洛塔表层岩溶带水文地质特征及其水文地质结构类型

  0 前 言

 

  在我国的西南地区,岩溶石山分布广泛。这里的气候条件有利于农业生产。但由于地表地下岩溶发育,地表面附近浅部岩石破碎,导致水土流失严重,地表水资源匮乏。“山多土少,雨多地漏”的恶劣环境,严重制约着农业生产的发展。缺水干旱问题已成为岩溶石山地区长期处于贫困和落后的主要原因之一。表层岩溶带地下水作为岩溶水有效开发利用资源的一部分,它已成为岩溶石山地区居民用水的重要水源之一。而表层岩溶带地下水的资源量则与表层岩溶带的水文地质结构有着密切的关联。因此,在岩溶石山区开展表层岩溶带水文地质条件研究,有着重要的理论和实际意义。

 

  1 自然地理、岩溶及水文地质概况

 

  洛塔地区位于湘、鄂、黔、渝四省市交界的湘西岩溶山区。属亚热带季风型湿润气候区,年平均气温13. 3℃ ,多年平均年降水量1649. 7mm。地貌上为一高耸于附近低山丘陵之上、轴向约北东35°的岩溶向斜构造盆地,主要由二叠系及三叠系下统的碳酸盐岩组成,厚度达880～ 1160m。其下为志留- 泥盆系巨厚的砂页岩所垫托。

 

  区内地表地下岩溶发育,岩溶形态类型众多。地表岩溶以洼地、漏斗、干谷、盲谷、峡谷、石林、石牙、溶丘、离峰等个体形态为主要特征; 地下岩溶则以溶洞、消(落)水洞、地下河管道、溶蚀裂隙等个体形态为主要特征。由于本地区经历多次构造运动,岩溶发育具有多层性。

 

  洛塔屋檐洞地下河流域为一边界封闭、独立完整的岩溶水文地质系统。根据岩溶地下水水动力的垂向分带特征,可将其划分为表层岩溶带水文地质子系统、包气带岩溶水文地质子系统和饱水带岩溶水文地质子系统。其中: 饱水带岩溶水文地质子系统以层楼式的地下河系统为其主要特征[1 ] ; 而表层岩溶带水文地质子系统则以浅表层分散潜流及表层岩溶带泉域为其主要特征。在表层岩溶带水文地质子系统与其下部的饱水带岩溶水文地质子系统之间常存在一定厚度的岩溶弱发育带,在局部通过少量深大的溶蚀裂隙或消(落)水洞等岩溶通道发生一定程度的水力联系。

 

  在以往的工作中对饱水带岩溶水文地质子系统

 

  已有较多的研究,并已取得了比较成熟的认识;而对表层岩溶带水文地质子系统的研究,目前尚处于起步阶段[3～ 11 ]。因此, 本文从岩溶水文地质的角度出发,对洛塔地区表层岩溶带水文地质特征及其水文地质结构类型进行初步的研究和论述。

 

  2 表层岩溶带水文地质特征

 

  2. 1 表层岩溶带含水空间结构特征

 

  洛塔地区表层岩溶带的含水空间主要由地面附近浅部的溶沟、溶槽、溶缝、溶管、溶隙、溶穴、溶孔、溶痕等岩溶空间形态构成。它们在不同的岩溶环境条件下可有着不同的组合形式。

 

  2. 2 表层岩溶带水文地质子系统水循环过程及特征2. 2. 1 表层岩溶带水文地质子系统水循环过程表层岩溶带水文地质子系统是岩溶水文地质系统的一个重要组成部分(参见图1)。它常常在岩溶水文地质系统的浅部形成一系列相对独立或半独立的表层岩溶带泉域,其水循环过程是岩溶水文地质系统水循环过程的一个重要阶段,且具有自己特定的水循环过程与特征。它对整个岩溶水文地质系统的水循环过程具有重要影响,但在总体上它受岩溶水文地质系统总体水循环条件的制约。洛塔地区表层岩溶带水文地质子系统水循环过程如图2所示。

 

