鄂西南水牯洞地下河越流襲奪補(bǔ)給成因分析

吳慈華

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

鄂西南水牯洞地下河越流襲奪補(bǔ)給成因分析

吳慈華

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

通過(guò)近年來(lái)實(shí)施的鄂西南巖溶地區(qū)1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)一些地下河按常規(guī)確定的匯水面積與其出口流量不適應(yīng)的情況,以水牯洞地下河為例,采用水文地質(zhì)測(cè)繪、示蹤試驗(yàn)等綜合調(diào)查技術(shù)手段,經(jīng)分析確認(rèn),地下河出口流量大、匯水面積小的原因有二個(gè):一是地表水跨流域越流補(bǔ)給,二是地表分水嶺之外地下水沿?cái)嗔堰h(yuǎn)程補(bǔ)給。

地下水越流補(bǔ)給;水牯洞地下河;示蹤試驗(yàn);補(bǔ)徑排特征

地下水越流補(bǔ)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(kāi)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(guò)非含水層向取水含水層補(bǔ)給。對(duì)地下水越流補(bǔ)給的研究國(guó)內(nèi)外諸多文獻(xiàn)均有記錄,以地下水的開(kāi)采和含水層越流形式研究居多,如中國(guó)北方平原地區(qū),農(nóng)田灌排中涉及的含水層,常常是有越流現(xiàn)象的三層結(jié)構(gòu)含水地層,當(dāng)處于非開(kāi)采的天然滲流狀態(tài)時(shí),第Ⅲ含水層水頭高于第Ⅰ含水層水位。進(jìn)入開(kāi)采狀態(tài)后則相反[1]。由于含水層的形成條件和補(bǔ)給來(lái)源的不同,以及開(kāi)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(guò)弱透水層對(duì)下部承壓含水層的越流補(bǔ)給,承壓含水層對(duì)上部潛水含水層的越流補(bǔ)給。這兩種越流補(bǔ)給形式是可以互相轉(zhuǎn)換的,在人類活動(dòng)影響下可改變其越流補(bǔ)給的關(guān)系[2]。而在鄂西南巖溶石山地區(qū),地下河越流襲奪補(bǔ)給具有的跨流域襲奪特點(diǎn)主要是受侵蝕基準(zhǔn)面制約及構(gòu)造斷裂帶貫穿整個(gè)分水嶺形成導(dǎo)水通道的影響,是地下水越流補(bǔ)給中的一個(gè)特例。本文以水牯洞地下河為例進(jìn)行地下河巖溶水系統(tǒng)及其補(bǔ)給關(guān)系分析,查明了地下河系統(tǒng)的邊界條件,研究剖析地下河補(bǔ)給徑流排泄特征,將為下步地下水系統(tǒng)的劃分、資源量的計(jì)算評(píng)價(jià)、地下河開(kāi)發(fā)利用方案提供詳實(shí)、精確的地質(zhì)依據(jù)。

1 水牯洞地下河系統(tǒng)基本特征

1.1 地質(zhì)背景條件

地下河系統(tǒng)位于鶴峰縣鄔陽(yáng)鄉(xiāng)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(duì)高差500～800 m。地表溪溝總體發(fā)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(jié)性沖溝,橫斷面多呈“V”形,河床狹窄,縱坡降一般為15%,兩側(cè)斜坡坡度可達(dá)35°～40°。出口處出露奧陶系下統(tǒng)(O1)中厚—厚層狀泥晶灰?guī)r與白云質(zhì)灰?guī)r互層,局部夾泥質(zhì)及粉砂質(zhì)結(jié)核,地層產(chǎn)狀為315°∠36°。區(qū)域構(gòu)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(gè)背斜核部,區(qū)內(nèi)斷裂形態(tài)表現(xiàn)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(qū)域受構(gòu)造影響,張裂隙發(fā)育,地下河系統(tǒng)即位于下坪斷裂帶上盤(pán)。

1.2 地下河管道分布發(fā)育特征

根據(jù)地面調(diào)查初步分析可知,水牯洞地下河系統(tǒng)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(zhǎng)度2.9 km。系統(tǒng)邊界清楚,東、西、南三面碎屑巖圈閉,北側(cè)以毛家河深切溝谷為界,其間構(gòu)成一個(gè)封閉的完整的水文地質(zhì)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(bǔ)給,降水及淺層地下水進(jìn)入地下后,受層間裂隙控制發(fā)育形成的溶隙流沿下坪斷裂形成富水帶,由SW向NE運(yùn)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(jí)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(fā)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(dāng)?shù)厮追Q“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(diào)查時(shí)實(shí)測(cè)流量453.45 L/s,2015年1月15日枯季測(cè)流為386.0 L/s。訪問(wèn)流量受降雨影響,動(dòng)態(tài)變化明顯,豐水期雨后流量可達(dá)1 m3/s左右,水中夾雜粘土和砂礫,水質(zhì)渾濁(圖1)。

圖1 水牯洞地下河系統(tǒng)(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(bǔ)給范圍;4.地表常年性溪流;5.季節(jié)性溪溝;6.逆斷層;7.性質(zhì)不明斷層;8.地層界線及代號(hào)。

