云南鶴慶縣蝙蝠洞泉流量衰減分析

茅偉績，王錦國

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100)

0 引言

我國南方巖溶地區(qū)地表巖溶發(fā)育，大量的大氣降水和地表水通過這些巖溶滲入地下轉(zhuǎn)化為地下水，在由孔洞、裂隙、管道等組成的地下巖溶結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)存、排泄[1-2]。然而由于巖溶系統(tǒng)的復(fù)雜性，我們對(duì)地下水系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺少直觀了解，泉流量衰減曲線分析可能是目前認(rèn)識(shí)巖溶含水層內(nèi)部水文地質(zhì)特征的一種較為行之有效的方法，被廣泛應(yīng)用于推求巖溶含水層水文地質(zhì)參數(shù)的工作中。但是該方法依然還存在著一定的問題：例如，建立在等效多孔介質(zhì)含水層解析解基礎(chǔ)之上的巖溶泉流量衰減曲線模型所獲取的水文地質(zhì)參數(shù)可靠性不強(qiáng)、不能有效排除巖溶含水層上部垂直入滲帶及其頂部表層巖溶帶溢流對(duì)巖溶泉流量衰減曲線的影響等[3-4]。

1 泉水特征

蝙蝠洞巖溶泉位于云南省麗江市鶴慶縣西南部。海拔約為2 343m。該地區(qū)年平均氣溫13.5℃，年溫差較小，但晝夜溫差較大，干濕季分明，年降水量約1 000mm，其中雨季降水量約占年降水量的90%～95%，屬于典型的典型的低緯度高原季風(fēng)氣候。

蝙蝠洞巖溶泉位于鶴慶西山巖溶水系統(tǒng)的VI子系統(tǒng)。鶴慶西山巖溶水系統(tǒng)位于鶴慶西山東側(cè)，控制邊界大致以鶴慶西山的地形分水嶺為邊界。該區(qū)構(gòu)造以斷裂為主，近東西向的斷裂將區(qū)內(nèi)巖溶化巖層分隔成眾多條塊狀，斷層及侵入巖與不可巖溶化砂泥巖將各條塊間分隔，使得巖溶子系統(tǒng)之間的水力聯(lián)系變?nèi)?，巖溶呈十分明顯的方向性發(fā)育，發(fā)育方向均為近西東方向。

VI子系統(tǒng)位于鶴慶西山巖溶水系統(tǒng)的最南端(圖1)。西北側(cè)的隔水邊界為由非巖溶化的松桂組、中俄組砂泥巖組成的北北東軸向斜的東翼。東南側(cè)邊界為鶴慶-洱源斷裂，斷裂東部為非巖溶化的松桂組以及第四系黏土、砂礫石。子系統(tǒng)的隔水邊界相對(duì)清晰，系統(tǒng)內(nèi)的水循環(huán)相對(duì)獨(dú)立。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)Figure 1 Geological map of study area

區(qū)域內(nèi)海拔2 280～2 850m,整體為西高東低。主要出露中三疊統(tǒng)北衙組，上段巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，下段巖性為泥質(zhì)條帶灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r。系統(tǒng)內(nèi)巖溶洼地及落水洞等發(fā)育，可以推測：系統(tǒng)內(nèi)巖溶含水介質(zhì)中存在大量的巖溶管道及巖溶裂隙儲(chǔ)存、運(yùn)移、排泄地下水。

蝙蝠洞泉水出露點(diǎn)位于子系統(tǒng)內(nèi)北衙組灰?guī)r與系統(tǒng)外第四系的交界處，是鶴慶-洱源斷裂造成的隔水邊界處的斷層型下降泉。觀測到的排泄點(diǎn)位于海拔2 243m的水平巖溶洞穴中，流量變化巨大，雨季流量可達(dá)125L/s,旱季流量幾乎為零；降雨后泉流量響應(yīng)迅速，暴降雨后平均流量響應(yīng)滯后不超過12h，按照流量動(dòng)態(tài)及泉口形態(tài)劃分應(yīng)屬于季節(jié)性的溶洞泉?？梢酝茰y泉域內(nèi)的降水通過巖溶洼地、落水洞等發(fā)育的地表巖溶入滲，經(jīng)由巖溶管道、裂隙等向地勢較低的方向運(yùn)移，在鶴慶-洱源斷裂處被第四系隔水層阻隔溢出形成蝙蝠洞泉。

