鄂西丹水流域巖溶水流系統(tǒng)圈劃與結(jié)構(gòu)模式

李玲玲，陳植華

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430078)

碳酸鹽巖分布區(qū)的地下水系統(tǒng)是由地下水和巖溶介質(zhì)共同構(gòu)成的實體，在地質(zhì)環(huán)境條件下，水與巖溶介質(zhì)相互作用、相互依存，形成了特征各異的巖溶地下水系統(tǒng)，成為塑造巖溶地區(qū)的自然地貌、維持自然生態(tài)環(huán)境、提供人類生產(chǎn)生活水源的一種基本自然單元，因而對巖溶水流系統(tǒng)的研究，無論在理論還是實際應(yīng)用上，都具有重要的意義。

巖溶水流系統(tǒng)是有地下水流賦存、相對獨立的水文地質(zhì)單元體。每一個地質(zhì)單元體有相對固定的系統(tǒng)邊界圈閉的匯流、儲水空間，并且獨立進行水循環(huán)，其間的地下水流之間又存在水力聯(lián)系[1]。巖溶水流系統(tǒng)類型劃分的第一步是確定劃分方法和依據(jù)。目前針對巖溶水流系統(tǒng)類型的劃分有多種方法，其中最常見的兩種方法分別是以含水介質(zhì)的地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)和以巖溶水的補給、徑流、排泄條件來劃分巖溶水流系統(tǒng)。前者主要以巖溶含水巖組的埋藏條件、地貌和蓄水構(gòu)造、地質(zhì)結(jié)構(gòu)與巖溶水流場的空間疊置關(guān)系、強徑流帶與主構(gòu)造(或地層)的走向關(guān)系等作為劃分依據(jù)[2-6]；后者常以巖溶水出露條件、排泄方式的差異等作為劃分依據(jù)[6-8]。其中，第一種劃分依據(jù)能更清楚地表現(xiàn)出含水層的埋藏條件和地下水的補給條件，對研究巖溶地下水對環(huán)境的敏感性具有重要的意義；第二種劃分依據(jù)則能更合理地表現(xiàn)巖溶地下水的賦存空間、動態(tài)特征和排泄條件。針對巖溶地下水系統(tǒng)圈劃的研究多注重于劃分原則、劃分方法等基礎(chǔ)概念，但對于具體的劃分過程著墨不多。兩種劃分方法雖各有側(cè)重，但在確定劃分依據(jù)后均需要確定巖溶地下水系統(tǒng)的邊界。而巖溶地下水系統(tǒng)邊界的確定可借助水文地質(zhì)鉆探、水文地質(zhì)剖面、遙感、地下水示蹤試驗、水化學(xué)和同位素分析等手段[9-16]。然而巖溶地區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性決定了巖溶水流系統(tǒng)邊界的確定過程中會存在很多問題，例如不同系統(tǒng)邊界的適用性和級次性問題。因此在地球系統(tǒng)科學(xué)和水循環(huán)理論的指導(dǎo)下，建立巖溶水流系統(tǒng)圈劃方法體系勢在必行，最終可服務(wù)于巖溶區(qū)水資源開發(fā)利用和保護規(guī)劃的編制。

本文以清江的一級支流——丹水流域為例，通過水文地質(zhì)現(xiàn)場調(diào)查和分析的方法，提出了巖溶水流系統(tǒng)劃分方法。該方法遵從完整性和級次性原則，按照從整體到局部、從空間結(jié)構(gòu)到水流運動的順序，圈劃丹水流域巖溶水流系統(tǒng)，并以蓄水構(gòu)造、水流與含水巖組的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系、含水介質(zhì)類型與巖溶水排泄方式的差異來概化巖溶水流系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)模式。

1 研究區(qū)背景條件

1.1 地理環(huán)境條件

1.1.1 自然地理條件

丹水流域(110°44′～111°13′E，30°29′～30°42′N)位于長江以南、清江以北的鄂西地區(qū)，行政區(qū)劃隸屬于湖北省長陽縣，北靠秭歸縣城，南臨火燒坪，西接榔坪，東抵龍舟坪，地貌區(qū)劃上屬武陵山系，海拔高程為100～2 000 m，最高處為賀家坪鎮(zhèn)的紫臺山，最低處為高家堰鎮(zhèn)干流水面，地勢上呈西高東低，流域面積約為521 km2，見圖1。

