鄂西南表層巖溶帶地下水補徑排及動態(tài)變化特征

吳慈華

((湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 荊州 434002)

鄂西南表層巖溶帶地下水補徑排及動態(tài)變化特征

吳慈華

((湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 荊州 434002)

結(jié)合前人的研究成果和近年來實施的鄂西南巖溶地區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項目,根據(jù)表層巖溶帶地下水的主要賦存特征和排泄方式,將其劃分為表層巖溶泉、表層巖溶潭、淺層地下河三種類型,并通過實例詳細說明了各自補徑排特征。根據(jù)表層巖溶帶在垂直方向的物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點,將其劃分為單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu)三種類型,依據(jù)降雨和流量長觀監(jiān)測資料,針對不同結(jié)構(gòu)類型的表層巖溶水,闡明表層巖溶帶地下水動態(tài)變化特征,為鄂西南貧困巖溶石山地區(qū)表層巖溶水合理開發(fā)利用提供地質(zhì)依據(jù)。

表層巖溶帶;表層巖溶水類型劃分;補徑排特征;結(jié)構(gòu)劃分;動態(tài)變化特征;鄂西南

“表層巖溶帶”的概念,首先由法國學(xué)者于20世紀70年代初期通過建立野外巖溶水文地質(zhì)試驗場發(fā)現(xiàn)并提出的。20世紀80年代中后期,由袁道先院士將這一概念引入并在中國推廣,以桂林試驗場為基地,對表層巖溶帶的結(jié)構(gòu)、動力條件、巖溶特征、水文地質(zhì)特征以及對巖溶水的調(diào)蓄進行了系統(tǒng)研究,并以此為基礎(chǔ),創(chuàng)立了巖溶動力學(xué)。表層巖溶帶是地表強烈?guī)r溶化過程的產(chǎn)物,為表層碳酸鹽巖各種巖溶個體形態(tài)和微形態(tài)組合構(gòu)成的不規(guī)則帶狀的巖溶帶,在中國南方巖溶區(qū)廣泛分布。表層巖溶帶對地下水的調(diào)蓄表現(xiàn)在兩個方面:一是增加入滲補給量;二是延緩降雨后雨水在巖溶水系統(tǒng)停留的時間,并進而形成了表層巖溶帶地下水,分別以表層巖溶泉、表層巖溶潭、淺層地下河形式出露。表層巖溶帶地下水為開采深部巖溶水困難的峰叢山區(qū)居民飲水提供了重要的水源,對于解決西南巖溶山區(qū)居民的干旱缺水問題具有重要意義。近二十余年來,國內(nèi)很多專家學(xué)者從表層巖溶帶的巖溶動力學(xué)特征[1]、對巖溶水的調(diào)蓄功能[2]、表層巖溶帶及其水循環(huán)的研究進展與發(fā)展方向[3]、表層巖溶帶的水文動態(tài)分析[4]、表層巖溶泉動態(tài)變化規(guī)律[5]等方面對表層巖溶帶地下水進行了大量卓有成效的研究工作。在鄂西南地區(qū)絕大多數(shù)表層巖溶帶地下水都被當(dāng)?shù)鼐用耖_發(fā)利用,有利地彌補了開發(fā)利用巖溶管道水十分困難的缺水局面。因此,研究該地區(qū)表層巖溶帶地下水的賦存規(guī)律、補徑排及動態(tài)變化特征,增加表層巖溶帶對巖溶水資源調(diào)蓄功能及如何開發(fā)利用,以緩解人蓄用水困難和恢復(fù)生態(tài),都顯得迫切而又必要。

1 表層巖溶帶地下水類型劃分及其補徑排特征

近十年來,在鄂西南地區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)表層巖溶帶地下水露頭3 213個[6],其中發(fā)育于T1j與T1d層中有1 919個,占調(diào)查總數(shù)的59.7%(表1)。

由于表層巖溶帶發(fā)育的強弱主要受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水動力條件、土壤及植被等因素的制約,表層巖溶帶地下水賦存于不同貯水空間內(nèi),不論是在地下水補徑排特征上,還是在貯水量及其動態(tài)變化上,都有很大的差異,根據(jù)其排泄出露形式,劃分為表層巖溶泉、表層巖溶潭(湖)、淺層地下河三種類型,其補徑排特征也不同。

1.1 表層巖溶泉

系直接受表層巖溶帶補給的地下水露頭,在泉口可見到地下水變成地表徑流的狀況,可直接對其進行水文要素的觀測。廣泛地分布在溝谷、槽谷、洼地邊側(cè)不同高度的山坡上,而又以坡腳處為主,共調(diào)查3 123個,占總數(shù)的97.2%。地下水主要賦存于巖溶裂隙中,

