張勤軍，貝為昶，鄧 艷，李 靜，覃 選，石樹(shù)靜，馮民豪，劉文佳，康志強(qiáng)

(1.廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，廣西 南寧 530007； 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430078； 4.廣西有色勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530031；5.廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局，廣西 南寧 530023)

0 引言

中國(guó)西南巖溶區(qū)是全球三大連片巖溶發(fā)育區(qū)之一，面積達(dá)54萬(wàn)km2，其中滇黔桂湘碳酸鹽巖出露面積37萬(wàn)km2，占該區(qū)總面積的36%[1]。研究表明，構(gòu)造控制洞穴發(fā)育規(guī)模，在構(gòu)造破碎帶及其附近容易發(fā)育大規(guī)模洞穴[2]，南方巖溶區(qū)共分布2836條地下河系，總長(zhǎng)度13 919 km，總流量相當(dāng)于黃河的流量[3]。西南巖溶地區(qū)的暖濕氣候使巖溶作用強(qiáng)烈，巖溶地下水豐富，但可開(kāi)采利用的地下水卻很少[4]。西南地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失以及地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題嚴(yán)重[5]。

在巖溶區(qū)，地下水是生活與工農(nóng)業(yè)用水的主要來(lái)源之一，對(duì)巖溶水進(jìn)行勘查和開(kāi)發(fā)利用尤為重要。不合理的巖溶水開(kāi)發(fā)及利用將導(dǎo)致水量減少、水質(zhì)惡化等水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[6-11]。廣西水源洞地下河為典型的階梯型樹(shù)枝狀地下河，其流域面積大，流量動(dòng)態(tài)變化大，前期調(diào)查精度不足，地下河系統(tǒng)的空間展布不明。水源洞地下河及其下游的澄碧河、浩坤湖是凌云縣洞穴魚(yú)類保護(hù)區(qū)的核心地帶，是我國(guó)首個(gè)針對(duì)洞穴魚(yú)類的保護(hù)區(qū)。近年來(lái)，水量衰減問(wèn)題已引起當(dāng)?shù)卣母叨戎匾?，迫切需要查明水源洞地下河的空間展布。地下水示蹤試驗(yàn)又稱為地下水連通試驗(yàn)[12-13]，人工示蹤技術(shù)的應(yīng)用能夠提高地下河調(diào)查的準(zhǔn)確度[14]?；?∶5萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查、地下水流量動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期觀測(cè)、地下水示蹤等，進(jìn)一步查明了凌云縣水源洞地下河系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和流量變化，為水源洞地下河的開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

水源洞地下河位于廣西西部百色市凌云縣境內(nèi)(圖1)。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫20.5℃，多年平均降雨量1659.4 mm，降雨充沛但年內(nèi)分配不均，主要集中在5—10月份。研究區(qū)地貌上屬于云貴高原向東南傾斜延伸的凌云臺(tái)地部位，發(fā)育典型的高峰叢洼地和構(gòu)造—侵蝕中低山地貌。研究區(qū)地勢(shì)北高南低，地形高差大，最高點(diǎn)為西側(cè)的青龍山，高程1498 m，最低為水源洞地下河出口(S03)，高程440 m。研究區(qū)處于華南板塊南華活動(dòng)帶右江褶皺系百色凹陷四級(jí)構(gòu)造單元內(nèi)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造總體上以NE向的斷層為主，敏村向斜控制了區(qū)內(nèi)碳酸鹽建造。