圖1 丹水流域地理位置圖

研究區(qū)屬亞熱帶大陸性季風氣候帶，多年平均年氣溫為16.4℃，多年平均降雨量為1 315.4 mm，降雨主要集中在6～10月份，受地形、河網(wǎng)分布等下墊面條件的影響，降雨空間分布不均。受降雨的影響，研究區(qū)內(nèi)河川徑流量隨降雨的變化明顯，6～10月份為豐水期，11月至次年5月份為枯水期。丹水流域為清江流域一級子流域，包括后河、沿溪、點兵河和丹水下游4個子流域，水系格式為樹枝狀。

1.1.2 區(qū)域地質(zhì)條件

研究區(qū)的地層區(qū)劃為揚子地臺區(qū)黃陵八面山分區(qū)的皇陵小區(qū)，多為古生界地層，主要包括南華系—白堊系地層。研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖廣泛出露，出露面積約為365 km2，約為流域總面積的3/4，特別是震旦系—奧陶系地層出露較好，地層間以整合接觸關(guān)系為主，極少數(shù)為角度不整合接觸和斷層接觸關(guān)系。

丹水巖溶流域處于揚子陸塊南部被動邊緣褶沖帶[17]，構(gòu)造形跡以沉積蓋層的近東西向褶皺和近南北向斷裂構(gòu)造為主。研究區(qū)最大的皺褶構(gòu)造為近東西向的長陽復(fù)式背斜，其主體構(gòu)造是長陽背斜，該構(gòu)造形跡全長為130 km，縱向?qū)挒?～10 km。長陽復(fù)式背斜以榔坪作為轉(zhuǎn)折點，榔坪東側(cè)和西側(cè)背斜軸跡方向分別為NE-E和N-NE向，該背斜在都鎮(zhèn)灣斷裂以東表現(xiàn)為寬展型形態(tài)，背斜核部出露南華系—震旦系地層，總體形態(tài)較開闊，保存較完整。

丹水流域一系列北-北西的斷裂中，以都鎮(zhèn)灣斷裂帶和天陽坪斷裂帶規(guī)模最大。其中，都鎮(zhèn)灣斷裂帶位于區(qū)域深大斷裂——仙女山斷裂的中段，縱貫丹水流域，呈NNW向，該斷裂切割寒武系—志留系地層，受地層巖性控制，表現(xiàn)為縱向?qū)⒕植繛闄M向阻水；天陽坪斷裂帶分布于區(qū)域最大的褶皺——長陽背斜的北翼，空間上呈舒緩的波狀，從丹水流域的上游至下游，斷層的傾角逐漸增大，地層為寒武系白云巖逆沖推覆于奧陶系灰?guī)r之上。野外調(diào)查可見，高家堰—銅寶山一帶常有溢流性質(zhì)的寒武系泉水出露，證明天陽坪斷裂為區(qū)域的阻水斷裂。

1.1.3 區(qū)域水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地下水主要為潛水，根據(jù)地下水賦存的含水介質(zhì)不同，將研究區(qū)內(nèi)地下水類型劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水和基巖裂隙水三個大類，見圖2。

圖2 丹水流域水文地質(zhì)略圖

研究區(qū)的松散巖類孔隙水主要賦存于區(qū)內(nèi)第四系松散堆積層，區(qū)內(nèi)第四系厚度薄，約為1～22 m，主要分布于丹水流域河谷兩側(cè)及巖溶洼地內(nèi)，其成因類型主要為沖積物、殘坡積物，地下水量貧乏，地下水主要接受大氣降水的補給，在連通性較好的孔隙中徑流，有的下滲補給下伏基巖的巖溶水和裂隙水，有的直接排泄于地表河溪之中。

研究區(qū)的碳酸鹽巖巖溶水根據(jù)含水介質(zhì)組合及水動力特征可將其劃分為碳酸鹽巖溶洞裂隙水和碳酸鹽巖夾碎屑巖溶洞裂隙水兩個亞類。其中，碳酸鹽巖溶洞裂隙水分布面積最大，占碳酸鹽巖總出露面積的58%，是整個丹水流域分布最廣的地下水類型，主要賦存于寒武系天河板組、石龍洞組、婁山關(guān)組和奧陶系南津關(guān)組地層中，巖性主要為灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖，巖溶發(fā)育程度高；碳酸鹽巖夾碎屑巖溶洞裂隙水主要呈環(huán)狀廣泛分布于研究區(qū)，主要賦存于震旦系陡山沱組-燈影組、寒武系覃家廟組、奧陶系分鄉(xiāng)組-臨湘組地層中，巖性主要為含泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖、含生物碎屑灰?guī)r、含燧石團塊灰?guī)r等，巖溶發(fā)育程度較高。

