“ 全球岩溶动力系统资源环境效应” 国际大科学计划是一项重大国际科技行动计划, 将以地球系统科学和岩溶动力学理论为指导^[3], 建立全球岩溶环境监测网络, 研究和查明全球不同岩溶动力系统类型的碳、水、钙循环规律和资源环境效应, 突破岩溶关键带资源环境科学问题的瓶颈, 创新岩溶资源勘探开发、岩溶环境治理与保护科学技术体系, 创建全球岩溶资源环境信息平台, 各国共绘全球岩溶一张图, 为人类提供全球岩溶公共服务信息, 为不同类型岩溶地区资源可持续利用、岩溶环境治理与保护提供科学依据。该计划的实施, 对于推动岩溶领域国际合作及重大科技创新, 促进全球岩溶资源的可持续利用和环境的可持续发展具有巨大意义。在大科学计划启动仪式上, 工程发布了《中国岩溶地质调查报告》和《西南岩溶石漠化综合治理地质调查报告》; 系统总结了有效服务区域经济与社会发展, 解决人畜饮水困难、石漠化治理示范、洞穴探测、碳汇调查、塌陷易发区评估和岩溶油气储层评价等6方面突出成就; 梳理了国际岩溶合作与岩溶科技创新等方面的重要成果。

图1

Fig.1

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	图1 岩溶碳循环概念模式Fig.1 Concept model of Karst carbon cycle

工程从全球尺度着眼, 瞄准解决重大资源环境问题, 深入研究和系统总结岩溶区碳、水、钙在地球多圈层(大气圈、水圈、生物圈和岩石圈)中的互馈机制与动态循环演化机理, 完善和发展了岩溶动力学理论, 为有效解决岩溶区重大资源环境问题提供了理论指导, 为全球气候变化研究提供了技术指导^[4]。

石笋、冰芯、黄土和湖泊沉积物是研究地质历史气候记录的主要载体。国际上利用冰芯记录历史气候的技术相对比较成熟, 精度很高, 但利用石笋的高精度技术尚未完善。本工程采用微区取样技术, 在1 mm长度石笋样品中截取10个以上有效测年样屑, 通过同位素微量测试, 准确获得了石笋中记录的季节尺度历史气候变化信息, 恢复重建了高精度的古气候和古环境变化历史, 为预测未来气候变化趋势提供了科学依据。

目前, 国际上主要从全球尺度研究岩溶碳循环的宏观过程, 其碳汇效应评价方法重点关注输入和输出项, 评价对象仅为无机碳, 很少研究中间循环过程, 要素少, 精度低。本工程通过研究流域尺度的岩溶碳循环, 关注碳循环的整个过程(图1), 评价对象包括有机碳和无机碳, 评价精度相对于国际通用方法提高了50%以上^{[5, 6]}。国际上现在普遍采用的固碳增汇技术主要为直接对碳酸盐岩进行简单的人工干预, 固碳增汇能力较低; 而本工程则研发了陆地植被、土壤改良、引入外源水和沉水植物4种人工干预固碳增汇技术, 其固碳增汇能力提高了10倍以上。

岩溶地下水主要赋存于地下岩溶管道和洞穴中, 分布极不均匀, 对其进行精确探测是世界难题。目前, 国际上对岩溶地下水的探测还主要采用传统的高密度电法、瞬变电磁法等物探方法。针对岩溶地下水分布特点, 本工程研发了大功率、大电流的电磁法找水技术, 以及电磁法与微动地震仪组合的定位、定深、定性等多种新型物探找水方法, 有效提高了岩溶地下水探测精度。这些新技术新方法的应用, 使岩溶区定井的成功率由30%提高到70%以上; 对地下河的连续探测能力最长可达 7 000 m, 对充水洞穴的探测深度可达500 m以上。

工程建立了岩溶地下水富水模式、成井模式和有效开发利用模式, 成井30多眼, 解决了5万多人饮水困难。

调查表明, 我国南方云南、贵州、广西、湖南、湖北、重庆、四川、广东8省(市、自治区)岩溶地下水资源开发利用潜力为534亿m³/a, 现状开采量66亿 m³/a, 开发利用潜力巨大(图2)。

图2

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	图2 南方8省(市、自治区)岩溶地区水资源开发利用潜力分布图Fig.2 Potential distribution of exploitation and utilization of water resources in southwestern Karst region

