姚 薇

(烏魯木齊水文勘測(cè)局，烏魯木齊 830001)

1 概 述

水文地質(zhì)、降雨、地下水的開(kāi)采等多種因素都會(huì)對(duì)巖溶地下河的動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生影響，將地下水的排泄、補(bǔ)給、徑流之間的關(guān)系真實(shí)準(zhǔn)確地反映出來(lái)，是巖溶地區(qū)水文地質(zhì)勘察工作的重要一部分[1-3]。然而，由于缺少完善、長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)資料，研究人員往往不能準(zhǔn)確地掌握地下水系統(tǒng)的水文動(dòng)態(tài)變化。近幾年，隨著監(jiān)測(cè)儀器和技術(shù)的不斷更新，為地下水的水文資料獲取及其動(dòng)態(tài)變化研究提供了技術(shù)保障。

巖溶地下水觀測(cè)方式主要有兩種，分別為短期觀測(cè)和長(zhǎng)期觀測(cè)[4]。短期觀測(cè)往往以一次降雨或一個(gè)月為一個(gè)階段，長(zhǎng)期觀測(cè)則最少一個(gè)水文年。為了更加準(zhǔn)確掌握新疆某區(qū)域地下河系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，本文借助監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)降雨量、地下河的pH、電導(dǎo)率、水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以宏觀的角度對(duì)地下河出口位置水位流量的持續(xù)變化特征進(jìn)行分析，為該地區(qū)地下河系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和水文動(dòng)態(tài)變化的研究提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況和研究方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆北疆某地，氣候類型為溫帶大陸性干旱半干旱，年平均氣溫在9℃附近，全年降水量大于200 mm，水流對(duì)該區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間侵蝕，使其形成“一山兩嶺一槽”形的巖溶槽谷地貌。槽谷走向表現(xiàn)成自東北至西南，細(xì)長(zhǎng)略微彎曲的弧形構(gòu)造，山脈的走向基本和構(gòu)造線相同，地勢(shì)表現(xiàn)為南低北高，谷地和山峰相對(duì)高差約200 m，沒(méi)有較大起伏。該區(qū)域地下河系統(tǒng)始自槽谷中并沿其延伸，上游地表水匯聚于平緩的谷地，再通過(guò)標(biāo)高524 m的巖口落水洞流進(jìn)地下河，地表水在中下游時(shí)借助巖溶裂隙或者小型落水洞流進(jìn)地下河系統(tǒng)，最后在南部敞開(kāi)處、高程320 m的地下河出口流出。在上述流線里，地下河出口和巖口落水洞距離為7.4 km。大氣降雨作為該區(qū)域地下河的一個(gè)重要補(bǔ)給來(lái)源，大部分降雨順著坡面流到槽谷底部，之后通過(guò)落水洞流入或借助表層裂隙滲入至地下河中。

2.2 研究所用方法

2020年5月，在該區(qū)域地下河上游某村建造了一個(gè)小型氣象站，對(duì)該區(qū)域的氣溫變化和降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)記錄，其中每隔5min對(duì)降雨量進(jìn)行一次記錄，其精度為0.2 mm。在地下河出口部位建造一個(gè)水文觀測(cè)站，借助光電數(shù)字水位計(jì)來(lái)持續(xù)監(jiān)測(cè)出水口的水位，得到其水位動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，即每隔1h對(duì)水位進(jìn)行一次記錄，但當(dāng)水位改變大于2 mm時(shí)，記錄間隔則為5 min，其監(jiān)測(cè)精度為1 mm。在出水位置建造了矩形水堰，并通過(guò)曼寧公式來(lái)對(duì)出水流量進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，借助澳大利亞Greenspan公司生產(chǎn)的在線水質(zhì)分析儀來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出口位置的水溫、pH值和電導(dǎo)率，記錄間隔為15 min，監(jiān)測(cè)精度依次是0.1℃、0.01和0.01 μs/cm。

3 分析結(jié)果

3.1 年內(nèi)地下河出口水文變化情況

代表地下水動(dòng)力條件的一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)志即為巖溶地下水水位[5]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)各類地區(qū)溶洞地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和總結(jié)，把復(fù)雜的水位歷時(shí)曲線分成5個(gè)種類，分別為平緩跳躍類、波狀起伏類、不對(duì)稱臺(tái)面類、不對(duì)稱和對(duì)稱尖峰類，分類的依據(jù)主要是巖體的透水和發(fā)育程度、地下水補(bǔ)給條件、降雨情況，該方法也稱作巖溶地下水動(dòng)態(tài)曲線類型分析法。在對(duì)地下水進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，最根本的依據(jù)就是水位動(dòng)態(tài)曲線，研究人員能夠以此為基礎(chǔ)來(lái)識(shí)別巖溶含水介質(zhì)的組成、巖溶發(fā)育程度和調(diào)蓄能力。