水源洞地下河出口(S03)位于凌云縣城北側(cè)，最枯流量為1620.5 L/s (1979年)，是縣城居民生活飲用水的主要供水水源。水源洞地下河整體由北東向南西發(fā)育，平面上呈樹(shù)枝狀(圖2)，剖面呈階梯型。西面和北面以二疊系(P)碳酸鹽巖夾碎屑巖和三疊系(T)碎屑巖的山脊為地下水分水嶺，東面以凌云巖溶臺(tái)地中心區(qū)域?yàn)榈叵滤炙畮X，區(qū)內(nèi)地下河管道受NE向斷裂控制，并呈弧形展布。系統(tǒng)內(nèi)地下水有巖溶水和基巖裂隙水兩大類型。巖溶水含水巖組在研究區(qū)大面積分布，基巖裂隙水含水巖組主要分布在西部的標(biāo)村、平林村一帶和東北部仰村附近。水源洞地下河多源匯一，共有6條管道。主管道①號(hào)長(zhǎng)約20.89 km，剖面上為緩坡型(圖3)，平均水力坡度12‰。受旋卷構(gòu)造控制，砥柱中心位置垂向巖溶深發(fā)育，地下水埋深較大，一般大于100 m。地下河沿線發(fā)育5個(gè)地下河天窗和20個(gè)消水洞，可見(jiàn)明顯地下河入口4個(gè)。水源洞地下河接受外源水補(bǔ)給較多，4個(gè)地下水入口均為地表溪流入口。地下水總體上由北東向南西方向徑流，最終由凌云縣城北側(cè)的水源洞地下河出口(S03)排出系統(tǒng)，成為澄碧河的源頭。

2 研究方法

前期研究認(rèn)為，水源洞地下河系統(tǒng)共存在6條管道，其中管道①號(hào)和②號(hào)分別發(fā)源于加尤鄉(xiāng)坳腳屯和壩王屯，在官倉(cāng)附近匯合，沿NE向壓扭斷裂帶發(fā)育；管道⑥號(hào)發(fā)源于加尤鄉(xiāng)仰村一帶，沿環(huán)形構(gòu)造向南至洞新村一帶后，向西發(fā)育，最終匯入地下河主管道。然而，通過(guò)對(duì)該地下河系統(tǒng)的降水—徑流過(guò)程研究和地下水資源量評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)利用已有資料計(jì)算的地下水徑流模數(shù)偏小，降水—徑流過(guò)程不匹配?；趯?duì)水文地質(zhì)條件的厘定，認(rèn)為有必要對(duì)管道⑥號(hào)的空間展布狀態(tài)進(jìn)行重新研究。為此，采用示蹤試驗(yàn)方法。

2.1 示蹤試驗(yàn)

水源洞地下河管道①號(hào)自加尤鄉(xiāng)坳腳屯至水源洞，總長(zhǎng)度約18.3 km，其上游以消水洞為主要控制點(diǎn)(圖3)。為了查明該地下河主管道延伸長(zhǎng)度，管道發(fā)育情況、獲取相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，設(shè)置示蹤試驗(yàn)1組。投放點(diǎn)為央里村牛垌地下河入口(S01)，接收點(diǎn)為水源洞地下河出口(S03)。

水源洞地下河管道⑥號(hào)自邏樓鎮(zhèn)仰村南流至洞新村后，轉(zhuǎn)而向西，匯入水源洞地下河出口處，全長(zhǎng)約30 km，沿途主要以消水洞為控制點(diǎn)。據(jù)前人資料，此為推測(cè)地下河管道，是否存在有爭(zhēng)議。因其管道彎曲程度較大，洞新村以南10 km處發(fā)育弄福地下河出口(S05)。為證明管道⑥號(hào)上游與水源洞地下河出口(S03)、弄福地下河出口(S05)是否連通，尋找該管道地下水排泄點(diǎn)，查明管道發(fā)育情況，獲取相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，設(shè)置示蹤試驗(yàn)1組。投放點(diǎn)為陳家半坡消水洞(S02)，接收點(diǎn)為水源洞地下河出口(S03)、下甲鄉(xiāng)弄福村弄福地下河出口(S05)、下甲鄉(xiāng)河洲村河灘采石場(chǎng)八厘溢流溶洞(S04)。

試驗(yàn)原理：當(dāng)接收點(diǎn)地下水用儀器檢測(cè)熒光素濃度高于0.01×10-9或取回的水樣用熒光示蹤儀檢測(cè)示蹤劑的濃度，高于0.05×10-9即表明已接收到示蹤劑，證明該點(diǎn)與投放點(diǎn)連通。

2.1.1 水源洞地下河管道①號(hào)示蹤試驗(yàn)

