資源問(wèn)題的有效途徑之一。
中國(guó)科學(xué)院水資源領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組指出,我國(guó)“旱澇災(zāi)害的頻率、強(qiáng)度和空間分布將會(huì)發(fā)生較為明顯的變化,危害將會(huì)增強(qiáng),突發(fā)性水災(zāi)害事件的幾率將會(huì)提高”,2009—2011 年的連續(xù)干旱已體現(xiàn)了這一特點(diǎn)。
自2003—2011 年的野外調(diào)查及研究,特別是近3 a 來(lái)應(yīng)急抗旱工作,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的水文地質(zhì)圖在山區(qū)使用時(shí)存在許多缺陷,主要是: ① 傳統(tǒng)水文地質(zhì)圖一般基于巖性均質(zhì)論和層控論,側(cè)重于反映含水巖系的富水性,而對(duì)山區(qū)地下含水體的埋藏條件( 構(gòu)造控水) 重視不夠,地下水的賦存、運(yùn)移規(guī)律未能充分揭示; ② 在山區(qū)應(yīng)急找水時(shí),現(xiàn)有的水文地質(zhì)圖圖面反映內(nèi)容有限,不能快速指示富水區(qū)段; ③ 圖面成果偏重于地下水資源量的評(píng)價(jià),忽視了地下水水質(zhì)的評(píng)價(jià),水質(zhì)型缺水在水文地質(zhì)圖上沒有體現(xiàn);④ 基巖地下水非均一性分布,已普遍得到水文地質(zhì)學(xué)家的認(rèn)可,但在目前的水文地質(zhì)圖件上未能得到體現(xiàn),在一定程度上阻滯了山區(qū)水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展。
鑒于以上急需解決的問(wèn)題,結(jié)合目前水文地質(zhì)
界對(duì)基巖山區(qū)地下水研究的程度及精度,編制既反映山區(qū)地下水分布非均一性特征,突出構(gòu)造控水作用,又對(duì)山區(qū)地下水勘查具有指導(dǎo)作用的山區(qū)水文地質(zhì)圖是眾多問(wèn)題的交集和紐帶,因此,開展山區(qū)水文地質(zhì)圖編制研究尤為重要。
1 研究現(xiàn)狀
水文地質(zhì)圖是水文地質(zhì)學(xué)科的基礎(chǔ)性圖件,是水文地質(zhì)調(diào)查成果的集中體現(xiàn),它反映了一個(gè)地區(qū)地下水情況及其與自然地理和地質(zhì)因素的相互關(guān)系。
1. 1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
蘇聯(lián)是開展水文地質(zhì)研究最早的國(guó)家,自20 世紀(jì)20 年代以來(lái),許多蘇聯(lián)學(xué)者都曾撰文探討水文地質(zhì)圖的編圖原則〔3〕,奧弗琴尼柯夫還按不同比例尺,把水文地質(zhì)圖劃分為詳細(xì)的、地區(qū)的、區(qū)域的、概略的4 大類〔4〕。蘇聯(lián)水文地質(zhì)工程地質(zhì)科學(xué)研究所也曾專門召開會(huì)議討論水文地質(zhì)圖的編圖原則問(wèn)題,并制定了中等比例尺的水文地質(zhì)圖編圖原則〔5〕, 1960 年還正式出版了兩幅水文地質(zhì)圖樣圖( 1∶ 200 000) 。
國(guó)際水文地質(zhì)界針對(duì)水文地質(zhì)圖圖例與編圖方法,曾先后在羅馬( 1956) 、多倫多( 1957) 和赫爾辛基( 1960) 國(guó)際水文科學(xué)協(xié)會(huì)上展開廣泛討論,并成立了水文地質(zhì)圖委員會(huì)( 1956) ,專門研究水文地質(zhì)圖圖例符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題, 1962 年在巴黎國(guó)際水文地質(zhì)會(huì)議上,對(duì)有關(guān)圖例符號(hào)做了肯定,出版了第一個(gè)圖例草案,1966 年在赫爾辛基國(guó)際水文科學(xué)協(xié)會(huì)上,舉辦了圖件展〔6 - 7〕。1970 年IAH、IAHS 和聯(lián)合國(guó)教科文組織共同制定出版了《水文地質(zhì)圖國(guó)際圖例》,并于1983 年萬(wàn)隆亞太地區(qū)水文地質(zhì)圖會(huì)議上提交了《水文地質(zhì)圖國(guó)際圖例( 修正草案) 》〔6〕, 1989年又在德國(guó)漢諾威市舉行了國(guó)際水文地質(zhì)圖學(xué)術(shù)會(huì)議,指出在編制綜合水文地質(zhì)圖的同時(shí),編制地下水資源圖與各種環(huán)境水文地質(zhì)圖是目前水文地質(zhì)編圖的發(fā)展總方向〔8〕。之后,水文地質(zhì)圖的編制在世界各地掀起了高潮,UNESCO-IHP( BGR) 編制的“世界地下水資源圖”引起了國(guó)際地學(xué)界的強(qiáng)烈反響〔9〕。
