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各高校、科研院所从事岩溶水文地质研究的高级研究人员、研究生；各省、市、自治区从事岩溶水文地质调查的地勘人员；在岩溶区开展交通、水利水电等工程建设勘查、设计及施工的从业人员。
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| 內容簡介： |
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由于碳酸盐岩地区岩溶系统的高度非均质性和各向异性特征，导致岩溶水系统具有边界的时间变异性、渗透系数的尺度效应、水流储运的双重性等一系列区别于多孔介质和裂隙介质的显著特征，因此，传统的水文地质学方法无法直接应用于岩溶水文地质的调查和研究工作。《岩溶水文地质学方法》引言部分阐明为什么岩溶含水层需要专门的调查方法；其次，论述了岩溶发育的地质基础与控制因素；再次，分章节分别介绍了用于岩溶含水层调查的专门方法和改进方法，包括：岩溶洞穴探测、水文学方法、水力学方法、水化学方法、同位素方法、连通试验、地球物理探测和岩溶水模拟；*后，针对特定的调查目标，以实例说明了多种方法在岩溶含水层调查中的联合运用。
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| 目錄：
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目录
前言
1.1本书的目标1
1.2岩溶含水层调查的特殊性1
1.2.1含水层演化2
1.2.2空间非均质性2
1.2.3渗透系数的尺度效应2
1.2.4补给和入渗的双重性3
1.2.5介质空隙、水流和储存的双重性3
1.2.6急剧的动态变化4
1.3岩溶含水层研究方法综述4
1.4加拿大Walkerton地区的实例6
第2章地质与地貌结构8
2.1引言8
2.2矿物学、岩石学和地层学9
2.2.1可溶岩矿物9
2.2.2可溶岩10
2.2.3岩性对岩溶的影响11
2.2.4从岩石地层学到水文地层学11
2.3地质构造14
2.3.1褶皱14
2.3.2断裂15
2.3.3节理和层面16
2.3.4裂隙研究17
2.4地形地貌17
2.4.1岩溶地貌分类与地形测绘17
2.4.2岩溶地貌与水文地质学的关系19
2.5小结21
第3章洞穴调查22
3.1引言22
3.2洞穴调查数据在水文地质学上的应用24
3.2.1洞穴测绘24
3.2.2洞穴三维模拟25
3.2.3洞穴和钻孔精确定位27
3.2.4洞穴调查成果解译28
3.2.5预测未知管道的分布及特征29
3.2.6洞穴成因及洞穴网络的发育阶段识别31
3.2.7水文地质学家的可靠洞穴数据来源31
3.3洞穴环境调查32
3.3.1管道形态分析32
3.3.2洞穴沉积物分析32
3.3.3洞穴水流示踪33
3.4洞穴水流监测33
3.4.1引言33
3.4.2渗流带水流特征34
3.4.3渗流带的运移特征36
3.5小结39
第4章水文学方法41
4.1引言41
4.2岩溶含水层系统的总体水文特征42
4.3基本概念：水均衡43
4.4泉流量曲线44
4.5降雨和补给的监测45
4.5.1引言45
4.5.2人工观测站46
4.5.3自动记录雨量站46
4.5.4多普勒雷达47
4.6水流观测47
4.6.1引言47
4.6.2水位测量47
4.6.3流量直接观测49
4.6.4流速仪49
4.6.5堰和水槽51
4.6.6示踪剂稀释52
4.6.7间接测流方法53
4.6.8洞穴滴水观测54
4.7电子数据记录54
4.8小结56
第5章水力学方法58
5.1引言58
5.2水力学与水文地质学参数58
5.2.1孔隙度、有效孔隙度和储水系数58
5.2.2水头61
5.2.3导水系数与渗透系数62
5.2.4地下水流速63