1)試驗(yàn)時(shí)間：2017年9月12日—2017年10月15日。

2)示蹤劑：熒光素鈉2.6 kg。

3)所用儀器：熒光素示蹤儀。

4)試驗(yàn)段距離：全長(zhǎng)14.8 km。

5)投放點(diǎn)和接收點(diǎn)：投放點(diǎn)選擇牛垌地下河入口(S01)，接收點(diǎn)為水源洞地下河入口(S03)，采用儀器自動(dòng)檢測(cè)確定(圖2)。

2.1.2 水源洞地下河管道⑥號(hào)示蹤試驗(yàn)

1)試驗(yàn)時(shí)間：2017年10月17日—2017年11月20日。

2)示蹤劑：熒光素鈉5 kg。

3)儀器：熒光素示蹤儀。

4)試驗(yàn)段距離：全長(zhǎng)30 km。

5)投放點(diǎn)和接收點(diǎn)：投放點(diǎn)選擇陳家半坡消水洞(S02)，接收點(diǎn)為下游的水源洞地下河出口(S03)、下甲鄉(xiāng)弄福村弄福地下河出口(S05)、下甲鄉(xiāng)河洲村河灘采石場(chǎng)八厘溢流溶洞(S04)，各接收點(diǎn)采用儀器自動(dòng)監(jiān)測(cè)或取樣化驗(yàn)確定(圖2)。

根據(jù)野外熒光記錄儀記錄的示蹤劑濃度和長(zhǎng)觀流量數(shù)據(jù)，計(jì)算出示蹤劑的回收量。其計(jì)算公式為

(1)

式中：M為回收量，g；Q為實(shí)時(shí)流量，m3/s；c(ci)為歷時(shí)濃度，μg/L；ti為示蹤劑濃度歷時(shí)時(shí)間，s；t1為示蹤劑開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)間，s；t2為示蹤劑恢復(fù)到背景濃度的時(shí)間，s。

(2)

2.2 地下水流量動(dòng)態(tài)觀測(cè)

針對(duì)近年來(lái)水源洞地下河枯季流量變小的現(xiàn)象，為獲取水源洞地下河徑流量、最枯流量等數(shù)據(jù)，布置了2處地下水流量動(dòng)態(tài)長(zhǎng)觀點(diǎn)(圖2)，分別為主管道上游的央里河和水源洞地下河出口(S03)，觀測(cè)時(shí)間為2017年3月至2018年3月。

3 結(jié)果與討論

3.1 示蹤試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 水源洞地下河管道①號(hào)示蹤試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)穿透曲線(圖4)顯示，示蹤劑在管道①號(hào)投放后749 h到達(dá)，最大峰值出現(xiàn)在753 h，為0.19 μg/L，整個(gè)試驗(yàn)歷時(shí)32.5 d。

投放點(diǎn)與接收點(diǎn)連通，曲線呈單峰狀，說(shuō)明示蹤劑僅在單一通道中流動(dòng)，試驗(yàn)段地下河未發(fā)育分支管道。曲線有拖尾現(xiàn)象，證明含示蹤劑地下河水曾受緩沖作用，推測(cè)試驗(yàn)段地下河管道發(fā)育有一處貯水洞穴或地下湖。

根據(jù)式(1)、式(2)，計(jì)算得出示蹤劑回收質(zhì)量為186.93 g，回收率為7.19%。

示蹤劑初現(xiàn)時(shí)可視為地下水最大流速，峰值視為平均流速，試驗(yàn)段地下河最大流速474.02 m/d，平均流速471.66 m/d。

3.1.2 水源洞地下河管道⑥號(hào)示蹤試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，弄福地下河出口(S05)、八厘溢流溶洞(S04)接收到熒光示蹤劑信號(hào)，水源洞地下河出口(S03)未收到熒光示蹤劑信號(hào)。試驗(yàn)證明，陳家半坡消水洞(S02)與水源洞地下河出口(S03)不連通，與弄福地下河出口(S05)、八厘溢流溶洞(S04)連通。

