基岩山区水文地质发展的紧迫性及其编图方法

  水资源是宝贵的自然资源，又是重要的生态支撑条件与环境要素，对社会、经济可持续发展具有不可替代的作用。可饮用的清洁水是人类生命支持系统的基本因素之一①，地下水是人类主要的饮用水源，我国山区地下水分布面积约5． 75 × 106 km2，占全国水资源评价区总面积的60． 60%，其地下淡水资源天然补给量占全国地下淡水资源天然补给量的74． 21%，可开采资源量1 970 × 108 m3·a － 1，占全国地下淡水可开采资源总量的55． 81%〔1〕，开采基岩山区地下水是解决我国水资源问题的有效途径之一。

 

  中国科学院水资源领域战略研究组指出，我国“旱涝灾害的频率、强度和空间分布将会发生较为明显的变化，危害将会增强，突发性水灾害事件的几率将会提高”，2009—2011 年的连续干旱已体现了这一特点。

 

  自2003—2011 年的野外调查及研究，特别是近3 a 来应急抗旱工作，发现传统的水文地质图在山区使用时存在许多缺陷，主要是: ① 传统水文地质图一般基于岩性均质论和层控论，侧重于反映含水岩系的富水性，而对山区地下含水体的埋藏条件( 构造控水) 重视不够，地下水的赋存、运移规律未能充分揭示; ② 在山区应急找水时，现有的水文地质图图面反映内容有限，不能快速指示富水区段; ③ 图面成果偏重于地下水资源量的评价，忽视了地下水水质的评价，水质型缺水在水文地质图上没有体现;④ 基岩地下水非均一性分布，已普遍得到水文地质学家的认可，但在目前的水文地质图件上未能得到体现，在一定程度上阻滞了山区水文地质学的发展。

 

  鉴于以上急需解决的问题，结合目前水文地质

 

  界对基岩山区地下水研究的程度及精度，编制既反映山区地下水分布非均一性特征，突出构造控水作用，又对山区地下水勘查具有指导作用的山区水文地质图是众多问题的交集和纽带，因此，开展山区水文地质图编制研究尤为重要。

 

  1 研究现状

 

  水文地质图是水文地质学科的基础性图件，是水文地质调查成果的集中体现，它反映了一个地区地下水情况及其与自然地理和地质因素的相互关系。

 

  1． 1 国外研究现状

 

  苏联是开展水文地质研究最早的国家，自20 世纪20 年代以来，许多苏联学者都曾撰文探讨水文地质图的编图原则〔3〕，奥弗琴尼柯夫还按不同比例尺，把水文地质图划分为详细的、地区的、区域的、概略的4 大类〔4〕。苏联水文地质工程地质科学研究所也曾专门召开会议讨论水文地质图的编图原则问题，并制定了中等比例尺的水文地质图编图原则〔5〕， 1960 年还正式出版了两幅水文地质图样图( 1∶ 200 000) 。

 

  国际水文地质界针对水文地质图图例与编图方法，曾先后在罗马( 1956) 、多伦多( 1957) 和赫尔辛基( 1960) 国际水文科学协会上展开广泛讨论，并成立了水文地质图委员会( 1956) ，专门研究水文地质图图例符号标准化问题， 1962 年在巴黎国际水文地质会议上，对有关图例符号做了肯定，出版了第一个图例草案，1966 年在赫尔辛基国际水文科学协会上，举办了图件展〔6 － 7〕。1970 年IAH、IAHS 和联合国教科文组织共同制定出版了《水文地质图国际图例》，并于1983 年万隆亚太地区水文地质图会议上提交了《水文地质图国际图例( 修正草案) 》〔6〕， 1989年又在德国汉诺威市举行了国际水文地质图学术会议，指出在编制综合水文地质图的同时，编制地下水资源图与各种环境水文地质图是目前水文地质编图的发展总方向〔8〕。之后，水文地质图的编制在世界各地掀起了高潮，UNESCO-IHP( BGR) 编制的“世界地下水资源图”引起了国际地学界的强烈反响〔9〕。

 