研究區(qū)的基巖裂隙水為碎屑巖風化裂隙水，主要分布在丹水流域下游區(qū)，賦存于白堊系地層中，巖性主要為礫巖、砂巖，由于受多期構(gòu)造運動和外營力的長期作用，研究區(qū)碎屑巖中發(fā)育有斷裂和裂隙，巖體表層形成了具有一定厚度的風化帶，碎屑巖裂隙水主要來自降雨補給或形成的地面片流，通過微細裂隙或壤土、風化層，分散下滲補給，具有分散面廣、補給量小、速度慢的特點，地下水主要沿裂隙呈散流狀向地下水排泄區(qū)徑流，最后以小泉的形式向地表河流排泄。

1.2 地層含水性特征

根據(jù)地層含水性評價結(jié)果，并結(jié)合野外調(diào)查和水化學(xué)數(shù)據(jù)分析，合并含水巖組，最終將研究區(qū)地層劃分為3套隔水巖組和4大含水巖組。其中，3套隔水巖組分別為①南華系蓮沱組-南沱組隔水層、②石牌組隔水層、③奧陶系五峰組-泥盆系隔水層；4大含水巖組分別為①震旦系含水巖組、②寒武系-奧陶系含水巖組、③石炭系—二疊系含水巖組、④白堊系含水巖組。

2 巖溶水流系統(tǒng)劃分方法

2.1 巖溶水流系統(tǒng)劃分原則

巖溶水流系統(tǒng)的劃分遵從完整性和級次性原則。其中，完整性原則是指巖溶水流系統(tǒng)應(yīng)具有明確的邊界、連續(xù)的巖溶含水介質(zhì)，能夠獨立水循環(huán)，每個巖溶水流子系統(tǒng)應(yīng)具備獨立而完整的地下水補給、徑流、儲蓄、排泄條件，這就要求需要在巖溶水文系統(tǒng)和巖溶含水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行巖溶水流系統(tǒng)的劃分。丹水流域作為一個完整的地表閉合流域，可以將其視為一個完整的巖溶水流系統(tǒng)，并將流域邊界視為巖溶水流系統(tǒng)最外部的邊界，其中的巖溶水流子系統(tǒng)也是有完整的地下水補、徑、排，且輸入和輸出體系相對獨立的地質(zhì)體。級次性原則是指按照先整體后局部的順序，依次劃分巖溶水文系統(tǒng)、巖溶含水系統(tǒng)和巖溶水流系統(tǒng)。以地表水系網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，按照干流和支流的關(guān)系逐級劃分巖溶水文系統(tǒng)；在巖溶含水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，巖溶水文系統(tǒng)級次逐漸遞減，以此對巖溶水流系統(tǒng)進行圈劃。巖溶水流系統(tǒng)的劃分從系統(tǒng)邊界識別開始，以含水巖組與隔水巖組邊界作為最高優(yōu)先級的邊界，對巖溶水流系統(tǒng)進行圈劃。

2.2 巖溶水流系統(tǒng)圈劃的技術(shù)路線

開展巖溶水流系統(tǒng)研究需要從空間結(jié)構(gòu)到水流運動來進行，即在巖溶含水系統(tǒng)和巖溶水流系統(tǒng)劃分的基礎(chǔ)上，先掌握結(jié)構(gòu)特征，后把握水流運動規(guī)律，逐步有序地開展研究工作。巖溶水流系統(tǒng)圈劃的具體技術(shù)路線，見圖3。

圖3 巖溶水流系統(tǒng)圈劃的技術(shù)路線圖

巖溶水文系統(tǒng)與地表水流域的概念一致，指的是碳酸鹽巖分布區(qū)的水文循環(huán)系統(tǒng)，包括巖溶地下水接受大氣降水補給、入滲、潛流到泉排泄的整個水文過程范圍，是地表巖溶形態(tài)與地下含水介質(zhì)的組合[18]。以水利部中國流域水系劃分為基礎(chǔ)，綜合考慮地表河網(wǎng)的分布和巖溶地貌，逐級進行巖溶水文系統(tǒng)的劃分。如將長江作為一級巖溶水文系統(tǒng)，清江作為二級巖溶水文系統(tǒng)，則清江支流為三級巖溶水文系統(tǒng)。

