南江水溶洞（开阳南江大峡谷岩溶地下水的补给过程）
南江水溶洞（开阳南江大峡谷岩溶地下水的补给过程）引用：贵州省国土资源厅重大专项(贵州省重点地质灾害风险评价与管控示范)； 贵州省科技平台及人才团队计划项目(黔科合平台人才[2017]5402号)；作者简介：徐一萍(1993—) 女 硕士研究生 主要从事岩溶水文地质研究。E-mail:1193630419@qq.com; *向喜琼(1975—) 男 副教授 博士 主要从 事地质灾害评价与防治研究。E-mail:tujia@126.com;基金项目：
摘要：
贵州开阳南江大峡谷景区岩溶地下水资源丰富 为独特的岩溶峡谷喀斯特地貌 为了查明该区地下水径流特征 特开展此次研究。在野外1∶10 000水文地质调查的基础上 通过水文地质剖面 结合NaCl示踪试验以及13组地下水样的水化学离子与总溶解性固体(TDS)测试结果进行综合分析 分析研究区地下水补径排特征。结果显示:(1)区内地下水的补给主要来自于大气降水与地表水 具有就地补给、就近泉点排泄循环的特点;(2)兰家寨段地下水受构造控制强烈 火龙潭(SQ2)上升泉同时作为F2断层两盘地下岩溶水的排泄点;(3)梯子岩泉作为断裂带泉也接受顶部洼地与落水洞处地表水的补给 并且存在一条地下岩溶管道;(4)大新场-屯上段鱼梁河与白安河同时作为峡谷两岸的排泄基面 不存在水力联系;(5)坡顶上-老河沟段之间地层的凸起转折对SW向与NE向地下水具有分流作用 构成地下水分水岭并使NE向地下水向老河沟方向径流。研究成果可为该区域供水提供地质依据。
关键词：
地下水; 补径排; 水文地质剖面; 示踪实验; 水化学;
作者简介：
徐一萍(1993—) 女 硕士研究生 主要从事岩溶水文地质研究。E-mail:1193630419@qq.com; *向喜琼(1975—) 男 副教授 博士 主要从 事地质灾害评价与防治研究。E-mail:tujia@126.com;
基金项目：
贵州省国土资源厅重大专项(贵州省重点地质灾害风险评价与管控示范)； 贵州省科技平台及人才团队计划项目(黔科合平台人才[2017]5402号)；
引用：
徐一萍，向喜琼，杨根兰． 开阳南江大峡谷岩溶地下水补径排研究［ J］ . 水利水电技术，2020，51( 2) : 53-59.
XU Yiping，XIANG Xiqiong，YANG Genlan． Study on recharge，runoff and drainage of karst groundwater in Nanjiang Grand Canyon in Kaiyang［ J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 2) : 53-59.
0 引 言
贵州开阳南江大峡谷地区气候湿润 降水充沛 但季节分配不均。区内地貌受构造控制强烈 岩溶发育 岩溶峡谷深切 多岩溶大泉出露。出露的地 层多为寒武系古老地层 沿峡谷两岸发育溶洞、地下管道 使得地表水极易进入地下水系 造成部分区域地表水短缺。为合理开发该地区地下水资源 提出了本文的研究。
在水文循环过程中 地下水长期与岩石圈、水圈、大气圈和生物圏进行能量传递与物质循环 因此 赋存于含水层中的地下水不是纯化学意义的H O 而是一种成分复杂的溶液 。由于受地质构造、地形地貌等因素的影响和控制 在内外地质营力长期共同作用下构成了本区岩溶地下水流动系 统的多元化特征。在对地下水补径排特征的研究方面 采用的方法主要有水文地球化学分析法、同位素分析法、示踪实验分析法、水文地质剖面分 析法等 如:张秝湲等 通过水化学和同位素的方法研究了苏锡常浅层地下水的补径排条件;刘大刚等 通过示踪实验、野外调查对西南典型断陷盆 地岩溶地下水径流特征进行了研究;朱静静等 通过水文地质剖面分析对湖北鄂西响水洞岩溶水系统水径流排泄特征进行研究;吕小凡等 通过对 周口市不同层位地下水中氘(δD)、氧(δ O)同位素进行分析 确定了深层地下水的径流特征及补给来源;郭海清等 通过对山西神头泉域岩溶水Sr 浓度、总溶解性固体等水化学指标进行分析 将该神头泉域划分为3个泉组 并表明水文地球化学信息对地下水补径排具有指示意义。
