0 前 言

 

  在我國的西南地區,巖溶石山分布廣泛。這里的氣候條件有利于農業生產。但由于地表地下巖溶發育,地表面附近淺部巖石破碎,導致水土流失嚴重,地表水資源匱乏。“山多土少,雨多地漏”的惡劣環境,嚴重制約著農業生產的發展。缺水干旱問題已成為巖溶石山地區長期處于貧困和落后的主要原因之一。表層巖溶帶地下水作為巖溶水有效開發利用資源的一部分,它已成為巖溶石山地區居民用水的重要水源之一。而表層巖溶帶地下水的資源量則與表層巖溶帶的水文地質結構有著密切的關聯。因此,在巖溶石山區開展表層巖溶帶水文地質條件研究,有著重要的理論和實際意義。

 

  1 自然地理、巖溶及水文地質概況

 

  洛塔地區位于湘、鄂、黔、渝四省市交界的湘西巖溶山區。屬亞熱帶季風型濕潤氣候區,年平均氣溫13. 3℃ ,多年平均年降水量1649. 7mm。地貌上為一高聳于附近低山丘陵之上、軸向約北東35°的巖溶向斜構造盆地,主要由二疊系及三疊系下統的碳酸鹽巖組成,厚度達880～ 1160m。其下為志留- 泥盆系巨厚的砂頁巖所墊托。

 

  區內地表地下巖溶發育,巖溶形態類型眾多。地表巖溶以洼地、漏斗、干谷、盲谷、峽谷、石林、石牙、溶丘、離峰等個體形態為主要特征; 地下巖溶則以溶洞、消(落)水洞、地下河管道、溶蝕裂隙等個體形態為主要特征。由于本地區經歷多次構造運動,巖溶發育具有多層性。

 

  洛塔屋檐洞地下河流域為一邊界封閉、獨立完整的巖溶水文地質系統。根據巖溶地下水水動力的垂向分帶特征,可將其劃分為表層巖溶帶水文地質子系統、包氣帶巖溶水文地質子系統和飽水帶巖溶水文地質子系統。其中: 飽水帶巖溶水文地質子系統以層樓式的地下河系統為其主要特征[1 ] ; 而表層巖溶帶水文地質子系統則以淺表層分散潛流及表層巖溶帶泉域為其主要特征。在表層巖溶帶水文地質子系統與其下部的飽水帶巖溶水文地質子系統之間常存在一定厚度的巖溶弱發育帶,在局部通過少量深大的溶蝕裂隙或消(落)水洞等巖溶通道發生一定程度的水力聯系。

 

  在以往的工作中對飽水帶巖溶水文地質子系統

 

  已有較多的研究,并已取得了比較成熟的認識;而對表層巖溶帶水文地質子系統的研究,目前尚處于起步階段[3～ 11 ]。因此, 本文從巖溶水文地質的角度出發,對洛塔地區表層巖溶帶水文地質特征及其水文地質結構類型進行初步的研究和論述。

 

  2 表層巖溶帶水文地質特征

 

  2. 1 表層巖溶帶含水空間結構特征

 

  洛塔地區表層巖溶帶的含水空間主要由地面附近淺部的溶溝、溶槽、溶縫、溶管、溶隙、溶穴、溶孔、溶痕等巖溶空間形態構成。它們在不同的巖溶環境條件下可有著不同的組合形式。

 

  2. 2 表層巖溶帶水文地質子系統水循環過程及特征2. 2. 1 表層巖溶帶水文地質子系統水循環過程表層巖溶帶水文地質子系統是巖溶水文地質系統的一個重要組成部分(參見圖1)。它常常在巖溶水文地質系統的淺部形成一系列相對獨立或半獨立的表層巖溶帶泉域,其水循環過程是巖溶水文地質系統水循環過程的一個重要階段,且具有自己特定的水循環過程與特征。它對整個巖溶水文地質系統的水循環過程具有重要影響,但在總體上它受巖溶水文地質系統總體水循環條件的制約。洛塔地區表層巖溶帶水文地質子系統水循環過程如圖2所示。

 