圖1為該區(qū)域地下河2020年5月至2021年6月出口位置降雨量、水位、流量的對(duì)應(yīng)變化情況。從圖1中能夠看出，該區(qū)域地下河的響應(yīng)曲線表現(xiàn)為以管道流為主，同時(shí)降雨對(duì)水位流量的影響較大，后者的變化規(guī)律基本和降雨量保持一致。11月份至下一年3月份是旱季時(shí)期，該階段內(nèi)水位沒(méi)有較大的波動(dòng)；當(dāng)雨季到來(lái)后，水位流量變化較大，水位最大值增大。特別是在2020年的6、7月份期間，降雨量大大提升，在7月17日時(shí)，水位達(dá)到峰值(1.175 m)，變化幅度大于1 m，流量峰值分別是1.65 m3/s與2.6 m3/s，但流量最小值只有0.019 m3/s和0.28 m3/s。表明該區(qū)域地下河有著發(fā)育比較強(qiáng)烈的巖溶環(huán)境，巖體有著較大的透水性，疏水能力強(qiáng)，使水位流量無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持峰值狀態(tài)，同時(shí)體現(xiàn)了該處地下河有著管道流“過(guò)路水“的典型特征，無(wú)法進(jìn)行正常的含水介質(zhì)蓄水，所以其動(dòng)態(tài)類型為可氣象水文型[6]。并且水位流量變化趨勢(shì)增大速率要大于減小的速率，呈現(xiàn)出中間突出、兩側(cè)不對(duì)稱的形狀，這也表明降雨能夠快速流入至地下水中，而地下水排泄的速度較低。

圖1 年內(nèi)地下河降雨量、水位及流量變化情況

3.2 強(qiáng)降雨時(shí)水文動(dòng)態(tài)變化特征

2020年7月期間，研究區(qū)出現(xiàn)了3次強(qiáng)降雨。第一次在7月5日，持續(xù)降雨4 h，降雨量達(dá)到53.6 mm；第二次在7月9日，持續(xù)降雨5 h，降雨量達(dá)到85.5 mm，強(qiáng)降雨結(jié)束后又出現(xiàn)了短時(shí)間的小雨；第三次在7月17日，持續(xù)降雨近4 h，累計(jì)降雨量為130 mm。降雨對(duì)研究區(qū)地下河的影響較為明顯，其流量和水位快速增大，而電導(dǎo)率迅速減小，具體情況見(jiàn)圖2。

3.2.1 對(duì)pH值的影響

劉再華[7]研究了桂林巖溶后認(rèn)為，洪水期水化學(xué)的變化由兩個(gè)比較關(guān)鍵的過(guò)程進(jìn)行控制：一個(gè)是大氣-水體-巖體之間相互影響作用的過(guò)程，另一個(gè)是稀釋過(guò)程。在本次研究中，降雨后地下水的pH迅速?gòu)?.25減小至接近7，之后再慢慢增加至原水平，即7月5日第一次降雨，pH從7.25減小至7.04；7月9日第二次降雨，pH從7.22減小至7.01；7月17日第三次降雨，pH從7.23減小至7.02。對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行分析認(rèn)為，主要原因是該區(qū)域雨水pH值不高(5.6)，而地下河在強(qiáng)降雨后補(bǔ)充了大量雨水，導(dǎo)致其pH明顯下降；而強(qiáng)降雨結(jié)束后，降雨對(duì)地下河pH的影響逐漸減弱，其pH值又慢慢回升至原值。

