吳慈華

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 荊州　434100)

圖1　工作區(qū)交通位置圖Fig.1　Traffic position of working area

0　引言

馬尾溝流域位于鄂西南恩施州中東部,由清江南岸干流、馬尾溝和伍家河流域(統(tǒng)稱為馬尾溝流域)三個(gè)四級(jí)流域組成,面積867 km2。流域范圍包括恩施土家族苗族自治州的恩施市、建始縣、宣恩縣、鶴峰縣部分地區(qū),地理坐標(biāo)介于東徑109°38′32″～110°04′44″、北緯30°00′19″～30°23′06″之間,工作區(qū)交通較為便利,主要以縣級(jí)公路與相鄰縣(市)接通(圖1)。流域內(nèi)濕熱多雨的氣候、質(zhì)純厚層的碳酸鹽巖,為巖溶的強(qiáng)烈發(fā)育創(chuàng)造了良好的條件,經(jīng)長(zhǎng)期強(qiáng)巖溶化地質(zhì)作用,在碳酸鹽巖呈大片分布的各地質(zhì)構(gòu)造單元及地貌單元內(nèi)幾乎都有地下河的形成,基本上形成了復(fù)雜的地下洞穴儲(chǔ)水管道和地表各消水管道相溝通的巖溶管道體系。本文將從地下河的補(bǔ)給類型、結(jié)構(gòu)及排泄方式等方面加以闡述。

1　馬尾溝巖溶流域概況

馬尾溝流域位于清江中上游中山峽谷地貌區(qū),地貌屬武陵山脈向北東的延伸部分,流域北側(cè)為清江干流河谷,南側(cè)與酉水、溇水的分水嶺自西向東分別在宣恩椿木營(yíng)—鶴峰下坪一帶,高程1 900～2 026 m,東西兩側(cè)分別與清江支流龍王河、勇洞河的分水嶺為界?？偟貏?shì)自西向東和自南向北呈階梯狀向清江河谷降低,區(qū)內(nèi)十分發(fā)育的巖溶個(gè)體形態(tài)組合造就了本區(qū)以溶蝕為主,侵蝕為次的中山峽谷巖溶地貌區(qū)。流域出露地層主要是三疊系下統(tǒng)、二疊系下統(tǒng)、石炭系碳酸鹽巖,分布面積687 km2,占總面積的79%;其次是志留系、泥盆系碎屑巖類,第四系松散堆積物呈零星分布。流域所處大地構(gòu)造單元為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)八面山褶帶中的恩施臺(tái)褶束東緣,地質(zhì)構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為一系列NNE-NE向褶皺及與其伴生的走向斷裂。褶皺在平面上表現(xiàn)為斜列式的帶狀展布,背斜核部由志留系、泥盆系地層構(gòu)成,向斜槽部由三疊系中、下統(tǒng)地層構(gòu)成。根據(jù)流域內(nèi)各巖組地層巖性、巖石組合關(guān)系及其含水性和富水性之不同,劃分松散巖類弱含水巖組、碎屑巖類不含水巖組、巖溶含水巖組三大水文地質(zhì)巖組。

2　地下河系統(tǒng)特征

跟椐野外調(diào)查和綜合分析,目前可以確定的地下河有18條。地下河管道在平面上的展布方向嚴(yán)格受地質(zhì)構(gòu)造線方向控制,地下河管道寬度自上游至下游由小到大,一般可由上游段的1～3 m增大到下游的十余米至數(shù)十米,多數(shù)地下河管道內(nèi)部由于巖溶發(fā)育程度的不均一性,經(jīng)專門探測(cè),在伏流段,多處過水?dāng)嗝妾M窄,有“窄門”、“扁眼”及無明顯過流通道,形成卡口阻止水流,管道高度不足一米,這也是巖溶山區(qū)在雨季地下河管道消水不暢,回水淹沒上游巖溶槽谷形成洪澇災(zāi)害的主要原因。流域內(nèi)地下河總長(zhǎng)度61.1 km(水平投影長(zhǎng)度)。其中匯水面積最大的為701號(hào)蓮花池地下河,其次是606號(hào)涼風(fēng)洞地下河、149號(hào)河毛洞地下河等;總流量6 996.2 L/s,流量>100 L/s的有13條,流量>500 L/s的有5條,詳見表1[1]。

表1　馬尾溝流域地下河一覽表Table 1　Schedule of underground river of Maweigou Watershed

2.1　地下河類型

根據(jù)地下河主要補(bǔ)給方式之不同,可將流域內(nèi)地下河劃分為盲谷補(bǔ)給型、落水洞補(bǔ)給型與遠(yuǎn)程越流補(bǔ)給型三種類型地下河,分述如下:

