广西布泉地下河发育特征及连通性分析

2019-04-28张勤军张亚年贝为昶

中国地质调查 2019年2期

张勤军，张亚年，贝为昶

(1.广西壮族自治区地质调查院，南宁 530007； 2.水利部长江勘测技术研究所，武汉 430000)

0 引言

西南岩溶区是全球三大连片岩溶发育区之一，面积达54万km2，其中滇黔桂湘碳酸盐岩出露面积达37万km2，占该区总面积的36%[1]。南方岩溶区共分布2 836条地下河系，总长度13 919 km，总流量相当于黄河的流量[2]。我国云南、贵州、广西、湖南、湖北、四川、广东和重庆等省市、自治区的岩溶地下水资源开发利用潜力为534亿m3/a，现开采量为66亿m3/a，开采潜力巨大[3]。西南岩溶地区的暖湿气候使岩溶作用强烈，岩溶地下水丰富，但可开采利用的地下水却很少[4]。此外，西南地区水土流失已引起严重的土地石漠化，生态环境的恶化已引起众多学者的关注[5-6]。

岩溶地下水是生活与工农业用水的主要来源，对岩溶水进行勘查、开发和利用尤为重要，但不合理的岩溶水开发及利用会导致水量减少、水质恶化[7-10]等问题。广西布泉地下河为典型的缓坡树枝型地下河，流域面积大，地下河具有管道发育复杂、水位及流量动态变化大等特点。近年来，布泉地下河流域存在干旱和内涝等生态问题，引起当地政府的高度重视，迫切需要查明该区地下河的岩溶发育规律及分布特征。黄之巍[11]利用示踪试验对广西灵水泉进行地下水连通性分析，发现示踪剂浓度可反映示踪剂在岩溶管道或岩溶裂隙中的实际运移时间及速度,对本文具有借鉴意义。本文采用1∶5万水文地质调查、地下水水位动态长期观测、地下水示踪等多种手段调查布泉地下河的水文地质条件，分析地下河不同部位地下水的动态特征及管道连通性，为布泉地下河合理开发、利用及保护提供了参考。

1 研究区概况

布泉地下河位于广西西部隆安县与天等县交界处(图1)，属云贵高原前缘台地向广西盆地过渡的斜坡地带，为典型的峰丛洼地(谷地)、峰林谷地地区。研究区地势西北高、南东低，天等—右江地区呈三级台阶状。该区属亚热带季风气候，多年平均气温为21℃，降雨量充沛，但年内分配不均，多年平均水面蒸发量为1 719.8 mm[12]。

布泉地下河流域大面积出露三叠纪—泥盆纪碳酸盐岩。受气候和新构造运动影响，碳酸盐岩区岩溶发育，地表较大的岩溶形态类型主要有洼地、谷地和峰丛等，微岩溶形态类型主要有溶痕、溶沟、溶隙、石芽、天窗和溶洞等。研究区以NE向断裂最为发育，一定程度控制了岩溶发育的方向和规模。

根据含水介质的不同，布泉地下河流域地下水可划分为岩溶水和基岩裂隙水两类。岩溶水含水岩组在研究区大面积分布，主要类型为裂隙溶洞水，富水性中等—丰富；基岩裂隙水含水岩组主要分布于北部高洲村、西部那梅屯和南西部龙布村(图2)，富水性中等—贪乏。流域内地下水主要接受降雨补给，总体由南北两侧向中部径流，由西部向东部径流，主要由岩溶泉排出地表，小部分由天窗、溶井、溶洞流出地表，最终由布泉地下河出口(S0643)排出系统外。

图2 布泉地下河水文地质简图

2 试验方法

2.1 地下水水位动态观测

研究区岩溶地下水枯水位埋深一般为0～80 m。共布置6处水位长观点观察地下水水位动态，其中3处位于峰丛、洼地和谷地地区，分别为天等县盛典村龙洞屯天窗(S0547)、布泉乡布泉村外辇屯天窗(S0644)和宁干乡宁干村果吉屯溶井(S0409)，另外3处位于峰林、谷地区，分别为都康乡把孔村多佑屯溶井(S0524)、驮堪乡爱权村沙屯溶井(S0451) 和天等县母村果棒屯天窗(S0563)。观测时间为2010年11月—2011年11月，观测水位动态如图3所示。

(a) 天等县盛典村龙洞屯天窗(S0547) (b) 布泉乡布泉村外辇屯天窗(S0644)

(e) 驮堪乡爱权村沙屯溶井(S0451) (f) 天等县母村果棒屯天窗(S0563)

图3 布泉流域长观点地下水水位动态曲线

Fig.3 Groundwater level dynamic curves of Buquan underground river for long-time observation sites

2.2 示踪试验

布泉地下河的发育及展布主要受断层控制，整体沿断层分布，由于受次一级派生构造影响，地下河管道局部出现曲折拐弯。地下河平面形态呈树枝型，剖面形态呈阶梯型。为验证地下河支流间的连通性，分别在布泉地下河上游的教内地下河入口(S0541)和中游的曰屯天窗(S0602)投放示踪剂，测试下游接收点示踪剂浓度变化，计算地下水的运移速度。试验原理为：当接收点地下水的荧光素钠浓度>0.01×10-9，或取回水样的示踪剂浓度>0.05×10-9，表明已接收到示踪剂，证明该点与投放点连通。