岩溶发育主要受岩石性质、层组结构类型、地质构造格局、地形地貌条件和水动力条件等5方面因素控制。岩溶地下河分布具有极强的非均一性, 平面分布具有单支状、树枝状和网络状多种类型; 垂向分布则具有单层型、阶梯型、多层型等类型。岩溶地下水系统含水介质的构成具有多重性, 水流运动具有多相性, 而不同含水介质之间的水循环转化以非线性运动规律为主^[7]。工程在红水河上游建立了高原斜坡区厚层灰岩网状地下河系统富水模式、宽缓峰林谷地区脉络状地下河系统富水模式和紧密褶皱带单支管道地下河系统富水模式; 通过对云南革香河流域白龙洞地下河系统发育条件的调查(图3), 建立了地下河分布结构模式。这些理论模型的建立为地下水资源开发利用和内涝灾害治理提供了科学依据。

图3

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	图3 云南革香河流域白龙洞地下河系统结构模式Fig.3 Structural model of Bailongdong underground river system in Gexiang river of Yunnan Province

通过对岩溶峰林平原区地下水富集特征的总结, 本工程建立了5种成井模式, 即压扭性断裂旁侧成井模式、向斜轴部成井模式、方解石脉阻水成井模式、地表干沟成井模式和红层盆地砾岩层成井模式。研究显示, 压扭性断裂两侧的张性断裂为地下水富集场所, 尤其在断裂的主动盘(上盘)^[8]。调查发现, 左江流域方解石脉致密不透水, 但在其与碳酸盐岩接触带地下水富集, 钻井涌水量高达1 200 m³/d。广西左江流域白垩系找水取得了重大突破, 提出了有效的找水成井模式(图4)。首先确

定砾岩含水层位, 砾岩中节理和小型裂隙含水介质经过泥岩阻水形成含水层; 然后顺着地层倾向结合微地貌寻找储水构造, 确定找水靶区。经钻探验证, 单井涌水量达408 m³/d, 结束了该区长期缺水的历史。

图4

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	图4 广西左江流域白垩系含水层成井模式Fig.4 Well-formed model of Cretaceous aquifer in Zuojiang of Guangxi Province

针对我国南方岩溶区不同地貌类型、水文地质条件背景, 提出了堵洞成库、建柜蓄水、抽水调节和束流壅水4种岩溶地下水有效开发利用模式^[9], 并在南方岩溶区进行了推广应用。如岩溶丘陵洼地区, 地下河从上游补给区到下游排泄区形成多级台地, 在地下水补给区的高位洼地, 选择岩溶管道集中发育的部位, 堵洞形成地表―地下联合水库; 径流区开凿隧洞, 拦截地下河, 引水灌溉和发电; 在位置较高的山地和坡度较陡地区, 优选当地优势树种和引进速生树种, 营造生态林、用材林、薪炭林和经济林, 恢复生态环境^[10]。兴建沼气池, 解决村民燃料问题, 减少对植被的破坏, 实现生态经济的良性循环。在贵州省平塘县巨木地下河实施了拦蓄和提引工程^[11], 在巨木地下河出口处筑坝拦蓄地下水(图5), 形成库容63万m³的地下水库, 抬高水位20 m, 建设水电站1座, 解决了塘边镇5 000多人和10 000头大牲畜的饮用水以及6 000亩^❶农田的灌溉用水问题, 获得了水稻增收90.0万kg/a、油菜增产8.82万kg/a, 年经济收入增加了145万元。

图5

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	图5 贵州省平塘县巨木地下河筑坝拦蓄工程Fig.5 Dam-retaining project of Jumu underground river in Pingtang County of Guizhou Province

1亩≈ 0.067 hm²

在湖南省新田县扶贫区发现了大型富锶矿集水田, 为该县打造富锶矿泉水产业、脱贫致富提供了重要技术支撑。通过1∶ 5万水文地质调查和钻探试验, 查明了富锶地下水主要分布于泥盆系佘天桥组中薄层泥灰岩中(图6), 面积176.7 km², 钻孔涌水量45.36~379.2 t/d, 地下水锶元素平均含量1.42 mg/l, 是国家饮用天然矿泉水锶元素限值的7.1倍, 可开采资源量达1 193万m³/a, 年经济效益达477亿元。新田县的地质调查工作与当地扶贫攻坚紧密结合, 总结出“ 调查地质背景-调整产业结构、开发岩溶水源-解决缺水问题、评价特色资源-发展富锶产业、发现环境问题-制订治理规划” 的地调扶贫模式。在国土资源部召开的扶贫会议上, 肯定了利用岩溶水文地质调查成果服务精准扶贫的经验, 认为在南方岩溶地区具有辐射带动作用, 可在岩溶贫困地区推广应用。

