恩施馬尾溝流域地下河系統特征

吳慈華

(湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州　434100)

圖1　工作區交通位置圖Fig.1　Traffic position of working area

0　引言

馬尾溝流域位于鄂西南恩施州中東部,由清江南岸干流、馬尾溝和伍家河流域(統稱為馬尾溝流域)三個四級流域組成,面積867 km2。流域范圍包括恩施土家族苗族自治州的恩施市、建始縣、宣恩縣、鶴峰縣部分地區,地理坐標介于東徑109°38′32″～110°04′44″、北緯30°00′19″～30°23′06″之間,工作區交通較為便利,主要以縣級公路與相鄰縣(市)接通(圖1)。流域內濕熱多雨的氣候、質純厚層的碳酸鹽巖,為巖溶的強烈發育創造了良好的條件,經長期強巖溶化地質作用,在碳酸鹽巖呈大片分布的各地質構造單元及地貌單元內幾乎都有地下河的形成,基本上形成了復雜的地下洞穴儲水管道和地表各消水管道相溝通的巖溶管道體系。本文將從地下河的補給類型、結構及排泄方式等方面加以闡述。

1　馬尾溝巖溶流域概況

馬尾溝流域位于清江中上游中山峽谷地貌區,地貌屬武陵山脈向北東的延伸部分,流域北側為清江干流河谷,南側與酉水、溇水的分水嶺自西向東分別在宣恩椿木營—鶴峰下坪一帶,高程1 900～2 026 m,東西兩側分別與清江支流龍王河、勇洞河的分水嶺為界。總地勢自西向東和自南向北呈階梯狀向清江河谷降低,區內十分發育的巖溶個體形態組合造就了本區以溶蝕為主,侵蝕為次的中山峽谷巖溶地貌區。流域出露地層主要是三疊系下統、二疊系下統、石炭系碳酸鹽巖,分布面積687 km2,占總面積的79%;其次是志留系、泥盆系碎屑巖類,第四系松散堆積物呈零星分布。流域所處大地構造單元為揚子準地臺八面山褶帶中的恩施臺褶束東緣,地質構造形跡主要表現為一系列NNE-NE向褶皺及與其伴生的走向斷裂。褶皺在平面上表現為斜列式的帶狀展布,背斜核部由志留系、泥盆系地層構成,向斜槽部由三疊系中、下統地層構成。根據流域內各巖組地層巖性、巖石組合關系及其含水性和富水性之不同,劃分松散巖類弱含水巖組、碎屑巖類不含水巖組、巖溶含水巖組三大水文地質巖組。

2　地下河系統特征

跟椐野外調查和綜合分析,目前可以確定的地下河有18條。地下河管道在平面上的展布方向嚴格受地質構造線方向控制,地下河管道寬度自上游至下游由小到大,一般可由上游段的1～3 m增大到下游的十余米至數十米,多數地下河管道內部由于巖溶發育程度的不均一性,經專門探測,在伏流段,多處過水斷面狹窄,有“窄門”、“扁眼”及無明顯過流通道,形成卡口阻止水流,管道高度不足一米,這也是巖溶山區在雨季地下河管道消水不暢,回水淹沒上游巖溶槽谷形成洪澇災害的主要原因。流域內地下河總長度61.1 km(水平投影長度)。其中匯水面積最大的為701號蓮花池地下河,其次是606號涼風洞地下河、149號河毛洞地下河等;總流量6 996.2 L/s,流量>100 L/s的有13條,流量>500 L/s的有5條,詳見表1[1]。

表1　馬尾溝流域地下河一覽表Table 1　Schedule of underground river of Maweigou Watershed

2.1　地下河類型

根據地下河主要補給方式之不同,可將流域內地下河劃分為盲谷補給型、落水洞補給型與遠程越流補給型三種類型地下河,分述如下:

2.1.1盲谷補給型地下河

屬于這一類型的地下河有7條,其占流域地下河總數的39%。

這類地下河水的來源,大部分來自地下河源頭以上盲谷內匯集的地表溪流水及盲谷邊側泄出的巖溶泉水。溪流水還常有上游區外源水的匯入。盲谷匯集的地表河水在徑流至盲谷末端陡壁腳下時,即潛入發育于此的消水洞中,轉為地下河。

盲谷匯水面積在整個地下河系統匯水面積中所占的比例是比較大的,如蓮花池地下河源頭—永興坪盲谷、長巖屋地下河源頭—劉家坪盲谷的匯水面積分別為20 km2與5.5 km2,分別占所屬地下河系統總匯水面積的80%、78%。故此類地下河流量大小與盲谷來水量成顯著的正相關關系。其特點如下:

(1) 有明顯的洞穴狀進口,人員可進入直接觀察地下洞穴內部狀況。

(2) 由于進出口高差較小,地下河平均坡降較小,一般都<5%,大多數進口段,地下河底板呈緩坡。

(3) 由于有明顯的進口與出口,容易確定地下河主干的展布方位。

(4) 易形成復雜的樹枝狀地下河系統。

2.1.2落水洞補給型地下河

流域內地下河多屬于此類型的地下河,共計11條,占流域地下河總數的61%。

此類地下河水來自各垂向洞隙吸入的大氣降水,包括分布在不同高程、不同地貌單元上的落水洞、天窗、豎井、漏斗及大型溶隙。故而,此類地下河無明顯的進口,其地下河主干的展布方位,則是從其出口根據巖溶洞隙的發育規律向上游追溯，分析可能與那些垂向洞穴貫通的。此類地下河有如下特點:

(1) 地下河水來源主要是通過既分散又弧立的垂向洞穴注入而來。

(2) 與盲谷補給型地下河相比,此類地下河規模較小,常以單管道出現。

(3) 由于補給源的垂向洞穴可分布在不同的高程上,尤其是高級剝夷面(一級、二級及三級)的槽谷、洼地中的落水洞更是廣布。因此,作為地下河進口的落水洞至地下河出口之間,落差很大,地下河的底板呈階梯式陡降,故其平均坡降大。

2.1.3遠程越流補給型地下河

流域內可見到個別地下河的匯水面積與其出口流量不適應的實例,即出口流量大、匯水面積小。如猴子洞地下河,根據地表分水嶺圈定的地下河匯水面積僅有5 km2,2012年6月29日測流為200 L/s,據訪問豐水期流量達500～2 000 L/s。如此高的排泄量,顯然存在沿斷裂遠程補給或地表越流水的補給。

2.2　地下河系統的結構

地下河是在可溶巖內部經溶蝕作用形成的單一或樹枝狀的地下管道系統,是賦存、逕流、排泄地下水的主要場所。

2.2.1地下河平面展布特征

(1) 地下河管道在平面上的展布方向嚴格受地質構造線方向控制。馬尾溝流域分布的18條河地下河中,有13條地下河主干管道沿縱張裂隙順地層走向發育,3條地下河受地層傾向與縱橫張裂隙控制發育形成,僅有2條地下河主要受縱橫張裂隙控制發育形成。當有非可溶巖地層存在時,地下河主干管道則沿兩者界面附近可溶巖一側發育,形成單管道式地下河。在局部洞段,又有折線狀展布的沿次級裂隙追蹤主干裂隙發育的實例。在碳酸鹽巖呈大片分布的褶皺核部,除沿褶皺軸部縱張裂隙形成地下河主干外,還有沿翼部橫張裂隙形成支管道,共同構成樹枝狀地下河系統,如河毛洞地下河、甘竹坪地下河、紙廠溝地下河、紅魚泉地下河系統等。

(2) 地下河管道寬度一般自上游至下游由小到大。一般可由上游段的1～3 m增大到下游的數10 m。域內比較典型的當屬建始縣官店鎮陳子山蛤蟆溪洞(圖2),其為圈門洞地下河(H2-2)早期巖溶管道,開展洞穴探測得知洞體長1 105.7 m,洞口直徑寬0.6～1.5 m、高2.2 m,向下游洞斷面有矩形、圓拱形和多邊形等多種形態,一般洞高15～28 m,洞寬30～50 m,洞穴末端最高47 m,最寬達59 m,底部發育有落水洞與現代地下河相通,調查時于落水洞口旁可聽到深部流水聲響。

圖2　蛤蟆洞洞穴探測平面展示圖Fig.2　Layout of inspecting planar of Hamadong Cave

(3) 大型地下河系統往往有多個外源水補給的進口,最后有一個排泄口。大型地下河系統內巖溶發育強烈,通過地表的消、落水洞以及地下河天窗等與地下巖溶管道相通,其具有明顯河流特征,有規模較大的地下巖溶管道水,為地下徑流集中匯流通道,管道結構多呈樹枝狀。如紅魚泉地下河主管道出水口位于伍家河邊魚泉洞,主要順巖層走向和NE向縱張裂隙發育,地下河入口有三處(圖3):分別位于323號紙蓬溝巖溶譚、324號馬石埡東落水洞、375號金家灣伏流口(照片1-照片4)。

照片1　紅魚泉地下河出口魚泉洞Photo 1　Yuquan Cave of exit of Hongyuquan underground river

圖3　265號紅魚泉地下河系統平面示意圖Fig.3　Schematic plan of underground river system of No.265 Hongyuquan1.地下河出口及編號;2.地下河入口及編號;3.巖溶洼地及編號;4.消、落水洞及編號;5.推測巖溶管道;6.地層界線及代號;7.斷層。

照片2　紙蓬溝323號巖溶潭Photo 2　No.323 Yanrongtan in Zhipenggou

照片3　馬石埡324號消水洞Photo 3　No.324 Xiaoshui cave in Mashiya

照片4　375號金家灣伏流口Photo 4　No.375 Fuliukou in Jinjiawan

2.2.2地下河系統垂向上結構特征

地下河在垂向分布上具多層結構特征,區內18條地下河出口高程最高的和最低的分別分布在1 609 m和336 m二級溶蝕面上,但出露最多的是出現在高程350～800 m級溶蝕面上,其次是高程1 400～1 600 m級溶蝕面,出露最少的是高程1 000～1 300 m級溶蝕面。就同一條地下河,也經常見到在其出口段分上下兩層或三層水平洞穴管道,上層者系早期地下河出口,一般只在洪水期時排泄地下水,下層者系當今地下河,如圈門洞地下河,上層至下層高差50 m(圖4)。剖面上巖溶管道多層結構的形成,是由于在地質歷史發展過程中,地殼呈間歇性隆升、河流侵蝕基準面下切導致巖溶水向深部溶蝕所致。