表1 鄂西南表層巖溶帶地下水露頭調(diào)查統(tǒng)計表

注:清江源流域含湖北省境內(nèi)郁江流域、唐巖河流域、清江流域中上游段;四幅聯(lián)測是指湖北下坪幅、鶴峰幅、灣潭幅、白果坪幅1∶5萬水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查。

賦水裂隙包括風(fēng)化裂隙和表層帶構(gòu)造裂隙,裂隙密集但規(guī)模小,仍保持初始裂隙特征,其流量多數(shù)在1 L/s左右或更小,其補給面積小,一般不超過1 km2,具有就近滲入補給、排泄的特點,其流量隨季節(jié)變化大,最大、最小流量一般相差幾百或上千倍。

表層巖溶泉由大氣降水入滲補給,儲存并徑流于表層巖溶帶內(nèi)的溶蝕裂隙、溶孔、小溶洞及強風(fēng)化帶的節(jié)理裂隙中,以分散的裂隙流排泄形式為主。當(dāng)下滲水流遇到表層帶底板為弱巖溶化巖體或阻水?dāng)鄬訒r,因受阻便改為側(cè)向徑流,在地形切割處以下降泉、上升泉或呈分散滲流的形式泄出地表。如宣恩縣椒園鎮(zhèn)的XS42-1、XS42-2、XS42-3號表層泉,三泉順地形傾向展布,間距20 m左右。XS42-1泉口呈洞狀,洞徑15 cm左右;XS42-2與XS42-3二泉口呈溶隙狀,隙寬1～2 cm。三泉流量均為0.01 L/s左右(2007年4月3日),水溫14.5 ℃,氣溫19 ℃。XS42-3泉水既有大氣降水入滲補給,又有XS42-1與XS42-2兩泉泄出后部分余水再次入滲后形成的地下水的補給(圖1)。

圖1 宣恩椒園鎮(zhèn)XS42點表層帶巖溶泉補徑排剖面示意圖Fig.1 Profile schematic diagram of recharge runoff discharge of karst spring at XS42 point in Jiaoyuan town ,Xuanen County

又如利川團堡鎮(zhèn)狐貍壩泉點,其形成條件及補徑排特征如圖2所示。

圖2 利川團堡鎮(zhèn)狐貍壩表層帶巖溶泉補徑排剖面示意圖Fig.2 Profile schematic diagram of recharge runoff discharge of karst spring in Tuanbao town,Lichuan County

1.2 表層巖溶潭(湖)

系指呈坑狀或井狀、水位低于地表0.5～2 m的表層巖溶帶地下水的天然露頭。它們主要分布于槽谷洼地內(nèi)。另在山間溶蝕臺面上也有溶潭分布。溶潭與表層巖溶泉的最大區(qū)別在于其水體的流動不明顯,它是以潛流的方式緩慢地從裂隙中流走,故而,不能對其實測流量。共調(diào)查58個,占總數(shù)的1.8%。

表層巖溶潭多由槽谷洼地內(nèi)發(fā)生地下水溶蝕塌陷形成的負地形,其形態(tài)特征與漏斗近乎一致,不同之處是漏斗底部發(fā)育落水洞,起消排水作用,而巖溶潭底部發(fā)育水平或向巖溶潭傾斜的細小巖溶管道,雨季周邊高地部分水沿地下巖溶管道頂托補給巖溶潭內(nèi),使得巖溶潭水面抬升,由于其與下部巖溶管道相通,即使枯季巖溶潭內(nèi)也保持有一定的水面,其水面代表著本區(qū)淺埋的地下水水位。如恩施市紅土溪鄉(xiāng)石灰窯K3-76巖溶潭,地表呈圓形,直徑260 m,當(dāng)?shù)胤Q此為“龍?zhí)丁?東部一直徑6 m水潭與此相連,因此,又稱“子母潭”(照片1)。該潭所在地屬鄂西Ⅰ-Ⅱ級剝夷面過渡地帶,潭底高程1 662 m,與周邊巖溶丘叢相對高差50～150 m,兩潭水長年不干,雨季,潭底周邊泉水流入潭內(nèi),使得潭內(nèi)水位快速上升,抬升后的潭水位需15～20 d才能回到平水期時的水位。