  由图2可以看出,大气降雨是区内表层岩溶带水文地质子系统地下水的主要补给来源。但雨水降落到地表形成地面水后,在不同的岩溶区其循环特征也不一样。( 1)在裸露岩溶区,雨水通过具有高渗透能力的表层岩溶裂隙快速渗入表层岩溶带的蓄水空间内形成表层岩溶带地下水。经表层岩溶带的调蓄后,除有一部分通过蒸发蒸腾返回大气层外,余下的有一部分通过局部发育较深的溶蚀裂隙或落水洞等岩溶通道直接进入下部饱水带岩溶水文地质子系统中,而另一部分则以表层岩溶带泉或其它形式排向地表。而在排出地表的这部分表层岩溶带地下水中,有一部分通过地表沟渠直接汇入地表河; 另一部分则再次入渗补给地势相对较低的低位浅表层分散潜流系统及表层岩溶泉域。而在低位浅表层分散潜流系统及表层岩溶带泉域中的地下水再次重复上述过程,最后都汇入地表河流(洛塔河)。( 2)在覆盖型岩溶区,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渗补给地势相对较低的低位浅表层分散潜流系统及表层岩溶带泉域,此后其水循环过程与裸露岩溶区浅表层分散潜流系统及表层岩溶带泉域的水循环过程相类似。

 

  坡面流的另一部分则通过地表沟渠直接汇入地表河;而另一部分雨水则首先要入渗到基岩上覆的第四系残坡积层中,经第四系残坡积层孔隙介质的调蓄后,除有一部分通过蒸发蒸腾返回大气层外,其余部分缓慢下渗补给其下伏的浅表层分散潜流系统及表层岩溶带泉域,其后的水循环过程与裸露岩溶区浅表层分散潜流系统及表层岩溶带泉域的水循环过程相类似,在此不再赘述。

 

  2. 2. 2 表层岩溶带水文地质子系统水循环的基本特征( 1)补给条件与补给方式

 

  ①补给来源及补给动态

 

  如前述,区内表层岩溶带水文地质子系统地下水的补给来源主要是大气降雨,多年平均年降雨量达1649. 7mm。水量充沛但在时间上分布不均匀,其补给动态在总体上明显地受场雨的强度及降雨量在年内分布的制约,具有非连续脉冲式补给的特征。

 

  ②补给面积与渗入路径

 

  综观区内众多表层岩溶带泉域,其补给面积大多在0. 05～ 0. 15km2 之间,区内较大的表层岩溶带泉域- 赵家湾S14号泉泉域,其补给面积也仅0. 408km2 ; 而构成区内表层岩溶带水文地质子系统透水层的是表层岩溶带及其上覆第四系残坡积层,其总厚度一般小于10m。故区内表层岩溶带水文地质子系统接受补给的条件具有补给面积小、渗入路径短的特征。

 

  ③补给方式

 

  大气降雨对区内表层岩溶带地下水的补给主要

 

  有直接快速补给和间接慢速补给两种方式: 在裸露区,雨水通过较密集且开启的表层溶蚀裂隙等岩溶通道快速入渗补给表层岩溶带地下水,以直接快速补给为主要特征; 而在覆盖区,由于第四系孔隙介质的调蓄,降雨入渗补给以间接慢速为主要特征。

 

  ( 2)径流特征

 

  按水动力条件类型的不同,区内表层岩溶带水文地质子系统内地下水的径流形式可分为汇流状(区内绝大多数表层岩溶带泉域内地下水的径流形式属之)和散流状二种类型。地下水的流向在总体上受区内总地势的控制。主要特征表现为: ( a)水力坡度大,在向斜东翼的干河猪场BK2钻孔及S19泉一带水力坡度约为35% ,而在向斜西翼赵家湾的BK4钻孔及S14泉一带约为12% ; ( b)径流途程较短,一般在百余米至数百米之间; ( c)径流路径通畅,径流速度主要受地形坡度和表层岩溶带含水空间结构的制约,以快速——中速流[ 12]为主要特征,但径流量普遍较小。

 

  ( 3)排泄特征

 

  ①排泄方式

 

