Key technical points for integrated surface water-groundwater surveys and assessment in karst basins of South China
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摘要: 系统总结中国南方岩溶流域地表水—地下水一体化调查评价技术方法，可有效推动南方岩溶区水资源基础调查和地表水—地下水统一管理工作的顺利开展。文章梳理出中国南方岩溶水资源7个方面特点：系统结构复杂多样且以小型分散的泉和地下河为主、资源总量大但时空异质性显著、地表水—地下水转化频繁、赋存状态高度非均质且埋深差异大、水化学侵蚀性强、地貌控制效应突出、生态脆弱性显著。同时，总结出南方岩溶区水循环6个方面特征：水循环路径复杂多样、大气降水/地表水/地下水联系密切、地表水和地下水交替频繁、水循环速度相对较快、多层含水系统水流联系紧密、快速流和慢速流并存。在此基础上，结合现有规范标准、水资源和岩溶水文地质调查实践，提出中国南方岩溶流域地表水—地下水一体化调查评价的基本思路，阐述一体化评价均衡单元划分、岩溶水系统边界确定、地表水—地下水相互作用类型及转化量调查、不同岩溶发育程度下水循环过程刻画、地表水—地下水监测网络建设、水资源评价方法选取6个方面调查研究的技术要点。Abstract:
This study focuses on the karst region of South China, centered in Guizhou Province and encompassing Yunnan, Guangxi, Hunan, Hubei, Sichuan, Chongqing, and Guangdong. The study area covers 780,000 km² with survey data indicating 520,000 km² of exposed karst and 260,000 km² of covered or buried karst. Karst water resources in the region amount to 169.536 billion m³·a−1, representing 83.12% of China's total karst water resources. Characterized by a tropical-subtropical monsoon climate-with annual rainfall ranging from 1,000 to 2,200 mm, 60% to 80% of which occurs between May and September-the region exhibits complex hydrogeological structures. These include highly heterogeneous aquifers, frequent surface water–groundwater (SW–GW) transformations (with more than 13 types), rapid flow dynamics (conduit flow velocities exceeding 80 m·h−1 during wet seasons), and marked ecological vulnerability. Since the 1970s, with collaborative efforts, the China Geological Survey (CGS) and provincial departments have completed 1:250,000-scale hydrogeological surveys covering 780,000 km² and 1:50,000-scale hydrogeological surveys covering 350,000 km². Despite the accumulation of extensive data, no integrated technical standards have been established. The 2023 Notice on Carrying out Water Resource Baseline Surveys, issued by the Ministry of Natural Resources, mandates unified investigations of all water bodies. Against this backdrop, this study aims to: (1) systematically define the unique characteristics of water resources and hydrological cycles of the karst areas in Southern China; (2) construct an integrated SW–GW investigation and evaluation framework; (3) identify key technical challenges and propose solutions. Based on four decades of survey data and relevant literature, we systematically synthesized the characteristics of water resources