照片1 恩施石灰窯679號子母巖溶潭Photo 1 No.679 karst lake in Enshi

又如巴東縣野三關(guān)鎮(zhèn)鳳臺鄉(xiāng)的ES04號和ES07號兩個溶潭。前者位于山間溶蝕臺面上,高程1 330 m,水面低于地面2 m,該泉沿走向60°的近直立的溶蝕構(gòu)造裂隙流出,溶縫寬5～10 cm,無充填物;后者位于一呈NE-SW向的長槽谷中,高程1 286 m,呈圓坑狀,直徑約8 m,深約2 m,周邊為旱田(圖3、照片2)。

圖3 巴東野三關(guān)鎮(zhèn)ES04、ES07表層巖溶潭補徑排剖面示意圖Fig.3 Profile schematic diagram of recharge runoff discharge of ES04、ES07 karst spring in Yesanguan town,Badong county

1.3 淺層地下河

在表層巖溶帶局部地方巖溶發(fā)育強烈,也能形成一定的管道流,但在地形或構(gòu)造的影響下,地下水的活動空間受到控制,巖溶管道規(guī)模不大,延伸很短,且只有一個單管道,而且埋深很淺,故亦屬表層巖溶帶地下水系統(tǒng)。共調(diào)查32個,占總數(shù)的1.0%。

照片2 巴東野三關(guān)鎮(zhèn)ES07巖溶潭Photo 2 ES07 karst lake in Yesanguan town of Badong county

淺層地下河一般由大氣降水入滲或地表小型消(落)水洞灌入補給,儲存并徑流于表層巖溶帶內(nèi)的溶蝕洞穴中。當(dāng)?shù)叵滤饔龅奖韺訋У装鍨槿鯉r溶化巖體或阻水地層時,多在地形切割處或河谷兩側(cè)以溶洞泉形式泄出地表。如團堡鎮(zhèn)曬田壩淺層地下河即屬此類,該地下河位于團堡槽谷底部,其管道主要沿層面發(fā)育,進口高程996 m,出口高程987 m,沿地下河分布天窗2個,其總體徑流方向S30°E,地下河伏流口呈拱型,直徑約0.3 m,在天窗中所見巖溶管道呈扁平狀,高0.5 m,寬1.5 m,其出口被第四系碎塊石土掩埋,埋深僅有5 m左右。補給面積2.1 km2,其流量約11.5 L/s(圖4)。

圖4 利川團堡鎮(zhèn)曬田壩淺層地下河補徑排剖面示意圖Fig.4 Profile schematic diagram of recharge runoff discharge of shallow underground river in Tuanbao town,Lichuan county

綜上所述,表層巖溶帶地下水補給源主要是大氣降水,局部地帶存在巖溶水的再次補給現(xiàn)象;儲存并徑流于表層巖溶帶內(nèi)的溶蝕裂隙、溶孔、小溶洞中,受地形切割或構(gòu)造、阻水地層影響分別以表層巖溶泉、表層巖溶潭、淺層地下河三種形式出露地表。表層巖溶泉的補給面積一般較小,普遍為數(shù)十—數(shù)百平方米,流量較小,降水入滲系數(shù)一般<0.5,地下徑流模數(shù)多在3～5 L/s·km2之間,主要供山區(qū)分散居民就近用水。表層巖溶潭多位于槽洼地區(qū),一般與下部巖溶管道相通,補給面積多在0.5～2 km2,流量稍大,降水入滲系數(shù)一般在0.5左右,地下徑流模數(shù)多在5～8 L/s·km2之間,主要作為生態(tài)養(yǎng)殖水源或供山區(qū)集中居民用水。淺層地下河補給面積最大,流量最大,降水入滲系數(shù)一般在0.7～1.0,地下徑流模數(shù)多在10～20 L/s·km2之間,出露位置較高時一般作為山區(qū)集中供水水源地。

圖5 鶴峰燕子鎮(zhèn)鶴S1-35表層帶巖溶泉動態(tài)曲線圖

2 表層巖溶帶地下水動態(tài)變化特征

巖溶水動態(tài)系指巖溶地區(qū)地下水流量、水位、水溫及水化學(xué)成分在自然或人為因素影響下隨時間的變化狀況。其變化特征取決于降雨量及其降雨入滲補給強度、巖溶類型、巖溶發(fā)育程度、介質(zhì)導(dǎo)水暢通程度及地下水水力坡度等因子。區(qū)內(nèi)降雨量大、入滲補給量大,屬裸露型巖溶強烈發(fā)育區(qū)。大氣降水以面狀入滲和點狀灌注的方式進入地下,致使地下水徑流量和水位的變化與降雨量的變化呈明顯的相關(guān)關(guān)系(地下水水溫與水化學(xué)成分則無明顯變化),表層巖溶帶地下水動態(tài)變化的特點又因表層巖溶帶結(jié)構(gòu)特征和地下水的類型不同而異。