可見,水文地質(zhì)圖的國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)由傳統(tǒng)的以滿足專家需求為主的專業(yè)性圖件向滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求的實(shí)用性圖件發(fā)展,且圖件的內(nèi)容由地表地質(zhì)規(guī)律向深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)展,制圖方法由單一學(xué)科知識(shí)向多學(xué)科交叉融合發(fā)展,制圖工藝由手工制圖到手工與計(jì)算機(jī)結(jié)合制圖向計(jì)算機(jī)制圖發(fā)展。簡(jiǎn)言之,是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求的主要矛盾決定了水文地質(zhì)圖向?qū)嵱眯园l(fā)展,帶動(dòng)圖件內(nèi)容、編圖方法和制圖工藝等的發(fā)展。
1. 2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)水文地質(zhì)圖編制的研究,可追溯至20 世紀(jì)50 年代的區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查,在實(shí)踐工作的基礎(chǔ)上,廣大學(xué)者和水文地質(zhì)調(diào)查的一線工作者編制了大量的水文地質(zhì)圖,1959 年,原地質(zhì)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)局制定并通過(guò)了《綜合水文地質(zhì)圖編圖方法( 1∶ 200 000,1∶ 1 000 000) 》,對(duì)前幾年的水文地質(zhì)工作做了一個(gè)很好的總結(jié)。
編圖原則是水文地質(zhì)圖的指導(dǎo)思維,決定了水文地質(zhì)圖的形式、內(nèi)容和用途。1964 年陳夢(mèng)熊〔3〕首次探討了區(qū)域水文地質(zhì)圖的編圖原則,在區(qū)分了專門水文地質(zhì)圖和綜合水文地質(zhì)圖編圖方法的基礎(chǔ)上,指出了綜合水文地質(zhì)圖編制過(guò)程中存在的主要問(wèn)題,并對(duì)爭(zhēng)議較大含水巖系的劃分、水文地質(zhì)分區(qū)等問(wèn)題做了詳盡的論述。此后,眾多學(xué)者對(duì)水文地質(zhì)圖編制原則展開了廣泛討論,提出了許多指導(dǎo)理論〔10 - 15〕。目前,編圖原則的不適宜之處在于水文地質(zhì)圖的實(shí)用性和針對(duì)性不強(qiáng)。山區(qū)作為我國(guó)地下水資源的主要賦存區(qū)和缺水區(qū),沒有專門指導(dǎo)地下水開采的山區(qū)水文地質(zhì)圖。
編圖內(nèi)容是水文地質(zhì)圖的主體,是水文地質(zhì)圖實(shí)用性的承載者。1979 年,地質(zhì)出版社出版的《綜合水文地質(zhì)圖編圖方法與圖例》,主要針對(duì)1∶ 200 000 和1∶ 500 000 的綜合水文地質(zhì)圖規(guī)定了其需要表現(xiàn)的主體,并對(duì)5 種基本類型的地下水做了詳盡的富水性分級(jí)和水質(zhì)分類,該編圖方法與圖例集成了我國(guó)水文地質(zhì)工作者近30 a 的心血,是我國(guó)水文地質(zhì)圖編圖史上的一座里程碑〔16 - 18〕。但還存在一些問(wèn)題,如圖件內(nèi)容都以水資源評(píng)價(jià)為目的編制,且表達(dá)形式多采用概化的層狀含水層,有的成果雖對(duì)基巖地下水類型做了劃分,但由于忽略了對(duì)山區(qū)地下水開采的指導(dǎo)作用,故未能在圖面上表示,致使山區(qū)地下水的埋藏條件和分布規(guī)律反映不足。
