地质科技通报

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王焰新, 杜尧, 邓娅敏, 甘义群, 王沛芳, 马腾, 史建波, 谢先军

2022, 41(1): 1-10. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0001

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511

113

摘要:
湖泊富营养化是当前全球范围内最为典型且严重的水环境问题之一，但过去偏重营养盐向湖泊的点源和面源输入评价，常常忽视地表水-地下水相互作用在湖泊水质形成与演化中的作用。总结了地下水-湖水相互作用模式，重点评述了地下水排泄过程对湖泊水文与水质影响的研究进展，对比了渗流仪测量、水量平衡、氡质量平衡、温度示踪、数值模拟等量化方法的优劣性与适用性，探讨了地下水向湖泊排泄的时空变异性、地下水-湖水界面氮磷的迁移转化等难点问题的研究现状，提出该领域未来研究方向主要包括：综合运用多种技术方法，表征湖底地下水排泄的时空变异性；揭示界面水文生物地球化学过程，量化地下水向湖泊排泄氮磷负荷；评估强烈人类活动改造对地下水-湖水相互作用的影响。

多级次地下水流系统的最小能耗率原理初探

张人权, 梁杏, 靳孟贵, 罗明明

2022, 41(1): 11-18. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0002

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314

51

摘要:
20世纪60年代初期，Tóth基于定水头上边界条件推导出解析解，得出多级次地下水流系统，是水文地质学里程碑式的突破，成功地解决了一系列理论和实际问题。但Tóth解析解存在的缺陷也长期沿袭：单纯重视数学模拟而忽视物理机制；将地形控制地下水位看成是普适性规律；忽视给定水头上边界数学模拟的失真。这些缺陷，尤其是忽视物理机制探究，不仅妨碍Tóth理论自身发展，而且导致地下水流系统理论尚未被国际水文地质界普遍接受。参照河流动力学中应用的最小能耗率原理，类比提出地下水流最小能耗率的表达式。基于已有的通量上边界地下水流模式数值模拟结果，进一步探究物理机制，归纳得出地下水流系统遵循最小能耗率原理的结论。

地下水循环结构的动力学研究进展

万力, 王旭升, 蒋小伟

2022, 41(1): 19-29. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0003

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615

115

摘要:
由地下水补给、径流和排泄过程构成的地下水循环运动，是水文循环的重要组成部分，也是水文地质学的基本研究对象。地下水循环在空间上表现为不同结构单元的组合，存在以含水层特性为依据的介质结构和以渗流场为依据的动力结构2种划分方法。地下水流系统是动力结构意义上的地下水循环单元。近10年来，区域地下水流系统理论取得了显著进展，更加全面深入地揭示了地下水循环结构的动力学特性。通过对河间地块地下水流系统的研究，发现潜水面最高点并非地下水分水岭的准确位置。在盆地尺度上，系统研究了沟谷地貌、降水入渗强度、渗透性随埋深变化和盆地厚度等因素对潜水面波形与地下水循环动力结构的影响，初步发现了动力结构的周期性或趋势性演化特征。通过大规模流线路径的精细识别或驻留时间的统计分析，提出了三维地下水循环单元的划分方法。在水文地质效应方面，发现地下水循环的动力结构对地下水年龄的分布有重要影响。地下水循环的动力结构反映了不同补给区和排泄区之间的水力联系，在盆地尺度地球化学过程、流域尺度生态水文过程中发挥着关键作用，未来的研究重点是三维地下水循环的动力特性和演变规律。

地下水流系统研究中的方法论探讨: 以CUG-武汉地下水流系统研究为例

梁杏, 张人权, 罗明明, 孙蓉琳, 靳孟贵, 周宏, 蒋立群

2022, 41(1): 30-42. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0005

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458

67

摘要:
地球系统科学和地下水流系统理论的出现，标志着水文地质学进入新的发展时期。地下水流系统理论已成为水文地质学的新范式，其产生和发展，从方法论上为地下水问题的研究提供了新的启示。自20世纪80年代初以来，中国地质大学（武汉）地下水流系统组持续开展了地下水流系统理论与应用研究。试图从方法论的角度回顾与总结这些研究成果。地下水问题受多因素影响，研究应以"目标与问题导向相结合"，靶向准确，才能在信息浩渺中不失方向，向着目标前行；研究时应采用"假设演绎法"，先依据已有认识和资料演绎出应有的现象，再有目的地观察和寻求证据，或修改假设继续求证，直到假设被证实或证伪；演绎寻证过程，可以采用"控制性实验""信息提取与组织""多学科方法与手段融合"等技术方法。实例分析证实，控制性模拟实验使我们得出了地下水流模式的新认识；采用多通道的信息提取、加工和组织，构建地下水流系统模式，能够有效解决各类工程中的应用问题；多学科与手段融合、各种信息相互验证，提高了结果的可信度。以实例研究为基础，从研究方法上的总结能为正确认识和理解地下水流系统理论、推进新理论和新思路在水文地质研究中的应用提供参考。

区域地下水流理论的发展历程与教材演变

蒋小伟, 万力, 王旭升, 张志远

2022, 41(1): 43-49. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0004

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259

51

摘要:
Tóth提出的区域地下水流理论为盆地尺度地下水循环研究提供了定量分析方法。从4个方面总结区域地下水流理论发展历程，对比国外多本水文地质学教科书对区域地下水流理论的描述情况，系统梳理我国《水文地质学基础》教科书自1986到2018年的4个版本对区域地下水理论描述的演变情况。分析认为，我国《水文地质学基础》教科书对我国学者开展区域地下水流研究发挥了重要的推动作用，最后提出了区域地下水流理论有待解决的科学问题和引导更多青年学生从事该领域研究的建议。

毛乌素湖盆滩地湖水与地下水交互作用分析

乔晓英, 江猛, 马少阳

2022, 41(1): 50-59. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2021.0088

