鄂西南水牯洞地下河越流襲奪補給成因分析

吳慈華

(湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州 434002)

鄂西南水牯洞地下河越流襲奪補給成因分析

吳慈華

(湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州 434002)

通過近年來實施的鄂西南巖溶地區1∶5萬水文地質調查,發現區內一些地下河按常規確定的匯水面積與其出口流量不適應的情況,以水牯洞地下河為例,采用水文地質測繪、示蹤試驗等綜合調查技術手段,經分析確認,地下河出口流量大、匯水面積小的原因有二個:一是地表水跨流域越流補給,二是地表分水嶺之外地下水沿斷裂遠程補給。

地下水越流補給;水牯洞地下河;示蹤試驗;補徑排特征

地下水越流補給是指在深層承壓含水層中,由于天然含水層的水頭差,和人工開采地下水造成水位降低形成的與相鄰上、下含水層的水頭差,使相鄰含水層中的水通過非含水層向取水含水層補給。對地下水越流補給的研究國內外諸多文獻均有記錄,以地下水的開采和含水層越流形式研究居多,如中國北方平原地區,農田灌排中涉及的含水層,常常是有越流現象的三層結構含水地層,當處于非開采的天然滲流狀態時,第Ⅲ含水層水頭高于第Ⅰ含水層水位。進入開采狀態后則相反[1]。由于含水層的形成條件和補給來源的不同,以及開采條件的影響,含水層之間的越流形式主要有以下兩種:潛水含水層通過弱透水層對下部承壓含水層的越流補給,承壓含水層對上部潛水含水層的越流補給。這兩種越流補給形式是可以互相轉換的,在人類活動影響下可改變其越流補給的關系[2]。而在鄂西南巖溶石山地區,地下河越流襲奪補給具有的跨流域襲奪特點主要是受侵蝕基準面制約及構造斷裂帶貫穿整個分水嶺形成導水通道的影響,是地下水越流補給中的一個特例。本文以水牯洞地下河為例進行地下河巖溶水系統及其補給關系分析,查明了地下河系統的邊界條件,研究剖析地下河補給徑流排泄特征,將為下步地下水系統的劃分、資源量的計算評價、地下河開發利用方案提供詳實、精確的地質依據。

1 水牯洞地下河系統基本特征

1.1 地質背景條件

地下河系統位于鶴峰縣鄔陽鄉壟家埡村2組,地處清江、溇水、酉水地表分水嶺地帶,地面高程1 900～2 050 m,四周溝谷深切,相對高差500～800 m。地表溪溝總體發育方向與分水嶺展布方向近平行,均為北西—南東向,多為季節性沖溝,橫斷面多呈“V”形,河床狹窄,縱坡降一般為15%,兩側斜坡坡度可達35°～40°。出口處出露奧陶系下統(O1)中厚—厚層狀泥晶灰巖與白云質灰巖互層,局部夾泥質及粉砂質結核,地層產狀為315°∠36°。區域構造部位處于下坪背斜核部,北東向的下坪斷裂帶貫穿了整個背斜核部,區內斷裂形態表現為多條相互平行,總體傾東,呈疊瓦狀的張性斷層,屬走向斷裂,區域受構造影響,張裂隙發育,地下河系統即位于下坪斷裂帶上盤。

1.2 地下河管道分布發育特征

根據地面調查初步分析可知,水牯洞地下河系統管道展布方向受地層走向和下坪斷裂控制呈北東向(45°),管道平面投影長度2.9 km。系統邊界清楚,東、西、南三面碎屑巖圈閉,北側以毛家河深切溝谷為界,其間構成一個封閉的完整的水文地質單元,地下匯水面積約3.5 km2。其主要接受大氣降雨和沿途表層巖溶泉補給,降水及淺層地下水進入地下后,受層間裂隙控制發育形成的溶隙流沿下坪斷裂形成富水帶,由SW向NE運移,于出口處受地形切割以溶洞泉形式出露地表。地下河出口(H2)位于清江流域南岸次級支流毛家河左岸一近南北向支溝源頭,高程902 m,總體出水方向90°,出口上方約20 m處發育一豎井狀天窗,洞徑1.0 m,深3～4 m,底部為崩積塊石填充,當地俗稱“水牯洞”。后期崩積塊石已掩蓋水牯洞出水口,目前地下河水從沖溝底部崩坡積塊石、巨石中涌出,具一定承壓性,2014年5月23日調查時實測流量453.45 L/s,2015年1月15日枯季測流為386.0 L/s。訪問流量受降雨影響,動態變化明顯,豐水期雨后流量可達1 m3/s左右,水中夾雜粘土和砂礫,水質渾濁(圖1)。