巖溶含水系統(tǒng)是指由隔水或相對隔水巖層圈閉的、具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的含水巖系[19]。巖溶含水系統(tǒng)是由高滲透性相互連通的管道、大裂隙和低滲透性、小裂隙介質(zhì)組成的多重介質(zhì)復(fù)雜系統(tǒng)，整個含水系統(tǒng)相互連通并排泄于統(tǒng)一出口——巖溶泉或地下河出口[1]。巖溶含水系統(tǒng)劃分遵從完整性和級次性原則：一是在一個完整的隔水層(邊界)圈圍內(nèi)的含水巖組，內(nèi)部具有統(tǒng)一的水力聯(lián)系；二是巖溶含水系統(tǒng)的邊界劃分具有級次性。根據(jù)巖石的可溶性和地下水類型來劃分一級巖溶含水系統(tǒng)；在一級巖溶含水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)含水巖組與區(qū)域隔水層或者阻水構(gòu)造的空間組合關(guān)系劃分二級巖溶含水系統(tǒng)，隔水巖組作為巖溶含水系統(tǒng)的外部邊界，隔水巖組與含水巖組之間的分界線即構(gòu)成巖溶含水系統(tǒng)的邊界線；在二級巖溶含水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)斷裂水文地質(zhì)性質(zhì)、相鄰含水層的巖性差異等劃分三級巖溶含水系統(tǒng)。一級和二級巖溶含水系統(tǒng)的邊界不可逾越。

巖溶水流系統(tǒng)是指由源到匯的流線簇構(gòu)成的，具有統(tǒng)一時空演變過程的地下水體[19]。賦存于可溶巖含水介質(zhì)中的巖溶水流系統(tǒng)可看作一個由相互聯(lián)系、相互制約的各個組成部分所構(gòu)成的，具有一定結(jié)構(gòu)特征，有其自身的儲存、傳輸和調(diào)節(jié)功能，同時又不斷地進行水量、水質(zhì)和水溫更新交替，并與外部環(huán)境相互作用的地下水文體系[20]。根據(jù)巖溶水流系統(tǒng)的定義，在巖溶含水系統(tǒng)劃分的基礎(chǔ)上，考慮巖溶水文系統(tǒng)的匯水范圍，進一步劃分巖溶水流系統(tǒng)。巖溶水流系統(tǒng)的劃分同樣遵從級次性原則和完整性原則：在無構(gòu)造錯動、巖溶垂向發(fā)育較弱且相對隔水層完整的情況下，在三級巖溶含水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，考慮二級流域匯水區(qū)域劃分巖溶水流系統(tǒng)；在地表與地下水轉(zhuǎn)換頻繁地區(qū)、相對隔水層不再起阻隔作用的情況下，在二級巖溶含水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，優(yōu)先考慮三級巖溶流域匯水區(qū)域劃分巖溶水流系統(tǒng)。

2.3 巖溶水流系統(tǒng)編碼規(guī)則

巖溶水流系統(tǒng)的編碼要具有科學(xué)性和唯一性，要求既能反映各個系統(tǒng)的特征，又能反映系統(tǒng)間的相互關(guān)系。編碼采用羅馬字母、拉丁字母和阿拉伯數(shù)字的組合，編碼定義為：H-AB-CD。其中，H為1位大寫羅馬數(shù)字，表示一級巖溶含水系統(tǒng)的編號；A為1位數(shù)字，表示二級巖溶含水系統(tǒng)的編號；B為上標、1位數(shù)字，表示三級巖溶含水系統(tǒng)的編號；C為1位數(shù)字，表示巖溶水流系統(tǒng)的編號；D為上標、1位字母，表示巖溶水流系統(tǒng)的級次性，取值R或T,其中R為同時存在中間水流和局部水流系統(tǒng)，T為僅存在局部水流系統(tǒng)。

2.4 巖溶水流系統(tǒng)劃分分驟

2.4.1 巖溶含水系統(tǒng)劃分分驟

(1) 邊界類型。一級巖溶含水系統(tǒng)作為最高級次的含水系統(tǒng)，是由區(qū)域內(nèi)不同巖性、不同地下水類型的含水介質(zhì)組成的含水巖組的組合。二級巖溶含水系統(tǒng)是由區(qū)域內(nèi)隔水巖組所分隔的同一巖類的含水巖組，隔水巖組的巖性以砂巖、礫巖、泥巖為主，厚度超過50 m。三級巖溶含水系統(tǒng)是以弱透水層為相對隔水層所分隔的同一巖類的含水層。此處弱透水層的定義為泥質(zhì)含量遠高于上、下層位的，且厚度在10～50 m之間的含水層。