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224

42

摘要:
湖水与地下水交互作用对于水资源合理开发与利用有着重要意义。基于温度示踪的原理，采用解析法、数值法2种方法，分析了湖床底部埋深0~0.4 m湖水与浅层地下水交互关系，并与水动力学方法进行了对比。结果表明，2018年5月20日至28日，湖水与地下水之间的垂向渗流速度为2×10^-7~1×10^-6 m/s，且在埋深0.4 m时大于埋深0.2 m处。降水会对解析法的结果造成一定影响，0.4 m处受到降雨影响表现为一定的滞后性。无降雨干扰情况下，数值法与水动力学方法估算结果较为吻合，且3种方法的计算结果处于同一数量级。同时，湖床沉积物体积热容和孔隙度2种参数对计算结果影响较大。在半干旱地区湖水与地下水交互研究中，数据较完备时，数值模拟法是更好的选择。

青海天峻新关角隧道涌排水水源识别与量化分析

彭红明, 袁有靖, 李铜邦, 董高峰, 刘毅, 巴瑞寿

2022, 41(1): 60-70. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0026

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222

18

摘要:
涌排水严重影响隧道施工与运行安全，查明隧道涌排水的来源，是隧道防水止水重要科学依据。青海天峻新关角隧道南北洞口处的地下水排水量分别为10 021，60 877 m³/d，两者存在近50 000 m³/d的差异，涌排水量大，且来源不明。基于水文地质条件分析，分别采集了新关角隧道隧址区内大气降水、不同类型地下水和隧道出口涌排水水化学和氢氧稳定同位素样品。样品测试结果显示：新关角隧道北出口涌排水ρ（TDS）为0.44 g/L，²H和¹⁸O均值为-52.7‰，-8.3‰；南出口涌排水ρ（TDS）为0.85 g/L，²H和¹⁸O均值为-54.8‰，-8.5‰，隧址区基岩裂隙水ρ（TDS）为0.32~1.22 g/L，²H和¹⁸O均值为-55.77‰，-8.61‰；岩溶水ρ（TDS）为0.28~0.43 g/L，²H和¹⁸O均值为-50.92‰，-8.13‰，冻结层上水ρ（TDS）为0.26~0.48 g/L，²H和¹⁸O均值为-45.5‰，-7.6‰。对比分析认为：新关角隧道北出口涌排水主要来源于岩溶水，岩溶水占比为63%~80%，基岩裂隙水占20%~37%；新关角隧道南出口涌排水主要源于基岩裂隙水，基岩裂隙水占72%~88%，岩溶水占比12%~28%。涌水来源识别与水量，可为后期监测站点优化设置及隧道运行期止水工程实施提供科学依据。

地下水分层勘查技术在地下水流系统研究中的应用

高宗军, 张福存, 安永会, 解伟, 冯建国

2022, 41(1): 71-78, 89. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0039

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330

36

摘要:
地下水流是一种运动流体，空间上分布连续且能传递压力，在能量（势）差驱使下发生从水头高处向低处的运动。通常在补给（势源）区，地下水垂向上由上向下运动，而在排泄（势汇）区地下水由下向上运动，即地下水整个生命过程中总是由源到汇、向着能量减小的方向做径流运动，无论是在单个或多个透水岩层中都是如此。地下水分层勘查技术使在垂向上分层监测水头、水温和水质等成为可能，从而实现对不同及同一含水岩层的上下不同点间地下水流要素的比较，并判断全井或单井不同垂向区段的势源汇条件，为地下水流空间运动方向判定和地下水流系统划定奠定基础。本文以地下水流系统理论与试验观测研究为基础，论述了地下水分层勘查技术的原理、系统结构和功能，结合张掖盆地实例阐述了分层勘查技术在地下水补给与排泄区判识的应用方法。

甘肃北山-河西走廊-祁连山区域地下水循环模式

董艳辉, 符韵梅, 王礼恒, 王驹, 张倩, 宗自华, 周志超

2022, 41(1): 79-89. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0012

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摘要:
山区地下水流动受到区域气候条件、地形地貌、地质构造等因素共同控制，限于资料有限，其流动模式与控制机理尚不清晰。特别是地处甘肃北山的高放废物地质处置库预选区、河西走廊以及祁连山北麓区域地下水的流动模式，直接决定了处置库在万年时间尺度上的安全性。基于区域遥感构造解译、地质构造演化分析、地球物理勘探以及水文地质钻探，获取了典型剖面的水文地质结构与渗透特征；综合区域水文地质调查、水文地球化学与同位素特征数据，构建了甘肃北山-河西走廊-祁连山山区的水文循环概念模型；并通过构建区域地下水流动数值模型与多情景模拟，分析了甘肃北山-河西走廊-祁连山山区的地下水流动模式。结果表明，地形对于该地区的地下水流动模式具有主控作用，祁连山山区地下水难以越过海拔最低的河西走廊至北山山区排泄，河西走廊是祁连山山区地下水系统与北山山区地下水系统的边界；北山山区地下水在地形与岩性的控制下，仅发育局部流动系统且渗流速度缓慢。同时由于该地区地质构造的阻滞作用，北山新场地下水无法径直向南穿越构造向花海盆地排泄，渗流路径长度明显增加；仅有F₉₅断裂构造以南山前地带地下水可向花海盆地排泄，但由于集水流域有限、渗流速度缓慢、循环交替能力差，排泄量较小。本研究探究了山区-盆地地下水循环模式，为高放废物地质处置库候选场址的适宜性评价提供了科学依据。

江苏滨海平原弱透水层封存的古咸水及其运移过程

李静, 张亚年, 梁杏, 刘彦

2022, 41(1): 90-98. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2021.0158