工程对工作区石漠化、地下水污染、内涝灾害等环境地质问题现状和动态趋势的调查发现, 南方8省(市、自治区)岩溶区石漠化面积由2005年的13万km²减少到2015年的9.2万km², 年均减少约3%。在广西平果县、马山县, 贵州普定县、平塘县和云南泸西县等建立了10处石漠化综合治理示范区, 取得的经验已在60多个县成功推广应用, 获得年经济效益约600亿元。总结出地表水地下水联合调度、土地整理与生态产业协调、土地流转与生态旅游开发以及流域尺度综合治理等4种石漠化综合治理模式。示范区的实践表明, 这些模式可在岩溶区300个县的石漠化治理中推广应用。

图6

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	图6 湖南新田大型富锶矿泉水田分布Fig.6 Distribution of large strontium-rich mineral spring fields in Xintian of Hunan Province

工程也查明了广西左江流域岩溶内涝形成机理, 总结出3种基本模式: ①封闭洼地内涝, 主要特点为洼地封闭, 均有与地下河管道相连通的天窗或消溢洞, 由于地下河管道较小, 排水能力有限, 大量进入地下河管道的水不能及时排泄, 使地下水位迅速抬高, 通过天窗或消溢洞溢出地表, 在洼地中积水形成内涝。②平缓谷地内涝, 大都发生在明、暗相间的地下河流域, 谷地较为平缓, 地下河上游无天窗; 中游地下河大量出露, 形成明流, 后又进入地下, 但入口很小, 不利于消水而导致内涝; 下游有与地下河管道相连通的多个天窗, 地下河管道较小; 中游至下游有较大干沟。③江河两岸内涝, 江河两岸溶潭、地下河发育带是地下水排泄区, 但因地下河管道排水能力有限而形成内涝。近年左江修建的多级电站, 拦坝蓄水, 又进一步加剧了灾情。因此, 该类内涝与人为建坝、抬高地下水位有很大关系, 内涝主要发生在两岸的低洼地带, 常在每年的7— 9月发生, 每年2~3次, 每次持续半个月到1个月。

根据岩溶区的地下水特征, 工程建立了2种地下水污染模式: ①渗入性污染, 主要在透水性较弱的孔隙含水层分布区, 污染水经过细小空隙渗入含水层中, 造成地下水污染。根据污染水的形成动态, 分为间歇性和持续性, 前者如固体废渣受降雨淋滤下渗污染地下水, 后者如污水塘污水持续下渗污染地下水。②突发性灌入污染, 污染水通过岩溶落水洞、天窗等通道迅速灌入地下河, 造成地下水污染。这种污染通道规模大, 水流集中、快速, 造成污染速度快、影响广、危害大。

按相关技术标准的规定, 建立了南方8省(市、自治区)岩溶区水文地质环境地质调查数据库, 提供了一系列岩溶信息数据服务产品(表1)。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 岩溶水文地质环境地质数据服务产品 Tab.1 Geological data service products of Karst hydrogeological environment 系列 专业类别 产品名称 服务对象 数据量 岩溶地质数据库 数据库 岩溶地区1∶ 5万水文地质环境地质调查数据集 社会公众 43个 岩溶地质图件 综合研究类 岩溶地质综合研究图件 社会公众 8幅 片区调查类 岩溶地区1∶ 5万水文地质环境地质调查相关图件 社会公众 134幅 技术方法 方法 岩溶地质数据管理服务软件 社会公众 3个 技术标准 标准 岩溶地质数据库相关标准规范 社会公众 2个

表1 岩溶水文地质环境地质数据服务产品 Tab.1 Geological data service products of Karst hydrogeological environment

建立了工作区岩溶地质基础和岩溶专业数据库, 包括野外调查卡片、样品测试分析数据、物探与钻探数据、监测数据、洞穴测量数据以及调查影像数据等; 完成的81个典型流域岩溶水文地质环境地质调查数据库数据量达500 GB, 编制成果图件300余幅(图7), 存储地质碳汇、地质记录和CO₂地质数据约50 GB。

图7

Fig.7

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	图7 南方8省(市、自治区)岩溶石漠化分布(2015年)Fig.7 Distribution of Karst rocky desertification in southwestern of China(2015)