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水文地質(zhì)

基巖山區水文地質(zhì)發(fā)展的緊迫性及其編圖方法

  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，對社會(huì )、經(jīng)濟可持續發(fā)展具有不可替代的作用?？娠嬘玫那鍧嵥侨祟?lèi)生命支持系統的基本因素之一①，地下水是人類(lèi)主要的飲用水源，我國山區地下水分布面積約5． 75 × 106 km2，占全國水資源評價(jià)區總面積的60． 60%，其地下淡水資源天然補給量占全國地下淡水資源天然補給量的74． 21%，可開(kāi)采資源量1 970 × 108 m3·a － 1，占全國地下淡水可開(kāi)采資源總量的55． 81%〔1〕，開(kāi)采基巖山區地下水是解決我國水資源問(wèn)題的有效途徑之一。
 
  中國科學(xué)院水資源領(lǐng)域戰略研究組指出，我國“旱澇災害的頻率、強度和空間分布將會(huì )發(fā)生較為明顯的變化，危害將會(huì )增強，突發(fā)性水災害事件的幾率將會(huì )提高”，2009—2011 年的連續干旱已體現了這一特點(diǎn)。
 
  自2003—2011 年的野外調查及研究，特別是近3 a 來(lái)應急抗旱工作，發(fā)現傳統的水文地質(zhì)圖在山區使用時(shí)存在許多缺陷，主要是: ① 傳統水文地質(zhì)圖一般基于巖性均質(zhì)論和層控論，側重于反映含水巖系的富水性，而對山區地下含水體的埋藏條件( 構造控水) 重視不夠，地下水的賦存、運移規律未能充分揭示; ② 在山區應急找水時(shí)，現有的水文地質(zhì)圖圖面反映內容有限，不能快速指示富水區段; ③ 圖面成果偏重于地下水資源量的評價(jià)，忽視了地下水水質(zhì)的評價(jià)，水質(zhì)型缺水在水文地質(zhì)圖上沒(méi)有體現;④ 基巖地下水非均一性分布，已普遍得到水文地質(zhì)學(xué)家的認可，但在目前的水文地質(zhì)圖件上未能得到體現，在一定程度上阻滯了山區水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展。
 
  鑒于以上急需解決的問(wèn)題，結合目前水文地質(zhì)
 
  界對基巖山區地下水研究的程度及精度，編制既反映山區地下水分布非均一性特征，突出構造控水作用，又對山區地下水勘查具有指導作用的山區水文地質(zhì)圖是眾多問(wèn)題的交集和紐帶，因此，開(kāi)展山區水文地質(zhì)圖編制研究尤為重要。
 
  1 研究現狀
 
  水文地質(zhì)圖是水文地質(zhì)學(xué)科的基礎性圖件，是水文地質(zhì)調查成果的集中體現，它反映了一個(gè)地區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 國外研究現狀
 
  蘇聯(lián)是開(kāi)展水文地質(zhì)研究最早的國家，自20 世紀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)圖劃分為詳細的、地區的、區域的、概略的4 大類(lèi)〔4〕。蘇聯(lián)水文地質(zhì)工程地質(zhì)科學(xué)研究所也曾專(zhuān)門(mén)召開(kāi)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) 。
 
  國際水文地質(zhì)界針對水文地質(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) 國際水文科學(xué)協(xié)會(huì )上展開(kāi)廣泛討論，并成立了水文地質(zhì)圖委員會(huì )( 1956) ，專(zhuān)門(mén)研究水文地質(zhì)圖圖例符號標準化問(wèn)題， 1962 年在巴黎國際水文地質(zhì)會(huì )議上，對有關(guān)圖例符號做了肯定，出版了第一個(gè)圖例草案，1966 年在赫爾辛基國際水文科學(xué)協(xié)會(huì )上，舉辦了圖件展〔6 － 7〕。1970 年IAH、IAHS 和聯(lián)合國教科文組織共同制定出版了《水文地質(zhì)圖國際圖例》，并于1983 年萬(wàn)隆亞太地區水文地質(zhì)圖會(huì )議上提交了《水文地質(zhì)圖國際圖例( 修正草案) 》〔6〕， 1989年又在德國漢諾威市舉行了國際水文地質(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”引起了國際地學(xué)界的強烈反響〔9〕。
 