  可见，水文地质图的国际发展趋势由传统的以满足专家需求为主的专业性图件向满足经济社会发展需求的实用性图件发展，且图件的内容由地表地质规律向深部地质结构发展，制图方法由单一学科知识向多学科交叉融合发展，制图工艺由手工制图到手工与计算机结合制图向计算机制图发展。简言之，是经济社会发展需求的主要矛盾决定了水文地质图向实用性发展，带动图件内容、编图方法和制图工艺等的发展。

 

  1． 2 国内研究现状

 

  国内水文地质图编制的研究，可追溯至20 世纪50 年代的区域水文地质调查，在实践工作的基础上，广大学者和水文地质调查的一线工作者编制了大量的水文地质图，1959 年，原地质部水文地质工程地质局制定并通过了《综合水文地质图编图方法( 1∶ 200 000，1∶ 1 000 000) 》，对前几年的水文地质工作做了一个很好的总结。

 

  编图原则是水文地质图的指导思维，决定了水文地质图的形式、内容和用途。1964 年陈梦熊〔3〕首次探讨了区域水文地质图的编图原则，在区分了专门水文地质图和综合水文地质图编图方法的基础上，指出了综合水文地质图编制过程中存在的主要问题，并对争议较大含水岩系的划分、水文地质分区等问题做了详尽的论述。此后，众多学者对水文地质图编制原则展开了广泛讨论，提出了许多指导理论〔10 － 15〕。目前，编图原则的不适宜之处在于水文地质图的实用性和针对性不强。山区作为我国地下水资源的主要赋存区和缺水区，没有专门指导地下水开采的山区水文地质图。

 

  编图内容是水文地质图的主体，是水文地质图实用性的承载者。1979 年，地质出版社出版的《综合水文地质图编图方法与图例》，主要针对1∶ 200 000 和1∶ 500 000 的综合水文地质图规定了其需要表现的主体，并对5 种基本类型的地下水做了详尽的富水性分级和水质分类，该编图方法与图例集成了我国水文地质工作者近30 a 的心血，是我国水文地质图编图史上的一座里程碑〔16 － 18〕。但还存在一些问题，如图件内容都以水资源评价为目的编制，且表达形式多采用概化的层状含水层，有的成果虽对基岩地下水类型做了划分，但由于忽略了对山区地下水开采的指导作用，故未能在图面上表示，致使山区地下水的埋藏条件和分布规律反映不足。

 

  编图方法是图件实现编图目的的具体途径，最能反映编图者的技能。胡海涛等〔19〕运用地下水网络模式，分析了构造体系对基岩山区地下水的控制作用，研究了基岩地下水的分布非均一性，分析了不同模式各自的富水部位，在水文地质图上作了尝试性表达。其他学者则从学科交叉带来了诸多新方法，特别是对图面简化和含水岩系表达等做了深入探讨〔13 － 15， 17 － 23〕。但研究方法多是基于层状含水层或似层状含水层，针对适宜山区使用的水文地质图，缺少构造控水的表达方法研究，致使其使用效益和经济效益不高。

 

  综合以上分析可见，水文地质图的研究历程是，编图原则→编图内容→编制方法→再到编图原则→编制方法+ 编制内容→综合研究，由注重基础性理论研究逐步走向实用性研究，紧密结合社会经济建设和人民生活的需求。而其编图指导思想的变革与发展，是系统论在各学科融合发展的体现。但是，传统水文地质图的重点在于地下水水资源评价，忽略了对山区找水的指导性作用，山区水文地质图的编制研究和实践发展缓慢。

 

  2 研究内容

 

  主要以山区水文地质条件为编图基础，指导山区地下水开发的山区水文地质图，是近年水文地质学科发展的盲点。本文紧紧围绕“水在哪里，水量大小，水质好坏，埋藏条件”的主题，以北方基岩山区地下水为研究主体，选择太行山区为山区水文地质图编制研究示范区开展研究。

 

  2． 1 编图原则

 

  山区水文地质编图以地下水分布的非均一性为基本原则。具体编图原则的制定，既要结合以往传统水文地质编图对系统论的重视，传承基础，也要贴近实际需要，注重新理论、新认识，引进、吸收、消化新兴交叉学科的发散思维和相近学科快速发展带来的新成果，切实反映山区地下水的分布特征，最终形成一个明确、易懂、操作性强的编图原则。