5.2.5地下水流量63
5.3钻孔水力学试验67
5.3.1引言67
5.3.2压水试验67
5.3.3微水试验70
5.4含水层抽水试验72
5.4.1引言72
5.4.2数据分析73
5.4.3含水层各向异性81
5.4.4含水层各区段导水系数83
5.5小结84
第6章水化学方法85
6.1引言85
6.2参数与过程85
6.2.1概论85
6.2.2与降雨有关的参数87
6.2.3与土壤有关的参数87
6.2.4与碳酸盐岩有关的参数88
6.2.5与其他岩石有关的参数90
6.2.6人为来源的化合物90
6.3采样方案与方法93
6.3.1采样的时空布置93
6.3.2采样位置94
6.3.3采样频率94
6.3.4取样方法95
6.4分析方法96
6.4.1持续测试方法96
6.4.2实验室方法96
6.5水化学数据分析99
6.5.1引言99
6.5.2应用灰岩溶蚀的有关参数评价含水层功能99
6.5.3评价水流的滞留时间与来源103
6.5.4确定侧向补给105
6.5.5混合作用的确定和定量研究106
6.5.6利用统计方法进行整体分析107
6.6评价污染物的来源与归宿108
6.6.1岩溶泉污染物检测108
6.6.2定量确定污染物110
6.6.3确定污染源111
6.6.4污染物归宿的调查111
6.7小结112
第7章同位素方法113
7.1引言113
7.2氢、碳和氧同位素114
7.2.1同位素丰度及其对岩溶水文地质学的重要性114
7.2.2同位素变化与指标114
7.3大气淡水的氢、氧同位素115
7.3.1地理变化115
7.3.2时间变化116
7.3.3大气降水线117
7.4确定岩溶水的来源117
7.4.1岩溶水中大气降水的百分率117
7.4.2同位素混合与溶质的相关性119
7.4.3岩溶泉的稳定同位素示踪120
7.4.4岩溶水对地表水流的贡献121
7.5氧同位素在岩溶含水层中的滞留时间121
7.5.1泉水同位素的时间变化121
7.5.2同位素、物理和化学变化的相对范围123
7.5.3线性水库模型123
7.5.4水文脉冲模型123
7.6放射性同位素确定地下水年龄125
7.6.1氚127
7.6.2氚-氦-3和氪-85128
7.6.3放射性碳同位素技术129
7.6.4氡的研究130
7.7小结133
第8章示踪技术135
8.1引言135
8.2人工示踪剂类型136
8.2.1综述136
8.2.2荧光染料137
8.2.3盐139
8.2.4颗粒示踪剂140
8.3示踪试验的准备和操作142
8.3.1初步调查和合法性评估142
8.3.2示踪剂类型和投放量142
8.3.3投放点和投放技术144
8.3.4选择取样位置和采样方法145
8.3.5实验室分析148
8.3.6野外测试设备151
8.4评价与解译152
8.4.1数据准备、数据质量与误差分析152
8.4.2示踪剂背景152
8.4.3地下水中示踪剂运移153
8.4.4穿透曲线154
8.4.5传输时间和运移速度155
8.4.6回收率156
8.4.7管道网络的描述156
8.4.8应用解析模型定量研究传输参数158
8.5小结160
第9章地球物理方法161
9.1引言161
9.2地球物理学概论165
9.2.1为什么应用物探165
9.2.2物探的应用条件166
9.2.3噪声问题166
9.2.4分辨率与探测深度167
9.2.5方法选择167
9.2.6定位测量167
9.2.7非**性168
9.3地震方法168
9.3.1概述168
9.3.2地震折射法170
9.3.3地震反射法171
9.3.4面波172
9.4重力法172
9.5电法和电磁法174
9.5.1概述174
9.5.2直流电法174
9.5.3交流电磁法176
9.5.4自然电位法182
9.5.5地质雷达法（GPR）184
9.5.6磁法185
