基巖山區地下水系統圖編制思路與方法初步研究

肖紫怡，陳植華，朱靜靜，周　宏

(1.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢)地質調查研究院，湖北 武漢 430074)

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基巖山區地下水系統圖編制思路與方法初步研究

肖紫怡1，陳植華1，朱靜靜2，周宏2

(1.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢)地質調查研究院，湖北 武漢 430074)

摘要：如何編制一張地下水系統圖件現已逐步成為水文地質工作者關心的熱點。基巖山區的地下水系統圖件編制尚未有明確的參考規范，利用香溪河巖溶流域1∶5萬水文地質調查成果，對基巖山區地下水系統編圖進行研究，初步提出地下水系統圖件編制的一些思路與方法，并嘗試用地下水系統圖件來更好地展現圖幅區水文地質條件，對水文地質工作者具有重要的參考價值。

關鍵詞：基巖山區；地下水系統圖；編圖思路與方法

“地下水系統”的出現是水文地質科學的探索和實踐知識積累過程的產物。地下水系統圖則是以地下水系統理論為主要指導原則，系統地分析水文地質調查的數據資料，總結和提升規律性成果，著重表現地下水埋藏分布和運移的系統，并從地下水系統角度表達地下水系統時間、空間的動態變化規律，為地下水資源評價、開發利用以及地下水環境保護提供科學依據。我國在地下水系統理論研究領域起步并不晚，但目前基于地下水系統理論和思想方法指導的編圖成果不多。尤其是針對基礎山區的地下水系統圖件編制尚未有明確的參考規范。鑒于此，本文利用香溪河巖溶流域1∶5萬水文地質調查成果，對基巖山區地下水系統圖編制思路與方法進行了初步研究。

1關于水文地質圖與地下水系統圖

水文地質圖是基于水文地質調查全過程中獲取的有用信息編制的，它是反映地下水分布及其有關性質、特征的不可或缺的載體，是服務于地下水開發、利用、保護和管理的重要工具。水文地質圖屬于通用性、基礎性圖件，是為其他工程建設、科學研究提供準確的區域水文地質資料[1]。水文地質系列圖件需從不同角度全面地反映圖幅區地下水分布埋藏特征和補給、徑流、排泄規律，重點刻畫地下水系統內部結構的特征，也就是含水介質和相對隔水地質體的空間分布格局以及滲流場和水化學場。

水文地質圖一般側重于反映含水巖組的含水性。基巖山區與平原區相比，相對高差比較大，水文地質條件比較復雜，可以提供有效信息的水文地質鉆孔數量稀少。針對基巖山區復雜特殊的水文地質條件，地下水系統圖件的編制則是在體現地下水分布埋藏的系統性基礎上，刻畫圖幅內不同地下水的補給、徑流、排泄特征，達到反映基礎水文地質條件的目的。與水文地質圖一致的是，編制地下水系統圖的資料基礎同樣來自1∶5萬水文地質調查原始數據，但地下水系統圖需要更多地表達出這些資料整理和條件分析的成果。除此之外，水文地質圖往往需要將調查時期的水文地質點全部體現在圖面中，而地下水系統圖可以選取調查期典型水文地質點標注在圖面中。本文提出以地下水系統理論為指導，結合研究區實際條件，設計成果圖件的主要表現內容，嘗試編制工作區地下水系統圖，創新水文地質調查成果表現形式。

需要說明的是，地下水系統圖件屬于基礎水文地質圖件的補充，而不是替代性的成果圖件；基礎水文地質圖件可以認為是調查成果的客觀表現，而地下水系統圖件更多體現的是對調查數據分析和集成成果的體現，一定程度上含有編圖者對相關資料更深層次的分析與歸納。

水文地質圖與地下水系統圖的差異主要為：①水文地質圖是基礎調查數據資料經過一定整理后的表達，需要全面詳盡反映調查數據和成果；地下水系統圖突出的是整理分析后的認識成果，加上典型的調查數據資料表現；②水文地質圖主圖表達水文地質條件的基礎依據是地層含水性及含水層類型，更多表現的是水文地質條件的二維信息；地下水系統圖表達水文地質條件的基礎依據是地下水系統，可以表現和提取地下水的三維信息；③水文地質圖件使用的對象局限在專業技術人員，政府管理部門乃至其他行業的專業技術人員一般都難以理解和使用；而經過總結提升的地下水系統圖件，如果選擇適宜的表達模式則更能被其他非專業人員理解和接受，有利于基礎水文地質調查成果的使用。