  调查结果表明,区内表层岩溶带地下水露头点在盆地底部周边高程约700m的坡脚地带至高程1450余米近峰顶部位不同高程的斜坡上均可见有分布,具多级排泄的特征。排泄方式主要有集中排泄和分散排泄两种。对属于汇流状水动力条件类型的表层岩溶带水文地质系统来说,其地下水常以集中排泄方式出露地表,形成表层岩溶带泉,如赵家湾的S14泉、云峰塔的S12泉及黄家湾S26泉等都是区内表层岩溶带地下水集中排泄的典型代表; 而对属于散流状水动力条件类型的表层岩溶带水文地质系统,其地下水常以分散排泄的方式排向地表,如飞跃洞附近表层岩溶带地下水的排泄是区内表层岩溶带地下水分散排泄的典型代表。

 

  ②动态特征

 

  根据2000年4月1日至2003年5月1日对区

 

  内干河猪场S19泉、赵家湾S14泉、小路湾S1 泉、黄家湾S26泉、宋家坡S18泉和干河猪场BK2、BK3 钻孔及赵家湾BK5 钻孔表层岩溶带地下水动态进行长观所获数据的统计分析,区内表层岩溶带地下水的动态特征见表1和表2。

 

  由表1可以看出,在区内进行长期观测的5个表

 

  层岩溶带泉中,有3个泉出现完全断流,每次断流时间在10至32天不等,占观测泉总数的60% ; 有1个泉在长时间内接近断流,占观测泉水总数的20% ; 而赵家湾沟S14号泉虽未出现断流且在枯水季节仍有一定的流量(约0. 1 l /S) ,但其不稳定系数也达1264。

 

  而由表2中也可以看到,区内表层岩溶带地下水位年内变化幅度达2. 39～ 6. 70m。可见,洛塔地区表层岩溶带地下水的流量和水位都具有动态不稳定、变化幅度较大的特征。此外,根据区内主要表层岩溶带泉观测资料的分析,其流量动态变化表现出对降雨的反应非常敏感(流量峰值比降雨峰值的滞后时间一般在1～ 3h之间)、与降雨基本同步的特征。

 

  2. 3 表层岩溶带水文地质子系统的调蓄功能

 

  如前述,表层岩溶带水文地质子系统常常在岩溶水文地质系统内的浅表层形成一系列相对独立或半独立的表层岩溶带泉域,且它们对表层岩溶水具有一定的调蓄功能。主要表现在两个方面: 一是积蓄功能,表现在表层岩溶带水文地质子系统对地下水水量上的调蓄作用,即积蓄部分降雨入渗补给及“邻域”补给量; 二是滤波功能,表现在水流过程上的调蓄作用,即通过表层岩溶带水文地质子系统内部结构的滤波作用将降雨的脉冲输入补给形式转换成连续波状输出的排泄形式(图3) ,同时延迟降雨入渗补给及“邻域”

 

  补给水量在表层岩溶带水文地质子系统内部滞留的时间。表层岩溶带泉域在水量上的调蓄能力与泉域内含水空间(或体积岩溶率)、泉域的规模、第四系覆盖层的厚度与结构、地形地貌条件等因素有关,但主要取决于泉域内表层岩溶带的含水空间(或体积岩溶率)与泉域规模。一般来说: 对于泉域内表层岩溶带的含水空间(或体积岩溶率)总量大(高)、泉域规模较大、第四系覆盖层厚度较大且结构松散、处于地势较平缓或低洼地带的泉域,其在水量上的调蓄能力较强。如区内向斜西翼赵家湾一带的S14泉泉域,其含水空间以较大型的溶沟、溶槽为主体且非常发育,据现场估测,体积岩溶率约35% ,泉域面积为0. 408km2 ,第四系覆盖层厚度1～ 5m不等(局部大于10m)且结构较松散,具有良好的蓄水空间,所处的地貌部位地势较为平缓,总体上纵向地形坡度约12°,使该泉域对水量具有较强的调蓄能力,致使该泉长年不断流且流量较大, 一般流量在3～ 5 l /s 之间, 最大流量101. 12 l /s,枯期流量仍可达0. 08 l /s(图4)。对泉域内表层岩溶带的含水空间(或体积岩溶率)总量小(低)、泉域规模较小、基岩裸露、处于地形坡度大或凸起部位上的泉域,其对水量的调蓄能力则表现出非常微弱。如区内向斜东翼干河猪场泉附近的S19泉泉域,其含水空间以浅小的溶沟、溶槽及少量溶隙及溶痕等为主体,体积岩溶率较小(现场估测约20% ) ,其面积为0. 132km2 ,基岩裸露,处于地形坡度较大(约40°)的地貌部位,致使该泉域在水量上的调蓄能力相当微弱,一般流量在0. 1 l /s左右,最大流量11. 2 l /s,枯水期出现长达32天的完全断流。

