2.3.1 岩溶水系统的结构特征
岩溶水系统是岩溶动力系统的一个子系统，是以水循环为主要形式的物质能量传输系统，是一个特殊的岩溶水文系统。受碳酸盐岩岩性特征和岩溶发育程度的影响，碳酸盐岩岩层的不同组合关系，所形成的岩溶地貌形态、洞穴发育规律和含水介质特征各不相同。
这里仅将纯碳酸盐岩中的石灰岩和白云岩岩溶水系统作一讨论。
2.3.1.1 石灰岩岩溶水系统的结构
石灰岩岩溶水系统在我国西南地区大面积分布。就地表结构而言，质纯层厚连续分布的石灰岩，岩溶地貌组合形态主要表现为峰丛洼地、峰丛谷地、峰林谷地和峰林平原等典型的热带-亚热带岩溶地貌，特别是峰丛洼地和峰林平原举世瞩目，是全球岩溶峰林地貌的最典型代表，主要分布在广西和云贵高原。仅广西广泛分布的岩溶峰林地貌面积为6.28×104km2，占岩溶面积的63.63%。
岩溶地貌个体形态主要表现为塔状、锥状、簇状等形态的峰体，以及洼地、坡立谷、漏斗、落水洞、溶洞、地下河出口、岩溶泉等。
就地下结构而言，一般来说石灰岩孔隙不发育，但泥晶生物灰岩、生物泥晶灰岩和泥晶灰岩也发育一定程度的孔隙，主要为溶孔。裂隙发育情况则不一样，以泥晶灰岩裂隙最发育，泥晶生物灰岩、生物泥晶灰岩与亮晶生物灰岩裂隙发育程度相当，裂隙的密度与地质构造关系密切，裂隙密度不大，多在0.2～1条/m之间，但溶蚀强烈，溶蚀裂隙的开口宽度较大，小者0.2～0.5m，大者1～2m，甚至更大。在岩溶峰林地貌分布范围内，岩溶洞穴十分发育，仅广西至少有6万个洞穴，包括地下河洞穴系统。在覆盖型岩溶区常见地下岩溶管道发育，岩溶塌陷的发生就是一种具体体现。
通过对含水介质骨架、空隙及其组合特征的研究，西南地区石灰岩含水介质大致可归纳为泥晶灰岩和颗粒泥晶灰岩密集裂隙-溶洞型、泥晶颗粒灰岩裂隙-溶洞型、亮晶颗粒灰岩稀疏裂隙-溶洞型等主要以灰岩构成骨架、裂隙溶洞含水的介质类型。含水空间以溶蚀裂隙（含孔隙）为主，岩溶洞穴或岩溶管道主要起传输作用，如贵州普定后寨地下河流域含水介质空间结构是由岩溶洞穴或岩溶管道和溶蚀裂隙组成。根据六谷、老黑潭等水文站流量实测资料进行的统计分析，六谷站汇水范围的岩溶管道容积约占储水空间的7.47%～9.40%，而溶蚀裂隙的容积占90.60%～92.53%；老黑潭站汇水范围的岩溶管道约占储水空间的7.49%～11.6%，溶蚀裂隙的容积占88.4%～92.5%。为了测算流域内母猪洞地下水库的储水空间体积和地下水库的库容量，以及流域地下河储水空间，贵州普定岩溶研究综合试验站曾于1989年利用母猪洞地下水库进行人工脉冲放水试验，其试验成果也表明流域内含水介质空间主要以岩溶裂隙、孔隙为主，其所占的比例可达83.1%～96.9%，而岩溶管道含水介质空间只有3.10%～16.81%。但在覆盖型岩溶区，地下岩溶管道是很好的储水空间。
2.3.1.2 白云岩岩溶水系统的结构
白云岩集中分布的地区，往往表现为常态山。白云岩的孔隙相对发育，以晶间孔及其溶孔为主，孔隙率一般为5%～10%。含水介质类型主要为稀疏裂隙-孔隙溶洞型，由细-粗晶白云岩和裂隙、晶间孔及其溶孔、溶洞构成，以裂隙和孔隙为主，空间介质相对均匀。区域上分布主要以中上寒武统娄山关群、中石炭统黄龙组和上石炭统船山组等最发育。比较典型的地区有黔东北、湘西北、鄂西南、湘中等地。
从白云岩的区域宏观分布来看，在我国西南地区石灰岩的分布面积广、厚度大，白云岩往往成为石灰岩的夹层，只有在厚层块状且分布面积较大的地区，才能形成独立且完整的岩溶水系统。岩溶水多以泉的形式出露地表。
应该指出的是，在白云岩和石灰岩互层的地区，有利于岩溶发育，含水介质变化大，如湘中地区中石炭统黄龙组下部至下石炭统大塘阶梓门桥段上部，出现泥晶颗粒灰岩裂隙-溶洞型与细-粗晶白云岩稀疏裂隙-孔隙溶洞型的交替变化，有利于大型的溶洞地下河系统的发育。
2.3.2 岩溶水水循环特征
2.3.2.1 水循环的途径及调节环节分析