地下河管道洞穴高度大小不一,大者呈大廳狀,高達20～50 m。如圈門洞地下河管道最高處達50 m。頂板高度最小者不足0.5 m,出現“卡門”,人不能通過,如紅魚泉地下河管道最窄處斷面僅0.3～0.4 m。一般受斷層、裂隙控制形成的地下河洞穴高度大,呈鋸齒狀;受層面控制的管道高度較小而平整。地下河底板總體上自上游向下游緩傾,局部段有跌水陡坎,坎高多為1.5～4 m。有時還發育有深潭,深幾米至十幾米。地下河平均坡降較大,一般為3%～10%。

2.2.3地下河管道橫剖面結構特征

地下河管道橫剖面形態受構造和地層層面控制。受構造控制的橫剖面呈高尖三角形,即頂部呈縫隙狀,底板為寬幾米至十幾米的平坦面;受層面控制的橫斷面多呈門形或長扁形。兩者因素兼有者則呈不規則形,似圓形等。多數地下河管道,由進口向內,管道由粗變細;而由出口向內,管道亦是由粗變細。這是由于地下河的發育是通過水流的溶蝕、侵蝕作用在伏流口處向下游方向發展,而在出水口處則向上游方向溯源發展所致。

圖4　382號圈門洞地下河出口剖面示意圖Fig.4　Profile of exit of underground of No.382 Quanmendong1.砂巖;2.瘤狀灰巖;3.灰巖。

2.3　地下河系統出露方式

流域內巖溶管道水系統按其空間分布的受控因素,可大致分為基控型和層控型兩種類型。基控型是指巖溶水排泄受河網切割侵蝕基準面控制;層控型是指系統受地質結構(阻水斷層或非碳酸鹽巖隔水層)控制。在馬尾溝流域發育的18條地下河中,有13條地下河的排泄是受河網切割侵蝕基準面控制出露,有5條地下河是受下部隔水層阻擋排泄。結合系統空間分布受控因素與地下水點的出露特征又可劃分為基控—侵蝕型、層控—侵蝕型、基控—接觸型、層控—接觸型、基控—溢出型和層控—溢出型。其中基控—侵蝕型與層控—侵蝕型最發育(照片5、照片6)。

照片5　蓮花池地下河(基控—侵蝕型)Photo 5　Lianhuachi underground river

照片6　圈門洞地下河(層控—侵蝕型)Photo 6　Quanmendong underground river

3　地下河開發利用建議

在巖溶石山地區,根據地下河出露的條件和用水目的之不同,可因地制宜地采用堵、攔、蓄、引、提等幾種開發利用方式,來達到引流發電、飲用、灌田、養殖或旅游等目的[2]。

3.1　筑壩蓄水型

在地下河出口處筑壩蓄水,再通過引水渠道用于發電、飲用、灌溉等,這是一種常見的開發利用類型。該利用方式在地下河出露高程相對較高的區域應用較多,主要利用水力落差發電,工程設施主要由取水壩、引水渠道、蓄水前池、壓力管道、發電廠房和變電站等組成。

3.2　引水型

開發方式以水電開發為主,生活飲用、農田灌溉為輔。主要設施由取水壩、引水渠道、蓄水前池、壓力管道、發電廠房和變電站等組成,即在洞口建一底攔柵壩,壩底設置沖砂管及闡閥,再通過引水渠道,將地下水引入壓力前池蓄集,再沿山坡向山腳鋪設長壓力鋼管利用高水頭發電。

3.3　提水型

在天旱季節,可在地下河展布淺埋段的天窗或巖溶潭處,安泵抽水以解決用水問題。如蓮花池永興坪地下河天窗,該天窗深35 m,洞徑5 m,在天窗內用潛水泵提水輸送到周邊供人、畜飲用,日提水量在500 m3左右。另在響水洞地下河天窗處,多在旱季進行抽水灌溉農田,以緩解旱情。

4　結語

鄂西南地區碳酸鹽巖廣布,地下水主要賦存并逕流于地下巖溶管道中,以地下河的形式存在于地下深處。其出口大都位于深切峽谷的陡崖腳下,居住在崖上河間地塊的居民難以利用,形成豐富的巖溶地下水資源與人畜飲水十分缺乏的極不協調的局面。通過開展馬尾溝巖溶流域1∶5萬水文地質環境地質調查,查明了區域巖溶發育規律、地下河系統特征及開發利用方式,為鄂西南巖溶地區1∶5萬水文地質環境地質調查提供參考。

參考文獻：

[1]吳慈華,周寧,等.湖北馬尾溝巖溶流域水文地質及環境地質調查報告[R].荊州:湖北省水文地質工程地質大隊,2013.

[2]王宇，等.巖溶找水與開發技術研究[M].北京:地質出版社,2007.