一般認為，地下水系統包含含水系統和地下水流系統。含水系統是由隔水或相對隔水邊界圈圍的、由含水層和相對隔水層組合而成的、內部具有統一水力聯系的賦存地下水的巖系(王大純，1995)。基巖山區水文地質條件復雜，含水系統圖件尤為重要，地下水流系統的劃分與表達需要足夠的數據資料支撐，并需要進行進一步的探索。而對于相對平緩的平原區，較多的鉆孔資料對地下水流網的模擬提供依據，可以直觀表現地下水流方向與途徑，地下水流系統更為重要。因此，本文在討論基巖山區地下水系統編圖過程中，主要針對的是基巖山區地下水含水系統。

2國內外研究現狀

國內現有的地下水系統編圖成果僅有鄂爾多斯盆地水文地質調查成果的系列圖件。這套水文地質圖件較好地體現了地下水系統的一些概念，圖面上最直觀表現出來的含水系統表達了地下水系統的地質體結構特征。其中，盆地東西向水流系統剖面示意圖[2]中將區域、中間、局部地下水系統都呈現出來，并添加了地下水流線及流向，體現了地下水系統理論與思想，但缺憾的是尚未表現出一個地下水系統的輸入、響應和輸出過程。

國外較早將“地下水流系統”理論引入到水文地質調查與編圖中，但其研究區均為平原區或盆地。相比基巖山區而言，平原區和盆地水文地質鉆孔較多，水文地質參數更為均一，能更好地反映地下水的運動狀態，地下水系統的要素表達也更加直觀。而有關基巖山區地下水系統圖件的編制目前并未見到有相關的介紹。

地下水系統的劃分是以地下水循環特征為主線。首先，要考慮系統的結構，即地層構造格架和含水巖組組合關系[3]，結構特征決定功能和賦存于結構系統中的地下水的各種現象、反應[4]；其次，根據不同地區的水文地質特點，系統劃分原則各有不同。在進行地下水系統編圖過程中，研究區地下水系統的劃分是較為重要的研究內容。如在研究巖溶地下水系統劃分時，前人主要提出：①根據巖溶水循環深度、周期長短，結合含水巖組埋藏條件和地質構造分級分類劃分[5-6]；②以巖溶水出露條件和巖溶含水巖組埋藏條件為原則[7]劃分；③以巖溶含水巖組空間分布和巖溶水排泄條件為原則[8-9]劃分；④以地質構造格架、地層組合關系和巖溶地下水徑流方向相對組合關系為原則[10]劃分；⑤根據巖溶水流動特征和巖溶地下水系統邊界性質劃分[11]。

3基巖山區地下水系統圖編圖思路與方法

3.1以圖幅為標準，突出圖幅地下水系統與區域地下水系統的位置關系

中國地質調查局2015年發布的《水文地質調查規范(1∶5萬)》[12]中提到：1∶5萬水文地質調查工作按照地下水系統(水文地質單元)整體部署，以1∶5萬國際標準圖幅逐幅開展調查，按照地下水系統(水文地質單元)開展地下水資源和相關環境問題綜合評價。但地下水系統的空間范圍往往并不只是在一個圖幅范圍內，一個區域地下水系統可能涉及到多個圖幅，其流線、邊界及補、徑、排關系可能無法在一個圖幅內完整表現。這樣在進行地下水系統圖編制時，若按圖幅進行編制，則會導致地下水系統不完整。因此，要使在大區域范圍內進行分析的地下水流系統表現完整，必須要在成果圖件編制過程中，至少編繪一個鑲圖，以表現圖幅的地下水系統與區域地下水系統的空間位置關系。