根據(jù)表層巖溶帶在垂直方向的物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點,將其劃分為單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu)三種類型[7]。單層結(jié)構(gòu)是指某一地段、某一區(qū)段內(nèi)碳酸鹽巖直接裸露地表面積>30%的地區(qū),即在剖面上是由單一的溶溝、溶槽、石芽、溶縫、溶管、溶隙、溶孔網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成直接裸露于地表的強巖溶帶。雙層結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu)指

巖石裸露地表面積<30%的地段,前者在剖面上表現(xiàn)為上部為土層或植被,下部為強巖溶化帶,即在剖面上具有土層加上土層之下的強巖溶帶或植被加上植被覆蓋之下的強巖溶帶兩種二元結(jié)構(gòu)特征;后者是指剖面上頂部為植被覆蓋,中部為數(shù)米厚的土層,下部則是強巖溶化帶構(gòu)成的三元結(jié)構(gòu)特點。

鄂西南巖溶地區(qū)存在單層、雙層、三層結(jié)構(gòu)地下水類型,其動態(tài)特征如下:

2.1 單層溶隙—裂縫水動態(tài)特征

其動態(tài)主要反映在流量較小的表層巖溶帶巖溶泉上,泉流量一般都<1 L/s,旱期稍長,不少泉水即干涸。由于單層結(jié)構(gòu)裸露巖體的透水性很強,使得地表水與地下水的循環(huán)速度都非常快。據(jù)野外觀察,大雨十幾分鐘后,一些表層巖溶泉流量即迅速增加。泉流量對降雨滯后的時間很短,具有動態(tài)變化大、泉流量猛增或驟減快的特點。如位于鶴峰縣燕子鎮(zhèn)東鄉(xiāng)村6組的鶴S1-35表層帶巖溶泉,2014年在枯水期即有66 d時間呈斷流狀態(tài),當(dāng)豐水期或大雨后,其流量又高達13.6 L/s,動態(tài)季節(jié)性變化非常明顯(圖5)。根據(jù)實時降雨量和長觀數(shù)據(jù),對長觀點地下徑流模數(shù)、入滲系數(shù)計算結(jié)果見表2。

表2 鶴S1-35表層帶巖溶泉長觀點監(jiān)測計算成果表

2.2 雙層溶隙—溶洞水動態(tài)特征

動態(tài)主要反映在流量較大的表層巖溶泉(潭)上,其特點是呈脈狀水流,流量較大,泉流量一般1～5 L/s,流速慢,以層流狀態(tài)為主,常以表層巖溶帶裂隙溶洞泉的形式泄出地表。雙層結(jié)構(gòu)在巖溶發(fā)育相對較弱部位,含水介質(zhì)為溶孔與溶隙,由于貯水空間小,降水以面狀入滲為主、入滲緩慢,地下水接受補給均勻且遲緩,地下水動態(tài)滯后時間稍長,流量過程除了極端連續(xù)大雨暴雨情況,一般曲線相對平緩,峰谷曲線為緩變形,如鶴峰縣下坪鄉(xiāng)下S2-9表層裂隙溶洞泉,對比降雨量與流量變化曲線看,一般在豐水期時,泉水流量對降雨量的響應(yīng)更為靈敏,當(dāng)降雨量達到5 mm時,泉水流量即有較明顯的增大,但當(dāng)枯水期時,降雨量達到10 mm時,泉水流量均無明顯增大現(xiàn)象,尤其是年頭年尾反映更為明顯(圖6)。根據(jù)實時降雨量和長觀數(shù)據(jù),對長觀點地下徑流模數(shù)、入滲系數(shù)計算結(jié)果見表3。

圖6 鶴峰下坪鄉(xiāng)下S2-9表層帶溶洞泉動態(tài)曲線圖

表3 下S2-9表層帶溶洞泉長觀點監(jiān)測計算成果表

圖7 鶴峰縣走馬鎮(zhèn)白S1-4淺層地下河動態(tài)曲線圖

2.3 三層溶洞—管道水動態(tài)特征

動態(tài)主要反映在流量較大的淺層地下河上,表層巖溶帶多具有三層結(jié)構(gòu)。含水介質(zhì)為規(guī)模較大的溶洞與地下河管道,其特點是呈溶洞—管道水,流量較大,一般5～15 L/s。大氣降水以點狀集中式灌注地下進入暢通的洞穴管道中,致使地下河與溶洞泉流量及巖溶管道中的水位受降雨影響變化迅速、變幅大,流量過程曲線呈不規(guī)則的多峰鋸齒狀折線。如鶴峰縣走馬鎮(zhèn)白S1-4淺層地下河,對比降雨量與流量變化曲線看,流量相對降雨較為敏感,一般雨后不到一天流量即上升至一峰值,峰值持續(xù)時間短,暴漲暴落(圖7)。根據(jù)實時降雨量和長觀數(shù)據(jù),對長觀點地下徑流模數(shù)、入滲系數(shù)計算結(jié)果見表4。

