Sistema acuífero de agua kárstica
1. Control del desarrollo de los sistemas hídricos kársticos
Los factores que afectan al desarrollo del karst incluyen el clima, la topografía, la vegetación, la estructura geológica, la composición y estructura de las rocas solubles, etc. . Bajo su efecto combinado, el sistema acuífero kárstico formado es extremadamente desigual, formando un sistema acuífero kárstico muy complejo.
El clima es un factor importante que influye en el desarrollo del karst. El sur de China tiene altas temperaturas, exuberante vegetación y abundantes lluvias. La precipitación anual es generalmente de más de 1000 mm. En este ambiente climático, el agua tiene buenas condiciones de alternancia y ricas fuentes de CO2, lo que fortalece la disolución de las rocas carbonatadas y hace que el clima sea más cálido. El proceso de desarrollo del karst está completo.
(1) Efecto de la lluvia en la disolución de la superficie de las rocas
El monitoreo hidroquímico del proceso de disolución de las superficies de las rocas expuestas en estaciones de observación subtropicales como Guilin, Lalong y Shuicheng mostró que la lluvia que cae en rocas Después de la superficie, la reacción química del agua que disuelve las rocas es muy rápida. En aproximadamente 1 hora, el contenido de agua aumenta repentinamente de menos de 20 mg/L a más de 40 mg/L y rápidamente alcanza el estado de equilibrio de la reacción (. Yuan Daoxian et al., 2003). Consulte la Tabla 5-2. Esto muestra que el contenido de CO2 en el agua de lluvia es alto y tiene una gran capacidad de disolución.
Tabla 5-2 Cambios en la concentración de agua kárstica (mg/L) en superficies rocosas expuestas después de la lluvia en Shuicheng, Guilin y Lanon.
(2) La influencia de la vegetación en el desarrollo kárstico
La vegetación tiene sus raíces principalmente en la capa de suelo cubierta de roca. Ya sea por la respiración de las raíces de las plantas o por la descomposición de la materia orgánica por parte de poblaciones microbianas, se liberará CO2, aumentando así la concentración de CO2 en los huecos del suelo. A medida que el agua penetra hacia abajo a través de la capa del suelo, absorbe más CO2, aumentando así la capacidad del agua para disolverse. El contenido de CO2 en el suelo está relacionado con la cobertura vegetal y el espesor de la capa del suelo. Las áreas forestales con una alta cobertura vegetal tienen un alto contenido de materia orgánica en el suelo y suficiente O2 en la superficie. Las bacterias aeróbicas descomponen la materia orgánica en CO2 y H2O. En la parte inferior de la capa de suelo más gruesa, el contenido de O2 es menor y es un ambiente anaeróbico. En el proceso de descomposición de la materia orgánica en CO2 y H2O, las bacterias anaeróbicas representadas por las bacterias desulfuradoras obtienen O2 del suelo y lo reducen a H2S. Cuando la oxidación biológica y la redox biológica existen simultáneamente en la capa del suelo, el agua subterránea que se filtra hacia abajo proporciona más CO2 suficiente. , mejorando así la solubilidad del agua.
La respiración de las raíces de las plantas y la reproducción de comunidades microbianas están relacionadas con los cambios estacionales. Las temperaturas del verano son altas, las precipitaciones son abundantes, las plantas crecen vigorosamente, la respiración de las raíces es fuerte y se libera más CO2. Las altas temperaturas y la alta humedad también mejorarán la función reproductiva de las comunidades microbianas, degradarán más activamente la materia orgánica y aumentarán la producción de CO2. Cuando las temperaturas son bajas en invierno, la respiración de las raíces de las plantas y la reproducción de las comunidades microbianas se debilitan y se reduce la producción de CO2. Los cambios estacionales en la concentración de CO2 del suelo son evidentes. Consulte la Figura 5-8. Por tanto, el poder disolvente del agua es mayor en verano que en invierno.
Figura 5-8 La relación entre la dinámica estacional de la concentración del perfil del suelo y las precipitaciones y la temperatura
(3) El efecto de control de las estructuras geológicas en el desarrollo de los sistemas de agua kárstica
Las actividades tectónicas geológicas a menudo causan pliegues y grietas en formaciones rocosas carbonatadas, formando una red de grietas interconectadas, que proporciona buenas condiciones para el desarrollo kárstico. Casi todos los sistemas acuíferos kársticos están asociados con pliegues y fallas.
