川南敘大鐵路沿線巖溶區(qū)伏流、暗河對比分析

范辰辰，許 模，王 梅，趙 瑞，葉 咸，夏雪萍

（1.成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，成都610059；2.四川省蜀通巖土工程公司，成都610000）

伏流與暗河是巖溶地區(qū)的重要水資源。地表河潛入地下后的形態(tài)一般被稱為伏流，常形成于地殼上升，河流下切，河床縱坡降較大的地方，在深切峽谷兩岸及河谷的上源伏流分布尤為顯著[1]。暗河是由地下水匯集而成的地下河道，具有一定范圍的匯水區(qū)域，雖有出口，但無明顯入口[2]。通常我們將伏流和暗河均視為相同的巖溶形態(tài)，但事實上，他們的差異性是不容忽視的，與我們生產(chǎn)生活之間的相互關系也不盡相同。本文依托地方鐵路——敘大線，對沿線四川盆地的巖溶地下暗河和伏流進行對比分析。

1 工程概況與區(qū)域地質背景

敘大線鐵路起于敘永，止于古藺縣大村鎮(zhèn)，是一條地方運輸鐵路線。位于古藺河南岸，沿線通過碳酸鹽巖地段長約32.79km，占線路總長的38.40%。涉及到眾多巖溶形態(tài)和豐富的巖溶地下水，沿線共發(fā)現(xiàn)暗河24條，伏流14條，總長度超過120km，集水面積達480km2，總流量超過7 300L／s，影響鐵路工程設計與施工安全。同時，線路的施工也會打破該地區(qū)地下水生態(tài)環(huán)境平衡。線路隸屬川南重鎮(zhèn)瀘州市的敘永、古藺縣境內(nèi)，全長85.39km。線路涉及區(qū)屬中亞熱帶季風氣候。兩縣年平均氣溫17.8℃，降雨量集中在5—9月。本區(qū)主要為低中山地貌，總體北低南東高，山體多東西走向，與構造線基本一致，高差懸殊，海拔高程350～2 000m，相對高差200～700m[3]。區(qū)內(nèi)水系較發(fā)育，以古藺縣箭竹坪一帶為分水嶺，箭竹坪以西為永寧河水系，以東為赤水河水系。主要河流有南門河、東門河、冷水河、古藺河等。溪溝發(fā)育，呈樹枝狀展布，地下暗河與地表水相互貫通，河床縱坡陡，水流湍急。本區(qū)地層除第三系、石炭系、泥盆系缺失外，從侏羅系沙溪廟至奧陶系湄潭組均有出露。構造上屬川南山字型構造影響范圍，主要格局為以古藺復式背斜為總體，呈近東西展布、向南突出的弧形褶皺。

2 巖溶水文地質條件

研究區(qū)位于四川盆地南緣山地與云貴高原過渡帶[4]。區(qū)內(nèi)可溶巖層位眾多，其中茅口組灰?guī)r巖溶最發(fā)育，嘉陵江組、棲霞組次之，雷口坡組、奧陶系中上統(tǒng)稍弱。在大片裸露的質純、層厚的碳酸鹽巖地區(qū)，巖溶發(fā)育強烈，有利于大氣降水及地表水的補給[5]。巖溶水運動與循環(huán)受構造條件和水文網(wǎng)的控制，多分布在橫切河溪地區(qū)，以縱向徑流為主，橫向徑流為輔。隧址區(qū)北西部為巖溶槽型寬谷地貌，南東部則以巖溶山地為主。谷深坡陡，灰?guī)r地區(qū)巖溶地貌顯著，表面溶蝕嚴重，多石林、石柱等典型灰?guī)r地貌特征，且溶蝕洼地，溶洞較多，水體交替循環(huán)加劇后，多形成較大規(guī)模的巖溶大泉及地下管道[6]。明流、暗流交替出現(xiàn)，彼此相依共存，向河谷岸邊及低洼地匯集，集中排泄（圖1）。

圖1 研究區(qū)地下河分布平面圖

3 研究區(qū)內(nèi)伏流、暗河對比分析

伏流與暗河同為地下暗流，但實質上兩者具有顯著差別。我們將河流由地表轉入地下，從地下又復出地表的獨特形態(tài)定義為伏流。通常包含進出口、伏流洞及上覆山體（天生橋）3個部分[7]，如圖2所示；而暗河是由地下水文網(wǎng)匯集而成的地下河道，它具有一定范圍的地下匯水流域，即是說，暗河雖有出口，但無入口[8－10]，如圖3所示。

