廣西布泉地下河發(fā)育特征及連通性分析

張勤軍， 張亞年， 貝為昶

(1.廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，南寧 530007； 2.水利部長江勘測技術(shù)研究所，武漢 430000)

0 引言

西南巖溶區(qū)是全球三大連片巖溶發(fā)育區(qū)之一，面積達(dá)54萬km2，其中滇黔桂湘碳酸鹽巖出露面積達(dá)37萬km2，占該區(qū)總面積的36%[1]。南方巖溶區(qū)共分布2 836條地下河系，總長度13 919 km，總流量相當(dāng)于黃河的流量[2]。我國云南、貴州、廣西、湖南、湖北、四川、廣東和重慶等省市、自治區(qū)的巖溶地下水資源開發(fā)利用潛力為534億m3/a，現(xiàn)開采量為66億m3/a，開采潛力巨大[3]。西南巖溶地區(qū)的暖濕氣候使巖溶作用強(qiáng)烈，巖溶地下水豐富，但可開采利用的地下水卻很少[4]。此外，西南地區(qū)水土流失已引起嚴(yán)重的土地石漠化，生態(tài)環(huán)境的惡化已引起眾多學(xué)者的關(guān)注[5-6]。

巖溶地下水是生活與工農(nóng)業(yè)用水的主要來源，對巖溶水進(jìn)行勘查、開發(fā)和利用尤為重要，但不合理的巖溶水開發(fā)及利用會導(dǎo)致水量減少、水質(zhì)惡化[7-10]等問題。廣西布泉地下河為典型的緩坡樹枝型地下河，流域面積大，地下河具有管道發(fā)育復(fù)雜、水位及流量動態(tài)變化大等特點。近年來，布泉地下河流域存在干旱和內(nèi)澇等生態(tài)問題，引起當(dāng)?shù)卣母叨戎匾?，迫切需要查明該區(qū)地下河的巖溶發(fā)育規(guī)律及分布特征。黃之巍[11]利用示蹤試驗對廣西靈水泉進(jìn)行地下水連通性分析，發(fā)現(xiàn)示蹤劑濃度可反映示蹤劑在巖溶管道或巖溶裂隙中的實際運(yùn)移時間及速度,對本文具有借鑒意義。本文采用1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查、地下水水位動態(tài)長期觀測、地下水示蹤等多種手段調(diào)查布泉地下河的水文地質(zhì)條件，分析地下河不同部位地下水的動態(tài)特征及管道連通性，為布泉地下河合理開發(fā)、利用及保護(hù)提供了參考。

1 研究區(qū)概況

布泉地下河位于廣西西部隆安縣與天等縣交界處(圖1)，屬云貴高原前緣臺地向廣西盆地過渡的斜坡地帶，為典型的峰叢洼地(谷地)、峰林谷地地區(qū)。研究區(qū)地勢西北高、南東低，天等—右江地區(qū)呈三級臺階狀。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為21℃，降雨量充沛，但年內(nèi)分配不均，多年平均水面蒸發(fā)量為1 719.8 mm[12]。

布泉地下河流域大面積出露三疊紀(jì)—泥盆紀(jì)碳酸鹽巖。受氣候和新構(gòu)造運(yùn)動影響，碳酸鹽巖區(qū)巖溶發(fā)育，地表較大的巖溶形態(tài)類型主要有洼地、谷地和峰叢等，微巖溶形態(tài)類型主要有溶痕、溶溝、溶隙、石芽、天窗和溶洞等。研究區(qū)以NE向斷裂最為發(fā)育，一定程度控制了巖溶發(fā)育的方向和規(guī)模。

根據(jù)含水介質(zhì)的不同，布泉地下河流域地下水可劃分為巖溶水和基巖裂隙水兩類。巖溶水含水巖組在研究區(qū)大面積分布，主要類型為裂隙溶洞水，富水性中等—豐富； 基巖裂隙水含水巖組主要分布于北部高洲村、西部那梅屯和南西部龍布村(圖2)，富水性中等—貪乏。流域內(nèi)地下水主要接受降雨補(bǔ)給，總體由南北兩側(cè)向中部徑流，由西部向東部徑流，主要由巖溶泉排出地表，小部分由天窗、溶井、溶洞流出地表，最終由布泉地下河出口(S0643)排出系統(tǒng)外。