2 研究方法

2.1 降雨及泉流量的測量

水文氣象觀測裝置為便攜式自動(dòng)氣象站，雨量分辨率為0.2mm，校準(zhǔn)精度±1.0%。蝙蝠洞巖溶泉排泄口測量點(diǎn)位于蝙蝠洞溶洞的出口處，量水堰的下游是公路下的排水口：該處天然具有量水堰設(shè)計(jì)所需要的沉砂池和引水池。在天然的兩池之間修建有三角堰，通過無線通訊傳輸數(shù)據(jù)。

經(jīng)測量計(jì)算堰上水頭的初始流量Q初始=1.287L/s。

2.2 巖溶泉流量衰減分析

由于相對(duì)清晰的隔水邊界，蝙蝠洞對(duì)應(yīng)的巖溶子系統(tǒng)可視為補(bǔ)給僅受大氣降水影響的封閉巖溶含水體。滇中短時(shí)間集中降雨的水文氣象特征導(dǎo)致易出現(xiàn)暴雨事件后一定時(shí)間內(nèi)無有效降雨：在這種情況下，巖溶地下水排泄動(dòng)態(tài)(這里主要表征為泉流量的衰減曲線)可以較為直觀地反映出巖溶含水介質(zhì)的儲(chǔ)水空間結(jié)構(gòu)特征。

指數(shù)衰減分析方法認(rèn)為泉流量的衰減曲線服從指數(shù)衰減過程，該指數(shù)衰減過程與簡單線性水箱的退水過程一致，泉流量衰減曲線可用以下公式形式表示{5-6}：

Q(t)=Q0e-αt

(1)

式中：α為指數(shù)衰減系數(shù);Q0為初始流量，L/s。

當(dāng)將衰減曲線繪制于圖上時(shí)，衰減曲線呈一條直線，該直線的斜率即為指數(shù)衰減系數(shù)α。該衰減系數(shù)與泉流量和衰減時(shí)間無關(guān)，僅取決于含水層的內(nèi)部性質(zhì)，因此可用于認(rèn)識(shí)或比對(duì)不同的巖溶含水層內(nèi)部特征。

然而，這種單一的線性水箱模型僅適用于解釋一些簡單泉流量衰減曲線，而很多實(shí)際的巖溶泉流量衰減曲線可能包含若干個(gè)指數(shù)衰減部分[7-9]。即在流量的衰減過程中，含水介質(zhì)中不同級(jí)次尺寸儲(chǔ)水空間中水流的排泄具有不同的衰減系數(shù)，并且亞動(dòng)態(tài)具有疊加性[10-12]。目前應(yīng)用較多的是由三段指數(shù)方程曲線組成的含水層衰減方程：

(2)

式中Qi為每個(gè)不同級(jí)次尺寸儲(chǔ)水空間的初始衰減流量，L/s;αi為每個(gè)儲(chǔ)水空間的指數(shù)衰減系數(shù)。

一般認(rèn)為模型中衰減系數(shù)最大的指數(shù)衰減段為巖溶含水層中管道的排水過程，衰減系數(shù)最小的指數(shù)衰減段代表微小裂隙的排水過程。而衰減系數(shù)居中的指數(shù)衰減段代表居于管道和微小裂隙之間的巖溶裂隙的排水過程。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水特征

檢測裝置自2017年5月18日起開始對(duì)日降雨量進(jìn)行監(jiān)測(圖2)。結(jié)果顯示研究區(qū)的降水在時(shí)間上的分布非常集中。據(jù)統(tǒng)計(jì)2017年的實(shí)測降雨量為826mm。6-9月為雨季，降水量約為全年的92%，10月-次年5月為干季僅有一次較為有效的降雨。雨季內(nèi)有5次大雨和暴雨事件，分別2017年的7月9日、8月1日、8月15 日、8月29 日和9月28日發(fā)生。這五次強(qiáng)降雨事件降雨總量為316.5mm，降雨量占比為全年的38.3%。