9.6钻孔物探测井186
9.7小结190
第10章岩溶水动力模拟191
10.1引言191
10.2岩溶系统的概念模型191
10.3模拟方法193
10.4整体模型193
10.4.1引言193
10.4.2单次事件模型（灰箱模型）194
10.4.3时间序列分析197
10.5分布式模型198
10.5.1引言198
10.5.2离散裂隙网络方法（DFN）199
10.5.3离散管道网络方法（DCN）201
10.5.4等效孔隙介质方法（EPM）203
10.5.5双重连续介质方法（DC）204
10.5.6离散-连续组合方法（混合）（CDC）205
10.6岩溶含水层的溶质和热量传输模拟207
10.7小结209
第11章各种方法联合运用211
11.1引言与方法总结211
11.2特定目标调查的综合方法214
11.2.1确定岩溶水系统范围214
11.2.2确定水源位置214
11.2.3水质和污染问题评价215
11.2.4岩溶水流系统的概化215
11.2.5岩溶地下水脆弱性评价216
参考文献217
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| 內容試閱：
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第1章绪论
1.1本书的目标
岩溶含水层研究不仅是科学的挑战，对人类的生产、生活也同样重要，岩溶地下水是世界上很多国家、地区和城市必不可少的淡水水源，据Ford和Williams（1989）估算，全世界25%的人口饮用水来自岩溶水；同时，岩溶含水层普遍受人类活动影响，对污染具有高度的脆弱性（Drew and Htzl，1999）。Bakalowicz（2005）指出：岩溶水的开发利用难度和脆弱性均较高，应尽量避免将岩溶水作为供水源。目前，在淡水资源极度匮乏的地中海周边地区，岩溶水资源尚未开发，大量潜在的饮用水由海底泉排泄，当然，如果遵循岩溶的发育规律，这些岩溶水资源是可以开发利用的。
本书主要介绍岩溶水文地质研究的技术方法，包括利用现代技术对数据进行解译和模拟。可广泛用于确定岩溶泉域的范围、钻孔定位、水质监测、化学或微生物污染问题的评价和治理、岩溶含水层脆弱性制图等。隧道、水库等工程建设也会引发各种岩溶和地下水问题，本书不专门讨论岩溶工程问题（另有专著，Milanovic＇，2000），但本书能帮助解决工程建设中的水文地质问题。
本书的方法为研究岩溶水文地质系统水流和溶质运移特征提供方法支持，旨在为岩溶地下水资源保护、管理和开发实践提供帮助。岩溶水文地质领域的硕士、博士和高级研究人员能从中获取有用信息。技术改进和新技术开发还需开展大量工作，本书也能为从事技术研发的科学家和工程技术人员提供基础指导。方法从基础到深奥，读者可根据目标、时间、技术和人力资源的可行性选择合适的方法；同时，本书也可为扩展阅读提供有益参考。
1.2岩溶含水层调查的特殊性
岩溶含水层特征与裂隙和孔隙含水层之间存在显著差异，正如Ford和Williams（1989，2007）在专著《岩溶地貌和水文学》里所说，岩溶含水层常存在某些特殊的现象与过程，因此，需要专门的调查方法。其他专著（Bonacci，1987；Dreybrodt，1988；White，1988；Klimchouk et al.，2000）对岩溶地貌、洞穴和地下水流系统的演化也作了详细介绍。
1.2.1含水层演化
碳酸盐岩在含CO2水流的溶解作用下，部分初始裂隙扩大为岩溶管道和洞穴，因此，含水层总是在随时间演化，水流系统和管道网络的分布、规模也在随时间而改变：管道垮塌或被沉积物充填；饱水带管道与包气带管道相互转化等。这种演化过程在海岸带表现尤为明显，过去低海平面时期形成的岩溶水系统远低于现代海平面，多数已停止发育，但局部可能仍在发育。由于岩溶含水层随时间发生演变，有些地下水流通道和排泄出口难以根据现代地形和水文调查确定，因此，岩溶水文地质调查中还应分析地貌史，预测可能存在的未知水流通道和排泄出口，并制定相应的观测和采样方案。