(2) 邊界識別方法。系統(tǒng)邊界的確定是巖溶含水系統(tǒng)劃分的基礎(chǔ)，需要綜合構(gòu)造、地貌和地層巖性條件來確定。巖溶含水系統(tǒng)邊界的確定方法如下：①地層含水性評價。通過水文地質(zhì)現(xiàn)場調(diào)查與鉆探方法，確定研究區(qū)的含水巖組和隔水巖組；②含水巖組與隔水巖組的空間組合關(guān)系判定。通過繪制水文地質(zhì)剖面圖，確定含水巖組與隔水巖組的空間組合關(guān)系，以隔水巖組作為巖溶含水系統(tǒng)的邊界，并通過分析水文地質(zhì)剖面圖且結(jié)合地球物理勘探方法，查明斷層的水文地質(zhì)性質(zhì)，判斷其是否構(gòu)成巖溶含水系統(tǒng)的邊界；③地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌組合結(jié)構(gòu)研究。地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌組合是控制隔水巖組的空間展布方向及連續(xù)性的主要因素，隔水巖組的空間展布面即可構(gòu)成巖溶含水系統(tǒng)的頂板或底板邊界，構(gòu)造線或地形切割在局部導(dǎo)致含水巖組不連續(xù)分布之處，也可作為巖溶含水系統(tǒng)的邊界，而弱透水層，雖然其厚度及規(guī)模有限，但受地貌的影響，也對地下水的排泄起控制作用，也可作為巖溶含水系統(tǒng)的邊界。

2.4.2 巖溶水流系統(tǒng)劃分

在巖溶含水系統(tǒng)邊界的基礎(chǔ)上，還需要綜合巖溶水文系統(tǒng)(地表水文網(wǎng)與深切溝谷、地表水和地下水分水嶺)、阻水斷層和蓄水構(gòu)造來確定巖溶水流系統(tǒng)的邊界。針對研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境的特點，將巖溶水流系統(tǒng)的邊界類型歸納為以下4種(見圖4至圖7)：

圖4 隔水邊界類型示意圖

(1) 隔水邊界。隔水邊界來自隔水巖組[見圖4(a)]和隔水斷層[見圖4(b)]與含水巖組的地層分界，此類邊界可以通過地層含水性評價、繪制水文地質(zhì)剖面和物探剖面解譯的方式進行辨識。

(2) 地表水和地下水分水嶺邊界。地下水分水嶺邊界[見圖5(a)]在碳酸鹽巖地區(qū)通常會受天然和人為因素的干擾而改變位置，需要結(jié)合野外水文地質(zhì)調(diào)查和水文地質(zhì)現(xiàn)場試驗，根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水水力梯度變化、水化學(xué)數(shù)據(jù)劃定。而地表水分水嶺相對穩(wěn)定，當區(qū)域內(nèi)地表水分水嶺與地下水分水嶺基本重合時，地表水分水嶺即構(gòu)成巖溶水流系統(tǒng)的邊界；當兩者不一致時，地下水分水嶺構(gòu)成巖溶水流系統(tǒng)的邊界。針對丹水巖溶流域的地質(zhì)環(huán)境特點，補給區(qū)存在碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖地層組合關(guān)系，當?shù)乇硭炙畮X邊界[見圖5(b)]位于隔水巖組上時，此時地表水分水嶺圈劃的范圍涵蓋含水巖組的隔水邊界，故以含水巖組與隔水巖組的分界線作為巖溶水流系統(tǒng)的隔水邊界。

圖5 地表水和地下水分水嶺邊界類型示意圖(據(jù)徐恒力[21]，有修改)

(3) 排泄邊界。地下水的排泄方式包括巖溶大泉、地下暗河出口點狀排泄和深切河谷線狀排泄等。排泄邊界因下伏地層的厚度不同、切割深度不同，存在切割至隔水底板[見圖6(a)]和未切割至隔水底板[見圖6(b)]兩種情況。

圖6 地下水排泄邊界類型示意圖

(4) 弱透水層邊界。弱透水層邊界來自受原生或者是斷層影響的透水性能較差地層與含水層的地層分界。原生弱透水層邊界[見圖7(a)]指弱透水層與含水層的邊界；斷層弱透水層邊界[見圖7(b)]指斷層錯動影響弱透水層，使地下水的運移受阻。弱透水層邊界通常存在于同一巖溶含水巖組內(nèi)，此類邊界可通過分析地層巖性、泉成因以及泉水的水化學(xué)特性來辨識。

圖7 弱透水層邊界類型示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 丹水流域巖溶水流系統(tǒng)劃分結(jié)果