  由圖2可以看出,大氣降雨是區內表層巖溶帶水文地質子系統地下水的主要補給來源。但雨水降落到地表形成地面水后,在不同的巖溶區其循環特征也不一樣。( 1)在裸露巖溶區,雨水通過具有高滲透能力的表層巖溶裂隙快速滲入表層巖溶帶的蓄水空間內形成表層巖溶帶地下水。經表層巖溶帶的調蓄后,除有一部分通過蒸發蒸騰返回大氣層外,余下的有一部分通過局部發育較深的溶蝕裂隙或落水洞等巖溶通道直接進入下部飽水帶巖溶水文地質子系統中,而另一部分則以表層巖溶帶泉或其它形式排向地表。而在排出地表的這部分表層巖溶帶地下水中,有一部分通過地表溝渠直接匯入地表河; 另一部分則再次入滲補給地勢相對較低的低位淺表層分散潛流系統及表層巖溶泉域。而在低位淺表層分散潛流系統及表層巖溶帶泉域中的地下水再次重復上述過程,最后都匯入地表河流(洛塔河)。( 2)在覆蓋型巖溶區,雨水降落地面后一部分雨水形成坡面流,坡面流中的一部分入滲補給地勢相對較低的低位淺表層分散潛流系統及表層巖溶帶泉域,此后其水循環過程與裸露巖溶區淺表層分散潛流系統及表層巖溶帶泉域的水循環過程相類似。

 

  坡面流的另一部分則通過地表溝渠直接匯入地表河;而另一部分雨水則首先要入滲到基巖上覆的第四系殘坡積層中,經第四系殘坡積層孔隙介質的調蓄后,除有一部分通過蒸發蒸騰返回大氣層外,其余部分緩慢下滲補給其下伏的淺表層分散潛流系統及表層巖溶帶泉域,其后的水循環過程與裸露巖溶區淺表層分散潛流系統及表層巖溶帶泉域的水循環過程相類似,在此不再贅述。

 

  2. 2. 2 表層巖溶帶水文地質子系統水循環的基本特征( 1)補給條件與補給方式

 

  ①補給來源及補給動態

 

  如前述,區內表層巖溶帶水文地質子系統地下水的補給來源主要是大氣降雨,多年平均年降雨量達1649. 7mm。水量充沛但在時間上分布不均勻,其補給動態在總體上明顯地受場雨的強度及降雨量在年內分布的制約,具有非連續脈沖式補給的特征。

 

  ②補給面積與滲入路徑

 

  綜觀區內眾多表層巖溶帶泉域,其補給面積大多在0. 05～ 0. 15km2 之間,區內較大的表層巖溶帶泉域- 趙家灣S14號泉泉域,其補給面積也僅0. 408km2 ; 而構成區內表層巖溶帶水文地質子系統透水層的是表層巖溶帶及其上覆第四系殘坡積層,其總厚度一般小于10m。故區內表層巖溶帶水文地質子系統接受補給的條件具有補給面積小、滲入路徑短的特征。

 

  ③補給方式

 

  大氣降雨對區內表層巖溶帶地下水的補給主要

 

  有直接快速補給和間接慢速補給兩種方式: 在裸露區,雨水通過較密集且開啟的表層溶蝕裂隙等巖溶通道快速入滲補給表層巖溶帶地下水,以直接快速補給為主要特征; 而在覆蓋區,由于第四系孔隙介質的調蓄,降雨入滲補給以間接慢速為主要特征。

 

  ( 2)徑流特征

 

  按水動力條件類型的不同,區內表層巖溶帶水文地質子系統內地下水的徑流形式可分為匯流狀(區內絕大多數表層巖溶帶泉域內地下水的徑流形式屬之)和散流狀二種類型。地下水的流向在總體上受區內總地勢的控制。主要特征表現為: ( a)水力坡度大,在向斜東翼的干河豬場BK2鉆孔及S19泉一帶水力坡度約為35% ,而在向斜西翼趙家灣的BK4鉆孔及S14泉一帶約為12% ; ( b)徑流途程較短,一般在百余米至數百米之間; ( c)徑流路徑通暢,徑流速度主要受地形坡度和表層巖溶帶含水空間結構的制約,以快速——中速流[ 12]為主要特征,但徑流量普遍較小。

 

  ( 3)排泄特征

 

  ①排泄方式

 