編圖方法是圖件實(shí)現(xiàn)編圖目的的具體途徑,最能反映編圖者的技能。胡海濤等〔19〕運(yùn)用地下水網(wǎng)絡(luò)模式,分析了構(gòu)造體系對(duì)基巖山區(qū)地下水的控制作用,研究了基巖地下水的分布非均一性,分析了不同模式各自的富水部位,在水文地質(zhì)圖上作了嘗試性表達(dá)。其他學(xué)者則從學(xué)科交叉帶來(lái)了諸多新方法,特別是對(duì)圖面簡(jiǎn)化和含水巖系表達(dá)等做了深入探討〔13 - 15, 17 - 23〕。但研究方法多是基于層狀含水層或似層狀含水層,針對(duì)適宜山區(qū)使用的水文地質(zhì)圖,缺少構(gòu)造控水的表達(dá)方法研究,致使其使用效益和經(jīng)濟(jì)效益不高。
綜合以上分析可見,水文地質(zhì)圖的研究歷程是,編圖原則→編圖內(nèi)容→編制方法→再到編圖原則→編制方法+ 編制內(nèi)容→綜合研究,由注重基礎(chǔ)性理論研究逐步走向?qū)嵱眯匝芯浚o密結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活的需求。而其編圖指導(dǎo)思想的變革與發(fā)展,是系統(tǒng)論在各學(xué)科融合發(fā)展的體現(xiàn)。但是,傳統(tǒng)水文地質(zhì)圖的重點(diǎn)在于地下水水資源評(píng)價(jià),忽略了對(duì)山區(qū)找水的指導(dǎo)性作用,山區(qū)水文地質(zhì)圖的編制研究和實(shí)踐發(fā)展緩慢。
2 研究?jī)?nèi)容
主要以山區(qū)水文地質(zhì)條件為編圖基礎(chǔ),指導(dǎo)山區(qū)地下水開發(fā)的山區(qū)水文地質(zhì)圖,是近年水文地質(zhì)學(xué)科發(fā)展的盲點(diǎn)。本文緊緊圍繞“水在哪里,水量大小,水質(zhì)好壞,埋藏條件”的主題,以北方基巖山區(qū)地下水為研究主體,選擇太行山區(qū)為山區(qū)水文地質(zhì)圖編制研究示范區(qū)開展研究。
2. 1 編圖原則
山區(qū)水文地質(zhì)編圖以地下水分布的非均一性為基本原則。具體編圖原則的制定,既要結(jié)合以往傳統(tǒng)水文地質(zhì)編圖對(duì)系統(tǒng)論的重視,傳承基礎(chǔ),也要貼近實(shí)際需要,注重新理論、新認(rèn)識(shí),引進(jìn)、吸收、消化新興交叉學(xué)科的發(fā)散思維和相近學(xué)科快速發(fā)展帶來(lái)的新成果,切實(shí)反映山區(qū)地下水的分布特征,最終形成一個(gè)明確、易懂、操作性強(qiáng)的編圖原則。
2. 2 編圖內(nèi)容
借鑒傳統(tǒng)水文地質(zhì)圖件編制內(nèi)容,針對(duì)基巖地下水的影響、控制因素( 如地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等) ,選擇能突出反映地下水賦存、運(yùn)移規(guī)律的元素作為圖示對(duì)象。主要包括4 個(gè)方面的內(nèi)容:
( 1) 基礎(chǔ)地理信息,包括交通道路、自然地理、河流水庫(kù)、等高線等。
( 2) 基本水文地質(zhì)信息,如地下水類型、井泉點(diǎn)、含水層富水性、水質(zhì)等。
( 3) 體現(xiàn)基巖地下水分布非均一性特征的因素,如斷層、裂隙、巖溶等。
( 4) 綜合性因素,如地下水系統(tǒng)、蓄水構(gòu)造等。
2. 3 編圖方法
如何編制不同比例尺的山區(qū)水文地質(zhì)圖,使圖面信息既不繁瑣混亂、主次分明,又簡(jiǎn)潔美觀、富有層次、內(nèi)涵豐富是編圖方法的主旨。為此,注重對(duì)山區(qū)水文地質(zhì)編圖方法的研究,提倡編圖方法的靈活運(yùn)用及創(chuàng)新改進(jìn),注重計(jì)算機(jī)在編圖方法改進(jìn)和創(chuàng)新中的作用。側(cè)重如何合理確定哪些是主要特征,哪些是次要特征以外,還要想方設(shè)法把各個(gè)主要特征與含水巖系的劃分密切結(jié)合起來(lái)。并注重圖例的組合和改進(jìn),如構(gòu)造破碎帶和影響帶的圖示,既要反映地下含水體的特征,更要反映在構(gòu)造不同部位地下水分布的不同規(guī)律。
2. 4 其他