尽管在地下水补径排方面的研究方法比较多 但是目前在这方面研究中采用的方法手段还比较单一 分析结果难以得到验证 综合利用多种研究 方法进行地下水补径排的相关研究还需进一步加强。通过查阅大量资料 目前尚无关于本区地下水的研究 因此 本次研究就在1∶10 000水文地质调 查的基础上 通过水文地质剖面、水文地球化学、示踪实验及多种分析方法来对工作区地下水补径排特征进行研究。
1 研究区概况南江大峡谷位于贵州高原中部的开阳县 地理位置坐标介于106°58′0″—107°1′57″E 26°55′35″—26°58′35″N之间 研究区占地面积36.32 km 其中 碳酸盐岩地层分布面积占总面积的76%。大地构造处于扬子地台之川东南褶皱带 中三叠世末期的印支运动 使本区上升为陆地 结束了海相沉 积的历史 侏罗纪末的燕山运动使已有沉积盖层全部隆起褶皱成山 从而奠定了本区的基本地质轮廓 区内地质构造形迹主要表现为NE向正断裂及伴 生褶皱。受新构造运动的影响 本区地壳呈大面积间歇性抬升 形成了典型的亚热带峡谷喀斯特地貌 河谷深切 岸坡陡峭 山顶呈平坦状 不同高度的 平缓地形层层排列 形成大面积的夷平面。地貌成因中的外营力 以溶蚀为主 剥蚀和侵蚀次之。区内出露的碳酸盐岩地层有二迭系梁山组与栖霞组 石炭系大塘组 寒武系娄关山群、高台组、石冷水组、清虚洞组 主要出露在兰家寨—岩下寨断裂以东一带;而该断裂以西一带主要出露寒武系金顶 山组砂岩与明心寺组页岩 与碳酸盐岩分布区界限明显。研究区主要水系有鱼梁河、白安河 鱼梁河发源于修文的南江 最后注入乌江 从西侧进入区 内 横贯整个研究区 白安河则从北西侧流入区内 最终流入鱼梁河 再从东侧流出研究区。
研究区泉出露点共8个 主要出露于场区东部的碳酸盐岩分布区 其中SQ2为上升泉 其余均为下降泉 经调查 SQ4(梯子岩泉)、SQ2(火龙潭)与S Q8(老河沟泉)流量枯季大于10 L/s 为常年性岩溶大泉 根据区内出露的地层岩性及野外调查的泉流量大小 对研究区地下水的含水类型及富水性做了划分(见图1)。兰家寨—岩下寨断层带以西基本为隔水层 以东为碳酸盐岩含水层 其断层性质为阻水 因此又将该断层段划为其右侧碳酸盐岩含水 系统的隔水边界。
图1 研究区水文地质构造
2 水化学样品分析本次研究共采集岩溶水样13组(采样位置及水化学分析结果见图1与表1) 本次研究中样品的采集均使用550 ml聚乙烯塑料瓶 采集前将塑料瓶 用所采水样清洗三次 采集水样时 尽量将水装满瓶中 不留空气 于瓶身贴上标签 运回实验室冷藏于4 ℃冰箱中备用。其中总溶解性固体、温度、P H的测量采用北京哈纳沃德公司的低量程微电脑PH-EC-TDS-℃测定仪(HI 98129)进行现场测量 通过测三次取其平均值作为测定结果;总碱度与阴 离子中的CO 、HCO 的测定参照水和废水监测分析方法 采用室内酸碱指示剂滴定法进行测量;在K 、Ca 、Na 、Mg 、Cl 、SO 测定 前 将水样分别用0.45 μm的滤膜(Puradisc 25PP Whatman Inc. USA)过滤后 装入15 ml离心管待测 阳离子(K 、Ca 、Na 、Mg )采用美国 赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific)提供的原子吸收光谱仪(ICE-3500)进行测定 阴离子(Cl 、SO )采用美国戴安(Dionex)公司提 供的离子色谱仪(ICS-1100)进行测定。
表1 岩溶水样水化学特征
图2 A-A′剖面
3 地下水补径排条件分析区内构造发育 峡谷段地势高差大 地下水受地层岩性、地质构造与地形地貌影响强烈 为了查明其补径排条件 通过水文地质剖面分析法 从岩层 产状、岩性、地质构造的角度定性分析地下水的补径排。由于碳酸盐岩分布区地下岩溶管道裂隙发育 地下水的流向常常因此发生变化 因而仅仅依 靠水文地质剖面分析使结果难以得到验证。在此基础上 又通过示踪试验与水文地球化学定量分析区内地下水补径排。
3.1 基于水文地质剖面分析