Por ejemplo, en áreas como Longgang en el este de Shenzhen, el sistema acuífero kárstico se distribuye principalmente a lo largo del eje del anticlinal oculto, con cuevas kársticas desarrolladas en el eje y una buena riqueza de agua. El volumen de entrada de agua de un solo pozo es de más de 5000 m/3d. Un volumen de entrada de agua excesivo puede causar fácilmente el colapso del suelo desde el eje del anticlinal hasta las dos alas, el volumen de agua disminuye gradualmente; Otro ejemplo es la cueva Tenglong en Lichuan, provincia de Hubei. Está ubicada en la zona de transición entre el ala noroeste del sinclinal Jinzishan y el anticlinal Xiaoqingya-Yupizha compuesto por la Formación Jialingjiang. La dirección de desarrollo de la cueva principal está controlada por fracturas de tracción longitudinales (tendencia NE40 ~ 50, tendencia NE75 ~ 85), y las cuevas secundarias están controladas por fracturas de tracción transversales (tendencia NW 335 ~ 345) (Jishen
El impacto de la falla en el karst El efecto de control sobre el desarrollo del sistema acuífero también es muy obvio. Por ejemplo, la cueva principal del sistema de cuevas Panlong en Guilin desarrolla fallas y fisuras a lo largo de las direcciones SN, NE y NW. , que se extiende en la dirección SN, que es consistente con la estructura en forma de arco de Guilin Guanyang Xiang en Guangxi. El desarrollo de cuevas del sistema de cuevas Shuiyan está obviamente controlado por las fallas y grietas del norte (norte) este y casi de este a oeste; El túnel principal del sistema de cuevas Dongtang Dongge en el condado de Libo, provincia de Guizhou, se encuentra a lo largo de las grietas planas de los pliegues dirigidos hacia el NE y se desarrollan y se desarrollan los pliegues N relacionados con los pliegues de tendencia (N)E y N(W)W. extender (Yuan Daoxian et al., 2003). La formación y distribución de muchos sistemas kársticos de manantiales en el norte de China también están relacionadas con las estructuras de fallas.
(4) La composición y la estructura. de rocas carbonatadas controlan el desarrollo de sistemas kársticos portadores de agua.
Las rocas carbonatadas están compuestas principalmente de calcita y dolomita, y contienen impurezas arcillosas, silíceas y otras impurezas insolubles en agua. La piedra caliza inducida tiene una textura relativamente pura, tiene muchos microporos y se disuelve fácilmente cuando se expone al agua. Sin embargo, la piedra caliza cristalina densa recristalizada tiene una porosidad pequeña y es menos probable que se disuelva. El lodo que queda se adhiere a la superficie de la grieta, lo que limita. la interacción agua-roca y la reducción de la tasa de disolución. La combinación litológica de diferentes componentes es la causa interna de la disolución diferencial, y las diferentes formas de bosque de piedras en el relieve del bosque de piedras están relacionadas principalmente con esto. La última teoría kárstica cree que el proceso de desarrollo del karst es un eslabón en el ciclo global del carbono; el sistema dinámico kárstico controla la formación y evolución del karst. Yuan Daoxian et al. Un sistema de transferencia y transformación de material y energía que forma y evoluciona el karst y que a menudo está controlado por la morfología kárstica existente. Está dominado por los ciclos del carbono, el agua y el calcio en las interfaces de la litosfera, la hidrosfera, la atmósfera y la biosfera. consideró que el sistema dinámico kárstico (ácido carbónico El sistema roca salina-CO2-H2O) participa activamente en el ciclo global del carbono bajo el efecto sinérgico de los efectos biológicos y los conceptos tradicionales del karst inorgánico, convirtiéndose en un eslabón importante en la fuente y sumidero de energía atmosférica. CO2.