  調查結果表明,區內表層巖溶帶地下水露頭點在盆地底部周邊高程約700m的坡腳地帶至高程1450余米近峰頂部位不同高程的斜坡上均可見有分布,具多級排泄的特征。排泄方式主要有集中排泄和分散排泄兩種。對屬于匯流狀水動力條件類型的表層巖溶帶水文地質系統來說,其地下水常以集中排泄方式出露地表,形成表層巖溶帶泉,如趙家灣的S14泉、云峰塔的S12泉及黃家灣S26泉等都是區內表層巖溶帶地下水集中排泄的典型代表; 而對屬于散流狀水動力條件類型的表層巖溶帶水文地質系統,其地下水常以分散排泄的方式排向地表,如飛躍洞附近表層巖溶帶地下水的排泄是區內表層巖溶帶地下水分散排泄的典型代表。

 

  ②動態特征

 

  根據2000年4月1日至2003年5月1日對區

 

  內干河豬場S19泉、趙家灣S14泉、小路灣S1 泉、黃家灣S26泉、宋家坡S18泉和干河豬場BK2、BK3 鉆孔及趙家灣BK5 鉆孔表層巖溶帶地下水動態進行長觀所獲數據的統計分析,區內表層巖溶帶地下水的動態特征見表1和表2。

 

  由表1可以看出,在區內進行長期觀測的5個表

 

  層巖溶帶泉中,有3個泉出現完全斷流,每次斷流時間在10至32天不等,占觀測泉總數的60% ; 有1個泉在長時間內接近斷流,占觀測泉水總數的20% ; 而趙家灣溝S14號泉雖未出現斷流且在枯水季節仍有一定的流量(約0. 1 l /S) ,但其不穩定系數也達1264。

 

  而由表2中也可以看到,區內表層巖溶帶地下水位年內變化幅度達2. 39～ 6. 70m。可見,洛塔地區表層巖溶帶地下水的流量和水位都具有動態不穩定、變化幅度較大的特征。此外,根據區內主要表層巖溶帶泉觀測資料的分析,其流量動態變化表現出對降雨的反應非常敏感(流量峰值比降雨峰值的滯后時間一般在1～ 3h之間)、與降雨基本同步的特征。

 

  2. 3 表層巖溶帶水文地質子系統的調蓄功能

 

  如前述,表層巖溶帶水文地質子系統常常在巖溶水文地質系統內的淺表層形成一系列相對獨立或半獨立的表層巖溶帶泉域,且它們對表層巖溶水具有一定的調蓄功能。主要表現在兩個方面: 一是積蓄功能,表現在表層巖溶帶水文地質子系統對地下水水量上的調蓄作用,即積蓄部分降雨入滲補給及“鄰域”補給量; 二是濾波功能,表現在水流過程上的調蓄作用,即通過表層巖溶帶水文地質子系統內部結構的濾波作用將降雨的脈沖輸入補給形式轉換成連續波狀輸出的排泄形式(圖3) ,同時延遲降雨入滲補給及“鄰域”

 

  補給水量在表層巖溶帶水文地質子系統內部滯留的時間。表層巖溶帶泉域在水量上的調蓄能力與泉域內含水空間(或體積巖溶率)、泉域的規模、第四系覆蓋層的厚度與結構、地形地貌條件等因素有關,但主要取決于泉域內表層巖溶帶的含水空間(或體積巖溶率)與泉域規模。一般來說: 對于泉域內表層巖溶帶的含水空間(或體積巖溶率)總量大(高)、泉域規模較大、第四系覆蓋層厚度較大且結構松散、處于地勢較平緩或低洼地帶的泉域,其在水量上的調蓄能力較強。如區內向斜西翼趙家灣一帶的S14泉泉域,其含水空間以較大型的溶溝、溶槽為主體且非常發育,據現場估測,體積巖溶率約35% ,泉域面積為0. 408km2 ,第四系覆蓋層厚度1～ 5m不等(局部大于10m)且結構較松散,具有良好的蓄水空間,所處的地貌部位地勢較為平緩,總體上縱向地形坡度約12°,使該泉域對水量具有較強的調蓄能力,致使該泉長年不斷流且流量較大, 一般流量在3～ 5 l /s 之間, 最大流量101. 12 l /s,枯期流量仍可達0. 08 l /s(圖4)。對泉域內表層巖溶帶的含水空間(或體積巖溶率)總量小(低)、泉域規模較小、基巖裸露、處于地形坡度大或凸起部位上的泉域,其對水量的調蓄能力則表現出非常微弱。如區內向斜東翼干河豬場泉附近的S19泉泉域,其含水空間以淺小的溶溝、溶槽及少量溶隙及溶痕等為主體,體積巖溶率較小(現場估測約20% ) ,其面積為0. 132km2 ,基巖裸露,處于地形坡度較大(約40°)的地貌部位,致使該泉域在水量上的調蓄能力相當微弱,一般流量在0. 1 l /s左右,最大流量11. 2 l /s,枯水期出現長達32天的完全斷流。