通过1∶10 000区域水文地质调查 区内SQ4(梯子岩泉)、SQ2(火龙潭)与SQ8(老河沟泉)三个主要地下水岩溶泉点 为常年性岩溶大泉 因此 分 别在兰家寨段、梯子岩段、坡顶上—老河沟段过SQ4、SQ2、SQ8进行水文地质剖面的绘制 并对其地下水的补径排进行分析。另外对于特殊的峡 谷地貌 鱼梁河与白安河同时作为峡谷两岸地表水与地下水的排水基面 其间是否存在水力联系与地下水径流排泄情况不得而知 因此 对大新场—屯 上段也进行了水文地质剖面分析。
3.1.1 兰家寨段
兰家寨一带断层发育 其中 F2断层倾向NE 倾角为35° 与F1断层相交 为一正断层 具有导水性质。F2断层NE盘为二迭系梁山组与栖霞组灰岩 SW盘为寒武系金顶山组页岩与灰岩互层。由于构造作用 在该区域形成一褶皱 金顶山组的页岩与灰岩构成了一局部隔水层与含水层(见图2)。
由于上覆泥页岩隔水层 就使得金顶山组灰岩形成一承压含水带 并接受来自大气降雨和上覆隔水层表面地表水的补给。由于F1断层具有阻水 性质 又使承压含水层中的岩溶水在向F1断层方向径流时受阻 进而产生回流 并在F2错段处形成火龙潭(SQ2)上升泉 排出地表 泉口标高1 120 m。 而F2断层NE盘的二迭系梁山组与栖霞组灰岩地层倾向NW 因此F2断层NE盘的岩溶地下水也有顺层向火龙潭方向径流的趋势。
3.1.2 梯子岩段
梯子岩作为峡谷景区的核心区域 是居民与游客的主要憩息场所。该段主要出露寒武系清虚洞组第一段灰岩及高台组与石冷水组白云岩。鱼梁 河在此段水位约860～865 m 构成两岸岩溶水的排泄基面 该段岩层倾向NW 则鱼梁河两侧岩溶地下水均有顺层像NW方向径流的趋势(见图3)。
梯子岩泉(SQ4)常年流量约18～42 L/s 随季节变化大 出露于清虚洞组第一段灰岩 泉口标高995 m。经调查 梯子岩顶部多洼地和落水洞分布 地下岩溶发育强烈。且发育一条小型断裂(见图1) 长约1.1 km 宽15～25 m 沿断裂带分布规模不同的地表塌陷 而梯子岩泉正处于该断裂带上。由 于该断裂带两侧均为高台组与石冷水组白云岩 由岩性可判断该断裂导水 雨水及地表水通过断裂破碎带向下径流 可直接向梯子岩泉排泄。而山顶 发育一落水洞 与SQ4直线距离约1.2 km 对落水洞处的地表水是否通过地下径流而向梯子岩泉排泄不得而知 因此 以NaCl为示踪剂 总溶解性固体( TDS)为监测指标 以SQ4为监测点 落水洞为投放点进行示踪试验。从监测结果(见图4)可以看出 示踪剂浓度历时曲线总体为单峰型 回收率较高 说 明落水洞与梯子岩泉之间连通性较好 且存在岩溶管道(见图3) 雨水及地表水通过落水洞流入地下 再向梯子岩泉排泄。
3.1.3 大新场—屯上段
大新场—屯上段构造上主要发育有F5断层 倾向SE 倾角50° 为正断层 具有导水性质 主要出露寒武系娄关山群白云岩(见图5)。经调查 该段地 表未见水点出露 水井均为枯井 居民饮用水来自于老河沟泉 因而该段地下水埋深较深 对于是否存在地下分水岭无从得知。地下水接受降雨和地表 水的补给 从岩层产状来看 该段白云岩倾向NW 地下水有向NW向径流的趋势 而鱼梁河与白安河垂直距离约1.5 km 且两河水位为810～815 m 均 作为峡谷两岸岩溶水的排泄基准面。可见 纵使不存在地下分水岭 对于鱼梁河与白安河而言 水位相差无几 在如此小的水力梯度下 地下水必须克服 含水层阻力 进行地下近1 500 m的深部循环 难以形成水量交换 因此鱼梁河与白安河不可能存在水力联系 而两河水更有可能向NW向径流 进行更深层的地下水循环。
图3 B-B′剖面
图4 梯子岩泉示踪剂接收量变化
图5 G-G′剖面
3.1.4 坡顶上—老河沟段
首先 老河沟泉标高1 055 m 为区内常年性岩溶大泉之一 出露于寒武系高台水组与石冷水组地层(见图6) 是坡顶上—老河沟一带的主要排泄 点。从该剖面图中可以看出 由于F1断层和F6断层的存在 使得在两断层之间形成一小型背斜 这就造成高台水组与石冷水组碳酸盐岩地层在两断层 间的新八村处形成一凸起转折 并恰好对SW向与NE向地下水产生分流作用 使得其NE向地下水沿含水层层面向老河沟方向径流 在老河沟泉处排出 地表 并继续通过F6导水断层向NE方向径流。