El sistema dinámico kárstico es muy sensible al medio ambiente (Yuan Daoxian et al., 2003) La intensidad del sistema dinámico kárstico está controlada por factores ambientales como la precipitación, la temperatura, la vegetación, el agua. estado de flujo, profundidad y apertura Estos factores están relacionados con el CO2 y el H2O en el sistema roca carbonatada-CO2-H2O. Está relacionado con la fuerza motriz. En el sur de mi país, la temperatura es alta, la precipitación es abundante. , la intensidad de la escorrentía es fuerte, la vegetación está bien desarrollada y la concentración de CO2 en el suelo superficial de la zona vadosa es alta, lo que hace que el sistema dinámico kárstico tenga una mayor intensidad, mientras que en el norte, la temperatura media anual, la precipitación y vegetación La cobertura es menor que la del sur y la intensidad del sistema dinámico kárstico es menor. Por lo tanto, el grado de desarrollo kárstico en el norte es mucho menor que el del sur. Al comparar el contenido de CO2 en el suelo y el agua kárstica en el sitio experimental de Guilin Karst y el contenido de Ca2 del río Shaanxi Yudong, se cree que el intenso desarrollo kárstico en el sur de China está relacionado principalmente con el alto contenido de CO2 en el suelo. baja concentración de Ca2 en el agua de lluvia, y las grandes precipitaciones y escorrentías.
2. Características básicas del sistema acuífero de agua kárstica
Debido a las enormes diferencias en el clima y los sistemas de vegetación entre el norte y el sur de mi país, la fuerza de los sistemas dinámicos kársticos en los dos lugares es significativamente diferente, siendo la fuerza del sistema dinámico kárstico más fuerte en el sur y más débil en el norte. El karst está muy desarrollado en el sur de China y el fenómeno kárstico es muy típico. Hay accidentes geográficos kársticos típicos en la superficie, como bosques de picos, grupos de picos, depresiones kársticas, cubetas, pozos y sumideros kársticos, y el sistema fluvial subterráneo está bien desarrollado. En el norte, el paisaje kárstico superficial está poco desarrollado y los sistemas fluviales subterráneos completos son raros. La diferencia de litología y estructura entre el norte y el sur es también una razón importante para los diferentes grados de desarrollo kárstico en los dos lugares.
Las rocas carbonatadas en el sur son en su mayoría piedra caliza pura de espesas a masivas, y sus estructuras son principalmente pliegues densos, que favorecen la formación de estructuras sinclinales y estructuras de fallas de captación. El karst es muy intenso y los sistemas fluviales subterráneos a menudo se desarrollan a lo largo de ejes sinclinales o se extienden a lo largo de fallas. Las rocas carbonatadas en el norte son generalmente delgadas, a menudo intercaladas con capas intermedias fangosas o silíceas, y en su mayoría están intercaladas con rocas insolubles. La estructura es principalmente de pliegues anchos y suaves. Sólo en partes estructurales con buenas condiciones de captación de agua, se desarrollan pequeñas cuevas a lo largo de fisuras o fallas, y los patrones de aparición y migración del agua kárstica son similares a los del agua de fisura.
Las diferencias en intensidad, litología y estructura del sistema dinámico kárstico han causado grandes diferencias en las características de distribución espacial, ocurrencia, migración y métodos de descarga de escorrentía de los sistemas de agua kárstica en el norte y sur de mi país.
3. Características del sistema acuífero kárstico en el sur de China
El karst en el sur de China está fuertemente desarrollado y se ha desarrollado el sistema fluvial subterráneo, que se ha convertido en la característica principal de el sistema acuífero kárstico del sur de China. Según las estadísticas de Li Guofen et al (1992), hay 2.836 ríos subterráneos (con un caudal superior a 50 l/s) en el sur de mi país. Cada río subterráneo forma un sistema independiente, con una superficie que va desde unos pocos kilómetros cuadrados hasta más de mil kilómetros cuadrados (Yuan Daoxian et al., 2003). En las zonas donde se desarrollan ríos subterráneos, el medio acuífero kárstico presenta una gran heterogeneidad y su riqueza hídrica también es extremadamente desigual.