3.2根據野外調查及收集的資料，對地下水系統進行劃分

地下水系統模式的判識，可能需要基于以下多種信息：①地質特征；②自然地理特征；③地下水位；④水化學特征；⑤同位素特征；⑥溫度；⑦微生物；⑧地下水伴生現象；⑨水文特征；⑩人為活動等[13]。在進行水文地質調查時，地下水系統的圈劃，需要收集整理以下資料：①利用野外實際觀察測量的數據，總結區域地層裂隙及巖溶發育、分布規律；②分析野外試驗的成果(示蹤試驗、地球物理勘探、水文地質鉆探等)，總結各個含水巖組空間結構特點；③對野外采集的研究區不同水體水樣以及巖樣調查和取樣分析結果進行水文地球化學分析，包括水化學組分、同位素等分析。

結合以上調查數據及收集的資料，將含水層、隔水層進行合理的歸并，確定含水巖組、隔水巖組，劃分含水系統。在含水系統劃分的基礎上，確定地下水系統邊界及邊界類型，劃分地下水子系統。含水系統的劃分用于表示地下水水量分布，地下水流系統的劃分用于表示主要的水流方向與溶質運移的主要途徑等。

3.3地下水系統圖件需要表示的基本要素

3.3.1邊界類型

地下水系統的邊界有多重不同的類型，前人已經進行了比較好的歸納總結：①系統邊界類型可分為側向邊界和垂向邊界，側向邊界主要分為隔水邊界、側向排泄邊界、側向補給邊界，而垂向邊界即為上下的頂底板邊界[2]；②系統邊界類型可分為隔水邊界、地下水分水嶺邊界、地表水分水嶺邊界、巖溶含水層深埋滯留性邊界、潛流邊界等[14]。

在進行地下水系統編圖過程中，主要將地下水系統邊界分為阻水邊界即隔水邊界[見圖1(b)、(c)、(e)]和透水邊界[見圖1(a)、(d)、(f)]。其中，側向補給排泄邊界、地下水分水嶺邊界、地表水分水嶺邊界均可為透水邊界。若地表水分水嶺出現在區域隔水層中，則出現的那一段地表水分水嶺邊界可能會作為隔水邊界[見圖1(b)]。

圖1　基巖地下水含水系統常見邊界類型　　　示意圖(據文獻[15]部分修改)Fig.1　Schematic map of the common types of boundary　　　of groundwater aquifer system in the bedrock　　　mountain area(modified after reference[15])

3.3.2系統結構與層次關系

地下水系統的劃分具有層次性、等級性和嵌套性。層次性是地下水系統的鮮明特性，既表現在地層層序，又在層狀地層分布區表現出含水層和相對隔水層的多層性，而含水層的多層性在區域空間的展布狀況是由地質構造決定的。等級性即為空間包容關系，是按系統級次區分的，即大的地下水系統包含中等的地下水系統，中等的地下水系統又包含小的地下水系統。嵌套性是層次性和等級性的延伸。

在復雜的基巖地區，含水系統與地下水流系統都具有級次性，任一含水系統、地下水流域(或區域地下水系統)中可能發育不同級次的嵌套式地下水系統[13]，如局部地下水系統嵌套在中間地下水系統中，而兩者都嵌套在區域地下水系統中。

3.3.3地貌與水文網結構

地形地貌是研究水系幾何特征發育的重要指標之一，水系是流域內所有河流、湖泊等各種水體組成的水網系統。水系的發育與構造、巖性結構、氣候條件等多方面密切相關。地表水分水嶺是相鄰流域的界線，水系和地表水分水嶺的結合，即可對區域地形特點有初步的把握。

對基巖山區而言，區域性的水系分布范圍也往往代表著區域地下水系統空間的分布格局。如果水系切割地形強烈，在水系兩邊出露隔水底板，則水系也將會是主要的排泄途徑，成為地下水系統的排泄邊界。在基巖山區特殊的地形條件下，地表水分水嶺的位置也往往是地下水系統的邊界,對于常年性的地表水補給地下水情況，地表水接受大氣降雨后，其水位變化也可能會影響到地下水位變化，從而改變地下水分水嶺的位置。因此，在進行水資源量計算時，往往會在河流設置水文站控制斷面進行長期監測。