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222

34

摘要:
滨海平原弱透水层广布且多赋存古咸水，其盐度分布及运移过程深刻影响着含水层地下水的演变，却得到甚少关注。采集了江苏滨海区7个浅层钻孔弱透水层原状样品，压榨法收集孔隙水。利用孔隙水天然示踪剂ρ（Cl^-），ρ（Br^-）剖面和数值模拟分析了弱透水层孔隙水盐度特征和运移机制。得出浅层孔隙水ρ（Cl^-）垂向剖面存在2个趋势：①峰值在表层，沿深度逐渐下降；②峰值在深度25m左右，向两端浓度降低。孔隙水ρ（Cl^-）为486.2~38 036.7 mg/L，Cl/Br比值为72~360（均值241）。ρ（Cl^-）与Cl/Br比值关系及剖面分布说明孔隙咸水为海相成因，来自于全新世海侵时期的古海水，并受到后期淡水的稀释。弱透水层孔隙水一维垂向运移数值模型表明海侵-海退事件控制了海岸带弱透水层孔隙水的盐度演变，全新世古海水仍封存在沉积物中，更新世时期的海水已被驱替。孔隙水运移以扩散为主，垂向运移速率为0.43~15.8 mm/Ma。在相对高渗透性的粉砂地层中，可能还受到侧向对流的影响。弱透水层中古海咸水的重新分布，尤其在地下水超采条件下，可能成为地下水的重要咸化来源。

基于地下水流系统理论的岩溶隧道涌突水来源及路径分析

曾斌, 陈植华, 邵长杰, 彭丁茂

2022, 41(1): 99-108. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0006

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49

摘要:
双龙洞是国家重点风景名胜区，拟建金华山隧道位于浙江省金华市双龙洞景区北东向约12 km处，金华山隧道的开挖将可能导致双龙洞景区岩溶水的疏干，同时隧道也可能遭受岩溶涌突水的安全隐患。基于地下水流系统理论，结合研究区水文地质条件调查成果，岩溶地下水流系统的划分，隧道出口段关键岩溶分布区地质结构的分析，以及水文地球化学测试分析结果，对双龙洞与隧址区之间各岩溶地下水流系统间的水力联系及涌突水可能性进行了分析。结果表明，隧道出口段开挖若揭露至其所处岩溶含水层并进行排水，影响的只是周边有限的岩溶水及裂隙水，不会直接连通研究区西侧大规模岩溶地下水流系统；隧道施工和运行期间对双龙洞景区的岩溶水基本不会产生影响，同时双龙洞岩溶水也不会对隧道出口段形成直接的涌突水威胁。在岩溶区隧道涌突水来源的研究中，基于地下水流系统理论合理划分岩溶地下水流系统并分析各系统间水力联系，是分析涌突水来源及防范涌突水灾害的必要前提。

近50 a来新疆孔雀河灌区地下水流系统演变特征

韩鹏飞, 王旭升, 张俊, 万力, 陈劲松, 余堃

2022, 41(1): 109-118. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0023

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317

49

摘要:
新疆孔雀河灌区面临地下水超采问题，科学认识区域地下水流系统的发育条件和演变特征，是优化地下水资源开发利用方式的基础。通过构建第四系含水层三维地下水稳定流模型，利用流线追踪技术，模拟识别了孔雀河流域1970-2020年期间地下水流系统的变化特征。结果表明，不同补给区和排泄区通过流线进行组合，在孔雀河周边形成了交错分布的地下水流系统，其空间分布格局随灌区地下水开采规模而变化。在20世纪70年代的拟天然状态，灌区主要发育自北向南的地下水流系统，其空间分布格局取决于水文地质参数和排泄要素，并可能存在1~4个以孔雀河为排泄带的流动系统。在有强烈地下水开采的现状条件下，灌区地下水流系统转变为从四周流向漏斗中心，截断了从孔雀河上游渗漏到中下游河道排泄的水流系统。近50 a来，以潜水蒸发为排泄方式的地下水流系统投影面积萎缩了29%，而以地下水开采为排泄方式的地下水流系统投影面积从零增加到研究区面积的40%。潜水蒸发对自然生态系统具有重要的支撑作用，灌区地下水开采应有所控制以保障潜水蒸发型地下水流系统的发育条件。

基于离散裂隙网络法和水流数值模拟技术的地下水封洞库水封性研究

胡成, 陈刚, 曹孟雄, 唐连松, 郑可, 王继刚

2022, 41(1): 119-126, 136. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0029

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167

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摘要:
水封性是保证地下水封洞库安全运营的关键，目前研究地下水封洞库水封性的主要难点在于裂隙岩体含水层强烈的非均质性和各向异性。以某地下水封洞库工程为背景，通过实测裂隙几何参数分析裂隙发育特征，建立了研究区离散裂隙网络模型。之后对研究区进行网格化划分计算了各单元体渗透系数张量，基于对裂隙渗流基本规律的理解和假设建立了研究区高精度的非均质各向异性渗流模型，并对研究区渗透性特征进行分析。通过建立非均质各向异性渗流模型对水幕系统水封性能进行了探讨并与传统均质各向同性渗流模型进行对比分析，利用该模型可以弥补传统均质各向同性渗流模型的不足，更加准确地评价由于裂隙岩体非均质各向异性造成的储品泄漏风险。

岩溶水流系统识别方法及其在引调水工程隧洞选线中的应用

颜慧明, 常威, 郭绪磊, 邓争荣, 黄琨

2022, 41(1): 127-136. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0008

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231

22

摘要:
某国家重大引调水工程引水隧洞将穿越聚龙山向斜可溶岩地层，可能面临严重岩溶涌突水问题。为了查明隧洞突涌水条件，选择岩溶水害风险较低的引水方案，综合采用岩溶水文地质调查、水化学与同位素分析等方法对聚龙山向斜岩溶水流系统特征进行了识别。结果表明：聚龙山向斜含水系统具有"两含夹一隔"的多层结构，下部二叠系主要为埋藏型岩溶弱发育区，而上部三叠系裸露型岩溶区中发育了具有多级水流系统的巨型岩溶汇水盆地。穿聚龙山向斜段工程论证的3个方案中，A线方案从向斜西段岩溶水系统的补给区穿越，隧洞穿可溶岩段长度短、且全部为埋藏型岩溶，剖面上绕避了三叠系岩溶汇水盆地，发生岩溶涌突水的风险低；而B线方案和C线方案均进入了三叠系岩溶汇水盆地，穿越裸露型可溶岩段的长度大，遭遇高压岩溶突水的风险高，故推荐A线引水方案。研究成果可为引水隧洞线路比选提供科学依据，对类似深埋长隧洞工程建设也具有参考价值。