1.2.2空间非均质性
所有含水层都具有非均质特征，在砂岩或砾岩含水层中开展钻探，基本都能钻遇地下水，而在极度非均质的岩溶含水层中钻孔很难获得成功。岩溶管道和洞穴中存在大量的地下水流，而相隔仅数米可能就是完全不含水的块状岩层（图1.1）。非均质性是岩溶水文地质调查需要考虑的主要问题，首先，现有的技术方法已能确定非均质性特征，如开展地球物理探测（下文简称“物探”）调查地下含水裂隙或岩溶管道；同时，非均质性也意味着所有的插值法和外推法都难以直接用于岩溶含水层研究，特别是根据钻孔水位或测压计水位观测数据难以绘制等水位图；即使能生成等水位图，也难以预测地下水的流向和流速，除非还有大量的观测井数据。通常采用示踪试验确定岩溶地下水的流向和流速。
1.2.3渗透系数的尺度效应
渗透系数的尺度效应是岩溶系统非均质性的直接结果，基岩样品的渗透性主要由孔隙和微裂隙决定，渗透系数值一般较低；抽水试验涉及更大的基岩体，测试结果主要受宽大裂隙控制，渗透系数值更高；而整个岩溶含水层受岩溶管道网络控制，渗透系数值**（Kiraly，1975）。因此，实验室测试和抽水试验尽管能分别反映岩块和抽水孔附近的水力特征，但渗透系数值并不能代表整个岩溶水系统。岩溶含水层的水力特征受大裂隙和管道控制，因此，岩溶含水层的数值模拟研究中，需同时考虑代表管道的超高渗透性单元和代表弱岩溶化岩体的低渗透性单元。
1.2.4补给和入渗的双重性
岩溶含水层的补给来源包括岩溶区的内源补给和相邻非岩溶区的外源补给，水流以点状补给的方式集中潜入落水洞、漏斗，或经由土壤分散入渗进入基岩裂隙（图1.1）。内源补给通常更为分散，但表层岩溶带汇聚分散水流后，也以集中的方式向竖井和管道补给。孔隙含水层主要接受内源和分散补给，本节所述补给入渗的双重性主要针对岩溶含水层。在水均衡估算及解决地下水保护和含水层脆弱性等问题时，须考虑流域的外源补给的汇水范围。经由落水洞的点状补给也是污染物进入岩溶含水层的主要途径。
图1.1非均质岩溶含水层系统示意图
岩溶水系统具有内源和外源双重补给、点状集中补给和分散入渗双重入渗方式以及管道和基岩的
双重孔隙和水流等特征1.2.5介质空隙、水流和储存的双重性
岩溶含水层空隙包括粒间孔隙、裂隙和管道。管道规模从宽数厘米的溶蚀裂隙到巨型洞穴通道不等，因此，可认为岩溶含水层是嵌入到弱岩溶化基岩中，并与之相互作用的管道网络系统（图1.1）。管道中地下水流速较大，一般100mh，多为紊流状态，基岩地下水流速则低得多；但管道仅占含水层体积的极小部分，储水能力有限，大量地下水储存于基岩和岩溶系统的其他部分，如表层岩溶带。岩溶管道是岩溶含水层区别于孔隙和裂隙含水层的重要特征，也是岩溶含水层研究的重点和难点，所有岩溶水文地质研究中均应考虑管道。洞穴调查可直接观测洞穴水流，但并非所有洞穴都可进入，而且可进入的洞穴也仅仅代表管道网络系统不再发育的部分；岩溶管道网络中仍在发育的但人类不可进入的部分，通常采用示踪试验方法对其开展岩溶水流和溶质运移研究。
1.2.6急剧的动态变化
岩溶含水层对降雨等水文过程的响应迅速而强烈，发生暴雨和降雪融水等较强补给时，岩溶水位在数小时内急剧上升，有时甚至超过100m；岩溶泉流量在较短时间内的变化可能超过几个数量级；悬浮矿物颗粒、有机碳、细菌（包括病原体）含量等水质参数同样会出现急剧变化。与其他基岩含水层相比，岩溶含水层的水流通道与流量随时间的动态变化更为强烈，时间间隔较长的定期取样难以评价岩溶地下水质，必须采用专门改进的采样和监测方案；尤其应针对暴雨等大流量水文过程，缩短取样或监测的时间间隔，研究中通常采用持续观测设备对流量、温度和电导率等参数开展监测，浊度、有机碳等参数也可作为细菌监测的代用指标（Pronk et al.，2006）。
1.3岩溶含水层研究方法综述