and hydrological cycle. By integrating current standards (e.g., DD 2019-01, DZ/T 0469-2024) with karst-specific practices, we developed a comprehensive technical workflow. The key results are as follows: (1) Characteristics and Patterns: Seven water resource traits were identified: systemic structural complexity, spatiotemporal heterogeneity of resources, frequent SW–GW exchange, occurrence heterogeneity, hydrochemical erosivity, geomorphological control, and ecological vulnerability. Six hydrological patterns were observed: diverse circulation pathways; close interconnection among atmospheric precipitation, surface water, and groundwater; the high-frequency exchange; rapid flow velocity; multi-layer aquifer connectivity; and coexistence of fast and slow flows. (2) Technical Framework: A six-phase workflow was established: pre-survey planning → field investigation → monitoring → evaluation → database development → reporting. This approach replaces traditional map-based surveys with karst watershed units. (3) Critical Technical Solutions: Unit delineation-Level V karst water systems were designated as core assessment units. Boundary identification-discriminant boundaries were determined based on hydrodynamic fields and geological structures. SW–GW flux quantification-13 transformation subtypes were defined, each with corresponding monitoring strategies. Hydrological process characterization-differentiation was based on the intensity of karst development. Monitoring network optimization-stratified deployment was implemented according to aquifer structure; at least one surface water or groundwater monitoring site per system, with denser coverage at critical exchange nodes (e.g., sinkholes, spring clusters). Evaluation methods-scale-adapted models, such as Modflow-CFP, were applied for small basins. The integrated framework addresses technical gaps in holistic SW–GW assessment for karst regions in South China, effectively resolving challenges of spatial heterogeneity and dynamic transformations. The six technical pillars-unit delineation, boundary identification, transformation quantification, process characterization, monitoring optimization, and scale-adapted evaluation-provide standardized support for water resource surveys and sustainable management. -
图 1 南方岩溶区主要省（区、市）碳酸盐岩柱状对比图（引自文献[13]）
Figure 1. Comparison of stratigraphic columnar correlation charts of carbonate rocks in major provinces/autonomous regions of karst regions in South China (Cited from reference [13])