水系涵蓋的重要信息決定了在實際調查過程中對它的關注、研究程度，水系發育及切割的地層、主要排泄點、巖溶現象等在調查過程中更是不能忽略；同時，結合實際調查與走訪情況，還要區分常年性河流與季節性河流；此外，針對水系的描繪，在水系提取過程中更要注意水系的分級。

3.3.4地下水流向

在資料充足情況下，經過分析判斷后，可以在圖面中加入地下水流向來定性表示系統內地下水流的宏觀運動方向，并建立補給、排泄點的空間聯系，指示地下水運動的主流方向。一般用地下水流箭頭顏色來區分不同含水系統的地下水流，用地下水流箭頭的長短來區分強徑流帶地下水流向與弱徑流帶地下水流向。

3.3.5關鍵水文地質信息點

在進行水文地質調查中，補給、排泄點的確定對水文地質條件的分析有著重要的意義。要在圖面上突出地下水系統的補、徑、排規律，則需加入補給、排泄點，直觀地反映出地下水系統補、排之間的邏輯關系。長期觀測點是獲取地下水系統內部的重要水文地質信息源，圖面上要表示長期觀測點的空間位置和數量，代表著認知地下水系統的信息量大小。除此之外，對于巖溶區，各類巖溶地質點的水文地質意義也不容忽視。

4地下水系統圖編制——以興山縣幅地下水含水系統圖為例

興山縣幅(H49E005012)位于湖北省宜昌市興山境內的香溪河流域，作為香溪河的一大支流，高嵐河貫穿整個圖幅。區域內地形崎嶇，起伏強烈，地層除缺失石炭系和白堊系地層外，自太古界至第四系皆有出露。研究區基本屬于裸露型巖溶區，巖溶形態廣泛分布，主要地貌類型為峽谷深切地貌和季節性河流侵蝕地貌，此種地貌類型提供了構造裂隙得以侵蝕暴露的條件，促進了巖溶發育，使該區大部分碳酸鹽巖組成的山地和深切溝谷巖溶十分發育，巖溶山區地下水和地表水相互轉化頻繁[16]。區內降雨量充沛，地表水系發達，河流曲折多彎，流域形成樹枝狀水系網絡。

4.1地下水含水系統的劃分

結合含水巖組的空間組合關系，研究區可分為三大含水系統：水月寺群變質巖裂隙含水系統、震旦—三疊系巖溶含水系統、侏羅系碎屑巖裂隙含水系統。由于研究區屬于基巖山區巖溶區域，因此在進行水文地質調查中應重點分析巖溶含水系統。研究區內四套隔水或相對隔水巖組為太古界水月寺群變質巖、下寒武系泥巖、志留系泥巖和三疊系砂巖，這四套地層在空間上構成巖溶含水系統的隔水底板或者隔水頂板，并將巖溶含水系統分為三個亞系統，即震旦系巖溶含水系統、寒武—奧陶系巖溶含水系統、二疊—三疊系巖溶含水系統。

針對興山縣幅的含水系統劃分，一級含水系統邊界即為水月寺群變質巖裂隙含水系統、震旦—三疊系巖溶含水系統、侏羅系碎屑巖裂隙含水系統的界線。一級邊界分為一級隔水邊界和一級透水邊界：一級隔水邊界為含水巖組與隔水巖組的界線，在區內即為水月寺群變質巖與南華系南沱組、震旦系上統陡山沱組界線以及二疊系中上統相對隔水層與侏羅系碎屑巖界線；一級透水邊界在區內主要為侏羅系碎屑巖與二疊系嘉陵江組巖溶含水層斷層接觸處界線。

二級含水系統邊界即為震旦系巖溶含水系統、寒武—奧陶系巖溶含水系統、二疊—三疊系巖溶含水系統的界線。二級隔水邊界在區內即為震旦系含水巖組上下隔水邊界、寒武—奧陶系含水巖組上下隔水邊界、二疊—三疊系含水巖組上下隔水邊界；二級透水邊界在區內主要為二疊系巖溶含水層與志留系隔水層斷層接觸界線。需要說明的是，震旦系含水巖組的下隔水邊界、二疊—三疊系含水巖組的上隔水邊界與一級隔水邊界重合，在這里只取一級隔水邊界(見圖2)。