地热驱动力: 广东阳江新洲地热田驱动地热水运移的一种额外非重力作用的分析方法

毛绪美, 叶建桥, 董亚群, 史自德

2022, 41(1): 137-145. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0014

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353

38

摘要:
Tóth总结提出的"嵌套式多级次水流系统"，和张人权等学者归纳总结的重力驱动地下水流系统理论，是地下水运移的重要理论基础。地下水的流动可能受到重力势、压实势、构造挤压力共同作用。然而，在对流型水热系统中发现了地下水补给区位置低于排泄区的反常现象。由于温度升高导致地热水密度减小和压力增大，使得地热水的实际压力水头增大，是出现这种反常现象的物理基础。笔者定义这种额外增大的压力水头为"地热驱动力"，分析其大小与地热水温度、盐度、黏滞度的关系并给出量化计算方法。在广东阳江新洲地热田的研究实例中，地热驱动力的启动点位于地热水循环的最深处4.34 km，该处由温度升高产生的地热驱动力的标准水头为+351.59 m，由盐度增加产生的地热驱动力的标准水头为-2.78 m，总的地热驱动力的标准水头为+348.81 m。地热水温度越高，地热驱动力越大；盐度越大，地热驱动力越小。地热驱动力的额外加持作用可以加快水热系统中地下水的循环。

乌蒙山地区岩溶地下水流系统结构及其找水应用

郭蕾蕾, 魏良帅, 黄安邦, 舒勤峰

2022, 41(1): 146-156, 167. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0025

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236

35

摘要:
为推动乌蒙山贫困缺水区生态环境建设、地下水资源合理利用，以昭通市作为重点调查区，基于地质调查、泉流量统计、水质检测，展开岩溶地下水富集规律及物探找水方法的研究。结果表明：①研究区岩溶地下水系统以条带岭谷型、埋藏型为主。条带岭谷型岩溶地下水系统以现代岩溶为主，目标含水层多、发育深度有限、岩溶发育及富水程度差异大，富水块段为背斜核部及两翼、向斜核部、断层影响带；埋藏型岩溶地下水系统以古岩溶为主，目标含水层单一、发育深度较深且极不均匀，富水块段为断陷谷盆埋藏的古岩溶。②地下水化学类型以HCO₃型、HCO₃·SO₄型为主，条带岭谷型、埋藏型岩溶水分别占96.73%，92.93%，水质总体较好，综合水质评价Ⅰ~Ⅲ类水占比分别为80.84%，64.41%。③建议对>50 L/s大泉进行提引、丰储冬用，对富水块段进行综合物探探测和钻探验证的方法找水。④综合物探找水方法：先通过高密度电法、联合剖面法查明岩溶破碎带及断层，再激电测深确定极化率高的含水层，最后综合测井和钻孔揭露确定具体出水段及涌水量，找水成功率为86.67%，适用于条带岭谷型及浅埋岩溶地下水。

沂蒙山区典型断陷盆地岩溶地下水系统特征: 以莱芜盆地为例

刘元晴, 文冬光, 吕琳, 李伟, 张福存, 王新峰, 孟顺祥

2022, 41(1): 157-167. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0013

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摘要:
2011年以来，中国地质调查局在沂蒙山区组织实施了1：5万标准图幅水文地质调查4万余km²，并在严重缺水村镇开展了大量的找水打井示范工作，获得了较为丰富的地质数据，对断陷盆地地下水流系统取得了新认识。受中新生代构造影响，沂蒙山区发生断裂褶皱、伸展滑脱及岩浆侵入活动，形成一系列"南超覆北断陷"的地堑-半地堑盆地，并最终形成现今典型的"盆-山"岩溶水文地质结构，及以盆地为单元的相对独立的岩溶地下水流系统。为研究沂蒙山区地下水流系统发育特征，选择莱芜盆地为典型研究区，基于野外地质调查，通过综合分析盆地南北两侧地貌单元、含水岩组立体空间分布及地下水水位、水化学及同位素结果等，探讨了沂蒙山区典型"盆-山"结构塑造的多级岩溶地下水流系统特征。结果表明，莱芜盆地岩溶地下水由盆地外围向盆地中心呈"向心式"径流；受人类活动影响、地质构造控制和含水层分布制约，盆地南北两侧地下水流系统特征存在差异：盆地南部发育中间和局部两级地下水流系统；盆地北部则仅发育单一的局部地下水流系统，但占有已勘查论证的近1/2的地下水水源地。此外，研究发现在大汶河最低侵蚀基准面，区域滑脱构造及热液混合作用拆离的空隙，与岩层面、层间裂隙、顺层溶蚀空隙等共同构成立体的岩溶地下水网络，影响着岩溶水循环途径及深度。以此认识为指导，实施的探采结合井成井率达到86%，强化了地下水流系统理论在北方基岩山区水文地质工作中理论与实践的结合。