圖2 降雨時(shí)段泉流量響應(yīng)Figure 2 Rainfall period spring flow respondence

3.2 蝙蝠洞泉流量對(duì)降雨事件的響應(yīng)

蝙蝠洞泉流量對(duì)降雨事件特別是強(qiáng)降雨時(shí)間響應(yīng)非常迅速，泉流量曲線隨著暴雨事件的發(fā)生突然上漲而后又迅速下落，呈顯著不對(duì)稱尖峰形；而在干季泉流量則非常地低，并且隨著干旱時(shí)間的持續(xù)緩慢降低：這是典型的南方巖溶水動(dòng)態(tài)特征。依據(jù)巖溶地下水動(dòng)態(tài)曲線線型分析方法，可以推斷蝙蝠洞泉地下水系統(tǒng)巖溶非常發(fā)育、巖溶裂隙管道相對(duì)于地下水位高程偏高。

3.3 暴雨事件后的流量衰減曲線

2017年9月18日，研究區(qū)發(fā)生強(qiáng)降雨，這是該年雨季最后一次強(qiáng)降雨。這次強(qiáng)降雨時(shí)間后研究區(qū)進(jìn)入旱季，并在接下來的120d內(nèi)都未能形成有效的降雨時(shí)間。因此我們選取該流量過程作為雨季時(shí)的指數(shù)函數(shù)泉流量衰減分析,將相關(guān)參數(shù)代入(2)，可得出圖3a。

圖3 泉流量衰減曲線擬合Figure 3 Spring flow attenuation curves fitting

從圖3a可以得到：α1=0.411 8;α2=0.088 91;α3=0.007 42 ;Q1=79.52;Q2=15.01;Q3=6.397；R2=0.997 1。其中α1，Q1；α2，Q2；α3，Q3分別代表了巖溶含水層中管道、裂隙、微小裂隙的排水過程的衰減系數(shù)和初始流量。R2為擬合程度。

同理，為了對(duì)比旱季與雨季的泉流量衰減曲線的不同，我們選取2018年最后一次有效降雨事件后流量進(jìn)行擬合(圖3b)：該降雨事件為2018年干季唯一一次有效降雨，降雨事件前后30d內(nèi)均無降雨干擾。

從圖3b可以得到：α1=0.125 3;α2=0.017 02;α3=0.001 82 ;Q1=41;Q2=11.74;Q3=0.660 3；R2=0.993 9?？梢园l(fā)現(xiàn)：擬合中的三個(gè)亞動(dòng)態(tài)的滲透系數(shù)相差較大，且兩次擬合的滲透系數(shù)結(jié)果相似，說明巖溶系統(tǒng)中具有管道、裂隙、微小裂隙三種不同巖溶程度的結(jié)構(gòu)。其中代表巖溶管道的滲透系數(shù)α1所代表的的初始流量Q1最大，說明系統(tǒng)內(nèi)的巖溶管道發(fā)育且通過管道排泄的地下水最多。當(dāng)雨水豐度不同時(shí)，各個(gè)級(jí)別的巖溶介質(zhì)參與的程度也不同，相較于雨季在旱季時(shí)巖溶管道在地下水排泄過程中參與較少。

4 結(jié)論

通過對(duì)蝙蝠洞巖溶子系統(tǒng)一年的水文氣象觀測發(fā)現(xiàn)：蝙蝠洞泉流量峰值與降雨量關(guān)系密切，強(qiáng)烈降雨后通常會(huì)有較短時(shí)間的峰值滯后并且泉流量下降迅速。強(qiáng)降雨后，蝙蝠洞泉流量衰減符合三段指數(shù)衰減疊加的衰減過程，且衰減系數(shù)的差異較大，可分為三個(gè)“水箱結(jié)構(gòu)”——巖溶管道、巖溶裂隙、微小巖溶裂隙網(wǎng)。泉域內(nèi)含水介質(zhì)以管道及巖溶裂隙為主，且分布不均勻，與實(shí)地勘察的地質(zhì)結(jié)構(gòu)相符。旱季和雨季不同含水介質(zhì)參與的程度不同，在雨季的強(qiáng)降雨中巖溶管道與較大的巖溶裂隙更多地參與到地下水的排泄當(dāng)中。