通过岩溶洞穴可观测含水层的内部水流（图1.2），洞穴调查是仅适用于岩溶研究的方法。本书的其他方法*初应用于其他类型含水层的调查和研究，经改进后应用于岩溶含水层，例如，抽水试验和等水位图分析等方法在孔隙含水层中应用效果较好，但岩溶含水层的非均质性限制了这些方法的应用；但有些岩溶含水层仅能通过钻孔和测压计等开展调查时，对上述方法的操作和数据解译进行调整，也可获取岩溶含水层的信息。示踪试验是确定地下连通性的有力工具，*初用于岩溶水研究，后来也逐渐应用于非岩溶水研究，但孔隙含水层的地下水流速较低，长距离的示踪试验会受到限制。
图1.2潜水探测佛罗里达州的供水岩溶泉
携带洞穴无线电潜水（右图），地表接收器追踪（左图）。洞穴探测者在垃圾充填的落水洞再次出现，该实例说明：①管道对岩溶含水层水流和污染物运移至关重要；②即使地表不存在岩溶形态，地下也可能发育大型管道；③岩溶含水层需要特殊的调查技术，洞穴也为地下水流研究提供了机会
（WesSkilesKarst Production公司）
地质格局决定了含水层的外部边界和内部结构，地形、地貌也能反映地下水流的信息，岩溶水文地质调查首先应开展地质和地形、地貌调查。
洞穴探测是研究管道网络的重要手段，在洞穴内可开展滴水和地下水流的直接观测和取样（图1.2），洞穴内也可开展示踪试验。但并非所有岩溶系统都存在洞穴，有些即使存在也未被发现，而且洞穴并不代表整个岩溶系统。
水均衡分析等水文学方法主要用于定量研究岩溶含水层的水流补给、径流和排泄特征。岩溶水系统的时间动态变化极大，应用该方法时应进行调整。
水力学方法包括绘制等水位图和钻孔水力学试验，由于岩溶含水层具有前述的特殊性，该方法用于岩溶研究时，应特别谨慎并进行特殊调整；没有可见泉口的承压岩溶含水层或海岸带岩溶含水层的研究，应将水力学方法作为优先选择。
水质评价和污染研究通常需开展水化学和微生物调查，水化学参数也可作为天然的示踪剂，用于研究地下水的来源、滞留时间、水-岩作用及水流混合过程，监测方法也应根据岩溶水的动态变化特征进行调整。
同位素参数作为天然示踪剂，可确定补给水流的高程、水分来源、地下水年龄、滞留时间等，同位素方法通常与水化学方法、示踪方法结合运用。
采用荧光染料等示踪剂开展示踪试验，通常是确定岩溶地下水系统连通性的**方法，也是确定岩溶水系统范围以及研究所有类型水流和溶质运移过程的重要方法。
物探是无须开挖和钻探，即可透视地球内部的方法，当然该方法也可在钻孔中应用，即物探测井。物探用于确定裂隙区、沉积盖层下方的构造特征和抽水井位置；在地下水脆弱性评价中，物探也可确定覆盖层厚度。多数物探方法也可用于其他含水层的研究，但是，微重力法和洞穴无线电技术确定岩溶管道的位置（图1.2），则是专门应用于岩溶研究的方法。
数值模型是模拟孔隙含水层地下水流和污染物运移的有效工具，也可预测抽水或污染的影响范围；但这种基于模拟的预测在用于岩溶含水层研究时通常存在疑问（见1.4节），原因不仅在于包气带和饱水带管道的紊流难以模拟，还因为难以查明岩溶系统的管道和裂隙网络的分布。如果根据岩溶特征调整模型，并充分了解模型的局限性，数值模拟也能帮助解决岩溶水文地质的某些实际问题；此外，借助数值模型能更好地了解岩溶含水层的某些特殊水流现象以及洞穴成因。
1.4加拿大Walkerton地区的实例
Walkerton是位于加拿大安大略省的一个乡间小镇，人口约5000人。该地区碳酸盐岩含水层由厚70m的古生界灰岩和白云岩组成，产状水平，上覆3～30m厚的冰碛岩，岩溶发育特征以及快速地下水流一直未被重视，该地区的水污染事件充分说明了谨慎选择岩溶含水层调查方法的重要性。
2000年5月，由于细菌污染城市供水，大约2300人生病，7人死亡，污染发生时，该地区3口供水井正在运行。主要的致病菌为大肠杆菌O157:H7和空肠弯曲菌，随后的流行病学调查显示大部分污染发生在暴雨后的数小时至数天以内。
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