一、岩溶含水介质的特征

岩溶含水介质具有很大的不均一性,既有规模巨大、延伸长达数十千米的管道溶洞,也有十分细小的裂隙甚至孔隙(包括洞穴沉积物中的孔隙)。由于大泉往往从溶洞流出,而钻孔与坑道也是在揭露溶洞时才出现可观的水量。所以,有一个时期,人们曾错误地认为岩溶水如同地表水在河道中流动一般只是在若干个孤立的管道系统中流动。近年来人们对岩溶泉进行了深入研究,终于发现供给泉的水量只有百分之几到百分之十几来自岩溶管道,绝大多数水则来自众多的各种尺度的裂隙以及孔隙。这些初始的空隙在溶蚀过程中不同程度地溶蚀扩展,有的发育成为尺寸很大的溶洞管道,有的仍然保持为细小的空隙。因此岩溶含水介质实际上是尺寸不等的空隙构成的多级次空隙系统。

尺度不等的孔隙彼此之间存在着不同程度的水力联系,构成宏观上具有统一水力联系的岩溶含水介质。广泛分布的细小孔隙与裂隙,导水性差而总的容积大,是主要的储水空间。大的岩溶管道与开阔的溶蚀裂隙构成主要导水通道时,广大贮水空间中的水通过储水—导水网络逐级汇集到溶蚀管道,水量极大。只揭露少数规模不大的裂隙时,汇集水量有限。钻孔与坑道只揭露到导水通道与裂隙网络之外的含水介质时,由于细小孔隙与裂隙的导水性很差,往往干涸无水。岩溶水水量分布极不均匀,宏观上统一的水力联系与局部性水力联系不好,是由岩溶含水介质的多级性与不均质性决定的。

二、岩溶水的运动特征

由于岩溶含水介质的空隙尺寸大小悬殊,因此在岩溶水系统中通常是层流与紊流共存。细小的孔隙、裂隙中地下水一般作层流运动,而在大的管道中地下水洪水期流速每昼夜可达数公里,一般呈紊流运动。

由于介质中空隙规模相差悬殊,不同空隙中的地下水运动不能保持同步。降雨时,通过地表的落水洞、溶斗等,岩溶管道迅速大量吸收降水及地下水,水位抬升快,形成水位高脊,在向下游流动的同时还向周围的裂隙及孔隙散流。而枯水期岩溶管道排水迅速,形成水位凹槽,周围裂隙及孔隙保持高水位,沿着垂直于管道流的方向向其汇集。在岩溶含水系统中,局部流向与整体流向常常是不一致的。岩溶水可以是潜水,也可以是承压水,然后即使赋存于裸露巨厚纯质碳酸盐岩中的岩溶潜水也与松散的沉积物中的典型的潜水不同,由于岩溶管道断面沿流程变化很大,某些部分在某些时期局部的地下水是承压的,在另一些时间里又可变成无压的。

三、岩溶水的补给、排泄与动态

在典型的岩溶化碳酸盐岩含水层中,由于深部洞穴塌坍而在地表形成一系列通向地下水面的溶斗、落水洞与竖井,岩溶水吸收降水的能力大为增强。通常条件下大气降水是面状补给地下水的,但在强烈岩溶化地区,降水汇集到处于低洼的溶斗、落水洞并直接灌入地下,短时间内即可顺畅地达到岩溶水水面。我国南方岩溶发育地区,降水入渗系数可达80%以上,岩溶发育较差的我国北方,降水入渗系数也可达到30%以上。

在岩溶发育过程中,由于岩溶水系统不断扩大其汇水范围,力求将尽可能大区域内的水纳入系统之中。并且随着含水介质岩溶发育,岩溶水水力坡度变小,水位大幅度下降,于是原来成为岩溶水排泄去路的河流往往反而成为地下河系的地上部分。整条河流转入地下在岩溶化地区是屡见不鲜的。

地下河系化的结果常常使数百甚至数千平方千米范围内降水构成一个统一的水系,由一个岩溶泉或泉群集中排泄,泉流量常常可达1m3/s以上,洪水季节甚至可到100m3/s以上,是名副其实的地下河。

在典型岩溶化地区,灌入式的补给,畅通的径流与集中的排泄,加上岩溶含水介质的孔隙率(给水度)不大,决定着岩溶水水位动态变化非常强烈。在远离排泄区的地段,岩溶水水位的变化可以高达数十米乃至数百米,变化迅速且缺乏滞后性。泉的流量变化也很大。当然,含水介质的性质对于岩溶泉的动态有很大的影响。

由于岩溶水集中排泄,系统范围大,而水力梯度较校因此,作为补给区的岩溶化山区,岩溶水的埋藏深度常常可达数百米,在无泉水及地表水的山区,即使在潮湿气候下,岩溶山区常常也成为严重缺水的干旱地区。