3.1.1 巖溶含水系統(tǒng)劃分結(jié)果

根據(jù)含水介質(zhì)類型的不同，將丹水流域劃分為3類一級巖溶含水系統(tǒng)，分別為巖溶含水系統(tǒng)(Ⅰ)、碎屑巖含水系統(tǒng)(Ⅱ)和松散巖類含水系統(tǒng)(Ⅲ)；根據(jù)地層含水性評價結(jié)果、斷裂水文地質(zhì)性質(zhì)，嵌套流域范圍，丹水流域存在3個二級巖溶含水系統(tǒng)，分別為震旦系巖溶含水系統(tǒng)、下寒武系巖溶含水系統(tǒng)、中寒武系—奧陶系巖溶含水系統(tǒng)；在二級巖溶含水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，參考相鄰含水層的巖性差異、巖溶發(fā)育情況、泉點出露情況，進一步劃分為3個三級巖溶含水系統(tǒng)，分別為寒武系天河板組—覃家廟組巖溶含水系統(tǒng)、寒武系婁山關(guān)組巖溶含水系統(tǒng)、奧陶系巖溶含水系統(tǒng)。

3.1.2 巖溶水流系統(tǒng)劃分結(jié)果

考慮丹水流域不同地層的巖溶發(fā)育在平面和垂向上存在特異性，且?guī)r溶地下水主要的賦存空間主要是巖溶大管道、寬大溶蝕裂隙和微小裂隙，為了涵蓋所有水流系統(tǒng)的特征進行分類，選擇以地下水補徑排條件為首要劃分依據(jù)進行巖溶水流系統(tǒng)圈劃。

本次巖溶水流系統(tǒng)圈劃共劃分了22個巖溶水流子系統(tǒng)，包括14個分散排泄系統(tǒng)、5個巖溶大泉系統(tǒng)和3個地下河系統(tǒng)。為了呈現(xiàn)巖溶水流系統(tǒng)的級次性，以及巖溶含水系統(tǒng)與巖溶水文系統(tǒng)的嵌套關(guān)系，選擇以平面圖(見圖8)加剖面圖(見圖9)的形式展示研究區(qū)巖溶水流系統(tǒng)的圈劃結(jié)果。

圖8 丹水流域巖溶水流系統(tǒng)平面分布圖

圖9 丹水流域水文地質(zhì)剖面示意圖(A-A′)

3.1.3 丹水流域巖溶水流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式

為得到丹水流域巖溶水流系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)模式，首先針對丹水流域不同地下水流系統(tǒng)的地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)特征和水流特征，統(tǒng)計水流系統(tǒng)的排泄標高、泉點流量、地質(zhì)構(gòu)造、地下水的主要補徑排方式等特征，并進行分類，然后依據(jù)丹水流域內(nèi)不同水流系統(tǒng)的蓄水構(gòu)造、水流空間結(jié)構(gòu)、滲流空間結(jié)構(gòu)、巖溶水排泄方式的差異進行概化命名；最后得到單斜單層裂隙分散排泄型、單斜單層管道裂隙集中排泄型、單斜雙層管道裂隙集中排泄型、斷層單層管道裂隙集中排泄型和向斜多層管道裂隙集中排泄型5種巖溶水流系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)模式。丹水流域巖溶含水系統(tǒng)與巖溶水流系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)模式對照，詳見表1。

由表1可知，丹水流域范圍內(nèi)，震旦系地層中的巖溶水流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式較為簡單，兩種結(jié)構(gòu)模式的空間結(jié)構(gòu)均為單斜單層，區(qū)別在于地下水的含水介質(zhì)和排泄方式，一種是裂隙分散排泄，另一種是裂隙集中排泄；寒武系-奧陶系地層中的巖溶水流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式較豐富，包含上述5種結(jié)構(gòu)模式，特別是嵌套了寒武系-奧陶系含水系統(tǒng)(Ⅰ-2)的巖溶水流系統(tǒng)，存在斷層、向斜、單斜(背斜單翼)3種比較特殊構(gòu)造控制的巖溶水流系統(tǒng)，這三種巖溶水流系統(tǒng)雖然同屬同一套二級巖溶含水系統(tǒng)，且位置相鄰，但其成因、地下水的補給、徑流特征和水文循環(huán)模式各不相同。