再者 F1断层为一倾向NE 倾角为45°的正断层 断层带宽度大 上盘为可溶性碳酸盐岩 下盘为非可溶性页岩 使得来自NE向岩溶水在新八村一侧 沿层面向该断层方向径流时受阻 并在此形成地下水富水带。
3.2 基于水化学分析
通常水化学分析法作为地下水研究的主要手段之一 在水循环、地下水径流研究中也具有独特的研究意义 地下水化学组分的变化在一定程度上 记录着水体的补给来源、赋存条件、渗流途径等信息 因此 水文地球化学指标往往能作为研究地下水补径排的重要依据 。本次研究就区内13个 地下水点进行采样与水化学指标的测定 从总溶解性固体、水化学类型、水化学离子指标进一步对研究区地下水进行补径排分析。
图6 N-N′剖面
岩溶水化学成分的形成是地质条件、水文地质条件、物理化学平衡等因素综合控制下元素迁移的结果 其空间分布特征主要取决于地下水的循 环交替条件 反之 岩溶水的化学组成也可反映水动力场的基本特征 。一般说来 总溶解性固体值越大 则地下水在地下运移的距离和时间越长 泉 域范围越大 补给来源越远。总溶解性固体又称TDS 其大小又与地下水围岩中可溶性成分含量及水岩相互作用时间的长短有关 在相同或类似岩性 的地段则主要取决于作用时间的长短 。根据表1数据作出总溶解性固体(TDS)等值线图(见图7) 可以看出 其值变化范围为231～398 mg/L 不存 在异常高值区 质量浓度由桥上到鱼梁河南岸与卡木屯到老河沟逐渐升高 桥上质量浓度值最小 老河沟泉值最大 岩溶水径流方向与各水化学指标质 量浓度变化一致 即鱼梁河南部桥上及麻窝田作为径流区 岩溶水向大新场、梯子岩排泄区径流;鱼梁河北部牛滚溏与屯上作为径流区 岩溶水总体向 NW向老河沟排泄区径流。
图7 TDS等值线图
图8 研究区水样piper三线图
区内基本为质纯层厚的碳酸盐岩 主要矿物成分为方解石(CaCO )和白云石(CaMg(CO ) ) 因此该矿物的溶解沉淀作用是控制岩溶水化学组分 变化最重要的过程 即碳酸盐岩的溶解物是水化学组分的物质来源。从表1可以看出 岩溶水的水化学特征比较接近 根据piper三线图分类结果(见图 8) 区内水化学类型主要为HCO -Ca型和HCO -Mg型 且HCO -Mg型水多为区内排泄区出露的泉水 HCO -Ca型水多为处于径流区的井水。
并且可以看出 岩溶水的c(Ca)/c(Mg)由桥上到大新场、麻窝田到火龙潭及卡木屯到老河沟均有减小的趋势 这是由于方解石的溶解速率远大于 白云石 当方解石溶解达到过饱和以后 白云石还将继续溶解 致使 c(Ca)/c(Mg)沿岩溶水的径流途径呈减小的趋势 。由此指示岩溶水的径流方 向 与总溶解性固体(TDS)和水文地质剖面分析相吻合。
4 结 论通过水文地质剖面、示踪技术及水化学分析开阳南江大峡谷地下水补径排可以得出以下结论:
(1)通过水文地质剖面分析 得出区内地下水的补给主要来自大气降水与地表水;兰家寨段地下水受构造控制强烈 火龙潭上升泉同时作为F2断层两盘地下岩溶水的排泄点;在大新场—屯上段上 鱼梁河与白安河同时作为峡谷两岸排泄基面 不存在水力联系;坡顶上—老河沟段之间地层的凸起转 折对SW向与NE向地下水具有分流作用 使其NE向地下水向老河沟方向径流 并在老河沟泉处排出地表。
(2)经野外调查与示踪试验 梯子岩段地表洼地与落水洞发育 地下岩溶发育强烈 根据接收点示踪剂峰值类型及接收时间得出梯子岩泉作为断裂 带泉也接受顶部洼地与落水洞处地表水的补给。
(3)通过对岩溶水总溶解性固体(TDS)等值线图分析 结果显示其值由桥上到鱼梁河南岸与卡木屯到老河沟逐渐升高 桥上质量浓度值最小 老河 沟泉值最大 岩溶水径流方向与各水化学指标质量浓度变化一致 鱼梁河南部桥上及麻窝田作为径流区 岩溶水向大新场、梯子岩排泄区径流;鱼梁河 北部牛滚溏与屯上作为径流区 岩溶水总体向NW向老河沟排泄区径流。
(4)通过对区内岩溶水水化学类型和离子分析 结果显示区内水化学类型主要为HCO -Ca型和HCO -Mg型 且HCO -Mg型水多为区内排泄区出 露的泉水 HCO -Ca型水多为处于径流区的井水。且岩溶水的c(Ca)/c(Mg)由桥上到大新场、麻窝田到火龙潭及卡木屯到老河沟均有减小的趋势 由 此指示岩溶水径流方向。