2 水牯洞地下河系統(tǒng)示蹤試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

根據(jù)出口流量調(diào)查和圖面分析,水牯洞地下河匯水面積不足4 km2(按常規(guī)確定),最枯流量卻達(dá)386 L/s,補(bǔ)給面積與其出口流量明顯不對(duì)應(yīng),即出口流量大、匯水面積小。因此,為查明地下河系統(tǒng)的邊界條件,筆者進(jìn)行了溯源追蹤調(diào)查,發(fā)現(xiàn)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(qū)進(jìn)入碳酸鹽巖區(qū)域時(shí)均通過(guò)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(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)野外調(diào)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(diǎn),于水牯洞地下河出口作為接收點(diǎn)開(kāi)展示蹤試驗(yàn):一是準(zhǔn)確查明地下河系統(tǒng)的匯水范圍內(nèi)有無(wú)地表水跨流域越流補(bǔ)給現(xiàn)象;二是通過(guò)示蹤試驗(yàn)進(jìn)一步揭示該巖溶水系統(tǒng)不同部位含水介質(zhì)的導(dǎo)水性能和管道連通情況。本次試驗(yàn)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(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)(照片3、4),試驗(yàn)基本情況一覽表見(jiàn)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(yàn)結(jié)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(duì)稱,示蹤劑濃度上升翼比下降翼稍陡,初顯—峰值—恢復(fù)過(guò)程時(shí)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(jù)示蹤劑濃度曲線可以計(jì)算得到K3-1、K1-13伏流點(diǎn)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(yàn)結(jié)果表明K3-1、K1-13伏流點(diǎn)與地下河出口(H2)之間存在較好的水力聯(lián)系,含水介質(zhì)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(yàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀Photo 4 Setting automatic test monitor

表1 示蹤試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)曲線Fig.3 Tracer test curve graph of K1-13 subterranean river cave and underground river exit(H2)

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)地面調(diào)查和示蹤試驗(yàn)得知:地下河系統(tǒng)地跨溇水、清江分水嶺地帶,涉及地下水跨流域襲奪現(xiàn)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(jí)支流毛家河左岸支溝,地下河的補(bǔ)給來(lái)源除大氣降水外,主要來(lái)源于紅巖河和苦竹溪地表水伏流補(bǔ)給,也解疑了水牯洞地下河地下補(bǔ)給面積小、出口流量大的原因。由于下坪斷裂帶延伸較遠(yuǎn),南西段已貫穿苦竹溪南側(cè)分水嶺,地表水伏流下滲后受區(qū)內(nèi)下坪斷裂構(gòu)造及張性裂隙控制,地下水沿?cái)嗔哑扑閹騈NE方向徑流,于分水嶺北側(cè)點(diǎn)位處受地形切割以溶洞泉形式出露。這種跨流域襲奪特點(diǎn),其形成機(jī)制在于一是受侵蝕基準(zhǔn)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(gòu)造影響,下坪斷裂帶與區(qū)域構(gòu)造線一致呈NE—SW向,貫穿了整個(gè)分水嶺地帶,那里強(qiáng)烈發(fā)育的構(gòu)造裂隙或破碎帶,便成了介質(zhì)最優(yōu)的導(dǎo)水空間,進(jìn)而形成地下河管道。根據(jù)地表分水嶺圈定的地下河匯水面積不足4 km2,但結(jié)合示蹤試驗(yàn)結(jié)果最終劃定水牯洞地下河系統(tǒng)地表、地下總匯水面積約22 km2。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)實(shí)施的“巖溶地區(qū)1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”主要任務(wù)之一就是查明地下河系統(tǒng)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(jié)合地下水補(bǔ)逕排條件劃分地下水評(píng)價(jià)單元,并對(duì)其可有效開(kāi)發(fā)利用潛力及空間分布特征進(jìn)行區(qū)域性評(píng)價(jià)。本文以水牯洞地下河為例,采用水文地質(zhì)測(cè)繪、示蹤試驗(yàn)等綜合調(diào)查技術(shù)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(jīng)分析確認(rèn),地下河出口流量大、匯水面積小的原因有二個(gè):一是地下河跨流域地表水越流補(bǔ)給;二是地表分水嶺之外地下水沿?cái)嗔堰h(yuǎn)程補(bǔ)給。進(jìn)一步研究剖析了地下河補(bǔ)給徑流排泄特征,在充分考慮流域、地下水系統(tǒng)襲奪現(xiàn)象后,為下步地下水資源量的計(jì)算評(píng)價(jià)、地下河開(kāi)發(fā)利用方案提供了詳實(shí)、精確的地質(zhì)依據(jù)。

[1] 綦雪梅,劉世春,南鴻飛,等.應(yīng)用R—C多層網(wǎng)絡(luò)模擬研究商丘背河洼地試區(qū)越流補(bǔ)給作用[J].灌溉排水學(xué)報(bào),1987(4):6-11.

[2] 王永生.地下水越流問(wèn)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(qū)1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查報(bào)告(湖北:下坪幅,灣潭幅,鶴峰幅,白果坪幅)[R].武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,2016.

(責(zé)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(jí)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(píng)價(jià)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(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170317.0811.004.html 數(shù)字出版日期:2017-03-17 08:11