 

  表層巖溶帶泉域對水流過程的調蓄能力與表層

 

  巖溶帶含水空間的結構、表層巖溶帶水文地質子系統的結構、第四系殘坡積層及植被覆蓋情況等因素有關,但主要取決于表層巖溶帶的含水空間結構和第四系殘坡積層及植被覆蓋情況。一般而言,含水空間結構復雜或是以細小溶隙為主體,第四系殘坡積層及植被覆蓋情況良好的表層巖溶帶泉域,其對水流過程的調蓄作用較為顯著,致使巖溶水流在內泉域經過較好的濾波作用和具有較長的滯留時間,形成時間較長且舒緩的波狀輸出過程。如區內向斜東翼銀峰塔一帶的S12泉泉域,其含水空間為由淺溶溝、溶縫、溶隙、溶管、溶孔等組合構成的復雜網絡,具有由1～ 2. 5m厚的表層巖溶帶和0. 5～ 2. 0m厚第四系殘坡積層及覆蓋率大于95%的準原始森林所構成多重介質的復雜結構,其系統面積雖僅為0. 076km2 ,但由于上述的原因而導致水流在系統內得以經過較好的濾波作用且具有較長的滯流時間,使該泉具有流量雖小(一般約0. 1 l /s,最大流量約2 l / s)但不斷流,形成長年不干且較平緩的輸出過程。對發育于三疊系下統不純碳酸鹽巖中的表層巖溶帶泉域(如S24泉) ,其含水空間系以細小溶隙為主體,子系統結構單一,但其對水流過程的調蓄也具有與S12泉域相當的作用和能力; 而對于表層巖溶帶含水空間以溶溝(槽)或溶縫為主體、子系統結構簡單、基巖裸露的泉域,其對水流過程的調蓄作用就不明顯,致使巖溶水在子系統內滯留的時間短暫,且難于形成較平穩的波狀輸出過程。具體表現為對降雨滯后時間短,出流時間短且流量動態極不穩定。如區內向斜東翼的干河豬場至車信灣一帶,沿公路邊坡分布的多處間歇性表層巖溶帶泉(或出水點) ,其含水空間以淺小溶溝溶槽或溶縫為主體、泉域內基巖裸露且僅為部分灌、草叢覆蓋,子系統及含水空間的結構均較簡單,從而導致水流在系統內滯留時間短暫,出流時間短且流量動態極不穩定。暴雨效應觀測結果表明,在大、暴雨開始后不足10min 內,這些間歇性的表層巖溶帶泉(或出水點)均開始出流且流量較大,而一般在雨后15～ 50h的時間內先后完成其水流的全部衰減過程而完全斷流。

 

  由上述可見,查明表層巖溶帶水文地質結構是研究表層巖溶帶水文地質子系統調蓄能力的關鍵所在。

 

  3 表層巖溶帶水文地質結構類型

 

  表層巖溶帶的水文地質結構包括表層巖溶帶含

 

  水空間結構和表層巖溶帶水文地質子系統的結構二個層次。表層巖溶帶含水空間結構是指表層巖溶帶含水空間的形態、規模及其不同的組合形式; 而表層巖溶帶水文地質子系統的結構是指表層巖溶帶水文地質子系統內表層巖溶帶、土層和植被與表層巖溶帶水動力單元在空間上的組合關系。

 

  3. 1 表層巖溶帶含水空間結構類型

 

  根據表層巖溶帶各種含水空間形態在區內的組

 