將定性的構(gòu)造、巖性、地形、地貌、氣象認(rèn)識(shí)進(jìn)行定量化研究。開展水文地質(zhì)調(diào)查屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)研究,使矢量化后的山區(qū)水文地質(zhì)圖信息量最大化,檢索便捷化。
3 技術(shù)路線
( 1) 積極收集關(guān)于山區(qū)水文地質(zhì)圖編制的文獻(xiàn)資料和學(xué)科動(dòng)態(tài),對(duì)山區(qū)水文地質(zhì)圖的缺陷,廣泛征求一線技術(shù)人員和國(guó)內(nèi)知名專家的意見,在與團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)相結(jié)合的基礎(chǔ)上,進(jìn)行意見稿的文字整理和圖件標(biāo)注,深入挖掘?qū)ι絽^(qū)水文地質(zhì)圖編制研究的理論意義和深遠(yuǎn)影響。
( 2) 山區(qū)水文地質(zhì)圖的編制方案和制圖總設(shè)計(jì)書,是課題研究深度的保障?;诙嗄晟絽^(qū)水文地質(zhì)調(diào)查實(shí)踐和山區(qū)水文地質(zhì)圖編制經(jīng)驗(yàn),以地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、水文地球化學(xué)、地圖制圖學(xué)和地理信息系統(tǒng)等多學(xué)科知識(shí)為指導(dǎo),結(jié)合系統(tǒng)論、信息論、圖論及經(jīng)濟(jì)學(xué)、人口地理學(xué)等社會(huì)學(xué)和美學(xué)知識(shí),綜合制定編制方案及制圖總設(shè)計(jì)書。
( 3) 水文地質(zhì)單元選擇的典型性是山區(qū)水文地質(zhì)圖代表性的體現(xiàn)。擬選的水文地質(zhì)單元,要具有獨(dú)立的地下含水系統(tǒng),水文地質(zhì)邊界條件清晰,水文地質(zhì)特征典型,地層巖性全面,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地下水露頭成因可查,水井點(diǎn)分布合理,易于探尋地下水水化學(xué)規(guī)律。總之力爭(zhēng)所選研究區(qū)能體現(xiàn)北方基巖山區(qū)地下水的典型特征。
( 4) 重點(diǎn)區(qū)水文地質(zhì)補(bǔ)充調(diào)查是在以往水文地質(zhì)調(diào)查成果的基礎(chǔ)上開展的,是此次山區(qū)水文地質(zhì)編圖最重要的手段,其成果精度直接影響山區(qū)水文地質(zhì)圖的使用效益。對(duì)研究區(qū)重點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)造富水性判別、含水巖系富水性分級(jí)、水位統(tǒng)測(cè)( 豐水期和枯水期兩次) 、水樣采集及野外試驗(yàn),突出研究層狀含水層與帶狀含水層、脈狀含水層及團(tuán)窩狀含水層的不同調(diào)查方法和不同表達(dá)方法。針對(duì)精度要求高的水文地質(zhì)問(wèn)題,必要時(shí)可采用物探方法。
4 結(jié)論
( 1) 傳統(tǒng)水文地質(zhì)圖的重點(diǎn)在于地下水水資源評(píng)價(jià),沒有針對(duì)山區(qū)地下水分布非均一性特征做特別表達(dá)方式的研究,忽略了山區(qū)找水的需要,致使山區(qū)水文地質(zhì)編圖研究發(fā)展緩慢。
( 2) 經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求的主要矛盾決定了水文地質(zhì)圖向?qū)嵱眯园l(fā)展,從而帶動(dòng)圖件內(nèi)容、編圖方法和制圖工藝等的發(fā)展。
( 3) 開展山區(qū)水文地質(zhì)圖編制理論、方法的研究,能推動(dòng)山區(qū)水文地質(zhì)圖編制理論的研究進(jìn)展,提升對(duì)山區(qū)水文地質(zhì)學(xué)一些基本概念的思考,改善和加強(qiáng)水文地質(zhì)制圖最基本理論和方法的薄弱環(huán)節(jié)〔12〕。
( 4) 充分利用計(jì)算機(jī)在成圖和信息挖掘方面的優(yōu)勢(shì),使地下含水體更具有水文地質(zhì)意義是今后研究的重點(diǎn)。