 

  表层岩溶带泉域对水流过程的调蓄能力与表层

 

  岩溶带含水空间的结构、表层岩溶带水文地质子系统的结构、第四系残坡积层及植被覆盖情况等因素有关,但主要取决于表层岩溶带的含水空间结构和第四系残坡积层及植被覆盖情况。一般而言,含水空间结构复杂或是以细小溶隙为主体,第四系残坡积层及植被覆盖情况良好的表层岩溶带泉域,其对水流过程的调蓄作用较为显著,致使岩溶水流在内泉域经过较好的滤波作用和具有较长的滞留时间,形成时间较长且舒缓的波状输出过程。如区内向斜东翼银峰塔一带的S12泉泉域,其含水空间为由浅溶沟、溶缝、溶隙、溶管、溶孔等组合构成的复杂网络,具有由1～ 2. 5m厚的表层岩溶带和0. 5～ 2. 0m厚第四系残坡积层及覆盖率大于95%的准原始森林所构成多重介质的复杂结构,其系统面积虽仅为0. 076km2 ,但由于上述的原因而导致水流在系统内得以经过较好的滤波作用且具有较长的滞流时间,使该泉具有流量虽小(一般约0. 1 l /s,最大流量约2 l / s)但不断流,形成长年不干且较平缓的输出过程。对发育于三叠系下统不纯碳酸盐岩中的表层岩溶带泉域(如S24泉) ,其含水空间系以细小溶隙为主体,子系统结构单一,但其对水流过程的调蓄也具有与S12泉域相当的作用和能力; 而对于表层岩溶带含水空间以溶沟(槽)或溶缝为主体、子系统结构简单、基岩裸露的泉域,其对水流过程的调蓄作用就不明显,致使岩溶水在子系统内滞留的时间短暂,且难于形成较平稳的波状输出过程。具体表现为对降雨滞后时间短,出流时间短且流量动态极不稳定。如区内向斜东翼的干河猪场至车信湾一带,沿公路边坡分布的多处间歇性表层岩溶带泉(或出水点) ,其含水空间以浅小溶沟溶槽或溶缝为主体、泉域内基岩裸露且仅为部分灌、草丛覆盖,子系统及含水空间的结构均较简单,从而导致水流在系统内滞留时间短暂,出流时间短且流量动态极不稳定。暴雨效应观测结果表明,在大、暴雨开始后不足10min 内,这些间歇性的表层岩溶带泉(或出水点)均开始出流且流量较大,而一般在雨后15～ 50h的时间内先后完成其水流的全部衰减过程而完全断流。

 

  由上述可见,查明表层岩溶带水文地质结构是研究表层岩溶带水文地质子系统调蓄能力的关键所在。

 

  3 表层岩溶带水文地质结构类型

 

  表层岩溶带的水文地质结构包括表层岩溶带含

 

  水空间结构和表层岩溶带水文地质子系统的结构二个层次。表层岩溶带含水空间结构是指表层岩溶带含水空间的形态、规模及其不同的组合形式; 而表层岩溶带水文地质子系统的结构是指表层岩溶带水文地质子系统内表层岩溶带、土层和植被与表层岩溶带水动力单元在空间上的组合关系。

 

  3. 1 表层岩溶带含水空间结构类型

 

  根据表层岩溶带各种含水空间形态在区内的组

 