圖1 水牯洞地下河系統(H2)平面示意圖Fig.1 Plane sketch of Shuigu cave underground river system(H2)1.地下河入口、出口及管道;2.地表流域分水嶺;3.地下河補給范圍;4.地表常年性溪流;5.季節性溪溝;6.逆斷層;7.性質不明斷層;8.地層界線及代號。

2 水牯洞地下河系統示蹤試驗及結果分析

2.1 試驗目的

根據出口流量調查和圖面分析,水牯洞地下河匯水面積不足4 km2(按常規確定),最枯流量卻達386 L/s,補給面積與其出口流量明顯不對應,即出口流量大、匯水面積小。因此,為查明地下河系統的邊界條件,筆者進行了溯源追蹤調查,發現在相鄰溇水流域源頭支溝紅巖河、苦竹溪兩常年性溪流在由碎屑巖區進入碳酸鹽巖區域時均通過消水洞尒入地下(照片1、2)。為了解其與水牯洞地下河出口是否連通和地下水流徑流特征,需作示蹤試驗來驗證。

2.2 試驗方法

根據野外調查資料綜合分析后選擇了K3-1(紅巖河伏流)、K1-13(苦竹溪伏流)地表水伏流口作為示蹤劑投放點,于水牯洞地下河出口作為接收點開展示蹤試驗:一是準確查明地下河系統的匯水范圍內有無地表水跨流域越流補給現象;二是通過示蹤試驗進一步揭示該巖溶水系統不同部位含水介質的導水性能和管道連通情況。本次試驗示蹤劑為熒光素鈉和羅丹明,示蹤儀器采用GGUN-FL野外用熒光光度計進行監測(照片3、4),試驗基本情況一覽表見表1[3]。

照片1 紅巖河伏流口(鏡像100°)Photo 1 Subterranean river exit of Hongyan River(mirror 100°)

2.3 試驗結果

在地下河出口(H2)接收到的熒光素鈉和羅丹明濃度曲線如圖2、圖3所示,從兩圖可以看出,濃度曲線均為一單峰陡坡型,兩翼基本對稱,示蹤劑濃度上升翼比下降翼稍陡,初顯—峰值—恢復過程時間周期較短,顯示地下河流速較快,天然水力坡度大,為單一巖溶管道特征。根據示蹤劑濃度曲線可以計算得到K3-1、K1-13伏流點與地下河出口(H2)之間的平均地下水流速分別為1 352 m/d、1 750 m/d。這次地下水示蹤試驗結果表明K3-1、K1-13伏流點與地下河出口(H2)之間存在較好的水力聯系,含水介質以單一的巖溶管道為主。

照片2 苦竹溪伏流口(鏡像110°)Photo 2 Subterranean river exit of Kuzhu Stream(mirror 100°)

照片3 H2水牯洞地下河出口Photo 3 Underground river exit of H2 Shuigu cave

照片4 安置試驗自動監測儀Photo 4 Setting automatic test monitor

表1 示蹤試驗基本情況一覽表Table 1 Basic information of tracer test

圖2 K3-1伏流洞與地下河出口(H2)示蹤試驗曲線Fig.2 Tracer test curve graph of K3-1 subterranean river cave and underground river exit(H2)

圖3 K1-13伏流洞與地下河出口(H2)示蹤試驗曲線Fig.3 Tracer test curve graph of K1-13 subterranean river cave and underground river exit(H2)