  可見(jiàn)，水文地質(zhì)圖的國際發(fā)展趨勢由傳統的以滿(mǎn)足專(zhuān)家需求為主的專(zhuān)業(yè)性圖件向滿(mǎn)足經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展需求的實(shí)用性圖件發(fā)展，且圖件的內容由地表地質(zhì)規律向深部地質(zhì)結構發(fā)展，制圖方法由單一學(xué)科知識向多學(xué)科交叉融合發(fā)展，制圖工藝由手工制圖到手工與計算機結合制圖向計算機制圖發(fā)展。簡(jiǎn)言之，是經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展需求的主要矛盾決定了水文地質(zhì)圖向實(shí)用性發(fā)展，帶動(dòng)圖件內容、編圖方法和制圖工藝等的發(fā)展。
 
  1． 2 國內研究現狀
 
  國內水文地質(zhì)圖編制的研究，可追溯至20 世紀50 年代的區域水文地質(zhì)調查，在實(shí)踐工作的基礎上，廣大學(xué)者和水文地質(zhì)調查的一線(xiàn)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) 》，對前幾年的水文地質(zhì)工作做了一個(gè)很好的總結。
 
  編圖原則是水文地質(zhì)圖的指導思維，決定了水文地質(zhì)圖的形式、內容和用途。1964 年陳夢(mèng)熊〔3〕首次探討了區域水文地質(zhì)圖的編圖原則，在區分了專(zhuān)門(mén)水文地質(zhì)圖和綜合水文地質(zhì)圖編圖方法的基礎上，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，并對爭議較大含水巖系的劃分、水文地質(zhì)分區等問(wèn)題做了詳盡的論述。此后，眾多學(xué)者對水文地質(zhì)圖編制原則展開(kāi)了廣泛討論，提出了許多指導理論〔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)用性和針對性不強。山區作為我國地下水資源的主要賦存區和缺水區，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)指導地下水開(kāi)采的山區水文地質(zhì)圖。
 
  編圖內容是水文地質(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1∶ 200 000 和1∶ 500 000 的綜合水文地質(zhì)圖規定了其需要表現的主體，并對5 種基本類(lèi)型的地下水做了詳盡的富水性分級和水質(zhì)分類(lèi)，該編圖方法與圖例集成了我國水文地質(zhì)工作者近30 a 的心血，是我國水文地質(zhì)圖編圖史上的一座里程碑〔16 － 18〕。但還存在一些問(wèn)題，如圖件內容都以水資源評價(jià)為目的編制，且表達形式多采用概化的層狀含水層，有的成果雖對基巖地下水類(lèi)型做了劃分，但由于忽略了對山區地下水開(kāi)采的指導作用，故未能在圖面上表示，致使山區地下水的埋藏條件和分布規律反映不足。
 
  編圖方法是圖件實(shí)現編圖目的的具體途徑，最能反映編圖者的技能。胡海濤等〔19〕運用地下水網(wǎng)絡(luò )模式，分析了構造體系對基巖山區地下水的控制作用，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。其他學(xué)者則從學(xué)科交叉帶來(lái)了諸多新方法，特別是對圖面簡(jiǎn)化和含水巖系表達等做了深入探討〔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，針對適宜山區使用的水文地質(zhì)圖，缺少構造控水的表達方法研究，致使其使用效益和經(jīng)濟效益不高。
 
  綜合以上分析可見(jiàn)，水文地質(zhì)圖的研究歷程是，編圖原則→編圖內容→編制方法→再到編圖原則→編制方法+ 編制內容→綜合研究，由注重基礎性理論研究逐步走向實(shí)用性研究，緊密結合社會(huì )經(jīng)濟建設和人民生活的需求。而其編圖指導思想的變革與發(fā)展，是系統論在各學(xué)科融合發(fā)展的體現。但是，傳統水文地質(zhì)圖的重點(diǎn)在于地下水水資源評價(jià)，忽略了對山區找水的指導性作用，山區水文地質(zhì)圖的編制研究和實(shí)踐發(fā)展緩慢。
 
  2 研究?jì)热?/div>
 
  主要以山區水文地質(zhì)條件為編圖基礎，指導山區地下水開(kāi)發(fā)的山區水文地質(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，以北方基巖山區地下水為研究主體，選擇太行山區為山區水文地質(zhì)圖編制研究示范區開(kāi)展研究。
 
  2． 1 編圖原則
 
  山區水文地質(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，既要結合以往傳統水文地質(zhì)編圖對系統論的重視，傳承基礎，也要貼近實(shí)際需要，注重新理論、新認識，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)反映山區地下水的分布特征，最終形成一個(gè)明確、易懂、操作性強的編圖原則。
 
  2． 2 編圖內容
 
  借鑒傳統水文地質(zhì)圖件編制內容，針對基巖地下水的影響、控制因素( 如地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構造等) ，選擇能突出反映地下水賦存、運移規律的元素作為圖示對象。主要包括4 個(gè)方面的內容:
 