  合特征,可划分为: ( 1)以较单一的溶沟溶槽构成其主要含水空间的结构, ( 2)以复杂的溶缝、溶管、溶隙、溶孔网络构成其主要含水空间的结构, ( 3)以较单一的小型溶隙网络构成其主要含水空间的结构三种类型。

 

  3. 2 表层岩溶带水文地质子系统的结构类型

 

  表层岩溶带水文地质子系统结构主要由表层岩溶带、土层、植被三部分的不同组合形式构成。根据它们在区内的组合特征,可划分为: 一元结构(表层岩溶带)、二元结构(表层岩溶带- 土层、表层岩溶带- 植被)和三元结构(表层岩溶带- 土层- 植被)三种类型。

 

  3. 3 表层岩溶带水文地质结构类型

 

  根据表层岩溶带的水动力条件类型、含水空间结构类型、碳酸盐岩类型及第四系土层覆盖情况等,区内表层岩溶带水文地质结构可归纳为12个具体类型,其分布如图6所示,其主要特征见表3。它们各自有其特定的水文地质特征、水动力条件、调蓄能力及开发利用条件。

 

  4 结论与建议

 

  ( 1)表层岩溶带含水空间主要是由地面附近浅部的溶沟、溶槽、溶缝、溶管、溶隙、溶穴、溶孔、溶痕等岩溶空间形态构成。它们在不同的岩溶环境条件下可有着不同的组合形式。

 

  ( 2)表层岩溶带地下水以接受降雨非连续脉冲式补给为主,且具补给面积小、渗入路径短的特征。补给方式主要有直接快速补给和间接慢速补给两种。

 

  ( 3)表层岩溶带地下水的径流形式主要有汇流状和散流状类型,径流途程短,径流路径通畅,且以快速- 中速流为主要特征。

 

  ( 4)表层岩溶带地下水具多级排泄的特征。排泄方式主要有集中排泄和分散排泄两种形式。流量和水位变化幅度较大、动态不稳定、对降雨的反应非常敏感。

 

  ( 5)表层岩溶带水文地质子系统在水量上的调蓄能力与系统内含水空间(或体积岩溶率)、系统的规模、第四系覆盖层的厚度与结构、地形地貌条件等因素有关,但主要取决于系统内表层岩溶带的含水空间(或体积岩溶率)与系统的规模; 表层岩溶带水文地质子系统对水流过程的调蓄能力与表层岩溶带含水空间的结构、表层岩溶带水文地质子系统的结构、第四系残坡积层及植被覆盖情况等因素有关,但主要取决于表层岩溶带含水空间的结构和第四系残坡积层及植被覆盖情况。

 

  ( 6)表层岩溶带含水空间结构可划分为: ①以较单一的溶沟溶槽构成其主要含水空间的结构,②以复杂的溶缝、溶管、溶隙、溶孔网络构成其主要含水空间的结构,③以较单一的小型溶隙网络构成其主要含水空间的结构三种类型。

 

  ( 7)表层岩溶带水文地质子系统结构可划分为:

 

  一元结构(表层岩溶带)、二元结构(表层岩溶带- 土层、表层岩溶带- 植被)和三元结构(表层岩溶带- 土层- 植被)三种类型。

 

  ( 8)根据表层岩溶带的水动力条件类型、含水空间结构类型、碳酸盐岩类型及第四系土层覆盖情况等,对表层岩溶带水文地质结构进行类型划分,可较好地反映出它们各自固有特定的水文地质特征、水动力条件、调蓄能力及开发利用条件。但要建立科学系统的分类体系,尚需进一步的研究和完善。

 

  ( 9)在一定岩溶水文地质环境条件下,表层岩溶带具有一定的地下水资源量,它们作为岩溶石山地区深埋主体水资源(饱水带岩溶地下水)的辅助资源,为解决岩溶石山地区分散居民的生活及生产用水困难将起到很大的作用。

 

  ( 10)鉴于表层岩溶带地下水在岩溶水文地质学中的意义及其在国民经济建设中的特殊作用,在今后的生产及科研工作中,应进一加强对表层岩溶带水文地质条件的调查和研究。