2.2.1 布泉地下河上游示踪试验

(1)试验时间： 2011年12月20日18时25分—2012年1月4日。

(2)示踪剂：荧光素钠1 kg。

(3)仪器：荧光素示踪仪。

(4)目的：验证教内地下河入口、锐屯地下河天窗、新兴屯地下河天窗、练屯溶井的连通性及地下水运移速度。

(5)试验段距离：全长3.15 km。

(6)投放点、接收点简介：投放点为教内地下河入口，接收点为下游锐屯地下河天窗(接收点1)、新兴屯地下河天窗(接收点2)及练屯溶井(接收点3)，各接收点均通过取样化验确定(图4(a))。

(a) 上游 (b) 中游

图4 布泉地下河示踪试验示意图

Fig.4 Schematic diagram of tracing tests in Buquan underground river

2.2.2 布泉地下河中游示踪试验

(1)试验时间： 2011年12月14日11时10分—2012年1月9日。

(2)示踪剂：荧光素钠1 kg。

(3)仪器：荧光素示踪仪。

(4)目的：验证曰屯地下河天窗、岭烈屯地下河天窗、上买屯地下河天窗的连通性及地下水运移速度。

(5)试验段距离：全长9.15 km。

(6)投放点、接收点简介：投放点为曰屯地下河天窗，接收点为下游的岭烈屯地下河天窗(接收点1)和上买屯地下河天窗(接收点2)，各接收点均通过取样化验确定(图4(b))。

3 结果与讨论

3.1 地下水水位动态观测结果

长观资料显示，研究区岩溶地下水水位年变幅为1～8 m，相对于广西其他大多数地下河，水位年变幅较小。地下河上游的龙洞屯天窗(S0547)位于高峰丛洼地区，水位年变幅较大，最高水位标高为413.5 m(2011年10月7日)，最低水位标高为381.18 m(2011年3月15日)，水位年变幅为32.32 m(图3(a))。由降雨量与水位动态关系可知，观测点可分为2类。

(1)长观点S0547和S0644。地下水水位动态曲线总体较平稳，仅有2个高峰，说明降雨补给地下水存在阈值，小降雨并不能引起地下水的有效补给，地下水水位基本没有升高。降雨量>50 mm时，地下水水位明显上升，且存在滞后效应，表明地下水补给区径流途径较长或存在厚层包气带(图3(a)、(b))。

(2)长观点S0409、S0524、S0451和S0563。地下水水位动态曲线呈折线分布(图3(c)、(d)、(e)、(f))，受降雨响应明显，且基本无滞后效应，表明降雨可快速补给地下水。降雨过后，地下水水位急速下降。

3.2 示踪试验结果

3.2.1 布泉地下河上游示踪试验结果

在教内地下河入口投放荧光素钠，下游锐屯和新兴屯2个天窗接收到荧光素数据，证明锐屯地下河天窗、新兴屯地下河天窗与教内地下河入口连通，练屯溶井未接收到数据，证明练屯溶井与教内地下河入口不连通。根据接收到数据的2个天窗的基本特征，利用示踪试验计算水力坡度及地下水平均流速，结果如表1所示。

表1 布泉地下河上游及中游地下水流速计算结果

示踪剂经2 d后到达锐屯天窗，荧光素钠浓度从初始值到峰值共经历3 d，经约3 d到达新兴屯天窗，荧光素钠浓度从初始值到峰值共经历约7 d(图5(a))。该段地下河地下水平均流速为1 166 m/d，接收到示踪剂所经历的时间较短，说明布泉地下河地下水水量较大，流速较快，与实地考察结果一致。试验结果表明，教内地下河入口与锐屯天窗、新兴屯天窗连通，练屯溶井位于布泉地下河其他管道上。

(a) 上游 (b) 中游

图5 布泉地下河各接收点示踪剂浓度曲线

Fig.5 Tracer concentration curves of each receiver in Buquan underground river

3.2.2 布泉地下河中游示踪试验结果

在曰屯地下河天窗内投放荧光素钠，下游岭烈屯地下河天窗和上买屯地下河天窗均接收到荧光素数据。根据3个天窗的基本特征及试验所得基本参数计算水力坡度及地下水平均流速，结果如表1所示。示踪剂经82.29 h后到达岭烈屯天窗(接收点1)，荧光素钠浓度从初始值到峰值共经历15.5 h; 经约5 d到达上买屯天窗(接收点2)，荧光素钠浓度从初始值到峰值共经历约2 d(图5(b))。曰屯天窗至上买屯天窗段地下河地下水平均流速为1 079 m/d，接收到示踪剂所经历的时间较短，说明布泉地下河地下水水量较大，流速较快，与实地考察结果一致。试验结果表明，曰屯地下河天窗与岭烈屯地下河天窗、上买屯地下河天窗连通。

需要说明的是，本次地下水动态长观试验点主要为天窗和溶井等天然水点，而无机井等人工揭露地下水点的试验数量和种类相对不足，对地下河管道之外的水位动态数据获取较少。另外，在进行示踪试验时，荧光素钠的投放量偏少，仅获得地下河上游及中游的数据，未能获得整条地下河管道的全部数据。