2.4 試驗結果分析

通過地面調查和示蹤試驗得知:地下河系統地跨溇水、清江分水嶺地帶,涉及地下水跨流域襲奪現象,入口位于溇水支流下坪河源頭兩分支溪溝紅巖河和苦竹溪地表水伏流洞,出口位于清江南岸支流龍王河流域上游次級支流毛家河左岸支溝,地下河的補給來源除大氣降水外,主要來源于紅巖河和苦竹溪地表水伏流補給,也解疑了水牯洞地下河地下補給面積小、出口流量大的原因。由于下坪斷裂帶延伸較遠,南西段已貫穿苦竹溪南側分水嶺,地表水伏流下滲后受區內下坪斷裂構造及張性裂隙控制,地下水沿斷裂破碎帶向NNE方向徑流,于分水嶺北側點位處受地形切割以溶洞泉形式出露。這種跨流域襲奪特點,其形成機制在于一是受侵蝕基準面制約,地下水流向總是指向最近的地表溝谷,水牯洞所處的地面高程低于紅巖河和苦竹溪200～300 m;二是受構造影響,下坪斷裂帶與區域構造線一致呈NE—SW向,貫穿了整個分水嶺地帶,那里強烈發育的構造裂隙或破碎帶,便成了介質最優的導水空間,進而形成地下河管道。根據地表分水嶺圈定的地下河匯水面積不足4 km2,但結合示蹤試驗結果最終劃定水牯洞地下河系統地表、地下總匯水面積約22 km2。

3 結語

近年來實施的“巖溶地區1∶5萬水文地質環境地質調查”主要任務之一就是查明地下河系統地下水賦存特征及地下水可利用的資源量,按地表水流域,結合地下水補逕排條件劃分地下水評價單元,并對其可有效開發利用潛力及空間分布特征進行區域性評價。本文以水牯洞地下河為例,采用水文地質測繪、示蹤試驗等綜合調查技術手段,查明了水牯洞地下河跨流域襲奪外源地表水的途徑。經分析確認,地下河出口流量大、匯水面積小的原因有二個:一是地下河跨流域地表水越流補給;二是地表分水嶺之外地下水沿斷裂遠程補給。進一步研究剖析了地下河補給徑流排泄特征,在充分考慮流域、地下水系統襲奪現象后,為下步地下水資源量的計算評價、地下河開發利用方案提供了詳實、精確的地質依據。

[1] 綦雪梅,劉世春,南鴻飛,等.應用R—C多層網絡模擬研究商丘背河洼地試區越流補給作用[J].灌溉排水學報,1987(4):6-11.

[2] 王永生.地下水越流問題初探[J].新疆水利,1994(4):20-24.

[3] 吳慈華,周寧,王小龍,等.西南巖溶地區1∶5萬水文地質環境地質調查報告(湖北:下坪幅,灣潭幅,鶴峰幅,白果坪幅)[R].武漢:湖北省地質環境總站,2016.

(責任編輯：陳姣霞)

Analysis on the Causes of Underground River Interbasin Capture and Recharge ofShuigu Cave in Southwest Hubei Province

WU Cihua
(HubeiInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeologyHubeiGeologicalBureau,Jingzhou,Hubei434020)

According to the 1∶50 000 hydrogeological investigation of karst area in southwest Hubei Province,it has been found that some underground river’s catchment areas measured by conventional methods were contradicted with its outlet flow.Taking the Shuigu Cave for an instance,based on the hydrogeological survey,tracer test and other comprehensive technique methods,a conclnsion conld be drawn that there are two main factors which cause the mistake of the under ground river outlet flow is large,however,its catchment are relatirely small,the one is interbasin recharge of surface water;the other is remote recharge through fault zone in outside surface watershed.

underwater interbasin recharge; underground water Shuigu Hole; tracer test; runoff and discharge characteristics

2016-08-29;改回日期:2016-11-07

吳慈華(1974-),男,高級工程師,水文地質與工程地質專業,從事水工環地質調查評價研究工作。E-mail:wucihua740915@163.com

P641.2

A

1671-1211(2017)02-0189-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.014

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170317.0811.004.html 數字出版日期:2017-03-17 08:11