表1 丹水流域巖溶水流系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)模式一覽表

3.2 典型的巖溶水流系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)模式分析

3.2.1 單斜單層裂隙分散排泄型

該模式的巖溶水流系統(tǒng)廣泛發(fā)育于研究區(qū)碳酸鹽巖巖溶含水系統(tǒng)中，在平面上表現(xiàn)為窄條狀和面狀兩種，主要分布在沿溪、吊巖溝和鴉鵲溪一帶，寒武系地層在此近乎陡立地呈條帶狀分布，地下水的運移受流域排泄基準面控制，地表水系及溝谷的切割是地下水排泄的主要成因，因接收的補給面積有限，地下水多以順層分散排泄為主。該模式下的巖溶水流系統(tǒng)的補給區(qū)少見巖溶洼地分布，巖溶發(fā)育程度一般，降水通過溶蝕裂隙進入地下，地下水在裂隙網(wǎng)絡(luò)中分散流動，最終以分散小泉的形式排入河流，地下水就近補給、就近排泄。該模式下的巖溶水流系統(tǒng)的邊界多存在于碳酸鹽巖地層中，以排泄邊界和地下水分水嶺邊界為主。單斜單層裂隙分散排泄型剖面示意圖，見圖10。

圖10 單斜單層裂隙分散排泄型剖面示意圖

3.2.2 單斜單層管道裂隙集中排泄型

該模式的巖溶水流系統(tǒng)廣泛發(fā)育于震旦系—奧陶系巖溶含水系統(tǒng)中，主要分布在研究區(qū)長陽復(fù)式背斜的翼部，含水介質(zhì)為巖溶管道及裂隙，含水層巖性以灰?guī)r、白云巖為主，泥質(zhì)白云巖、泥巖作為系統(tǒng)的弱透水層邊界，砂巖、泥巖等作為系統(tǒng)的隔水邊界，地表水系及溝谷的組合構(gòu)成系統(tǒng)的排泄邊界。該模式的巖溶水流系統(tǒng)地層總厚度較大、地下水徑流途徑較長，水量較大。該模式下的巖溶水流系統(tǒng)的邊界類型多樣，以Ⅰ-21-2T為例，該系統(tǒng)存在不同類型的邊界，排泄邊界位于奧陶系地層中，為丹水干流的一段，地形切割較深，巖溶地下水直接向河流排泄，河流南北兩側(cè)的巖溶含水層水力聯(lián)系微弱。單斜單層管道裂隙集中排泄型剖面示意圖，見圖11。

圖11 單斜單層管道裂隙集中排泄型剖面示意圖

3.2.3 單斜雙層管道裂隙集中排泄型

該模式的巖溶水流系統(tǒng)發(fā)育于中寒武系—奧陶系巖溶含水系統(tǒng)中，分布在研究區(qū)背斜翼部，如酒甑子地下河系統(tǒng)(Ⅰ-2-1R)，含水介質(zhì)以巖溶管道和裂隙為主。該模式下的巖溶水流系統(tǒng)具有明顯的雙層結(jié)構(gòu)，垂向上跨越兩個巖溶含水系統(tǒng)。由于受構(gòu)造與地表河網(wǎng)分布的影響，該模式下的巖溶水流系統(tǒng)又分為兩種情況：一種是上、下兩個巖溶含水系統(tǒng)相互獨立，不存在水力聯(lián)系；另一種情況是上、下兩個巖溶含水系統(tǒng)在特殊情況下存在水力聯(lián)系。研究區(qū)的酒甑子地下河系統(tǒng)((Ⅰ-2-1R)屬于第二種情況：上層巖溶含水系統(tǒng)接受降雨補給的面積較小，地表巖溶發(fā)育程度較下層巖溶含水系統(tǒng)弱，且由于背斜形成過程中地應(yīng)力的影響，橫張裂隙貫穿上、下兩層巖溶含水系統(tǒng)，使得上、下層巖溶含水系統(tǒng)之間存在水力聯(lián)系；下層巖溶含水系統(tǒng)作為主要的補給區(qū)大量發(fā)育洼地和落水洞，大氣降水經(jīng)落水洞灌入式補給地下水，地下水在巖溶管道和裂隙中徑流，最終受地形切割的影響，在河岸旁形成地下暗河出露。該模式下的巖溶水流系統(tǒng)補給區(qū)面積大，雨后泉流量迅速增加，水文響應(yīng)速度快，基本無滯后，泉流量的季節(jié)動態(tài)變化明顯。該模式下的巖溶水流系統(tǒng)同時存在隔水邊界、弱透水層邊界和地表水分水嶺邊界。以酒甑子地下河系統(tǒng)(Ⅰ-2-1R)為例，當存在隔水邊界時，隔水邊界的優(yōu)先級最高；其南部邊界同時存在弱透水層邊界和地表水分水嶺邊界，由于邊界的選擇要考慮系統(tǒng)的級次性以及地表水-地下水的匯水范圍，而地表水分水嶺的級次高于弱透水層，故南部邊界選擇地表水分水嶺邊界。單斜雙層管道裂隙集中排泄型剖面示意圖，見圖12。