2.1.1盲谷補(bǔ)給型地下河

屬于這一類型的地下河有7條,其占流域地下河總數(shù)的39%。

這類地下河水的來源,大部分來自地下河源頭以上盲谷內(nèi)匯集的地表溪流水及盲谷邊側(cè)泄出的巖溶泉水。溪流水還常有上游區(qū)外源水的匯入。盲谷匯集的地表河水在徑流至盲谷末端陡壁腳下時(shí),即潛入發(fā)育于此的消水洞中,轉(zhuǎn)為地下河。

盲谷匯水面積在整個(gè)地下河系統(tǒng)匯水面積中所占的比例是比較大的,如蓮花池地下河源頭—永興坪盲谷、長(zhǎng)巖屋地下河源頭—?jiǎng)⒓移好す鹊膮R水面積分別為20 km2與5.5 km2,分別占所屬地下河系統(tǒng)總匯水面積的80%、78%。故此類地下河流量大小與盲谷來水量成顯著的正相關(guān)關(guān)系。其特點(diǎn)如下:

(1) 有明顯的洞穴狀進(jìn)口,人員可進(jìn)入直接觀察地下洞穴內(nèi)部狀況。

(2) 由于進(jìn)出口高差較小,地下河平均坡降較小,一般都<5%,大多數(shù)進(jìn)口段,地下河底板呈緩坡。

(3) 由于有明顯的進(jìn)口與出口,容易確定地下河主干的展布方位。

(4) 易形成復(fù)雜的樹枝狀地下河系統(tǒng)。

2.1.2落水洞補(bǔ)給型地下河

流域內(nèi)地下河多屬于此類型的地下河,共計(jì)11條,占流域地下河總數(shù)的61%。

此類地下河水來自各垂向洞隙吸入的大氣降水,包括分布在不同高程、不同地貌單元上的落水洞、天窗、豎井、漏斗及大型溶隙。故而,此類地下河無明顯的進(jìn)口,其地下河主干的展布方位,則是從其出口根據(jù)巖溶洞隙的發(fā)育規(guī)律向上游追溯，分析可能與那些垂向洞穴貫通的。此類地下河有如下特點(diǎn):

(1) 地下河水來源主要是通過既分散又弧立的垂向洞穴注入而來。

(2) 與盲谷補(bǔ)給型地下河相比,此類地下河規(guī)模較小,常以單管道出現(xiàn)。

(3) 由于補(bǔ)給源的垂向洞穴可分布在不同的高程上,尤其是高級(jí)剝夷面(一級(jí)、二級(jí)及三級(jí))的槽谷、洼地中的落水洞更是廣布。因此,作為地下河進(jìn)口的落水洞至地下河出口之間,落差很大,地下河的底板呈階梯式陡降,故其平均坡降大。

2.1.3遠(yuǎn)程越流補(bǔ)給型地下河

流域內(nèi)可見到個(gè)別地下河的匯水面積與其出口流量不適應(yīng)的實(shí)例,即出口流量大、匯水面積小。如猴子洞地下河,根據(jù)地表分水嶺圈定的地下河匯水面積僅有5 km2,2012年6月29日測(cè)流為200 L/s,據(jù)訪問豐水期流量達(dá)500～2 000 L/s。如此高的排泄量,顯然存在沿?cái)嗔堰h(yuǎn)程補(bǔ)給或地表越流水的補(bǔ)給。

2.2　地下河系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

地下河是在可溶巖內(nèi)部經(jīng)溶蝕作用形成的單一或樹枝狀的地下管道系統(tǒng),是賦存、逕流、排泄地下水的主要場(chǎng)所。

2.2.1地下河平面展布特征

(1) 地下河管道在平面上的展布方向嚴(yán)格受地質(zhì)構(gòu)造線方向控制。馬尾溝流域分布的18條河地下河中,有13條地下河主干管道沿縱張裂隙順地層走向發(fā)育,3條地下河受地層傾向與縱橫張裂隙控制發(fā)育形成,僅有2條地下河主要受縱橫張裂隙控制發(fā)育形成。當(dāng)有非可溶巖地層存在時(shí),地下河主干管道則沿兩者界面附近可溶巖一側(cè)發(fā)育,形成單管道式地下河。在局部洞段,又有折線狀展布的沿次級(jí)裂隙追蹤主干裂隙發(fā)育的實(shí)例。在碳酸鹽巖呈大片分布的褶皺核部,除沿褶皺軸部縱張裂隙形成地下河主干外,還有沿翼部橫張裂隙形成支管道,共同構(gòu)成樹枝狀地下河系統(tǒng),如河毛洞地下河、甘竹坪地下河、紙廠溝地下河、紅魚泉地下河系統(tǒng)等。