La red de tuberías kársticas de diferentes tamaños conecta dolinas, pozos, poros disueltos y fisuras disueltas, y está conectada a ríos subterráneos (corredores de recolección de agua), formando un sistema acuífero kárstico con ríos subterráneos como cuerpo principal. La característica más importante del sistema fluvial subterráneo es que grandes tuberías verticales, como sumideros y pozos, conectan la superficie con el río subterráneo casi horizontal. La mayor parte de la precipitación y la escorrentía superficial formada se inyectan rápidamente en el sistema fluvial subterráneo. Las grandes tuberías verticales, que forman el río subterráneo El proceso hidrológico del sistema responde rápidamente a las fuertes lluvias, y el tiempo de desfase entre el pico de la inundación y la lluvia es corto, lo que resulta en una rápida conversión de la lluvia-río subterráneo sistema acuoso kárstico-agua superficial, lo que resulta en la baja capacidad de regulación y almacenamiento del sistema acuífero. Consulte las Figuras 5-9 y 5-10.
Figura 5-9 La relación entre la recarga centralizada y la precipitación en la entrada principal del río subterráneo Baiyangdian en Baojing, provincia de Hunan
La cobertura del suelo en la zona vadosa de la roca superior del subsuelo El sistema acuífero kárstico del río puede prevenir eficazmente la lluvia y el agua superficial se infiltra rápidamente a lo largo de las fisuras de disolución, y la capa del suelo tiene una buena capacidad de retención de agua, lo que proporciona buenas condiciones para el crecimiento de la vegetación. La zona vadosa de esta estructura no sólo tiene un buen efecto regulador del proceso hidrológico del sistema fluvial subterráneo, sino que también tiene un cierto efecto de purificación del agua de lluvia y los contaminantes. Cuanto más gruesa es la capa de suelo, más evidente es la influencia de estos dos efectos. En las zonas kársticas donde la vegetación no está destruida, la vegetación es exuberante y las raíces de las plantas están profundamente incrustadas en las grietas de corrosión. Junto con los aglomerados formados por las hojas caídas y la materia orgánica, bloquearán las grietas de corrosión y ralentizarán la tasa de infiltración. del agua de lluvia. También desempeñará un papel similar al de cubrir el suelo.
En general, la cobertura del suelo y la vegetación tienen la función de regular el proceso hidrológico del sistema acuoso kárstico de los ríos subterráneos y depurar la calidad del agua, siendo aspectos geológicos y ecológicos muy importantes.
La zona vadosa compuesta de roca desnuda sin cobertura de suelo tiene baja capacidad de retención de agua, bajo rendimiento de ajuste estacional y casi no tiene efecto de purificación sobre el cuerpo de agua. El sistema fluvial subterráneo con este tipo de zona vadosa responde rápidamente a las fluctuaciones de inundaciones y fuertes lluvias en los procesos hidrológicos, tiene un retraso corto y es susceptible a la contaminación.
En áreas donde aumentan las oscilaciones tectónicas, las cuevas kársticas horizontales a menudo se desarrollan en múltiples capas, formando estructuras similares a pisos, que incluyen sumideros, pozos y canales kársticos verticales, que conectan la superficie con túneles horizontales en cada capa. Sistema fluvial subterráneo La zona vadosa forma un sistema de tuberías kársticas a gran escala (ver Figura 5-10). La zona vadosa con esta característica tiene un gran espesor y una pequeña capacidad de retención de agua. Las precipitaciones y la escorrentía superficial fluyen rápidamente hacia los sistemas fluviales subterráneos a través de grandes sistemas de tuberías kársticas, y la capacidad de almacenamiento de agua superficial es extremadamente pobre. Estas zonas a menudo se convierten en zonas con escasez de agua y una grave desertificación rocosa.
Figura 5-10 Corte transversal esquemático del sistema de cuevas de Baiyangdian en Baojing, Hunan
4 Características del sistema acuífero kárstico en el norte de China
El sistema acuífero kárstico en el norte de China se desarrolla principalmente en Los componentes principales de la formación rocosa carbonatada del Cámbrico-Ordovícico medio son piedra caliza, piedra caliza arcillosa, piedra caliza silícea y piedra caliza dolomítica. Las grietas en la formación están desarrolladas uniformemente y tienen buena conectividad. El karst se desarrolla principalmente a lo largo de fisuras planas y fisuras estructurales, principalmente poros disueltos y pequeñas cuevas. La disolución es débil y pertenece al sistema acuífero de fisuras kársticas.