图 2 南方岩溶区典型地下河型水系统水循环转化概念模式图（a.循环转化剖面图；b.循环转化框图）
Figure 2. Conceptual model of water cycle transformation in a typical underground river system in karst regions of South China (a. Profile of the cycle transformation; b. Framework diagram of the cycle transformation)
图 3 岩溶流域地表水—地下水一体化调查评价流程图
Figure 3. Flowchart of the integrated survey and assessment of surface water and groundwater in karst basins
图 4 地表水系统与地下水系统边界的分异形式（a.平面图；b.剖面图）（引自文献[37]）
Figure 4. Differentiation forms of boundaries between surface water system and groundwater system (a. Plan view; b.Cross-section view) (Cited from reference [37])
图 5 南方岩溶流域水循环—水均衡—水平衡相互关系图解
Figure 5. Diagram of the relationship between water cycle, water balance, and hydrological balance in karst basins of South China
表 1 中国南方岩溶水资源特征
Table 1. Characteristics of karst water resources in karst regions of South China
类 亚类 南方岩溶区（热带—亚热带气候区） 1.系统结构 系统类型[14−18] 岩溶水系统 3620 个，以岩溶大泉（31.82%）和地下河系统（32.57%）为主系统规模[4] 小型分散（面积多<50 km2），多级排泄 垂向分带[19−20] 裸露型/覆盖型：表层岩溶带→垂直渗滤带→径流带→潜流带 2.资源分布 资源量[4−5] 岩溶水资源量达 1 695.36 亿m3·a−1（占中国岩溶水资源总量的83.12%）富水性[21] 地下径流模数5~55 L·s−1·km−2（峰丛洼地区最低，岩溶平原区最高） 补给资源[22] 降水丰富，全年均有降水，年降水量 1000 ~2200 mm，5-9 月汛期降水量占全年的60%~80%，不同地区Cv值一般在0.25以下地下水流量动态[4] 由于岩溶区的快速入渗特性，降雨季节地下水位迅速上升，而在干旱季节地下水位又迅速下降；地下水流量对降水的响应十分灵敏，季节性变化比非岩溶区更为剧烈，流量动态往往属于不稳定型 系统不同部位水资源分布 在补给区，地下水以垂向渗滤为主，地下水埋藏深，开发利用难度大；在径流区，地下水主要集中于地下河管道或者集中径流带之中，管道及其影响带以外的地方，围岩较完整，几乎不含水；在排泄区，地下水进一步集中，空间非均一性进一步加强 3.循环转化 循环周期[4] 裂隙和溶洞系统发达，水的流动性强，丰水期流速往往达到10 m·h−1以上（丰水期：裂隙管道流10~20 m·h−1，管道裂隙流20~80 m·h−1，管道流＞80 m·h−1；平水期：裂隙管道流5~15 m·h−1，管道裂隙流15~60 m·h−1，管道流＞60 m·h−1）；水循环速度快，数小时至数周 地下水补径排特征[4] 大气降水—快速捷径式入渗补给（落水洞、消水洞、竖井、漏斗）—地下河管道和宽大裂隙径流—以地下河出口、岩溶大泉等形式排泄 转化形式 13种（具体见3.3节），明暗流交替典型 4.赋存状态 埋藏深度[20] 以裸露型、浅覆盖型为主，埋藏型相对较少；除峰林平原区外，其他地区地下水埋深一般大于50 m，峰丛山区地下水位埋深达300 m以上 赋存地层 发育地层有长城蓟县、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系的碳酸盐岩地层，其中以泥盆系、二叠系、三叠系为主[19] 地下水流态 紊流与层流并存，往往不具有统一流场 含水介质 高度管道化 5.水化学及
侵蚀性水化学类型[4] 矿化度、硬度低，pH偏中性，地下水类型以 HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg为主 侵蚀性[23−24] 降水丰富，“土在楼上，水在楼下”的水文地质结构，促使降水入渗过程中能够溶入土壤中大量的CO2，水中碳酸氢盐的含量增高，提升了水对碳酸盐岩的侵蚀性 6.地貌控制 地表形态[4] 峰丛洼地、峰丛谷地、岩溶盆地、岩溶丘陵、岩溶峡谷、岩溶槽谷、岩溶平原7类，构成差异化补排模式 个体形态[4] 地表岩溶形态：石芽、孤峰、消水洞、落水洞、天窗、竖井、石笋、钟乳石、石柱、石幔等；地下岩溶形态：完整的地下河系统，溶洞规模相对较大，个体洞穴直径可至数百米 7.生态脆弱性 污染响应 数小时至数天扩散至全系统 自净能力 弱（缺失“煤—水共存”结构） 
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表 2 南方岩溶区水循环转化特性统计
Table 2. Statistics of water cycle transformation characteristics in karst regions of South China