岩溶水系统的水循环除受最基本的地层岩性特征影响外，还受地质构造、岩溶地貌和洞穴、含水岩组、表层岩溶带、土地类型、植被条件等水分转化界面的控制，以及与岩溶水水循环关系非常密切。岩溶水系统的水循环即从大气降水过程至地下河系统或岩溶泉系统输出的水循环全过程的研究，包括大气降水、地表径流、壤中径流、岩溶表层带径流、地下径流的“五水”转化关系；各种土地类型或不同的土地利用方式对水循环的影响及其生态环境效应的研究。土地是大气圈、岩石圈、水圈和生物圈最活跃的交汇界面，也是人类最基本的生存环境和最频繁的活动场所，因而研究岩溶石山区水循环与土地利用的关系及其时空转化问题是十分重要的，也是水资源与土地利用研究的趋势。
岩溶水系统的水循环途径及调节环节可用图2-11作一概括。
图2-11 地下河系统水循环概略框图
但是，岩性作为影响水循环的重要的因素之一，同时也影响着地貌、土壤、植被形成和发育。岩溶水系统的岩性不同，形成的表层岩溶带、土壤结构和植被类型也不同，岩溶发育程度和规模也不同，其控制着系统的输入、输出和传输过程，影响着系统的水文特性。
2.3.2.2 岩性与洪、枯水的关系
梁虹、王剑（1998）以贵州岩溶地区的18个典型流域为例（表2-11），通过聚类分析把各流域按岩性差异进行分类，探讨不同岩性的流域与洪、枯水特征值之间的相关关系，从而揭示了岩性差异对流域水文要素的影响。
各流域水文特征值见表2-12。
利用表2-11和表2-12统计的结果，将这5类流域的岩性平均百分比和枯、洪水平均径流模数以及平均变差系数计算列入表2-13。
表2-11 流域样区岩性构成表
表2-12 流域样区水文特征值表
续表
表2-13 各类流域岩性、水文特征值表
从表2-13可以看出：以灰岩为主的流域（岩溶水系统）的各相应计算时段的枯水径流模数最小，白云岩为主的流域（岩溶水系统）枯水径流模数量大，而以灰岩和白云岩为主的流域（岩溶水系统）则居中，这就说明了岩溶水系统内也会因岩性差异而引起枯水径流模数的差异；以灰岩和砂、砾岩为主的流域，尽管灰岩对枯水径流模数的贡献较小，但因砂粒岩具有一定的蓄水性，故其枯水径流模数也有所提高；基本上以凝灰岩、板岩为主的流域枯水径流模数也较小，也说明这类岩石的蓄水性也较差。
通过以上的分析认为，如果岩溶水系统以白云岩为主，其枯水径流模数则可以高于以凝灰岩、板岩等为主的一些非岩溶水系统，但如果岩溶水系统是以灰岩为主，则枯水径流模数通常就小于非岩溶水系统，因此，岩溶水系统岩性的差异对枯水径流模数是有影响的。
不同岩性组成的流域（岩溶水系统）对最大瞬时洪峰径流模数和最大日洪峰径流模数看不出有什么规律性的差异，说明流域岩性差异对流域最大洪峰径流模数影响不大，而流域的地貌组合类型、河流发育程度、降雨强度等因素对流域最大洪峰径流模数的影响就显得十分重要。
以灰岩为主的岩溶水系统平均枯水变差系数较其他类型流域的枯水变差系数值高，其次是含有大量白云岩的岩溶水系统，而最小的是有一定砂、砾岩比例的非岩溶水系统，说明了中小岩溶水系统各年最小流量的稳定性比非岩溶水系统显得差些。以灰岩为主的岩溶水系统最大洪峰变差系数最小，其次是以白云岩为主的岩溶水系统和有一定砂、砾岩比例的流域，而以凝灰岩和板岩为主的非岩溶水系统最大，说明中小岩溶水系统相对一些非岩溶水系统有较好的削峰能力，其年最大洪峰流量的变差系数相对较小。但也应该注意到这种差异并不是岩石的物理性质差异引起的，而是由于不同岩性条件下发育的地表、地下水系统结构、地貌组合类型以及降雨特性等因素所致。
根据表2-11和表2-12中18个流域内灰岩、白云岩的百分比与相对应的洪、枯水径流模数，采用相关分析，其结果（表2-14）表明：灰岩百分比与枯水径流模数呈负相关关系，而白云岩百分比与枯水径流模数则呈正相关关系，置信度0.95检验这种相关关系是显著的，也就是说通常一个地下水系统中灰岩的百分比愈高，枯水径流模数愈小，而白云岩的百分比愈高，枯水径流模数则愈大。最大洪峰径流模数与流域岩性百分比的大小没有显著性的关系。