基于信息熵的岩溶水监测网优化: 以徐州市典型水源地为例

朱常坤

2022, 41(1): 168-176. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0030

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摘要:
在各级水利与自然资源部门地下水监测数据共享机制逐步完善背景下，针对日益凸显的原有监测系统中存在的监测井布局不合理问题以及岩溶含水系统具有的非均质性和各向异性特征，选取徐州市丁楼-茅村和七里沟2个典型水源地，分别采用互信息-距离（T-D）和最大信息最小冗余（MIMR）模型对研究区监测网信息冗余性和最优监测井组合进行了研究。结果显示：丁楼-茅村水源地水位监测数据离散程度、信息熵、信息传递量和信息衰减速率均大于七里沟水源地，2个水源地在ε取10^-1时的水位信息有效传递距离分别为4.7，4.8 km，指示出两地相似的岩溶发育程度和水力传导性能。通过对比监测井控制范围的实际值和理论值发现2个水源地监测井之间均存在信息冗余。现有监测条件下，丁楼-茅村水源地最优监测井数为6眼，最优监测井组合为D1-D2-D4-D5-D7-D9；七里沟水源地最优监测井数量为5眼，最优组合为Q1-Q3-Q4-Q5-Q7。将优化结果与原监测网相比，2个水源地监测井数量均减少3眼，分别能提供原监测网信息总量的98.5%，94.9%，监测网控制范围分别下降0.4%，1.2%，信息冗余量分别减少49.0%，56.4%。表明优化后的监测网能够提供与原站网相当的信息量和控制范围，同时可以显著降低信息冗余度与监测成本。

盆地多级次地下水流系统盐分运移实验模拟

牛宏, 魏小雅, 林晶晶, 王俊智, 尼胜楠, 李姝姿

2022, 41(1): 177-182. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0019

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36

摘要:
地下水年龄和滞留时间包含了地下水循环和演化的重要信息，被广泛用于盆地地下水循环模式的研究。使用多级次地下水流系统演示仪，实验模拟了三级水流系统模式中地下水年龄及滞留时间分布。研究发现，盆地底部、区域流线的下游、盆地滞留区最晚响应；浅部的局部水流系统稳定后的浓度值相对较低；中间水流系统相对深部的区域水流系统也较低，滞留区盐分积累，浓度值相对较大。盆地内部所有监测点的地下水年龄分布曲线都为单峰，区域水流系统的循环时间大于中间水流系统以及局部水流系统。在排泄区监测的滞留时间分布显示不同级次补给会产生早、中、晚峰，并且峰值与地下水流系统的级次性完全对应，可以通过排泄区的峰值判断地下水是从局部、中间或区域水流系统补给而来，以此判断污染物的来源。本研究成果对于地下水的循环演化和地下水流系统理论的完善具有一定的意义。

南梁煤矿多煤层开采地下水系统演化规律

白阳, 齐跃明, 项敏, 苏磊, 马仪鹏, 兰璇, 苏成志

2022, 41(1): 183-192. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0034

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295

23

摘要:
煤层开采对所在矿区地下水系统有着重要影响。以往研究单煤层开采对地下水系统的影响较多，而对多煤层的影响研究甚少，特别对于我国西部缺水矿区。以南梁煤矿为例，运用地下水系统演化理论和岩石力学模拟等，对该矿井水文地质结构、矿井涌水变化规律、矿井地下水流场演变、矿井地下水化学成分变化等方面进行了综合分析研究，重构了多煤层开采条件下南梁矿井地下水系统流动模型，初步揭示了矿井水化学成分的演化机理。研究结果表明，2^-2煤单煤层开采时，顶板导裂带的最大发育高度为42.1 m，而2^-2和3^-1煤层重复开采时则增大为83.1 m，相应地应力、位移、塑性区范围后者也比前者增大许多。这揭示出多煤层重复采动明显增大了顶板导裂带的发育高度，加剧了矿井水文地质结构变异，进一步地，导水裂隙带改变了天然地下水渗流路径，沟通了不同含水层之间的水力联系，增强了地下水流动速度和水文地球化学作用，整体扩大了地下水流动系统的规模，从降雨入渗→导裂带渗流→各煤层涌水→井底水仓排水构成了一个自然-人工复合地下水流动模式。研究成果可以为南梁煤矿的矿井水害防治及水资源高效利用提供科学依据，也为类似矿区提供研究参考。

西北内陆盆地浅层地下水温度场及动态类型: 以酒泉东盆地为例

尹德超, 吴玺, 崔虎群, 王文祥, 王晓燕, 王茜, 安永会

2022, 41(1): 193-202. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0007

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197

35

摘要:
温度是地下水的固有属性，地下水温度场和动态特征是地下水流系统的外在表现。为揭示地下水开采等人类活动影响下西北内陆盆地浅层地下水温度场特征与地下水流系统的关系，基于多点位、长序列、高精度的地下水温度监测数据，在酒泉东盆地开展了地下水温度场及动态特征研究。结果表明：酒泉东盆地浅层地下水温度9.33~20.77℃不等，平均水温为13.54℃，自地下水补给区至排泄区，沿地下水径流方向，浅层地下水温度逐渐升高；循环深度相近的不同地下水流系统对比表明，浅层地下水温度与地下水动力条件呈负相关，地表水入渗补给大、水动力条件强的水流系统地下水平均温度低，入渗补给小、水动力条件弱的地下水平均温度高；浅层地下水温度动态受自然地下水循环和地下水开采等人类活动共同影响，从山前地下水补给区到中游绿洲区再到下游排泄区，浅部地下水温度动态可划分为4种基本类型，依次分别为河流补给型、水温稳定型、开采相关型、正弦波动型。