(2) 地下河管道寬度一般自上游至下游由小到大。一般可由上游段的1～3 m增大到下游的數(shù)10 m。域內(nèi)比較典型的當(dāng)屬建始縣官店鎮(zhèn)陳子山蛤蟆溪洞(圖2),其為圈門洞地下河(H2-2)早期巖溶管道,開展洞穴探測(cè)得知洞體長(zhǎng)1 105.7 m,洞口直徑寬0.6～1.5 m、高2.2 m,向下游洞斷面有矩形、圓拱形和多邊形等多種形態(tài),一般洞高15～28 m,洞寬30～50 m,洞穴末端最高47 m,最寬達(dá)59 m,底部發(fā)育有落水洞與現(xiàn)代地下河相通,調(diào)查時(shí)于落水洞口旁可聽到深部流水聲響。

圖2　蛤蟆洞洞穴探測(cè)平面展示圖Fig.2　Layout of inspecting planar of Hamadong Cave

(3) 大型地下河系統(tǒng)往往有多個(gè)外源水補(bǔ)給的進(jìn)口,最后有一個(gè)排泄口。大型地下河系統(tǒng)內(nèi)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,通過地表的消、落水洞以及地下河天窗等與地下巖溶管道相通,其具有明顯河流特征,有規(guī)模較大的地下巖溶管道水,為地下徑流集中匯流通道,管道結(jié)構(gòu)多呈樹枝狀。如紅魚泉地下河主管道出水口位于伍家河邊魚泉洞,主要順巖層走向和NE向縱張裂隙發(fā)育,地下河入口有三處(圖3):分別位于323號(hào)紙蓬溝巖溶譚、324號(hào)馬石埡東落水洞、375號(hào)金家灣伏流口(照片1-照片4)。

照片1　紅魚泉地下河出口魚泉洞Photo 1　Yuquan Cave of exit of Hongyuquan underground river

圖3　265號(hào)紅魚泉地下河系統(tǒng)平面示意圖Fig.3　Schematic plan of underground river system of No.265 Hongyuquan1.地下河出口及編號(hào);2.地下河入口及編號(hào);3.巖溶洼地及編號(hào);4.消、落水洞及編號(hào);5.推測(cè)巖溶管道;6.地層界線及代號(hào);7.斷層。

照片2　紙蓬溝323號(hào)巖溶潭Photo 2　No.323 Yanrongtan in Zhipenggou

照片3　馬石埡324號(hào)消水洞Photo 3　No.324 Xiaoshui cave in Mashiya

照片4　375號(hào)金家灣伏流口Photo 4　No.375 Fuliukou in Jinjiawan

2.2.2地下河系統(tǒng)垂向上結(jié)構(gòu)特征

地下河在垂向分布上具多層結(jié)構(gòu)特征,區(qū)內(nèi)18條地下河出口高程最高的和最低的分別分布在1 609 m和336 m二級(jí)溶蝕面上,但出露最多的是出現(xiàn)在高程350～800 m級(jí)溶蝕面上,其次是高程1 400～1 600 m級(jí)溶蝕面,出露最少的是高程1 000～1 300 m級(jí)溶蝕面。就同一條地下河,也經(jīng)常見到在其出口段分上下兩層或三層水平洞穴管道,上層者系早期地下河出口,一般只在洪水期時(shí)排泄地下水,下層者系當(dāng)今地下河,如圈門洞地下河,上層至下層高差50 m(圖4)。剖面上巖溶管道多層結(jié)構(gòu)的形成,是由于在地質(zhì)歷史發(fā)展過程中,地殼呈間歇性隆升、河流侵蝕基準(zhǔn)面下切導(dǎo)致巖溶水向深部溶蝕所致。

地下河管道洞穴高度大小不一,大者呈大廳狀,高達(dá)20～50 m。如圈門洞地下河管道最高處達(dá)50 m。頂板高度最小者不足0.5 m,出現(xiàn)“卡門”,人不能通過,如紅魚泉地下河管道最窄處斷面僅0.3～0.4 m。一般受斷層、裂隙控制形成的地下河洞穴高度大,呈鋸齒狀;受層面控制的管道高度較小而平整。地下河底板總體上自上游向下游緩傾,局部段有跌水陡坎,坎高多為1.5～4 m。有時(shí)還發(fā)育有深潭,深幾米至十幾米。地下河平均坡降較大,一般為3%～10%。