圖12 單斜雙層管道裂隙集中排泄型剖面示意圖

3.2.4 向斜多層管道裂隙集中排泄型

該模式的巖溶水流系統(tǒng)主要發(fā)育于研究區(qū)中寒武系—奧陶系巖溶含水系統(tǒng)中，含水巖組主要為中寒武系—奧陶系地層，在研究區(qū)表現(xiàn)為五爪泉地下暗河系統(tǒng)(Ⅰ-2-2R)。該模式下的巖溶水流系統(tǒng)具有多層結(jié)構(gòu)，上層為奧陶系向斜蓄水構(gòu)造，向斜核部作為補給區(qū)，洼地和落水洞等巖溶地貌呈蜂窩狀分布，巖溶發(fā)育程度較好，補給區(qū)同時也有季節(jié)性河流存在。該模式下的巖溶水流系統(tǒng)的地下水同時接受大氣降雨和地表水的補給，其中，雨水是最主要的補給來源，它既可以通過洼地底部的落水洞轉(zhuǎn)化為地下水，又可以通過縱張裂隙轉(zhuǎn)化為地下水；在河床為碳酸鹽巖的河段上，地表水沿構(gòu)造裂隙、層間裂隙或斷裂帶發(fā)生滲漏，呈線狀補給巖溶水。地下水運移通道為巖溶管道-裂隙網(wǎng)絡(luò)，最終受地形切割的影響，在河岸懸崖峭壁上以泉的形式懸掛出露。該模式下的巖溶水流系統(tǒng)的補給面積大，雨后泉流量迅速增加，地下水水溫、電導(dǎo)率隨著降雨的發(fā)生而出現(xiàn)上下波動，水文響應(yīng)存在波動滯后，說明地下水的來源存在多源性。向斜多層管道裂隙集中排泄型示意圖，見圖13。

圖13 向斜多層管道裂隙集中排泄型示意圖

3.2.5 斷裂單層管道裂隙集中排泄型

該模式的巖溶水流系統(tǒng)主要發(fā)育于研究區(qū)中寒武系—奧陶系巖溶含水系統(tǒng)中，沿著都鎮(zhèn)灣斷裂帶呈條帶狀分布，在研究區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為紅巖泉地下河系統(tǒng)(Ⅰ-2-3R)。含水巖組主要為灰?guī)r、白云巖含水層。

該模式下的巖溶水流系統(tǒng)的補給區(qū)域地層巖性不限于碳酸鹽巖，還包括一部分地表水分水嶺圈閉的碎屑巖。雨水經(jīng)過落水洞轉(zhuǎn)化為地下水，地下水運動的空間是斷裂帶影響下的裂隙-管道導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)中，最終地下水受區(qū)域排泄基準面的影響，在河谷地區(qū)出露成巖溶大泉或地下河。該模式下的巖溶水流系統(tǒng)水文響應(yīng)速度快，泉流量的季節(jié)動態(tài)變化明顯，雨后水量驟增，地下水儲量較大。斷裂單層管道裂隙集中排泄型剖面示意圖，見圖14。

圖14 斷裂單層管道裂隙集中排泄型剖面示意圖

4 結(jié) 論

本文以鄂西丹水巖溶流域為例，提出巖溶水流系統(tǒng)劃分方法，并用于圈劃丹水流域巖溶水流系統(tǒng)。

(1) 巖溶水流系統(tǒng)的劃分遵從完整性和級次性原則，通過地層含水性評價和綜合構(gòu)造、地貌和地層巖性條件來確定巖溶含水系統(tǒng)的邊界，并通過地表水文網(wǎng)與深切溝谷、地表水分水嶺、地下水分水嶺、阻水斷層和蓄水構(gòu)造來確定巖溶水流系統(tǒng)的邊界。

(2) 針對丹水流域不同巖溶水流系統(tǒng)的地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)特征和水流特征，并依據(jù)丹水流域內(nèi)不同巖溶水流系統(tǒng)的蓄水構(gòu)造、水流空間結(jié)構(gòu)、滲流空間結(jié)構(gòu)、巖溶水排泄方式的差異進行概化命名，最終得到丹水流域存在5種巖溶水流系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)模式，分別為單斜單層裂隙分散排泄型、單斜單層管道裂隙集中排泄型、單斜雙層管道裂隙集中排泄型、斷層單層管道裂隙集中排泄型和向斜多層管道裂隙集中排泄型。

本次研究是對巖溶地區(qū)地下水流系統(tǒng)圈劃方法定量化、模式化的一次探索，將有利于建立復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的巖溶山區(qū)小流域地下水流系統(tǒng)的劃分方法體系。