地质统计学在含水层参数空间变异研究中的应用进展与发展趋势

薛佩佩, 文章, 梁杏

2022, 41(1): 209-222. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0015

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376

63

摘要:
科学合理评价地下水资源，对统筹规划、合理开发利用区域地下水，保障区域生态环境安全至关重要。获取含水层参数空间变异规律是解决地下水渗流、污染物运移、地下水开发利用等诸多地下水问题的重要基础。然而，受常规勘察技术所限，含水层非均质性难以直接刻画。两点地质统计学通过变异函数确定随机变量相关关系，解决地质变量空间线性估计并表征其各向异性；多点地质统计学突破了空间两点间相关关系的局限，通过多点训练图像建模，有效反映含水层参数变量空间分布特征，也更适合模拟复杂结构地质体。据此，本文对常用的两点地质统计学在含水层参数空间变异研究中的实际应用作了简述和探讨，并以含水层渗透系数为媒介，阐述了岩土电阻率和水力梯度或水头与渗透系数在地质统计学中运用的限制性协同关系。应用对比了多点地质统计建模与传统地质统计建模相比所具有的优势，并探讨了后者受自身算法、建模方法等制约现如今仍然尚未解决的问题及未来发展方向。指出在卫星、雷达及遥感技术快速发展背景下，数据同化、机器学习等手段融合、集成和尺度推绎多源、多空间、多分辨率空间数据帮助地质统计学实现数值建模是大势所趋。

注入丁醇调节重非水液相密度的微空隙试验模拟

周媛, 杨盼瑞, 郭会荣, 原敏, 王哲, 周萍

2022, 41(1): 223-230. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0016

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210

14

摘要:
密度大于水的重非水液相（DNAPLs）有机污染物在重力作用下向地下介质深部迁移从而增加污染范围。前人通过一维砂柱和二维砂箱试验发现利用密度调节技术可降低DNAPLs向下迁移的风险，但目前缺乏微观尺度上密度调节影响DNAPLs迁移的定量观测。本研究试验模拟丁醇注入微空隙调节四氯乙烯（PCE）的密度，通过建立非水相中染色PCE浓度、密度与灰度的定量关系，监测注入丁醇后空隙介质中非水相密度的动态变化，基于空隙中代表性非水相PCE受力情况分析其运移状态，揭示空隙尺度介质性质和密度调节程度对DNAPLs迁移的影响。试验结果表明：丁醇注入后，PCE浓度和密度迅速下降，离散状PCE与丁醇有效接触面积大且起效快；当非水相密度降至略大于水相密度时，非水相受毛细力和摩擦力的影响停止向下迁移；当非水相密度小于水相密度时，非水相才在注入压力与浮力的作用下克服毛细力、重力和摩擦力向上迁移；注入压力、摩擦力、毛细力、浮力与重力影响着空隙中非水相的迁移行为，空隙半径越大，毛细力对调节PCE向上迁移的影响越小；密度比水小的丁醇注入介质后向上迁移，因此丁醇从DNAPLs下端注入可提高修复效率。试验证实了向空隙介质中注入丁醇能够显著减小DNAPLs的密度从而降低其向下迁移的风险，为实际场地DNAPLs修复方案的制定提供微观机制方面的信息。

鄂尔多斯盆地多级次地下水流系统中硝酸盐分布特征及其成因

张晓旭, 周爱国, 刘运德, 张俊

2022, 41(1): 231-239. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0022

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248

35

摘要:
水资源短缺的鄂尔多斯盆地内地下水遭受硝酸盐（NO₃^-）污染等问题日益突出，识别盆地不同地下水流系统的NO₃^-分布规律及其成因，对地下水资源的合理利用与保护具有重要意义。选取鄂尔多斯盆地北部湖泊集中区白垩系地下水系统为研究对象，基于水化学和聚类-主成分分析划分地下水流系统级次，在此基础上对比分析不同级次地下水流系统中NO₃^-分布特征，综合水化学和环境同位素分析识别多级次地下水流系统中NO₃^-来源及其潜在过程。研究表明：研究区ρ（NO₃^-）超出地下水质量标准（GB/T 14848-2017）Ⅲ类水标准的地下水样品集中在局部-中间地下水流系统，其超标率达到28%；区域地下水流系统中ρ（NO₃^-）均值约为1 mg/L。研究区不同级次地下水流系统中ρ（NO₃^-）分布特征主要与人类活动影响程度有关，而地下水蒸发富集和反硝化衰减作用对ρ（NO₃^-）的影响可以忽略。其中，局部-中间地下水流系统受到人类活动产生的污染影响显著，其NO₃^-污染主要来源于无机铵肥和粪便污水等；区域地下水流系统可能尚未受到人类活动污染，其NO₃^-来源于天然有机氮矿化。

张家口坝下地区高氟地下水成因分析与健康风险评价

宋晓光, 芦岩, 梁仕凯, 胡斌

2022, 41(1): 240-250, 259. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2021.0070

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268

52

摘要:
为了明晰张家口坝下地区高氟地下水的成因，探究其对当地居民饮用水安全的潜在影响，采集了391组潜水样品（井深≤ 100 m），通过水化学分析法、图解法、离子比例法、饱和指数计算法等对高氟地下水的分布与成因进行了分析，并利用美国EPA非致癌健康风险评价模型对四类受体人群进行健康风险评价。结果表明，研究区高氟地下水（ρ（F^-）>1.5 mg/L）主要分布在地势低洼、高氟岩浆岩下游的山前地带、封闭式小盆地、沿河两侧的径流滞缓区等地区，其主要机制主要包括矿物风化溶解作用、碱性环境下的晶格置换作用和阳离子交换作用；盐效应会影响研究区地下水中F^-富集，但不是高氟地下水的主要成因；农业活动与地下水中F^-的富集无关。此外，坝下地区分布的电厂、钢铁厂等是永定河水系的潜在污染源，对高氟地下水形成的影响不容忽视。研究区婴儿、儿童、成年男性和成年女性的平均健康风险指数依次为1.20，0.74，0.69，0.56，呈现出受体年龄越小，风险越高；女性对含氟地下水的抗风险能力优于男性的特征。建议针对高风险区发展多水源联合供水模式，提升退氟改水工程效率，保障区域供水安全。