圖2 地下河出口位置水文過(guò)程線

3.2.2 對(duì)電導(dǎo)率的影響

從圖2中能夠看出，在降雨未開(kāi)始時(shí)，電導(dǎo)率維持在560 μs/cm附近；在降雨出現(xiàn)后，電導(dǎo)率迅速提高至600 μs/cm以上，接著呈現(xiàn)為快速減小后緩慢增加的趨勢(shì)。7月6日首次強(qiáng)降雨出現(xiàn)后，電導(dǎo)率在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值655.04 μs/cm，在下午2點(diǎn)左右回落至低谷497.43 μs/cm；7月9日出現(xiàn)第二次強(qiáng)降雨，電導(dǎo)率同樣快速提高至591.5 μs/cm，在第二天減小至410.95 μs/cm以下；7月17日出現(xiàn)第三次降雨，此次降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，降雨強(qiáng)度大，電導(dǎo)率在上午8點(diǎn)升高至602.9 μs/cm，在次日中午1點(diǎn)減小至405.33 μs/cm?；钊?yīng)和雨水的稀釋分別導(dǎo)致了電導(dǎo)率的增大與降低。經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，雨水電導(dǎo)率較低，未超過(guò)100 μs/cm，而地下河的電導(dǎo)率在降雨停止后逐漸增大。比較3次降雨能夠發(fā)現(xiàn)，第三次降雨過(guò)程中電導(dǎo)率減小程度最大，高達(dá)200 μs/cm，同時(shí)最低值保持的時(shí)間也比較長(zhǎng)。這種現(xiàn)象有可能是因?yàn)槌掷m(xù)降雨導(dǎo)致的，此次降雨量較大，較多雨水以較快速度持續(xù)流進(jìn)地下河中，所以地下河的電導(dǎo)率因?yàn)橛晁♂屪饔枚恢碧幱诘椭禒顟B(tài)。由此能夠看出，地下河電導(dǎo)率下降幅度會(huì)隨著降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的增加而增加。

3.2.3 水位流量的變化

從圖2能夠看出，強(qiáng)降雨對(duì)地下河流量和水位的影響程度較大且快，水文過(guò)程曲線突然增加，而下降則比較緩慢，呈現(xiàn)出中間突出、兩側(cè)不對(duì)稱的形狀。在3次降雨中都出現(xiàn)了相應(yīng)的流量和水位最大值，分別是：第一次流量和水位最大值出現(xiàn)在7月6日，前者是1.41 m3/s，后者是0.82 m；第二次流量和水位最大值出現(xiàn)在7月9日，前者是1.86 m3/s，后者是1.003 m；第三次流量和水位最大值出現(xiàn)在17日，前者是2.58 m3/s，后者是1.18 m。這3次的流量和水位最大值都隨著降雨強(qiáng)度的增加而增加，通過(guò)SPSS分析軟件能夠得出它們之間的相關(guān)系數(shù)分別是0.993和0.921，具體見(jiàn)表1。在降雨為分散小雨時(shí)，流量和水位的變化幅度并不大。

表1 流量、水位峰值與降雨量之間的相關(guān)系數(shù)

有學(xué)者研究表明，水文尖峰滯后時(shí)間在出現(xiàn)集中強(qiáng)降雨時(shí)較短，約有3～4 h；在特大暴雨情況下，滯后甚至不足1 h。在7月9日，2 h的降雨量達(dá)到77.3 mm，降雨強(qiáng)度最大值達(dá)到57 mm/h，流量和水位峰值僅滯后了45 min。在7月5日晚上8點(diǎn)至11點(diǎn)，降雨量達(dá)到52 mm，降雨強(qiáng)度最大值達(dá)到33.2 mm/h，流量和水位峰值滯后最大降雨強(qiáng)度3 h 55 min。分析表明，降雨強(qiáng)度越大，流量和水位峰值滯后時(shí)間就越短，其相關(guān)系數(shù)為0.963，具體見(jiàn)表2。當(dāng)降雨強(qiáng)度較小、但降雨累積量較大時(shí)，流量和水位的峰值滯后時(shí)間要高于集中降雨時(shí)間。如7月17日，每日降雨量達(dá)到132.5 mm，降雨強(qiáng)度最大值達(dá)到28.7 mm/h，流量、水位峰值滯后降雨最大強(qiáng)度6 h 10 min，地下水移動(dòng)速度比較慢。

表2 流量、水位峰值滯后時(shí)間與降雨量之間的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié) 論

1) 該區(qū)域地下河的響應(yīng)曲線表現(xiàn)為以管道流為主，同時(shí)降雨對(duì)水位流量的影響較大，后者的變化規(guī)律基本和降雨量保持一致；水位流量變化趨勢(shì)為增大速率要大于減小的速率，呈現(xiàn)出中間突出、兩側(cè)不對(duì)稱的形狀，這也表明降雨能夠快速流入到地下水中，而地下水排泄的速度較低。

2) 降雨后，地下水的pH從7.25迅速減小至接近7，之后再慢慢增加至原水平；電導(dǎo)率在出現(xiàn)強(qiáng)降雨后，呈現(xiàn)為快速減小后緩慢增加的趨勢(shì)；地下河電導(dǎo)率下降幅度會(huì)隨著降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的增加而增加。

3) 強(qiáng)降雨對(duì)地下河流量和水位的影響程度較大且快，水文過(guò)程曲線突然增加，而下降則比較緩慢，呈現(xiàn)出中間突出、兩側(cè)不對(duì)稱的形狀；降雨強(qiáng)度越大，流量和水位峰值滯后時(shí)間就越短。