岩溶含水层特征与工程学

第1章岩溶研究历史回顾 吉姆 W.拉莫罗（JamesW.LaMoreaux)和佐兰 斯特万诺维奇（ZoranStevanovi6) 很多人了解泉水、地下水、地质学和水文学等常用术语，而且熟悉瓶装水（包括苏打水或矿泉水）以及各种形状、尺寸、颜色和标签的储水容器，现代人逐渐以瓶装水代替市政或其他公共用水，P.E.LaMoreaux和J.T.Tanner在著作SpringsandBottledWatersoftheWorld：AncientHistory，Source，Occurrence，QualityandUse(《世界泉水和瓶装水：古代历史、来源、发生、质量和使用》）中，总结了这一风靡全球的现象(图1.1)。但是很多人并不了解泉作为瓶装水的源头已有数千年的开发历史，这些泉多数分布于岩溶区或石灰岩地区，在人类文明进程中提供水源。 泉水开发历史可以追溯到人类文明的*早期阶段，如法国南部拉斯科（Lascaux)洞穴17000年前旧石器时代的岩画（图1.2)，记录了早期人类如何利用洞穴作为供水、定居点和庇护所。 图1.1全球部分泉水和瓶装水 图1.2旧石器时代洞穴民居记载 人们已逐步意识到水文地质学对环境规划、执法和实践的重要性。生命活动需要持续供水，全球未来大部分水资源将来自地下水。生活在岩溶区或石灰岩地区的人们更能理解岩溶环境的特殊性；事实上，水文循环、水源、赋存和水质等水文概念*早形成发展于岩溶环境。 全球岩溶区或石灰岩地区的分布约占地球表面积的20%，各地区覆盖率变幅为0~40%。南斯拉夫作为岩溶术语的起源地，岩溶分布面积占国土面积的33%，是全球岩溶分布*广的地区之一（Milanovi6，1981)。岩溶一词来自南斯拉夫西北部毗邻意大利的边境地区（今斯洛文尼亚境内）。斯拉夫人以“kar”表示岩石，意大利人则采用“carso”，两术语经德语化后，将这一独特地区称为岩溶（karst)。 岩溶主要发育于灰岩、白云岩、大理岩等碳酸盐岩地层中，是很多岩溶泉的源头，早期人类在泉水附近设置定居点和宗教场所。多拉 P.克劳奇（DoraP.Crouch)在两篇综述性文章中，讨论了泉作为地下水源与文明发展的内在联系。除水资源外，岩溶区还有丰富的石材、矿产和石油等资源。不同的地质背景和气候条件地区，在风化作用下，形成了各种地形和地貌形态（图1.3，图1.4)。岩性差异以及不同气候和地质条件下的溶解性差异，给人类生存和发展带来了各种挑战。例如，埃及巴哈利亚（Bahariya)绿洲附近的白垩系形成了白色荒漠，而南欧灰岩区则形成了丰富的土壤。 图1.3早期岩溶环境地质相关著作 图1.4早期古希腊水资源管理相关著作 以下实例说明了岩溶的重要历史地位。LaMoreaux(1991，2007)、Ford和Williams(2007)、Kresic(2013)等作品中，详细描述了岩溶的历史发展、古老文献和重要性证据。 楔形碑是水文研究的首个书面记录（图1.5)，记载了公元前852年，亚述国王萨尔玛那萨尔三世（SalmanassarH)前往底格里斯河源头探险的情况。洞穴铭文表明，底格里斯河的源头为一岩溶泉，其中首次提到了石笋。 图1.5公元前852年楔形文字的水文学记录 古阿拉伯人、古希腊人、古罗马人和古中国人等对早期水资源利用知识都做出了贡献。*早的水井可追溯到公元前10000年左右的新石器时代，水井与农耕、牲畜及金属工具使用等人类日常生活息息相关。 水资源开发还与*早的法律和伦理演化有关，如早期先知的著作和《圣经》十诫。*古老的《圣经》记录提到了地下水在帕尔迈拉（Palmyra)、杰利科(Jericho)、西德龙（Sidron)等城市地区的用途。美国地质调查局（USGS)地下水部门前首席0.E.迈因策尔（0.E.Meinzer)博士曾评论说，早期《圣经》的某些部分读起来更像一份供水文件（图1.6)。 帕尔迈拉（Palmyra)温泉（33°C)，有硫黄味和放射性，据说有医疗作用，位于西奈山脚瓦迪加兰达尔(WadiGarandal)地区。法老（Pharoah)温泉(32C)，历史上曾被法老士兵和矿工利用过，现已成为旅游胜地（图1.7)。 阿拉伯纯洁兄弟会（ArabianOrderoftheBrothersofPurity)等对中东地区的岩溶知识做出了贡献。公元940年，他们在百科知识全书中描述了洞穴、泉水和自流水。 在古希腊和古罗马时期，恩培多利斯（公元前400年）和亚里士多德（公元前300年）对水文循环开展了理论分析。耶稣基督时期（公元前150年），斯特拉博（Strabo)在他的第八本书（共17卷）中描述了井和泉。