不同地下水流系统模式渗流场和温度场的互相影响

肖巍, 孙蓉琳, 陈明霞, 杨艺娇

2022, 41(1): 251-259. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0032

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296

41

摘要:
在地热资源丰富的地区，需要研究不同地下水流系统发育模式下渗流场和温度场的互相影响。基于二维潜水盆地多源汇的数值模拟和室内砂箱实验，改变降雨入渗强度，通过砂箱底部加温研究上下边界不同温度差条件下的渗流场和温度场的变化。研究结果表明：①随着降雨入渗强度加大，地下水流速增大，地下水流系统由单一区域系统向复杂的局部+区域、局部+中间+区域多级嵌套系统转化，水流对温度的再分配影响变大；②补给区等温线受下降水流影响下移，排泄区等温线受上升水流影响上抬，其中区域补给区和区域排泄区温度变化幅度最大；③砂箱底部加热后，含水层潜水面下降，地下水流速增大，流线循环深度整体变大，滞留带范围缩小。温度差是地热丰富地区的地下水流系统研究中不可忽视的驱动力。

永城市浅层地下水污染分布特征及来源识别

王攀, 靳孟贵, 路东臣, 郭文秀

2022, 41(1): 260-268. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2021.0136

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293

25

摘要:
为有效管理和保护永城市浅层地下水资源，维系水资源可续利用，必须查明其污染物的分布特征和来源。在对永城市浅层地下水采样分析的基础上，结合分析城市发展带来产业布局改变及土地利用类型分布对其造成的影响，研究其主要污染组分的来源及分布特征。结果表明：城市第二产业（工矿业）发展，GDP的增长与浅层地下水中ρ（SO₄^2-）、ρ（NO₃^-）上升存在相关性，城市工业及人口密集区与污染严重区位置趋于一致。浅层地下水污染的最主要来源是SO₄^2-含量的上升，除了直接导致水质变差外，还会间接改变水文地球化学作用的强度，造成原本难溶的碳酸盐和硅酸盐的溶解量增大，使得ρ（TDS）进一步上升而改变水质。其次，NO₃^-、COD也是浅层地下水主要的污染来源，其部分来源工业废水，部分来源于农业上农药和化肥的过量使用。

砂岩含水层CO₂封存中考虑盐沉淀反馈作用的数值模拟: 以鄂尔多斯盆地为例

高志豪, 赵锐锐, 成建梅

2022, 41(1): 269-277. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2021.0073

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231

42

摘要:
盐沉淀是含水层CO₂封存中需要关注的问题。当前，大多数数值模拟没有考虑盐沉淀引起的地层孔隙度和渗透率变化对流体流动的反馈作用。以鄂尔多斯盆地刘家沟组地层为例，利用TOUGH2软件建立了一个二维模型。通过修改程序源代码，使得模型能考虑盐沉淀对流体流动的反馈作用。模拟结果表明，刘家沟组地层在CO₂注入20 a时，盐沉淀的反馈作用使得注入井附近地层压力提升达到了0.87MPa，储层注入性损失7.17%。地层水盐度对盐沉淀及其反馈作用的影响最大，CO₂注入速度的影响次之，地层渗透率的影响最小。在地层水盐度较高时，固体盐饱和度显著增加，从而造成地层渗透率明显下降。当地层水盐度为0.24时，盐沉淀造成注入性损失45.32%，引起的地层压力提升达到了12.14MPa。因此，需要特别关注高盐度地层水引起的盐沉淀及其反馈作用。

西宁盆地地下热水的TDS分布特征及富集机理

孙红丽, 王贵玲, 蔺文静

2022, 41(1): 278-287, 299. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2021.0079

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265

39

摘要:
西宁盆地大部分地下热水中TDS含量较高，极大限制了地热水的可利用性，研究盆地地下水TDS的成因机理，可为后期指导地热资源开发利用提供参考价值。通过对西宁盆地药水滩至盆地中心沿线地下水的常、微量组分的分析，探讨了区内TDS的分布特征及富集机理。结果表明：从盆地边缘到盆地中心，地下水由HCO₃-Ca·Mg型淡水逐渐向SO₄·Cl-Na、SO₄-Na型盐、卤水变化，地下水具有陆相沉积水特征，且变质程度逐渐增强；盆地内不同区域TDS的富集机理也有显著差异，盆地边缘以降水入渗、溶解混合作用为主，湟水中心区域以蒸发浓缩作用和混合、水-岩相互作用为主，而盆地中心区域则以深部沉积物质随热液上涌的混合作用和封闭环境下的水-岩相互作用为主。

康定北部高原构造岩溶发育特征与地下水径流带识别

马剑飞, 付昌昌, 张春潮, 白占学

2022, 41(1): 288-299. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0017

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234

29

摘要:
受自然环境和技术方法制约，青藏高原岩溶发育演化和岩溶地下水循环特征研究相对薄弱，制约了青藏高原碳酸盐岩区的经济发展、民生设施建设和地质灾害防治。通过野外地质测量，岩溶地下水、地表水和大气降水水化学和同位素特征分析，泉水流量动态，水均衡计算和物探等技术方法，系统分析了四川省康定市北郊碳酸盐岩分布区的岩溶发育特征，识别了岩溶径流通道和岩溶大泉主要补给来源。结果表明：康定市北郊碳酸盐岩分布于高山峡谷地貌类型区，可溶岩地层分布、岩溶发育程度和岩溶水补给、径流、排泄均受构造控制，可溶岩与非可溶岩接触带和活动断裂附近的岩溶发育程度较强。岩溶水呈管道流径流，主要以岩溶大泉形式集中排泄，泉流量约1.5×10⁴ m³/d且动态较为稳定。通过水文地质条件分析，识别出研究区存在通化组岩溶水径流带和雅拉河断裂岩溶水径流带。水化学-同位素数据、岩溶泉流量动态和水均衡计算结果显示，雅拉河河水是岩溶大泉的主要补给源，岩溶地下水主要沿雅拉河断裂岩溶水径流带径流并集中排泄。

