太行山前典型岩溶水系统对气候变化和采矿活动的响应规律与机制研究

There has been a fundamental transformation in the input-structure-output of karst water system affects by the effect of climate change and mining activity in recent years. It leads to several hydrogeological problems such as the decline of groundwater level, deterioration of water quality, and so on. In order to restrain these problems, it is the key to clarify the interaction mechanism between the karst water system and the external environment. Taking the Xujiagou karst water system which located at the Taihang piedmont as the example, some geological and hydrogeological methods, such as field observation, dewatering test, laboratory simulation test, numerical simulation, isotope tracing and statistical approach will be applied based on temporal (day, month, year and several year) and spatial (unit and spring basin) scale. The objectives are to analyze the variation pattern of water level and water quality in the karst water system which affects by the interaction of climate change and mining activity; to clarify the responses mechanism of karst water system to climate change and human mining activity. At the same time, the contribution size of the different effect factors will be identified. The research results will provide a scientific foundation for rational development and effective utilization for karst water resources.

近些年来，受气候变化和人类活动的影响，岩溶水系统的输入-结构-输出发生了根本性改变，由此诱发了区域地下水位下降、水质恶化等水文地质环境问题。为遏制这些问题，厘清岩溶水系统与外界环境之间的相互作用机制是关键。为此本研究拟以位于太行山前典型的岩溶水系统-许家沟泉域岩溶水系统为研究对象，选取不同时间尺度（日尺度-月尺度-年尺度-多年尺度）及空间尺度（局部单元-泉域），采用野外定位观测、井下放水试验、室内模拟实验、数值模拟、同位素示踪及数理统计等方法和手段，分析气候变化和采矿活动交互作用下岩溶水系统水位和水质动态变化特征及规律，揭示岩溶水系统对气候变化与人类采矿活动的响应机制，确定二者对岩溶水系统时空变异的贡献率，为山前岩溶水资源的合理开发和有效利用提供依据。

受气候变化和人类活动的影响，岩溶水系统的“输入-结构-输出”发生了根本性改变，由此诱发了区域水位下降、泉流量减少、水质恶化等环境水文地质问题。为确定岩溶水系统对外界环境的响应机制，选取位于太行山前的典型岩溶水系统，采用野外调查取样、定位监测与检测、室内模拟实验、数值模拟等方法和手段，分析了气候变化、采矿活动作用下岩溶水系统泉流量变化特征、水位变化特征及水化学演化规律，确定了气候变化与人类采矿活动对岩溶水系统泉流量变化的贡献率。取得如下成果：. 1、气象要素对泉域泉流量变化有重要的影响，尺度不同影响因素不同。年尺度下降水量的减少是导致泉流量减少的主要因素；月尺度下蒸发量、温度的增加和相对湿度的减少是泉流量下降的主控因素。而气象要素对泉域地下水常规离子分布的影响在长时间尺度上表现不明显，但在短时间尺度内则表现出明显的季节性，枯水期离子含量明显高于丰水期。. 2、受采矿活动的影响，泉域地下水水位普遍下降，不同区域下降幅度不同。采矿活动影响下，水岩相互作用依旧是岩溶水水化学演化的主控因素。水中Ca2+、Mg2+、SO42-和HCO3-来源于含方解石和白云石的碳酸盐岩以及硫酸盐岩的溶解，部分SO42-来源于黄铁矿氧化。脱白云石化作用使泉域枯水期Mg2+含量明显高于丰水期。水文地球化学模拟结果显示，阳离子吸附交替作用降低了地下水中Na+、K+的含量。短时间内煤矿开采导致了地下水中Ca2+含量的变化，SO42-则随着开采时间的延长持续增加。. 3、综合泉域水文地质条件并结合基于BP神经网络模型的泉流量模拟结果，确定1986-1991年间人类活动对泉流量变化的平均贡献率为29%，1992-2016年的平均贡献率为41%。人类活动对泉流量变异的贡献率增大，但气候变化仍是影响泉流量的主控因素。. 研究成果可为山前岩溶水资源的合理开发和有效利用提供依据。