公元前100年，埃拉托斯坦描述了落水洞和坡立谷。公元50年，罗马著名的哲学家塞内卡（Seneca)报道了泉、洞穴以及泉水消失等现象。公元40年，维楚维斯（Vitmvius)成为**个介绍地下找水的水文学家。 罗马人设计并建造了渡槽的主体工程，用于长途输送优质水源（图1.8)。在罗马帝国的鼎盛时期，渡槽将来自辛布鲁伊尼（Simbrnini)山脉、阿涅内（Aniene)河等流域的岩溶泉，以13mVs这一难以置信的流量向罗马城中心供水。罗马人开发的著名温泉包括英国巴斯（Bath)泉。 汉尼拔在洗劫罗马城后，在著名的佩里耶(Perrier)泉源头沸腾之水（LesBouillens)扎营；法国国王路易十五以严格的法令控制该泉的C02含量。 中国人对洞穴和岩溶知识也做出了大量贡献，公元前221年的古籍中记录了洞穴和水文知识。山西洪山岩溶泉自宋代（公元1000年）开始利用，公元1040年，洪山泉分三条渠道灌溉10万亩①农田。公元1175年，宋代的岩溶学家范成大解释了洞穴沉积物和钟乳石的成因。 明朝徐霞客（公元1587~1641年），被誉为“中国岩溶研究之父”（图1.11)。他研究了桂林及其周边地区的溶洞形态和热带岩溶特征。据中国岩溶地质馆介绍，徐霞客考察并描述了约340个洞穴。 全球各地的岩溶泉都遇到各种问题，水源污染是其中*常见的问题之一。有些泉在早期就被污染，并成为污染的*早记录，污染问题至今仍然存在，特别是发展中国家，人们尚未意识到岩溶区供水与垃圾和污水处理的关系，加强教育能有效促进科学界与公众之间的交流。 科学家、工程师、规划者、监管者和利益相关者^^直关注与泉和岩溶地貌有关的问题。过去，地质学、水文地质学和洞穴地质学的研究成果已成功解决了岩溶地区污染及其他问题，但人们意识到，未来还需要多学科参与，以制订更好的解决方案。 欧洲岩溶研究始于17世纪末和18世纪初，*初由观察和描述开始。例如，德国学者梅尔希奥 戈尔达斯特（MelchiorGoldast)描述了蓝泉（Blautopf泉），该泉是德国*大的岩溶泉之一；法国沃克吕兹（Vaucluse)泉的流量动态变幅大，后来也以该泉作为具有类似特征的泉类型名称，自1854年起，对该泉开展了固定周期的流量观测。 18世纪末期，巴尔塔扎 德拉莫特 哈克廷（BalthazardelaMotteHacquetin)记录了斯洛文尼亚和奥地利的岩溶现象，他预测的问题后来成为争议和研究的主题，Kranjc(2006)认为阿凯（Hacquet)是欧洲的“水文学之父”。法国人愛德华 马特尔（EdouardMartel)是那个时代众多岩溶探险家之一，被认为是“洞穴学之父”。1907年，埃米尔 拉科维塔（EmilRacovita)出版的EssaiSurLesProblemesBiospeologiques(《生物生态学问题实验》），被认为是洞穴生物学的起源。 塞尔维亚著名的科学家约万 茨维伊奇（JovanCvijic＇)（图1.12）被誉为“岩溶地貌学和水文学之父”（Ford，2005），尽管他在著作中采用了“地下水文学”这一并非准确的水文地质学术语，但他的确是岩溶学和岩溶水文地质学这一新兴学科的奠基者之一（Stevanovic＇，2012；Stevanovic＇and Milanovic＇，2013）。他在贝尔格莱德大学完成本科学业，后担任地理学教授，并成为该大学校长以及塞尔维亚皇家科学院的成员和院长。因其肖像出现在塞尔维亚国家货币上而备受尊敬。 约万 茨维伊奇在博士学位论文Das Karstphnomen（《岩溶现象》）（1892年）中奠定了现代岩溶学的基础。1900年，他撰写了波黑西部的岩溶坡立谷论文，并在1924年和1926年撰写了岩溶地貌学论文，论述了地下水位（GWL）、岩溶泉、渗漏和消溢水洞，并系统研究了溶沟、漏斗、岩溶河流、岩溶谷底、坡立谷等岩溶现象（图1.13）。 约万 茨维伊奇首次将灰岩地区划分为三种形态类型，即全岩溶（holokarst）、部分岩溶（merokarst）和过渡岩溶（transition karst），但该命名法还存在一定的局限性。美国地质调查局Monroe（1970）在《1899-K供水文件》中提出岩溶术语词典，其中很多是对约万 茨维伊奇原始术语和定义的拓展。 很多著名科学家在水文地质学和岩溶研究方面推动了系统科学思维的发展。达西(Darcy)在法国第戎（Dijon)市供水工程建设的试验中，确定了水流通过沙土的基本规律，并发表了试验结果——达西定律，作为水文地质学的基本规律之一，已成功应用于水