长江中游沿岸地下水中铵氮与磷的共存规律及其控制因素

冷智超, 杜尧, 陶艳秋, 黄艳雯, 邓娅敏

2022, 41(1): 300-308. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0021

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307

42

摘要:
长江中游平原区面临着一系列严重的地质环境问题，其中地下水铵氮和磷的问题十分突出，但目前对于二者共存规律的认识还十分薄弱。以长江中游沿岸故道区为典型研究区，对采集的地下水样品进行了水文地球化学分析，并综合运用因子分析和随机森林模型探讨了铵氮和磷的赋存规律。结果表明：地下水整体处于还原环境中，NH₄-N的质量浓度为0.03~71.0 mg/L（均值9.92 mg/L），P的质量浓度为0.02~3.38 mg/L（均值0.51 mg/L）。地下水中高浓度的铵氮与磷均主要为天然成因，但铵氮与磷的迁移富集过程存在差异：铵氮的迁移富集与含氮有机质矿化过程密切相关；磷的迁移富集与铁氧化物或氢氧化物的还原性溶解密切相关，而含磷有机质矿化是磷富集的次要过程。Eh很低的地下水环境易产生高浓度铵氮的地下水，相对中等的还原环境会产生高浓度的磷但通常不会伴生高浓度的铵氮；当地下水中S^2-，DOC，I均处于相对较高的浓度水平时会伴生大量的铵氮，而磷的浓度在很大程度上受控于Fe²⁺浓度；当DOC，I和Fe²⁺浓度都高时，通常会出现铵氮和磷浓度都较高的现象。

地下水化学组成的时空聚类分析与多级嵌套水流系统识别

李舒, 杨佳雪, 李小倩, 张俊, 潘国芳

2022, 41(1): 309-318. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0028

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295

55

摘要:
水文地球化学是识别地下水流系统的重要方法，然而区域尺度上多级嵌套地下水流系统的复杂性使地下水化学组成的分析和解释难度增加。以鄂尔多斯北部盆地湖泊集中区典型的胡同察汗淖地下水流系统为例，基于丰水期和枯水期3个期次不同深度地下水样品的物理化学数据，应用时空聚类与主成分分析方法，揭示地下水化学组成的空间分布特征、变化规律及其作用机制，分析水化学时空聚类结果对多级嵌套地下水流系统划分的可行性。该聚类结果将地下水样品分为3类，其中C1为以Na-HCO₃型为主的深层地下水，具有偏负的氢氧同位素组成（δD < -70‰，δ¹⁸O < -9‰）和极低浓度的NO₃^-；C2为Ca-HCO₃为主的浅层地下水，具有偏正的氢氧同位素组成（δD > -70‰，δ¹⁸O > -9‰）和高浓度的NO₃^-；而C3呈无优势阳离子、δD和δ¹⁸O变化范围大且显著线性相关等深、浅地下水混合特征。呈南北条带分布在苏贝淖-胡同察汗淖排泄区的C2和部分C3水化学组成有一定的季节变化。研究验证了研究区受地形和湖泊排泄控制的浅层局部和深层区域地下水流系统的空间分布，识别了苏贝淖-胡同察汗淖排泄区受浅循环和深循环共同影响的强烈作用带，证明了水化学时空聚类方法识别多级嵌套地下水流系统的可行性。

基于水动力量化因子的岩溶强发育深度研究

吴泓瑶, 杨艳娜, 曾宪明, 刘洋

2022, 41(1): 319-327. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0027

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237

21

摘要:
地下水垂向循环水动力条件是岩溶发育深度的主要控制因素。为探求川东背斜构造岩溶区多级水流系统控制下的岩溶强发育深度，采用地理信息系统（GIS）技术，选取地形指数和水动力坡降构建岩溶水动力强弱的量化因子F_HQ，并结合钻孔数据推求假角山背斜构造区地下岩溶强发育深度。研究显示：水动力因子F_HQ与地形指数、水动力坡降在空间上呈明显正相关关系，同时可指示岩溶水流系统向深循环的深度，以此推求背斜构造区地下岩溶的强发育深度下限。假角山背斜两翼F_HQ集中在0.1~0.4之间，岩溶水动力整体偏弱，深沟F_HQ值整体高于浅沟。东、西翼深沟控制下的地下岩溶强发育深度分别约40~100 m和110~180 m；浅沟控制下的地下岩溶强发育深度分别约15~60 m和10~90 m。研究成果可进一步丰富川东背斜区岩溶发育评价方法体系，为隧道工程岩溶突水灾害预测防治提供理论依据。

黄陵穹隆周缘岩溶水流系统特征及成因

郭绪磊, 周宏, 罗明明, 黄琨, 况野, 曾圆梦, 陈一帆, 张苏雅

2022, 41(1): 328-340. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0033

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282

33

摘要:
岩溶水流系统特征研究有助于地下水资源的合理评价和开发利用。借鉴水文学的研究方法，统计并量化了典型岩溶水流系统的空间特征以及其水文动态响应、温度场和电导率特征。划分了扇状、树枝状、平行状、梳状4种地下水系来综合反映岩溶水流系统的地表-地下岩溶特征，前两者主管道垂直于地层走向，构造裂隙起汇水作用，后两者主管道平行于地层走向，层面裂隙起汇水作用。黄陵穹隆西北翼、西翼和南翼以平行状和树枝状为主，东翼和北翼则以扇状水系和平行状水系为主。不同地下水系结构的形成及区域差异与含水系统和水系的空间关系和级次性密切相关，并表现出不同的动态特征。扇状和平行状岩溶水流系统对降雨响应最为敏感，而梳状水系岩溶水流系统响应和衰减过程最慢；基于岩溶地下水温度与出露高程和循环深度显著相关的关系建立了鄂西山区地下水温度线。这一基础性研究可为岩溶地下水流系统研究和当地工程实践提供一定的理论支持。

中国水文地质学研究生教育历程

夏露, 蒋小伟, 孙志成, 郭华明

2022, 41(1): 341-342.

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