圖2　研究區地下水含水系統邊界類型示意圖Fig.2　Schematic diagram of the boundary types of　　　groundwater aquifer systems of the study area1.侏羅系碎屑巖裂隙含水系統；2.二疊—三疊系巖溶含水系統；3.志留系隔水層；4.大氣降雨補給；5.地下水流向；6.巖溶泉；7.地下水位；8.落水洞、溶蝕裂隙；9.巖溶管道；10.一級含水系統邊界；11.二級含水系統邊界

4.2地下水含水系統編圖結果

在野外調查工作結束后，需要對野外調查資料與收集的資料進行整理歸納，完成水文地質調查后的成果編制，即水文地質調查實際材料圖與圖幅水文地質圖。在進行水文地質圖編制過程中，需要充分利用1∶5萬水文地質調查原始數據，并按照相關規范對水文地質圖主圖、水文地質剖面圖、水文地質柱狀圖等進行繪制。而地下水含水系統圖則需要在水文地質圖編制完成的基礎上，提取水文地質條件分析成果，突出地下水含水系統的劃分，見圖3。

圖3　興山縣幅地下水含水系統圖Fig.3　Map of groundwater aquifer systems of Xingshan Country mapsheet1.侏羅系碎屑巖裂隙含水系統；2.水月寺群變質巖裂隙含水系統；3.二疊—三疊系巖溶含水系統；4.寒武—奧陶系巖溶含水系統；5.震旦系巖溶含水系統；6.相對隔水巖組；7.弱透水巖組；8.一級含水系統邊界(隔水邊界/透水邊界)；9.二級含水系統邊界(隔水邊界/透水邊界)；10.地質界線；11.斷層；13.地表水分水嶺；14.圖幅范圍；15.流域界線；16.下降泉[左上為流量(L/s)，左下為高程(m)，右邊為舒卡列夫分類]；17.落水洞；18.溶蝕洼地；19.溶洞；20.裂隙含水系統地下水流向(推測)；21.二疊—三疊系巖溶含水系統地下水流向(推測)；22.寒武—奧陶系巖溶含水系統地下水流向(推測)；23.震旦系巖溶含水系統地下水流向(推測)

在進行1∶5萬水文地質調查中，為達到其精度，水文地質調查點數較多，個別調查區域密度較大，堆集在圖幅水文地質圖上，涵蓋較多信息，無法突出具有重要水文地質意義的調查點；而圖幅水文地質圖著色采用地層含水性劃分結果，線元素主要為地質界線、構造線、地形線，若在編圖過程中對圖層的處理不得當，則易導致圖面層次區分不明顯，很難突出地質體空間結構特征，影響讀圖者短時間內判斷、分析水文地質條件的效果。尤其針對基巖山區，由于缺乏鉆孔資料，地層含水性分析主要要依據巖性、裂隙巖溶發育程度的區域統計特征以及有限的鉆孔資料等對含水層組進行合理歸并劃分。圖幅水文地質柱狀圖描述較簡單，各時代地層水文地質特征突出不明顯，因此初步建議突出以下信息：①含水巖組和區域隔水底板的層位、地層時代、厚度；②含水巖組中的地下水類型；③含水地質體是否具有多層性特征。水文地質剖面圖建議補充地下水水位線以及地下水流向等信息。若水文地質柱狀圖和剖面圖中加入以上信息，則能引導讀者建立圖幅區的地質體空間結構框架，更好地理解地下水系統的補、徑、排規律。