2.2.3地下河管道橫剖面結(jié)構(gòu)特征

地下河管道橫剖面形態(tài)受構(gòu)造和地層層面控制。受構(gòu)造控制的橫剖面呈高尖三角形,即頂部呈縫隙狀,底板為寬幾米至十幾米的平坦面;受層面控制的橫斷面多呈門形或長(zhǎng)扁形。兩者因素兼有者則呈不規(guī)則形,似圓形等。多數(shù)地下河管道,由進(jìn)口向內(nèi),管道由粗變細(xì);而由出口向內(nèi),管道亦是由粗變細(xì)。這是由于地下河的發(fā)育是通過水流的溶蝕、侵蝕作用在伏流口處向下游方向發(fā)展,而在出水口處則向上游方向溯源發(fā)展所致。

圖4　382號(hào)圈門洞地下河出口剖面示意圖Fig.4　Profile of exit of underground of No.382 Quanmendong1.砂巖;2.瘤狀灰?guī)r;3.灰?guī)r。

2.3　地下河系統(tǒng)出露方式

流域內(nèi)巖溶管道水系統(tǒng)按其空間分布的受控因素,可大致分為基控型和層控型兩種類型?；匦褪侵笌r溶水排泄受河網(wǎng)切割侵蝕基準(zhǔn)面控制;層控型是指系統(tǒng)受地質(zhì)結(jié)構(gòu)(阻水?dāng)鄬踊蚍翘妓猁}巖隔水層)控制。在馬尾溝流域發(fā)育的18條地下河中,有13條地下河的排泄是受河網(wǎng)切割侵蝕基準(zhǔn)面控制出露,有5條地下河是受下部隔水層阻擋排泄。結(jié)合系統(tǒng)空間分布受控因素與地下水點(diǎn)的出露特征又可劃分為基控—侵蝕型、層控—侵蝕型、基控—接觸型、層控—接觸型、基控—溢出型和層控—溢出型。其中基控—侵蝕型與層控—侵蝕型最發(fā)育(照片5、照片6)。

照片5　蓮花池地下河(基控—侵蝕型)Photo 5　Lianhuachi underground river

照片6　圈門洞地下河(層控—侵蝕型)Photo 6　Quanmendong underground river

3　地下河開發(fā)利用建議

在巖溶石山地區(qū),根據(jù)地下河出露的條件和用水目的之不同,可因地制宜地采用堵、攔、蓄、引、提等幾種開發(fā)利用方式,來達(dá)到引流發(fā)電、飲用、灌田、養(yǎng)殖或旅游等目的[2]。

3.1　筑壩蓄水型

在地下河出口處筑壩蓄水,再通過引水渠道用于發(fā)電、飲用、灌溉等,這是一種常見的開發(fā)利用類型。該利用方式在地下河出露高程相對(duì)較高的區(qū)域應(yīng)用較多,主要利用水力落差發(fā)電,工程設(shè)施主要由取水壩、引水渠道、蓄水前池、壓力管道、發(fā)電廠房和變電站等組成。

3.2　引水型

開發(fā)方式以水電開發(fā)為主,生活飲用、農(nóng)田灌溉為輔。主要設(shè)施由取水壩、引水渠道、蓄水前池、壓力管道、發(fā)電廠房和變電站等組成,即在洞口建一底攔柵壩,壩底設(shè)置沖砂管及闡閥,再通過引水渠道,將地下水引入壓力前池蓄集,再沿山坡向山腳鋪設(shè)長(zhǎng)壓力鋼管利用高水頭發(fā)電。

3.3　提水型

在天旱季節(jié),可在地下河展布淺埋段的天窗或巖溶潭處,安泵抽水以解決用水問題。如蓮花池永興坪地下河天窗,該天窗深35 m,洞徑5 m,在天窗內(nèi)用潛水泵提水輸送到周邊供人、畜飲用,日提水量在500 m3左右。另在響水洞地下河天窗處,多在旱季進(jìn)行抽水灌溉農(nóng)田,以緩解旱情。

4　結(jié)語

鄂西南地區(qū)碳酸鹽巖廣布,地下水主要賦存并逕流于地下巖溶管道中,以地下河的形式存在于地下深處。其出口大都位于深切峽谷的陡崖腳下,居住在崖上河間地塊的居民難以利用,形成豐富的巖溶地下水資源與人畜飲水十分缺乏的極不協(xié)調(diào)的局面。通過開展馬尾溝巖溶流域1∶5萬水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查,查明了區(qū)域巖溶發(fā)育規(guī)律、地下河系統(tǒng)特征及開發(fā)利用方式,為鄂西南巖溶地區(qū)1∶5萬水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳慈華,周寧,等.湖北馬尾溝巖溶流域水文地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查報(bào)告[R].荊州:湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),2013.

[2]王宇，等.巖溶找水與開發(fā)技術(shù)研究[M].北京:地質(zhì)出版社,2007.