类别 特征描述 水循环路径多样性 受溶洞、地下河、岩溶洼地等控制，水循环呈现垂向快速下渗、侧向管道流和局地滞留等多种模式 大气降水/地表水/地下水密切联动性 降雨量低于一定阈值时，往往优先补充土壤、表层带水分亏缺，形成不了地表径流、壤中流、表层带裂隙流、饱水带径流；降雨量达到一定阈值以上时，地表径流、壤中流、表层带裂隙流、饱水带径流可能会依次出现 地表水和地下水交换高频性 地表水通过裂隙和溶洞系统迅速补给地下水，地下水通过溶洞和裂隙系统流出地表，形成地表水与地下水之间的快速循环和相互转化 流速快速性 由于岩溶区的快速入渗特性，降雨季节地下水位迅速上升，而在干旱季节地下水位又迅速下降，水位流量的季节性变化比非岩溶区更为剧烈，容易在短时间内出现洪涝现象，同时也容易在旱季出现水资源短缺 含水层多级连通性 岩溶区通常存在多个含水层或多个水动力分带，这些含水层或水动力分带通过裂隙和溶洞系统相互连通，形成复杂的地下水系统，不同含水层或水动力分带中的地下水存在水力交替和相互转化 快慢流共存性[25] 裂隙慢速流与管道快速流交互，旱季裂隙流向管道汇流，雨季管道流向周边裂隙补给
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表 3 中国地表水、地下水调查评价方面的标准、规范统计
Table 3. Statistics of standards and norms for surface water and groundwater surveys and assessment in China
规范
标准降水
量蒸散
发量地下水评价项 地表水评价项 地表水与地下水共性项 天然
补给
资源
量可开
采资
源量深层承
压水
可利
用储
存量地下
水开
采潜
力地下水
资源
开发
利用
状况与地下
水相关
的生态
环境地
质问题地表
水资
源量地表
水可
开采
资源
量水资
源总
量可利
用量水资
源质
量地表
水和
地下
水转
化量供水
量和
用水
量水资源
消耗
量和
水量
平衡DD 2019-01 水文地质与水资源调查评价技术要求[6] ● ● ● ● ● − − − ● − ● ● ● ● ● ● DZ/T 0282-2024 水文地质调查规范（1：50 000）[7] − − ● ● ● ● ● − − − − − 地下 − − − DZ/T 0469-2024 地下水资源调查评价规范[31] − − ● ● − ● ● ● − − − − 地下 − − − SL/T238 水资源评价导则[9] ● ● ● − − − − − ● ● ● ● ● ● ● 水文地质手册（第二版）[10] − − ● ● ● ● ● ● − − − − 地下 − ● ● 北方岩溶地区水文地质环境地质调查技术要求[32] − − ● ● ● ● ● ● − − − − 地下 − − − 岩溶地区1∶ 50000 水文地质调查技术要求[33]− − ● ● − − − − − − − − 地下 − − − 水资源基础调查方案[34] ● ● − − − − ● − − − − 地下 ● − − 备注：●表示有，−表示无。
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表 4 岩溶流域地表水地下水一体化调查、监测、评价内容汇总
Table 4. Summary of the content of integrated surveys, monitoring, and assessment of surface water and groundwater in karst basins
项目 气象评价项 地下水评价项 地表水评价项 综合评价项 降水
量蒸散
发量天然补
给资
源量可开采
资源量深层承
压水可
利用储
存量地表水
资源量水资源
总量可利
用量水资
源质
量地表水
和地下
水转
化量供水量
和用
水量水资源
消耗量
和水量
平衡评价内容 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 调查内容 实测；资料收集 实测；资料收集；采用遥感技术进行估算 收集资料，地面开展水文地质补充调查，查清流域边界、岩溶地质条件和岩溶发育规律、岩溶水文地质条件 试验；收集资料，综合分析 收集资料，地面调查内容同
“天然补给资源量”实测；收集资料，地面开展河流干支流、湖泊、水库、岩溶湿地等地表水体调查 收集资料，综合分析 收集资料，综合分析 地面调查（查清流域内岩溶大泉、地下河、河流干支流、湖泊、水库、岩溶湿地、水源地分布特征） 地面调查（地表水与地下水转化形式） 收集资料 收集资料，综合分析 监测内容 按照评价分区开展监测与补充监测 按照地貌类型开展监测与补充监测 岩溶大泉、地下河出口开展水位、流量监测与补充监测 − − 重要断面开展水位、流量监测与补充监测 − − 典型监测，确保每个地下水系统至少各有1个地表水、地下水监测点 选取典型断面进行监测 − − 备注：●表示有，−表示无。
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表 5 岩溶水系统边界类型及性质统计[32]
Table 5. Statistics on types and characteristics of karst water system boundaries