圖2 布泉地下河水文地質(zhì)簡圖

2 試驗方法

2.1 地下水水位動態(tài)觀測

研究區(qū)巖溶地下水枯水位埋深一般為0～80 m。共布置6處水位長觀點觀察地下水水位動態(tài)，其中3處位于峰叢、洼地和谷地地區(qū)，分別為天等縣盛典村龍洞屯天窗(S0547)、布泉鄉(xiāng)布泉村外輦屯天窗(S0644)和寧干鄉(xiāng)寧干村果吉屯溶井(S0409)，另外3處位于峰林、谷地區(qū)，分別為都康鄉(xiāng)把孔村多佑屯溶井(S0524)、馱堪鄉(xiāng)愛權(quán)村沙屯溶井(S0451) 和天等縣母村果棒屯天窗(S0563)。觀測時間為2010年11月—2011年11月，觀測水位動態(tài)如圖3所示。

(a) 天等縣盛典村龍洞屯天窗(S0547) (b) 布泉鄉(xiāng)布泉村外輦屯天窗(S0644)

(c) 寧干鄉(xiāng)寧干村果吉屯溶井(S0409) (d) 都康鄉(xiāng)把孔村多佑屯溶井(S0524)

(e) 馱堪鄉(xiāng)愛權(quán)村沙屯溶井(S0451) (f) 天等縣母村果棒屯天窗(S0563)

圖3 布泉流域長觀點地下水水位動態(tài)曲線

Fig.3 Groundwater level dynamic curves of Buquan underground river for long-time observation sites

2.2 示蹤試驗

布泉地下河的發(fā)育及展布主要受斷層控制，整體沿斷層分布，由于受次一級派生構(gòu)造影響，地下河管道局部出現(xiàn)曲折拐彎。地下河平面形態(tài)呈樹枝型，剖面形態(tài)呈階梯型。為驗證地下河支流間的連通性，分別在布泉地下河上游的教內(nèi)地下河入口(S0541)和中游的曰屯天窗(S0602)投放示蹤劑，測試下游接收點示蹤劑濃度變化，計算地下水的運(yùn)移速度。試驗原理為： 當(dāng)接收點地下水的熒光素鈉濃度>0.01×10-9，或取回水樣的示蹤劑濃度>0.05×10-9，表明已接收到示蹤劑，證明該點與投放點連通。

2.2.1 布泉地下河上游示蹤試驗

(1)試驗時間： 2011年12月20日18時25分—2012年1月4日。

(2)示蹤劑： 熒光素鈉1 kg。

(3)儀器： 熒光素示蹤儀。

(4)目的： 驗證教內(nèi)地下河入口、銳屯地下河天窗、新興屯地下河天窗、練屯溶井的連通性及地下水運(yùn)移速度。

(5)試驗段距離： 全長3.15 km。

(6)投放點、接收點簡介： 投放點為教內(nèi)地下河入口，接收點為下游銳屯地下河天窗(接收點1)、新興屯地下河天窗(接收點2)及練屯溶井(接收點3)，各接收點均通過取樣化驗確定(圖4(a))。

(a) 上游 (b) 中游

圖4 布泉地下河示蹤試驗示意圖

Fig.4 Schematic diagram of tracing tests in Buquan underground river

2.2.2 布泉地下河中游示蹤試驗

(1)試驗時間： 2011年12月14日11時10分—2012年1月9日。

(2)示蹤劑： 熒光素鈉1 kg。

(3)儀器： 熒光素示蹤儀。

(4)目的： 驗證曰屯地下河天窗、嶺烈屯地下河天窗、上買屯地下河天窗的連通性及地下水運(yùn)移速度。

(5)試驗段距離： 全長9.15 km。

(6)投放點、接收點簡介： 投放點為曰屯地下河天窗，接收點為下游的嶺烈屯地下河天窗(接收點1)和上買屯地下河天窗(接收點2)，各接收點均通過取樣化驗確定(圖4(b))。

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水水位動態(tài)觀測結(jié)果

長觀資料顯示，研究區(qū)巖溶地下水水位年變幅為1～8 m，相對于廣西其他大多數(shù)地下河，水位年變幅較小。地下河上游的龍洞屯天窗(S0547)位于高峰叢洼地區(qū)，水位年變幅較大，最高水位標(biāo)高為413.5 m(2011年10月7日)，最低水位標(biāo)高為381.18 m(2011年3月15日)，水位年變幅為32.32 m(圖3(a))。由降雨量與水位動態(tài)關(guān)系可知，觀測點可分為2類。

(1)長觀點S0547和S0644。地下水水位動態(tài)曲線總體較平穩(wěn)，僅有2個高峰，說明降雨補(bǔ)給地下水存在閾值，小降雨并不能引起地下水的有效補(bǔ)給，地下水水位基本沒有升高。降雨量>50 mm時，地下水水位明顯上升，且存在滯后效應(yīng)，表明地下水補(bǔ)給區(qū)徑流途徑較長或存在厚層包氣帶(圖3(a)、(b))。