表4 白S1-4淺層地下河長觀點監(jiān)測計算成果表

通過上述三種結(jié)構(gòu)類型的表層巖溶帶地下水動態(tài)變化特征可知,表層泉流量動態(tài)變化的大小與降雨量息息相關(guān),單層結(jié)構(gòu)表層巖溶泉對降雨量的響應(yīng)最為靈敏,流量動態(tài)變化最大,雙層結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu)次之。同時也與表層巖溶泉的結(jié)構(gòu)類型密切相關(guān),顯示出植被或土層厚度對巖溶水資源有著較大的調(diào)蓄功能,在植被覆蓋較好或土層厚度較大的雙層和三層結(jié)構(gòu)區(qū)段,表層泉流量動態(tài)變化就較小,而在單層結(jié)構(gòu)區(qū)段,表層泉流量動態(tài)變化就較大。

3 結(jié)語

鄂西南山區(qū)屬中國西部地區(qū),由于地處偏遠、山高谷深、地形切割大、經(jīng)濟比較落后等因素,巖溶地下水資源開發(fā)利用程度低,同時巖溶干旱問題突出。本文通過對鄂西南表層巖溶帶地下水調(diào)查成果的歸納統(tǒng)計、分析研究,根據(jù)表層巖溶帶地下水排泄出露形式,將其劃分為表層巖溶泉、表層巖溶潭(湖)、淺層地下河三種類型,同時,研究揭示鄂西南地區(qū)表層巖溶帶地下水補徑排特征和動態(tài)變化特征,為鄂西南貧困巖溶石山地區(qū)表層巖溶帶地下水合理開發(fā)利用提供地質(zhì)依據(jù)。

[1] 蔣忠誠,袁道先.表層巖溶帶的巖溶動力學(xué)特征及其環(huán)境和資源意義[J].地球?qū)W報,1999,20(3):302-308.

[2] 蔣忠誠,王瑞江,裴建國,等.我國南方表層巖溶帶及其對巖溶水的調(diào)蓄功能[J].中國巖溶,2001,20(2):106-110.

[3] 覃小群,蔣忠誠.表層巖溶帶及其水循環(huán)的研究進展與發(fā)展方向[J].中國巖溶,2005,24(3):250-254.

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[5] 章程,袁道先,曹建華,等.典型表層巖溶泉水短時間尺度動態(tài)變化規(guī)律[J].地球?qū)W報,2004,25(4):467-471.

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(責(zé)任編輯：于繼紅)

Characteristics of Recharge Runoff Discharge and Dynamic Change of Karst Groundwater in Epi-karst Zone of Southwest Hubei Province

WU Cihua

(HubeiInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeology,Jingzhou,Hubei434002)

Combined the former research results and the project of hydrogeological and environmental geologic survey of karst regions in southwest Hubei province in recent years,epi-karst water is divided into epi-karst springs,epi-karst pool and shallow underground river based on the main occurrence characteristics and discharge of groundwater.According to the material structure characteristics in vertical direction of epi-karst belt,epi-karst zone is divided into single layer structure,double layer structure and three-layer structure.The long-term monitoring data of rainfall and water flow clarifies the dynamic changes of different structure types of epi-karst water,which provided geological basis for reasonable development and utilization of epi-karst water in poor karst mountain areas of southwest Hubei province.

epi-karst zone; epi-karst water classification; recharge runoff discharge characteristics; structural division; dynamic changes; southwest Hubei Province

2016-08-29;改回日期:2016-10-08

中國地質(zhì)調(diào)查局大調(diào)查項目“湖北重點巖溶流域地下水勘查與開發(fā)示范”,項目編碼為1212011089029。

吳慈華(1974-),男,高級工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查評價研究工作。E-mail:wucihua740915@163.com

P641.134

A

1671-1211(2016)06-0904-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.019

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161026.0907.010.html 數(shù)字出版日期:2016-10-26 09:07