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北京是我国的政治中心、文化中心、国际交往中心和科技创新中心。水资源短缺一直是困扰北京城市发展的主要问题。在建设世界城市、贯彻绿色北京，构建生态文明建设的过程中，北京提出了“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”的原则以应对日益严峻的供水矛盾。岩溶地下水资源是北京城市供水中的重要组成部分，伴随着开采量的不断加大，岩溶地下水系统相继出现了一些环境地质问题。 本文分析了岩溶水资源在支撑北京经济可持续发展中的地位和作用，梳理了我国南北方岩溶系统及岩溶水资源研究开发的历史，重点针对我国北方岩溶和岩溶水系统的研究进展，作者提出了如何定量刻画岩溶水蕴藏、富集和运动规律，制定科学合理的开发方案和保护对策的科学问题。综述了国内外岩溶及岩溶水的研究进展。重点对我国北方岩溶及岩溶水水系统的模拟计算和脆弱性评价进行了梳理，选择北京顺平地区为研究区，建立了二维地质结构模型和岩溶水系统数值模型，并进行了脆弱性评价。主要内容和结论如下: 中国北方岩溶分布广泛，影响因素众多。碳酸盐岩的岩性、结构和构造是制约和影响影响岩溶发育的主要因素，水动力条件及气候因素是岩溶发展的外部因素。岩溶系统的发育在时间上具有分期性，空间上具有分级、分带特征，系统具有强烈非均质性和各向异性，受到强烈的构造制约。新构造运动奠定了现代碳酸盐岩分布格局和构造框架，微观构造节理裂隙的发育形成了岩溶水赋存的空间网络，区域构造控制了岩溶水系统的边界，并为岩溶水的运移和富集提供了通道，构造交汇部位控制了岩溶水系统的富水性和水动力场。中国北方岩溶水系统是一个具有特殊和复杂地质结构的具有供水功能地下水系统。 影响和制约岩溶水系统的主要因素是其地质结构，精确刻画含水层组的空间分布特征、厘定其边界条件和水力参数是定量表达岩溶水运动规律的基础和关键。本文提出了一套基于多源数据复杂构造条件下的三维地质结构模型构建方法，通过18条高精度的地质剖面构建顺平地区的三维模型后发现:通过面状地球物理数据进行区域，将控制性钻孔和虚拟钻孔结合，在主要构造分布区域的联合剖面进行加密，以高精度剖面建模的方法进行立体建模，可以解决构造带交汇部位断裂和断块的空间形态和规模不清的问题，也大大提高平原区残山基底刻画的精度。构建的三维地质结构模型，极大地简化了水源井的设计和地下水储存量计算过程。 通过构建顺平地区1508km2的岩溶水和上覆第四系一体的非均质、垂向各向异性、空间三维、非稳定的地下水流概念模型和数值模型，笔者识别并确认了上覆第四系水和岩溶水的水力联系以及模型西北部流入边界的属性特征，解决了上覆第四系和下覆岩溶水水量交换量不清的问题。模型计算表明研究区整体补给量为39056.76×104m3，可采资源量为30440.9×104m3。其中，第四系地下水补给量为23459.87.72×104m3，岩溶水补给量为15596.89×104m3。多年平均地下水总补给量为31892.25×104m3/a，可开采资源为19004.98×104m3/a。 在数值模拟预报研究中，我们制定了现状条件、南水北调来水后以及应急条件下的开采方案，分别预测了长期开采条件下地下水动力场的变化和极限降深。结果表明，现在条件下该区域岩溶水系统处于均衡状态且尚有一定开采潜力。预测在非突发事件条件下开采三年和突发事件下开采半年的应急供水能力结果表明，在枯水年非突发事件引起的应急开采，拟建的北务和东高村水源地开采量宜控制在5×104m3/d和4.5×104m3/d;突发事件引起的半年应急开采，以降深10m为限，拟建的北务和东高村水源地的应急开采量均宜控制在6×104m3/d以内。 基于GMS模型中MODPATH模块，实现了顺平岩溶水系统地下水流质点运移路径的反向示踪，分别计算了100天和1000天内的水流迹线的范围，解决了该岩溶水-第四系混采水源地保护区范围不明确的问题。计算结果表明:中桥水源地一级保护区面积为3.06km2，二级保护区面积为5.4km2;王都庄水源地一级保护区面积为5.28km2，二级保护区面积为11.96km2，为水源地保护区划分提供科学依据。 在岩溶水脆弱性评价模型研究中，我们发现欧洲岩溶水脆弱性评价的COP模型COP模型具有一定的尺度效应，针对我国北方岩溶水系统的特点及典型区的基本情况，笔者改进了COP模型，对P降水因子和C径流特征因子进行了修正，并采用修正后的模型并对顺平地区的脆弱性进行了评价，进行了脆弱性分级，并针对高脆弱区提出了污染防控的对策与建议。