圖2 伏流示意圖

圖3 暗河示意圖

在此，從兩者發(fā)育的高程、地質條件、水系、水化學特征、空間展布5個方面對其分別進行統(tǒng)計分析[11]，詳細論述伏流和暗河的區(qū)別。

3.1 出口高程

伏流和暗河兩者出口高程值的差異性，以及與地表水系之間的垂直高程差的差異性是由多方面因素造成的，主要包括：地形地貌、地質構造、河流下切與地殼抬升速度關系等。在此，首先對本地區(qū)兩者的出口高程數(shù)據(jù)分別進行統(tǒng)計分析：該地區(qū)伏流出口高程均值507.6m，其中最大值為696m，最小值為404m；暗河出口高程均值705m，其中最大值為1 116m，最小值為398m。兩者均分布于河流兩岸附近，伏流出口高程距離最近的地表主水體的平均高程為221.6m，暗河139.4m。由此可見，該地區(qū)伏流出口位置高程值較一致，且遠離地表水體，而暗河則分布不均，高程分布范圍更廣，更貼近地表水體。從統(tǒng)計結果看來，兩者出口高程主要集中在三個范圍值，分別為520m，730m，950m，這和該地區(qū)挽近構造運動大面積上升的同時，間有短暫間歇緊密相關。

3.2 地質條件

地質構造與巖溶的發(fā)育強度及方向有著十分密切的關系，如地層的展布、產(chǎn)狀，斷裂的發(fā)育程度、方向、充填程度等控制了地下水的運動方向和地下水動態(tài)，從而也就決定了巖溶發(fā)育的強度、方向、規(guī)模大小及巖溶形態(tài)等[12]。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育可溶巖的層位較多且面積廣泛，但伏流和暗河均只發(fā)育于三疊系嘉陵江、雷口坡和二疊系陽新組中。據(jù)統(tǒng)計，在該地區(qū)兩者主要分布于P1y地層中，其次為嘉陵江組，雷口坡組內(nèi)不發(fā)育，這也與該地區(qū)巖溶發(fā)育狀況程度相吻合。但也由此可見，古敘地區(qū)地層巖性對伏流、暗河發(fā)育的影響程度大致相同，兩者無顯著差別（圖4）。

作為排泄點的伏流、暗河，出口常發(fā)育在靠近排泄基準面附近，是在一個相對較長的地殼穩(wěn)定時期由于巖溶作用形成的。區(qū)域地質構造控制了碳酸鹽巖的分布和巖溶發(fā)育的強度及方向，從而控制地下河的發(fā)育分布情況。不同的構造形態(tài)將產(chǎn)生構造裂隙，這類裂隙是地下水活動的場所，是地下河發(fā)育的原始通道，控制地下河展布、徑流方向[13]。地質構造對地下河的控制包括以下四類：背斜、向斜、斷裂及單斜地層。據(jù)本次調(diào)查，地下河系統(tǒng)集中分布在梯子巖背斜和柏楊林背斜附近，其余部位均較為分散。統(tǒng)計結果顯示，影響伏流、暗河發(fā)育的主導因素均為背斜，其余依次為向斜、斷層和單斜構造。但相比之下，伏流受背斜控制的影響作用更明顯，有半數(shù)發(fā)育于背斜核部，而暗河受各構造因素影響程度較為平均，且從發(fā)育總數(shù)看來，遠大于伏流。由此推測，伏流發(fā)育的構造條件相比暗河更為苛刻，裂隙管道發(fā)育不充分的地方不利于伏流的出現(xiàn)，但暗河卻更容易成為可溶巖地區(qū)的一種地下水的主要排泄方式。故構造作用對伏流、暗河的發(fā)育展布起到了較為顯著的作用，見圖4。

圖4 伏流、暗河數(shù)量與地層、構造關系

3.3 水 系

各類水體經(jīng)下滲成為地下水后通常會匯聚并集中排泄，從而形成了伏流和暗河，其排泄口通常都發(fā)育在區(qū)域最低排泄基準面附近，故水系也是影響伏流暗河出露的重要因素。在此選擇以二、三級水系為基準，探討伏流和暗河的異同。據(jù)此次調(diào)查，南門河水系內(nèi)無地下河發(fā)育，而主要集中于東門河、古藺河以及丹桂河水系中。但由于研究區(qū)范圍內(nèi)不同水系涵蓋的可溶巖范圍相差甚遠，故在此選用地下河發(fā)育密度指標（s）為衡量標準，分析兩者在不同水系中的分布情況。其定義是，碳酸鹽巖單位面積上地下河發(fā)育的條數(shù)，為便于計算采用10km2的碳酸鹽巖出露面積為標準[14]，公式如下：

式中：S——某一地區(qū)地下河總條數(shù)（條）；A——碳酸鹽巖出露面積（10km2）。

經(jīng)計算，丹桂河水系中伏流發(fā)育密度最大，占絕對優(yōu)勢。而暗河在三個水系中所占比例相當，東門河內(nèi)的密度略大于其余兩條水系。分析認為，由于不同地形地貌直接控制著地下水的水動力特征，制約著巖溶作用的強度，使其在不同的地形部位形成不同的巖溶形態(tài)。而丹桂河水系的侵蝕基準面最低，其范圍內(nèi)地形高差大，坡度陡，推測該地區(qū)河流下切速度較快，地表水主要順溝渠排泄，后沿洞穴通道及溶蝕裂隙進入地下，集中溶蝕顯著，故伏流發(fā)育更充分。而其他區(qū)域地形低洼，坡度平緩，地下水以水平運動為主，面狀溶蝕占主導地位，故暗河發(fā)育充分[15]。具體發(fā)育密度見表1。