  合特征,可劃分為: ( 1)以較單一的溶溝溶槽構成其主要含水空間的結構, ( 2)以復雜的溶縫、溶管、溶隙、溶孔網絡構成其主要含水空間的結構, ( 3)以較單一的小型溶隙網絡構成其主要含水空間的結構三種類型。

 

  3. 2 表層巖溶帶水文地質子系統的結構類型

 

  表層巖溶帶水文地質子系統結構主要由表層巖溶帶、土層、植被三部分的不同組合形式構成。根據它們在區內的組合特征,可劃分為: 一元結構(表層巖溶帶)、二元結構(表層巖溶帶- 土層、表層巖溶帶- 植被)和三元結構(表層巖溶帶- 土層- 植被)三種類型。

 

  3. 3 表層巖溶帶水文地質結構類型

 

  根據表層巖溶帶的水動力條件類型、含水空間結構類型、碳酸鹽巖類型及第四系土層覆蓋情況等,區內表層巖溶帶水文地質結構可歸納為12個具體類型,其分布如圖6所示,其主要特征見表3。它們各自有其特定的水文地質特征、水動力條件、調蓄能力及開發利用條件。

 

  4 結論與建議

 

  ( 1)表層巖溶帶含水空間主要是由地面附近淺部的溶溝、溶槽、溶縫、溶管、溶隙、溶穴、溶孔、溶痕等巖溶空間形態構成。它們在不同的巖溶環境條件下可有著不同的組合形式。

 

  ( 2)表層巖溶帶地下水以接受降雨非連續脈沖式補給為主,且具補給面積小、滲入路徑短的特征。補給方式主要有直接快速補給和間接慢速補給兩種。

 

  ( 3)表層巖溶帶地下水的徑流形式主要有匯流狀和散流狀類型,徑流途程短,徑流路徑通暢,且以快速- 中速流為主要特征。

 

  ( 4)表層巖溶帶地下水具多級排泄的特征。排泄方式主要有集中排泄和分散排泄兩種形式。流量和水位變化幅度較大、動態不穩定、對降雨的反應非常敏感。

 

  ( 5)表層巖溶帶水文地質子系統在水量上的調蓄能力與系統內含水空間(或體積巖溶率)、系統的規模、第四系覆蓋層的厚度與結構、地形地貌條件等因素有關,但主要取決于系統內表層巖溶帶的含水空間(或體積巖溶率)與系統的規模; 表層巖溶帶水文地質子系統對水流過程的調蓄能力與表層巖溶帶含水空間的結構、表層巖溶帶水文地質子系統的結構、第四系殘坡積層及植被覆蓋情況等因素有關,但主要取決于表層巖溶帶含水空間的結構和第四系殘坡積層及植被覆蓋情況。

 

  ( 6)表層巖溶帶含水空間結構可劃分為: ①以較單一的溶溝溶槽構成其主要含水空間的結構,②以復雜的溶縫、溶管、溶隙、溶孔網絡構成其主要含水空間的結構,③以較單一的小型溶隙網絡構成其主要含水空間的結構三種類型。

 

  ( 7)表層巖溶帶水文地質子系統結構可劃分為:

 

  一元結構(表層巖溶帶)、二元結構(表層巖溶帶- 土層、表層巖溶帶- 植被)和三元結構(表層巖溶帶- 土層- 植被)三種類型。

 

  ( 8)根據表層巖溶帶的水動力條件類型、含水空間結構類型、碳酸鹽巖類型及第四系土層覆蓋情況等,對表層巖溶帶水文地質結構進行類型劃分,可較好地反映出它們各自固有特定的水文地質特征、水動力條件、調蓄能力及開發利用條件。但要建立科學系統的分類體系,尚需進一步的研究和完善。

 

  ( 9)在一定巖溶水文地質環境條件下,表層巖溶帶具有一定的地下水資源量,它們作為巖溶石山地區深埋主體水資源(飽水帶巖溶地下水)的輔助資源,為解決巖溶石山地區分散居民的生活及生產用水困難將起到很大的作用。

 

  ( 10)鑒于表層巖溶帶地下水在巖溶水文地質學中的意義及其在國民經濟建設中的特殊作用,在今后的生產及科研工作中,應進一加強對表層巖溶帶水文地質條件的調查和研究。