El sistema acuífero de fisuras kársticas en el norte de China se desarrolla principalmente en las amplias y suaves formaciones rocosas de carbonato sinclinales y monoclinales del Cámbrico-Ordovícico medio. El área de captación de agua es grande y a menudo alcanza miles de kilómetros cuadrados. , la distribución rica en agua es relativamente uniforme y la tasa de éxito de la perforación de pozos es alta. Los sistemas acuíferos de fractura kárstica tienen un nivel freático uniforme. Si el agua subterránea encuentra estructuras que bloquean el agua (estructuras que bloquean el agua), como intrusiones, paredes de roca y fallas durante la escorrentía, el nivel del agua aumenta y se descarga principalmente en forma de manantiales, que son dinámicos y estables. Por ejemplo, el manantial Niangziguan en Shanxi, el manantial Baotu en Jinan y el manantial Baiquan en Huixian, Henan. Cuando el valle pasa a través del sistema acuífero de agua de fisuras kársticas, el agua subterránea también emerge como agua de manantial y se descarga a las aguas superficiales. Por ejemplo, en el condado de Fugu, provincia de Shaanxi, el río Amarillo tiene 150 m de profundidad y pasa a través de parte del acuífero de piedra caliza de la Formación Majiagou del Ordovícico, exponiendo agua kárstica en manantiales, formando una sección de descarga de unos 12 km de largo de norte a sur, con un volumen de descarga de 12,5 m3/s/s, como se muestra en la Figura 5-11.
La zona de captación de agua del manantial se denomina zona del manantial. Los grandes manantiales kársticos tienen una superficie amplia, la mayoría de las rocas están cubiertas y el agua de las fisuras kársticas tiene un largo camino de escorrentía y se descarga en forma de punta. Este tipo de sistema acuífero de fisuras kársticas que utiliza agua de manantial como método de drenaje es muy estable y los cambios de flujo del agua de manantial generalmente van por detrás de las precipitaciones durante mucho tiempo. En el sistema acuífero de fisuras kársticas, la migración del agua es similar a la del sistema acuífero de fisuras, y migra principalmente a lo largo de los canales de agua en la red de fisuras kársticas. Hasta ahora no ha sido posible describir la verdadera distribución de la red de fracturas kársticas, lo que ha causado mucha confusión entre los científicos kársticos. Para evitar este problema, la gente simplemente considera el sistema acuífero de fisuras kársticas como una "caja negra" o una "caja gris", y utiliza la teoría de la "caja negra" o la teoría de la "caja gris" para estudiar indirectamente la información dinámica. Relación de acoplamiento entre precipitación y agua de manantial. Sistema acuoso de agua de fisura kárstica tipo manantial. O el medio acuífero de la fisura kárstica puede ser aproximadamente equivalente a un medio poroso, y se pueden realizar cálculos y evaluaciones relevantes.
Figura 5-11 La relación entre el agua subterránea de Tianqiao Quancheng y la reposición del río Amarillo
En resumen, en el sistema dinámico kárstico (sistema de roca carbonatada-CO2-H2O), CO2 y H2O Es la fuerza impulsora más sensible al medio ambiente y se ve muy afectada por factores como la temperatura, las precipitaciones, el estado de escorrentía, la cobertura del suelo y la vegetación. El sur de mi país tiene un clima cálido, precipitaciones abundantes, vegetación exuberante, respiración activa de las raíces y degradación microbiana de las plantas en la capa que cubre el suelo, gran producción de CO2, alta intensidad del sistema dinámico kárstico, fuerte karstificación y formación de bosques de picos y depresiones. , pozos y rascacielos en la superficie, paisajes kársticos típicos, como pozos, se forma un río subterráneo casi horizontal, conectado con grandes tuberías kársticas, como pozos y sumideros, formando un sistema fluvial subterráneo con la misma estructura. Los procesos hidrológicos en los ríos subterráneos responden rápidamente a las fuertes lluvias. La cubierta del suelo y las plantas no sólo regulan hasta cierto punto los procesos hidrológicos, sino que también tienen capacidades de purificación del agua, lo cual es una dimensión geológica y biológica importante. La temperatura, las precipitaciones y la cobertura vegetal en el norte de mi país son más bajas que en el sur. El sistema dinámico kárstico es débil y la disolución es débil. Sólo existe en forma de poros disueltos y pequeñas cuevas. Los sistemas acuíferos en las fisuras kársticas suelen descargarse en forma de manantiales.