表1 伏流、暗河發(fā)育所處水系統(tǒng)計

3.4 水化學和同位素特征

由伏流和暗河的定義可知，兩者之間最根本的差別在于：暗河為面狀補給，無明顯的進水口，伏流則為溝渠集中補給，有明顯的線狀補給端。不同的補給方式也決定了伏流和暗河的水化學特征的不同。故在此選取了該地區(qū)7組暗河，5組伏流進行水化學簡分析；另選2組暗河，4組伏流進行2H（D）、18O同位素分析測試。具體測試結果分析如下：

整體看來，測試水樣中，伏流和暗河的陽離子均主要以Ca2＋為主，Na＋、Mg2＋次之，K＋最少。但陰離子組成方面，伏流主要以HCO－3和SO2－4為主，Cl－最少；暗河主要以HCO－3為主，僅一組水樣呈SO4－Ca型。但該點礦化度為所有水樣中最大，達722mg／l，pH＝4.5也為所有水樣中最低。故推測該點出現(xiàn)SO2－4含量偏高，較低pH值和較高礦化度值是受到附近璜廠排放出含SO2－4離子廢水的影響。綜上分析，該地區(qū)地下水水化學類型主要為HCO3·SO4－Ca型水，為典型的巖溶地區(qū)地下水類型。圖5反映出研究區(qū)域內(nèi)地下水的循環(huán)交替條件較好，得到大氣降水補給的同時也得到其它水源的混合補給，地下水徑流途徑較長，巖石介質對于地下水化學類型的改造作用較為明顯，礦化程度普遍較高。

圖5 伏流、暗河水化學分區(qū)

4組伏流出口的水化學數(shù)據(jù)分析顯示，U05、U15、U36的SIC、SID和SIG值均小于0，可見其徑流途徑通暢，水巖作用不充分。唯一存在U31的SIC、SID和SIG值大于0，但分析此伏流入口補給水源U38的化學成分可知，雖然U31的溶解度幾乎達到飽和，但完全是因為補給伏流的水源本身就已達到飽和，且出入口的數(shù)據(jù)極其接近，也可說明伏流本身的水巖作用時間不長，物質成分交替程度不夠，水體基本保持了入口端原有的化學性質。

7組暗河水化學結果則一致表明，大多數(shù)暗河出口處水體的溶解度都已達到飽和狀態(tài)，且礦化度基本為250～400mg／L，可見其徑流途徑一般通暢，水巖作用時間較長。由此可見，伏流相較暗河而言，更多地保持了補給水源的性質，徑流途中與巖體之間的相互作用較弱，徑流途徑更加通暢、迅速，如表2所示。

表2 研究區(qū)地下水水樣飽和指數(shù)表

3.5 空間展布特征

地下河空間展布與區(qū)域環(huán)境有關，是地層巖性、地質構造、水系、氣溫及降雨等因素綜合作用的結果。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及分析，雖然古敘地區(qū)伏流和暗河的平面展布情況類似，但縱向發(fā)育卻呈現(xiàn)出明顯的差異性。通過對6條伏流、11條暗河的發(fā)育長度和進出口高差計算后可知，研究區(qū)內(nèi)伏流的地下徑流管道的平均斜率僅為0.078，相較暗河0.134的斜率而言其值僅為暗河的2／3[16]。由此說明該地區(qū)伏流在地下的展布，相比暗河縱坡降更小，水流更平緩，如表3所示。

4 結論

川南古敘巖溶地區(qū)伏流所處高程較集中，對比暗河，出口位置相對于地表水體也更高，而暗河出口高程分布散亂，距離地表水體更近；地下暗流主要分布在二疊系茅口組灰?guī)r中，與該地區(qū)地層巖溶發(fā)育程度基本一致；從構造的角度可知，伏流分布更為集中，而暗河則相對均勻，且數(shù)量更多，由此推測伏流發(fā)育的條件更加嚴格；水系方面，伏流發(fā)育的地區(qū)山體較為陡峭，地表水主要以溝渠形式排泄，而暗河所屬地區(qū)山體更平緩，水體以面狀下滲溶蝕為主；又經(jīng)水化學和同位素檢測，伏流徑流通道更通暢，水巖作用不如暗河充分；最后通過計算兩者垂向發(fā)育斜率，推測該地區(qū)伏流的地下管道更為平緩，縱坡降小于暗河。

川南古敘地區(qū)巖溶水資源相當豐富，對于該地區(qū)出現(xiàn)的暗河和伏流，附近村民多是放任自流，排入河中，未加利用，遠未發(fā)揮其應有的經(jīng)濟價值[17－20]。若能在掌握二者特性的基礎上合理充分應用繼而開展專水專用，將能更有效地提高巖溶水資源的利用率。

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