 

  2． 2 编图内容

 

  借鉴传统水文地质图件编制内容，针对基岩地下水的影响、控制因素( 如地形地貌、地层岩性、地质构造等) ，选择能突出反映地下水赋存、运移规律的元素作为图示对象。主要包括4 个方面的内容:

 

  ( 1) 基础地理信息，包括交通道路、自然地理、河流水库、等高线等。

 

  ( 2) 基本水文地质信息，如地下水类型、井泉点、含水层富水性、水质等。

 

  ( 3) 体现基岩地下水分布非均一性特征的因素，如断层、裂隙、岩溶等。

 

  ( 4) 综合性因素，如地下水系统、蓄水构造等。

 

  2． 3 编图方法

 

  如何编制不同比例尺的山区水文地质图，使图面信息既不繁琐混乱、主次分明，又简洁美观、富有层次、内涵丰富是编图方法的主旨。为此，注重对山区水文地质编图方法的研究，提倡编图方法的灵活运用及创新改进，注重计算机在编图方法改进和创新中的作用。侧重如何合理确定哪些是主要特征，哪些是次要特征以外，还要想方设法把各个主要特征与含水岩系的划分密切结合起来。并注重图例的组合和改进，如构造破碎带和影响带的图示，既要反映地下含水体的特征，更要反映在构造不同部位地下水分布的不同规律。

 

  2． 4 其他

 

  将定性的构造、岩性、地形、地貌、气象认识进行定量化研究。开展水文地质调查属性数据库的建设研究，使矢量化后的山区水文地质图信息量最大化，检索便捷化。

 

  3 技术路线

 

  ( 1) 积极收集关于山区水文地质图编制的文献资料和学科动态，对山区水文地质图的缺陷，广泛征求一线技术人员和国内知名专家的意见，在与团队认识相结合的基础上，进行意见稿的文字整理和图件标注，深入挖掘对山区水文地质图编制研究的理论意义和深远影响。

 

  ( 2) 山区水文地质图的编制方案和制图总设计书，是课题研究深度的保障。基于多年山区水文地质调查实践和山区水文地质图编制经验，以地质学、水文地质学、构造地质学、水文地球化学、地图制图学和地理信息系统等多学科知识为指导，结合系统论、信息论、图论及经济学、人口地理学等社会学和美学知识，综合制定编制方案及制图总设计书。

 

  ( 3) 水文地质单元选择的典型性是山区水文地质图代表性的体现。拟选的水文地质单元，要具有独立的地下含水系统，水文地质边界条件清晰，水文地质特征典型，地层岩性全面，地质构造复杂，地下水露头成因可查，水井点分布合理，易于探寻地下水水化学规律。总之力争所选研究区能体现北方基岩山区地下水的典型特征。

 

  ( 4) 重点区水文地质补充调查是在以往水文地质调查成果的基础上开展的，是此次山区水文地质编图最重要的手段，其成果精度直接影响山区水文地质图的使用效益。对研究区重点进行构造富水性判别、含水岩系富水性分级、水位统测( 丰水期和枯水期两次) 、水样采集及野外试验，突出研究层状含水层与带状含水层、脉状含水层及团窝状含水层的不同调查方法和不同表达方法。针对精度要求高的水文地质问题，必要时可采用物探方法。

 

  4 结论

 

  ( 1) 传统水文地质图的重点在于地下水水资源评价，没有针对山区地下水分布非均一性特征做特别表达方式的研究，忽略了山区找水的需要，致使山区水文地质编图研究发展缓慢。

 

  ( 2) 经济社会发展需求的主要矛盾决定了水文地质图向实用性发展，从而带动图件内容、编图方法和制图工艺等的发展。

 

  ( 3) 开展山区水文地质图编制理论、方法的研究，能推动山区水文地质图编制理论的研究进展，提升对山区水文地质学一些基本概念的思考，改善和加强水文地质制图最基本理论和方法的薄弱环节〔12〕。

 

  ( 4) 充分利用计算机在成图和信息挖掘方面的优势，使地下含水体更具有水文地质意义是今后研究的重点。