地下水含水系統圖應突出具有重要意義的水文地質點，并將不同級別及不同類型的系統邊界進行區分，呈現出含水系統完整邊界，同時以不同顏色區分不同含水系統，直觀展現含水系統的劃分結果。在地下水含水系統圖中，針對主要的水文地質信息的提取，主要排泄區的泉點應標注其流量、高程以及水化學類型；對于主要補給區，應圈劃出洼地、落水洞等；根據研究程度，在圖面上應添加地下水流向或者流線，且不同巖溶水系統選用的流向符號顏色不同，并以較大的流向符號來示意主要排泄帶；相關的地質信息，如斷層、地質界線，應在圖面上有所保留；在含水系統劃分的基礎上，將水系分級次，并加入地表水分水嶺，在圖中疊加研究區的DEM數據，進一步表現研究區的地形變化；地質信息結合DEM數據，表現研究區地質結構特征，可使讀圖者在短時間內對水文地質條件有初步認識；此外，含水系統圖中應加入流域含水系統圖，以突出圖幅在流域中所處的位置，并體現圖幅地下水系統與區域地下水系統的關系。

5結論與建議

通過對基巖山區地下水系統編圖思路與方法的初步研究，得到的主要結論和建議如下：

(1) 水文地質圖是基于水文地質調查全過程中獲取的有用信息編制的，它是反映地下水分布及有關性質、特征的不可或缺的載體，是服務于地下水開發、利用、保護和管理的重要工具；而地下水系統圖的指導思想為地下水系統理論，是水文地質調查成果分析后的升華。

(2) 水文地質圖主圖表達水文地質條件的基礎依據是地層含水性及含水層類型，更多表現的是水文地質條件的二維信息；地下水系統圖表達水文地質條件的基礎依據是地下水系統，可以表現和提取地下水的三維信息。水文地質圖件使用的對象局限在專業技術人員，政府管理部門乃至其他行業的專業技術人員一般都難以理解和使用；而經過總結提升的地下水系統圖件，如果選擇適宜的表達模式則更能被其他非專業人員理解和接受，有利于基礎水文地質調查成果的使用。

(3) 以“地下水系統”理論作為編圖的主要思想，提出基巖山區地下水系統編圖思路與方法：①以圖幅為標準，但要突出圖幅地下水系統與區域地下水系統的位置關系；②根據野外調查及收集的資料，對地下水系統進行劃分；③完善地下水系統圖件需要表示的基本要素。

(4) 地下水含水系統圖突出的是圖幅含水系統劃分，結合重要水文地質調查點，可表達圖幅地下水的三維信息。地下水含水系統圖針對的讀者較為廣泛，更能被沒有專業知識背景的讀者理解和接受。針對基巖山區的特殊地形條件和水文地質條件，地下水流系統的表達具有一定的難度。因此，進一步研究則將針對基巖山區地下水系統圖的思路與方法，如何在含水系統圖的基礎上，清晰表達出地下水流系統將是進一步研究的重難點。由于基巖山區鉆孔數據較少，需要考慮其他方法手段獲取水文地質信息，進行地下水流系統的劃分，如果能對研究區進行三維水文地質建模，將研究區地下水流網表現出來，并加入地下水系統圖，水文地質信息也會更加有說服力。

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A Preliminary Study of Compilation Ideas and Methods of Groundwater System Map in Bedrock Mountain Area

XIAO Ziyi1,CHEN Zhihua1,ZHU Jingjing2,ZHOU Hong2

(1.SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China;2.InstituteofGeologicalSurvey,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Abstract:How to compile the groundwater system map has gradually attracted more attention of hydrological workers.However,as for the groundwater system map compilation in the bedrock mountain area,there has not been thorough normative reference.Based on the 1∶50,000 hydrogeological survey in Xiangxi River Basin,this paper attempts to discuss about the groundwater system map compilation in the bedrock mountain area,and puts forward some preliminary compilation ideas and methods of the groundwater system map,which attempts to better exhibit the hydrogeological characteristics of the mapsheet region.This paper has important reference value for hydrogeological workers.

Key words:bedrock mountain area;groundwater system map;map compilation idea and method

文章編號：1671-1556(2016)03-0024-06

收稿日期：2015-11-04修回日期：2016-04-14

基金項目：中國地質調查局項目(12120113103800)

作者簡介：肖紫怡(1992—)，女，碩士研究生，主要研究方向為巖溶水文地質。E-mail：hbxiaozy@163.com

中圖分類號：X143；P337-3

文獻標識碼：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.004

通訊作者：陳植華(1956—)，男，教授，博士生導師，主要從事地下水科學方面的教學與科研工作。E-mail：zhchen@cug.edu.cn