(2)長觀點S0409、S0524、S0451和S0563。地下水水位動態(tài)曲線呈折線分布(圖3(c)、(d)、(e)、(f))，受降雨響應(yīng)明顯，且基本無滯后效應(yīng)，表明降雨可快速補(bǔ)給地下水。降雨過后，地下水水位急速下降。

3.2 示蹤試驗結(jié)果

3.2.1 布泉地下河上游示蹤試驗結(jié)果

在教內(nèi)地下河入口投放熒光素鈉，下游銳屯和新興屯2個天窗接收到熒光素數(shù)據(jù)，證明銳屯地下河天窗、新興屯地下河天窗與教內(nèi)地下河入口連通，練屯溶井未接收到數(shù)據(jù)，證明練屯溶井與教內(nèi)地下河入口不連通。根據(jù)接收到數(shù)據(jù)的2個天窗的基本特征，利用示蹤試驗計算水力坡度及地下水平均流速，結(jié)果如表1所示。

表1 布泉地下河上游及中游地下水流速計算結(jié)果

示蹤劑經(jīng)2 d后到達(dá)銳屯天窗，熒光素鈉濃度從初始值到峰值共經(jīng)歷3 d，經(jīng)約3 d到達(dá)新興屯天窗，熒光素鈉濃度從初始值到峰值共經(jīng)歷約7 d(圖5(a))。該段地下河地下水平均流速為1 166 m/d，接收到示蹤劑所經(jīng)歷的時間較短，說明布泉地下河地下水水量較大，流速較快，與實地考察結(jié)果一致。試驗結(jié)果表明，教內(nèi)地下河入口與銳屯天窗、新興屯天窗連通，練屯溶井位于布泉地下河其他管道上。

(a) 上游 (b) 中游

圖5 布泉地下河各接收點示蹤劑濃度曲線

Fig.5 Tracer concentration curves of each receiver in Buquan underground river

3.2.2 布泉地下河中游示蹤試驗結(jié)果

在曰屯地下河天窗內(nèi)投放熒光素鈉，下游嶺烈屯地下河天窗和上買屯地下河天窗均接收到熒光素數(shù)據(jù)。根據(jù)3個天窗的基本特征及試驗所得基本參數(shù)計算水力坡度及地下水平均流速，結(jié)果如表1所示。示蹤劑經(jīng)82.29 h后到達(dá)嶺烈屯天窗(接收點1)，熒光素鈉濃度從初始值到峰值共經(jīng)歷15.5 h; 經(jīng)約5 d到達(dá)上買屯天窗(接收點2)，熒光素鈉濃度從初始值到峰值共經(jīng)歷約2 d(圖5(b))。曰屯天窗至上買屯天窗段地下河地下水平均流速為1 079 m/d，接收到示蹤劑所經(jīng)歷的時間較短，說明布泉地下河地下水水量較大，流速較快，與實地考察結(jié)果一致。試驗結(jié)果表明，曰屯地下河天窗與嶺烈屯地下河天窗、上買屯地下河天窗連通。

需要說明的是，本次地下水動態(tài)長觀試驗點主要為天窗和溶井等天然水點，而無機(jī)井等人工揭露地下水點的試驗數(shù)量和種類相對不足，對地下河管道之外的水位動態(tài)數(shù)據(jù)獲取較少。另外，在進(jìn)行示蹤試驗時，熒光素鈉的投放量偏少，僅獲得地下河上游及中游的數(shù)據(jù)，未能獲得整條地下河管道的全部數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

(1)廣西布泉流域地表和地下巖溶發(fā)育，地表較大的巖溶形態(tài)類型主要有洼地、谷地和峰叢等，微巖溶形態(tài)類型主要有溶痕、溶溝、溶隙、石芽、天窗和溶洞等。地下河管道發(fā)育，主要沿斷層展布，平面形態(tài)呈樹枝型，剖面形態(tài)呈階梯型。

(2)廣西布泉流域巖溶水呈極不均勻的管道線狀分布，巖溶發(fā)育空間各向異性強(qiáng)。地下河中下游管道的地下水水位動態(tài)對降雨的響應(yīng)滯后，上游管道及遠(yuǎn)離管道區(qū)的地下水水位動態(tài)對降雨的響應(yīng)敏感。

(3)廣西布泉地下河上游和中游地下水平均流速分別為1 166 m/d和1 079 m/d，地下水總體徑流速度較快，上游地下水的水力坡度大于中游。地下河上游管道分支較多，地下水連通性較復(fù)雜，中游主管道明顯，連通性較好。