  ( 1) 基礎地理信息，包括交通道路、自然地理、河流水庫、等高線(xiàn)等。
 
  ( 2) 基本水文地質(zhì)信息，如地下水類(lèi)型、井泉點(diǎn)、含水層富水性、水質(zhì)等。
 
  ( 3) 體現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、蓄水構造等。
 
  2． 3 編圖方法
 
  如何編制不同比例尺的山區水文地質(zhì)圖，使圖面信息既不繁瑣混亂、主次分明，又簡(jiǎn)潔美觀(guān)、富有層次、內涵豐富是編圖方法的主旨。為此，注重對山區水文地質(zhì)編圖方法的研究，提倡編圖方法的靈活運用及創(chuàng )新改進(jìn)，注重計算機在編圖方法改進(jìn)和創(chuàng )新中的作用。側重如何合理確定哪些是主要特征，哪些是次要特征以外，還要想方設法把各個(gè)主要特征與含水巖系的劃分密切結合起來(lái)。并注重圖例的組合和改進(jìn)，如構造破碎帶和影響帶的圖示，既要反映地下含水體的特征，更要反映在構造不同部位地下水分布的不同規律。
 
  2． 4 其他
 
  將定性的構造、巖性、地形、地貌、氣象認識進(jìn)行定量化研究。開(kāi)展水文地質(zhì)調查屬性數據庫的建設研究，使矢量化后的山區水文地質(zhì)圖信息量最大化，檢索便捷化。
 
  3 技術(shù)路線(xiàn)
 
  ( 1) 積極收集關(guān)于山區水文地質(zhì)圖編制的文獻資料和學(xué)科動(dòng)態(tài)，對山區水文地質(zhì)圖的缺陷，廣泛征求一線(xiàn)技術(shù)人員和國內知名專(zhuān)家的意見(jiàn)，在與團隊認識相結合的基礎上，進(jìn)行意見(jiàn)稿的文字整理和圖件標注，深入挖掘對山區水文地質(zhì)圖編制研究的理論意義和深遠影響。
 
  ( 2) 山區水文地質(zhì)圖的編制方案和制圖總設計書(shū)，是課題研究深度的保障?；诙嗄晟絽^水文地質(zhì)調查實(shí)踐和山區水文地質(zhì)圖編制經(jīng)驗，以地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、構造地質(zhì)學(xué)、水文地球化學(xué)、地圖制圖學(xué)和地理信息系統等多學(xué)科知識為指導，結合系統論、信息論、圖論及經(jīng)濟學(xué)、人口地理學(xué)等社會(huì )學(xué)和美學(xué)知識，綜合制定編制方案及制圖總設計書(shū)。
 
  ( 3) 水文地質(zhì)單元選擇的典型性是山區水文地質(zhì)圖代表性的體現。擬選的水文地質(zhì)單元，要具有獨立的地下含水系統，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)構造復雜，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)規律?？傊幩x研究區能體現北方基巖山區地下水的典型特征。
 
  ( 4) 重點(diǎn)區水文地質(zhì)補充調查是在以往水文地質(zhì)調查成果的基礎上開(kāi)展的，是此次山區水文地質(zhì)編圖最重要的手段，其成果精度直接影響山區水文地質(zhì)圖的使用效益。對研究區重點(diǎn)進(jìn)行構造富水性判別、含水巖系富水性分級、水位統測( 豐水期和枯水期兩次) 、水樣采集及野外試驗，突出研究層狀含水層與帶狀含水層、脈狀含水層及團窩狀含水層的不同調查方法和不同表達方法。針對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 結論
 
  ( 1) 傳統水文地質(zhì)圖的重點(diǎn)在于地下水水資源評價(jià)，沒(méi)有針對山區地下水分布非均一性特征做特別表達方式的研究，忽略了山區找水的需要，致使山區水文地質(zhì)編圖研究發(fā)展緩慢。
 
  ( 2) 經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展需求的主要矛盾決定了水文地質(zhì)圖向實(shí)用性發(fā)展，從而帶動(dòng)圖件內容、編圖方法和制圖工藝等的發(fā)展。
 
  ( 3) 開(kāi)展山區水文地質(zhì)圖編制理論、方法的研究，能推動(dòng)山區水文地質(zhì)圖編制理論的研究進(jìn)展，提升對山區水文地質(zhì)學(xué)一些基本概念的思考，改善和加強水文地質(zhì)制圖最基本理論和方法的薄弱環(huán)節〔12〕。
 
  ( 4) 充分利用計算機在成圖和信息挖掘方面的優(yōu)勢，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)。