边界类型 边界性质及确定方法 隔水边界 由于存在隔水层（如黏土层、致密岩层等）或地质构造（如断层、褶皱等）而导致地下水流动受到显著限制或完全阻断的边界；一般根据地质调查、水文地质勘探、地球物理探测、遥感技术进行综合分析判断 地下水分水岭边界 由地下水流动方向和水力梯度决定的岩溶水系统的分界线；边界的两侧，地下水流动方向不同，分别流向相应的地下水汇或排泄区，如地面边界由碳酸盐岩构成，地面调查难以确定时，应在分析背景条件的基础上，采用水位测量、水文地质勘探、地质分析、地下水联通试验、水化学、同位素等综合勘查手段予以确定；另外，应注意一个特殊情况“地下水移动边界”，即不同水位条件下补给边界和排泄边界的偏移 地表分水岭边界 在地形上由于地势的高低变化而形成的水流分界线，其将降水分为流向不同水系或流域的区域，是地表径流的自然分水线，如存在外源水补给时，应根据地形图等确定外源水汇水范围，对岩溶水系统原有边界进行修正 岩溶地下水深埋滞
流型隔水边界地下水在深埋的岩溶系统中流动缓慢，几乎呈滞流状态，并且该系统与外界的水力联系较弱或几乎隔绝；一般根据水动力条件、水化学、同位素进行综合分析判断 地下水潜流补给
型边界岩溶地下水通过潜流的形式对地表水体进行补给，具体表现为地下水的渗流对河流、湖泊等地表水体的补给作用，这种边界的确定需要综合考虑地形地貌、水文地质条件和地下水水位分布，通过水文地质调查和监测手段，识别出地下水潜流补给的具体区域及其边界范围；实际工作中，应注意调查湖床、库底或河床底部或其他位置可能存在的地下水排泄通道 外源水入口边界 地表流域范围远大于岩溶水流系统分布范围，规模上失去岩溶水主体地位，则将地表水进入碳酸盐岩渗漏段的入口作为外源水入口边界 排泄基准面边界 地下水系统中地下水排出到地表或其他水体的基准面，控制了地下水的排泄路径和流动方向 推测边界 无法确定位置或性质
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表 6 南方岩溶区地表水地下水转化形式及特点汇总
Table 6. Summary of surface water-groundwater transformation types and characteristics in karst regions of South China
类型 亚类 典型情形 划分依据 地表水转化为地下水 河流/溪流渗漏（河床渗透或集中灌入） ①河水通过河床渗漏进入岩溶含水层；②溪流通过裂隙渗漏进入地下；③河水/溪水通过消水洞、落水洞等负地形灌入地下 地质条件：河床底部存在溶蚀裂隙或管道（渗透系数＞10−5 m·s−1）；动力条件：河水水位＞地下水位，且水力梯度＞0.5%；判别指标：河道流量衰减率＞10%·km−1，或水化学示踪证据清晰（如沿河道流向，Cl−浓度出现量级性下降） 坡面流入渗（分散入渗 或洼地灌入） ①通过地表岩石裂隙直接入渗到地下含水层；②汇集到溶蚀洼地（如洼地、漏斗）中，通过洼地底部裂隙和溶蚀通道入渗；③通过垂直的溶洞或竖井入渗，直接进入深部地下水系统；④通过土壤层入渗到岩石裂隙或溶洞中，进入地下水系统 地质条件：坡面存在溶蚀洼地或垂直管道（岩溶率＞5%）；动力条件：降雨强度＞入渗能力（＞50 mm·h−1）；判别指标：洼地积水消失时间＜2 h 湖泊渗漏 湖泊水通过湖底裂隙或溶洞渗漏补给地下水 地质条件：湖底为裸露碳酸盐岩且岩溶裂隙发育；动力条件：湖水位＞周边地下水位；判别指标：湖水同位素（δ2H）与地下水显著相关（R2＞0.7） 人工补水 通过人工措施，如灌溉、回灌等，呈现地表水补给地下水 人为干预：灌溉量＞作物需水量（＞10%盈余）；判别指标：裸露—浅覆盖型岩溶区灌溉期地下水位上升＞1 m（水稻种植区可达1.5~2.0 m，而深层承压区或节水灌溉区可能＜0.5 m）或电导率（EC）突变 地下水转化为地表水 浅循环分散排泄 地下水通过多个小型泉、裂隙或孔洞排泄 水文地质：潜水含水层，排泄区岩溶裂隙均匀发育；判别指标：泉群总流量＜10 L·s−1，单泉流量变异系数＞50% 浅循环集中排泄（泉水出流） ①岩溶泉水从山脚的岩溶裂隙流出，在地表形成溪流或小河流；②岩溶泉水在地表汇聚形成湖泊或水库；③岩溶泉水通过断层或断裂带的裂隙流至地表，汇入附近河流 地质条件：泉口位于隔水层与含水层接触带；动力条件：泉流量动态稳定（变幅＜20%）；判别指标：泉水电导率（EC）与地下水一致（差异＜10%） 浅循环集中排泄（地下河出流） 地下河通过溶洞集中排泄为地表河 地质条件：存在管道化地下河系统；判别指标：流量动态比（Qmax/Qmin）＞50 浅循环集中排泄（人工露头抽提） 地下水通过人工手段（如井、坑道或其他工程措施），集中排泄到地表 人为干预：通过机井、坑道等人工开采地下水；判别指标：地下水被引至地表 深循环集中排泄（自流井） 岩溶盆地承压水通过钻孔，喷涌地面，形成地表水 水文地质：深部承压水通过断裂补给浅层潜水，再以泉形式排泄；判别指标：泉水温度梯度异常（如浅泉水温高于深井水），且水化学显示混合特征（如${\rm{HCO}}_3^{-}$/${\rm{SO}}_4^{2-}$比值突变） 深循环集中排泄（上升泉） 深部承压水通过断裂带上升至地表 水文地质：承压含水层顶板被断裂切割；判别指标：泉水温度持续＞年均气温+2 ℃，且Sr2+含量高 地表水与地下水相互转化 河水与地下水季节性交换 在丰水期，降雨和河流水量增加，地表水补给地下水；在枯水期，地下水位上升，补给地表水 动态特征：河岸带地下水位年变幅＞3 m；判别指标：枯水期河水δ18O与地下水一致（差异＜1‰） 地下河明暗流交替 地表河段与地下伏流段交替出现 地质条件：岩溶管道纵向发育不均一；判别指标：明流段流量损失率＞30%，或示踪试验显示快速连通（流速＞80 m·h−1） 地表—地下常见补给类型
组合常见地表水补给地下水与地下水补给地表水的组合，如岩溶泉水、地下河水在农田灌溉过程中再次入渗补给岩溶地下水 人为—自然耦合：需同时满足人工补水与泉水排泄的判别指标
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