水源洞地下河出口(S03)由儀器15 min采樣一次，由圖5曲線可見(jiàn)，自10月17日至11月20日，熒光素鈉保持本底值不變，無(wú)峰值出現(xiàn)，水源洞地下河出口無(wú)熒光素鈉流經(jīng)。

八厘溢流溶洞(S04)位于水源洞地下河出口(S03)與弄福地下河出口(S05)之間，距陳家半坡消水洞(S02)距離20.6 km。其發(fā)育于澄碧河左岸具有間歇泉特性，在試驗(yàn)期間流量變化較大。人工取樣監(jiān)測(cè)曲線(圖5)顯示呈多峰狀，11月5日濃度最大達(dá)到4.15 μg/L。此次試驗(yàn)證明陳家半坡消水洞部分地下水流向八厘溢流溶洞。

弄福地下河出口(S05)處采用儀器15 min采樣一次，從熒光素鈉穿透曲線(圖5)可見(jiàn)，共接收到三個(gè)峰值。第一峰值11月3日13：15初現(xiàn)，最高值1.85 μg/L，僅持續(xù)2 h 15 min恢復(fù)本底值；第二峰11月4日13：45初現(xiàn)，最高值2.56 μg/L，持續(xù)1 h 15 min后恢復(fù)本底值；第三峰最高，11月7日2：45初現(xiàn)，持續(xù)16 h 30 min，前峰緩，后陡升陡降，最高值達(dá)46.38 μg/L。陳家半坡消水洞(S02)至弄福地下河出口(S05)距離20.6 km，推測(cè)發(fā)育三條導(dǎo)水通道，兩支流流程短，水量較小，受主支流大流量地下水稀釋作用，前兩峰顯示低矮。主支流流量大，管道曲折流程長(zhǎng)，峰值高但出現(xiàn)較慢。主通道地下水流速934.6 m/d，兩支流通道地下水流速分別為1141.8 m/d、1207.3 m/d。因弄福地下河出口流量無(wú)法測(cè)量，回收量與回收率無(wú)法計(jì)算。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，水源洞地下河管道⑥號(hào)不存在，其上游陳家半坡消水洞附近地下水向南徑流，從弄福地下河出口(S05)、八厘溢流溶洞(S04)匯入澄碧河。水源洞地下河共5條管道，結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查，確定其流域面積約334.8 km2(圖6)。

3.2 地下水流量動(dòng)態(tài)觀測(cè)結(jié)果

流量長(zhǎng)觀資料顯示(圖7)，水源洞地下河出口(S03)豐水期最大25.58 m3/s，枯水期最小0.335 m3/s，流量不穩(wěn)定系數(shù)為0.013，對(duì)大氣降雨響應(yīng)敏感。央里河是水源洞最大的地表水補(bǔ)給源，提供了水源洞地下河22.9%的水量，其中豐水期最大5.91 m3/s，枯水期最小0.069 m3/s，流量不穩(wěn)定系數(shù)0.012，動(dòng)態(tài)變化與水源洞地下河出口一致。

根據(jù)流量動(dòng)態(tài)觀測(cè)結(jié)果分析：

1)水源洞地下河全年徑流量3597萬(wàn)m3，流量變化大，屬極不穩(wěn)定型，表明管道過(guò)水能力較強(qiáng)，儲(chǔ)水性較差。央里河是水源洞地下河主要支流，提供了22.9%的補(bǔ)給。

2)水源洞地下河最枯流量較38年前減少79.3% (1979年流量1620.5 L/s)。水源洞地下河最枯徑流模數(shù)為1 L/s·km2，顯示流域總體富水性為貧乏。

4 結(jié)論

1)水源洞地下河管道⑥號(hào)不存在，原管道上游地下水從八厘溢流溶洞(S04)、弄福地下河出口(S05)排泄匯入澄碧河。圈定水源洞流域面積約334.8 km2。

2)水源洞地下河全年徑流量3597萬(wàn)m3，管道過(guò)水能力較強(qiáng)，儲(chǔ)水性較差。央里河是水源洞地下河主要支流，提供了22.9%的補(bǔ)給。地下河流量變化大，屬極不穩(wěn)定型，最枯流量較38年前減少79.3%。