总之，在岩溶地区，岩性是影响岩溶水系统枯水径流模数的重要因素之一，灰岩比例愈高，枯水径流模数愈小，白云岩比例愈高，枯水径流模数则愈大。岩溶水系统的岩性差异对最大瞬时洪峰径流模数和最大日洪峰径流模数影响不大，而因岩性差异形成的系统地表、地下结构才是重要的影响因素之一。以灰岩为主的地下水系统其枯水流量变差系数相对较大，说明这种环境下抗旱能力较低，相反，以灰岩为主的地下水系统具有一定规模的地下空间，最大洪峰流量变差系数则相对较小，对最大洪水具有一定的削峰能力。
表2-14 岩石百分比与水文特征值相关系数表
2.3.2.3 岩溶水系统的调蓄
黄敬熙（1982）、程星、杨子江（2000）等分析了岩溶水系统多个亚动态反映出来的岩溶管道级、裂隙级、孔隙级水在衰减曲线中所占的比例，并指出了影响衰减曲线形态及衰减速度的因素及其对岩溶水系统调蓄功能的影响。
不同的碳酸盐岩岩溶水系统具有不同的调节径流的能力。岩溶水系统的结构，包括地层岩性、地质构造、岩溶地貌和洞穴、含水岩组、表层岩溶带、土地类型、植被条件，以及输入、输出条件等都影响含水岩组的调蓄作用。降雨后，渗入量在管道流、裂隙流和孔隙流的流量分配及衰减速度相差悬殊，使得岩溶水流量的衰减表现出3个亚动态，即第Ⅰ亚动态代表管道级别的地下水，第Ⅱ和第Ⅲ亚动态分别反映了裂隙级及孔隙级（微裂隙）的衰减过程。衰减系数的变化，反映出3种级别水的衰减速度。图2-12中3个亚动态衰减系数α1代表第Ⅰ亚动态从0时刻开始至t1时刻的衰减速度，α2代表第Ⅱ亚动态从t1开始至t2时刻的衰减速度，α3代表第Ⅲ亚动态从t2开始至t3时刻的衰减速度。
图2-12 岩溶水系统流量衰减曲线图
表2-15列出了不同岩性的岩溶水系统的衰减系数。第Ⅲ亚动态衰减速度很慢，其调蓄储量和持水性（滞后时间）在岩溶水系统中占主导地位，是最有意义的调蓄水量。而对于第Ⅰ、Ⅱ亚动态，衰减系数大得多，衰减很快，地下水停留时间短，充分反映出岩溶水系统中管道水的快速流特征。从表2-15中可以看出，泥灰岩的第Ⅰ亚动态的衰减速度可以与灰云岩相同，而灰岩的第Ⅰ亚动态衰减系数可以从0.0355变化到0.1510，而其第Ⅲ亚动态可以在0.00323～0.0165内变化，这与泥灰岩、云灰岩差别不很明显。由此反映出岩性因素未必是一决定性的因素。而白云岩岩溶水系统仅存在两个亚动态，这两个亚动态相当于灰岩的第Ⅱ和第Ⅲ亚动态，表明白云岩和灰岩岩溶水系统存在较大的差异。
表2-15 不同岩性岩溶水系统流量衰减系数
岩溶水系统地下调蓄功能主要反映在衰减过程中的衰减速度，衰减系数越大，地下水衰减越快，地下调蓄功能越差。反之，对于较小的衰减系数，地下水可缓慢地衰减，地下调蓄功能就强。至于调蓄量多少，那是由含水体大小及补给量大小所决定的。因此，调蓄的关键在于衰减速度的快慢上，即衰减系数大小。岩溶水系统地下水的衰减过程一般由2个、3个或4个亚动态区组成，各部分所占比例将受岩性等因素的控制。岩石的孔隙度，为岩溶水的储存提供了空间，在诸因素中占有较大的权重。由于岩性影响可使衰减表现为第Ⅱ和第Ⅲ亚动态。断裂构造破碎带和洞穴管道加速孔隙级水的衰减。
2.3.3 小结
碳酸盐岩的可溶性、碳酸盐岩不同类型、碳酸盐岩层组类型使岩溶水文地质结构、水循环途径及调蓄功能具有自身的特点：①碳酸盐岩的可溶性，决定岩溶水文地质结构具有地表地下双层结构，地下河、地下管道是岩溶水运动的主要场所，含水介质的不均一性使地下水没有统一的地下水位，且季节动态变化大，给勘察、开发带来较大的难度；②因石灰岩（方解石，CaCO3）与白云岩［白云石，CaMg（CO3）2］矿物成分、化学成分、岩石结构的差异，影响着两类含水介质对岩溶石山区水循环过程的差异和调蓄功能的差异，这一特征对具有季节性干旱的岩溶石山区至关重要。