川南叙大铁路沿线岩溶区伏流、暗河对比分析

2014-08-02范辰辰夏雪萍

水土保持研究 2014年2期

范辰辰，许模，王梅，赵瑞，叶咸，夏雪萍

（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059；2.四川省蜀通岩土工程公司，成都610000）

伏流与暗河是岩溶地区的重要水资源。地表河潜入地下后的形态一般被称为伏流，常形成于地壳上升，河流下切，河床纵坡降较大的地方，在深切峡谷两岸及河谷的上源伏流分布尤为显著[1]。暗河是由地下水汇集而成的地下河道，具有一定范围的汇水区域，虽有出口，但无明显入口[2]。通常我们将伏流和暗河均视为相同的岩溶形态，但事实上，他们的差异性是不容忽视的，与我们生产生活之间的相互关系也不尽相同。本文依托地方铁路——叙大线，对沿线四川盆地的岩溶地下暗河和伏流进行对比分析。

1 工程概况与区域地质背景

叙大线铁路起于叙永，止于古蔺县大村镇，是一条地方运输铁路线。位于古蔺河南岸，沿线通过碳酸盐岩地段长约32.79km，占线路总长的38.40%。涉及到众多岩溶形态和丰富的岩溶地下水，沿线共发现暗河24条，伏流14条，总长度超过120km，集水面积达480km2，总流量超过7 300L／s，影响铁路工程设计与施工安全。同时，线路的施工也会打破该地区地下水生态环境平衡。线路隶属川南重镇泸州市的叙永、古蔺县境内，全长85.39km。线路涉及区属中亚热带季风气候。两县年平均气温17.8℃，降雨量集中在5—9月。本区主要为低中山地貌，总体北低南东高，山体多东西走向，与构造线基本一致，高差悬殊，海拔高程350～2 000m，相对高差200～700m[3]。区内水系较发育，以古蔺县箭竹坪一带为分水岭，箭竹坪以西为永宁河水系，以东为赤水河水系。主要河流有南门河、东门河、冷水河、古蔺河等。溪沟发育，呈树枝状展布，地下暗河与地表水相互贯通，河床纵坡陡，水流湍急。本区地层除第三系、石炭系、泥盆系缺失外，从侏罗系沙溪庙至奥陶系湄潭组均有出露。构造上属川南山字型构造影响范围，主要格局为以古蔺复式背斜为总体，呈近东西展布、向南突出的弧形褶皱。

2 岩溶水文地质条件

研究区位于四川盆地南缘山地与云贵高原过渡带[4]。区内可溶岩层位众多，其中茅口组灰岩岩溶最发育，嘉陵江组、栖霞组次之，雷口坡组、奥陶系中上统稍弱。在大片裸露的质纯、层厚的碳酸盐岩地区，岩溶发育强烈，有利于大气降水及地表水的补给[5]。岩溶水运动与循环受构造条件和水文网的控制，多分布在横切河溪地区，以纵向径流为主，横向径流为辅。隧址区北西部为岩溶槽型宽谷地貌，南东部则以岩溶山地为主。谷深坡陡，灰岩地区岩溶地貌显著，表面溶蚀严重，多石林、石柱等典型灰岩地貌特征，且溶蚀洼地，溶洞较多，水体交替循环加剧后，多形成较大规模的岩溶大泉及地下管道[6]。明流、暗流交替出现，彼此相依共存，向河谷岸边及低洼地汇集，集中排泄（图1）。

图1 研究区地下河分布平面图

3 研究区内伏流、暗河对比分析

伏流与暗河同为地下暗流，但实质上两者具有显著差别。我们将河流由地表转入地下，从地下又复出地表的独特形态定义为伏流。通常包含进出口、伏流洞及上覆山体（天生桥）3个部分[7]，如图2所示；而暗河是由地下水文网汇集而成的地下河道，它具有一定范围的地下汇水流域，即是说，暗河虽有出口，但无入口[8－10]，如图3所示。

图2 伏流示意图

图3 暗河示意图

在此，从两者发育的高程、地质条件、水系、水化学特征、空间展布5个方面对其分别进行统计分析[11]，详细论述伏流和暗河的区别。

3.1 出口高程

伏流和暗河两者出口高程值的差异性，以及与地表水系之间的垂直高程差的差异性是由多方面因素造成的，主要包括：地形地貌、地质构造、河流下切与地壳抬升速度关系等。在此，首先对本地区两者的出口高程数据分别进行统计分析：该地区伏流出口高程均值507.6m，其中最大值为696m，最小值为404m；暗河出口高程均值705m，其中最大值为1 116m，最小值为398m。两者均分布于河流两岸附近，伏流出口高程距离最近的地表主水体的平均高程为221.6m，暗河139.4m。由此可见，该地区伏流出口位置高程值较一致，且远离地表水体，而暗河则分布不均，高程分布范围更广，更贴近地表水体。从统计结果看来，两者出口高程主要集中在三个范围值，分别为520m，730m，950m，这和该地区挽近构造运动大面积上升的同时，间有短暂间歇紧密相关。

3.2 地质条件

地质构造与岩溶的发育强度及方向有着十分密切的关系，如地层的展布、产状，断裂的发育程度、方向、充填程度等控制了地下水的运动方向和地下水动态，从而也就决定了岩溶发育的强度、方向、规模大小及岩溶形态等[12]。研究区内发育可溶岩的层位较多且面积广泛，但伏流和暗河均只发育于三叠系嘉陵江、雷口坡和二叠系阳新组中。据统计，在该地区两者主要分布于P1y地层中，其次为嘉陵江组，雷口坡组内不发育，这也与该地区岩溶发育状况程度相吻合。但也由此可见，古叙地区地层岩性对伏流、暗河发育的影响程度大致相同，两者无显著差别（图4）。

作为排泄点的伏流、暗河，出口常发育在靠近排泄基准面附近，是在一个相对较长的地壳稳定时期由于岩溶作用形成的。区域地质构造控制了碳酸盐岩的分布和岩溶发育的强度及方向，从而控制地下河的发育分布情况。不同的构造形态将产生构造裂隙，这类裂隙是地下水活动的场所，是地下河发育的原始通道，控制地下河展布、径流方向[13]。地质构造对地下河的控制包括以下四类：背斜、向斜、断裂及单斜地层。据本次调查，地下河系统集中分布在梯子岩背斜和柏杨林背斜附近，其余部位均较为分散。统计结果显示，影响伏流、暗河发育的主导因素均为背斜，其余依次为向斜、断层和单斜构造。但相比之下，伏流受背斜控制的影响作用更明显，有半数发育于背斜核部，而暗河受各构造因素影响程度较为平均，且从发育总数看来，远大于伏流。由此推测，伏流发育的构造条件相比暗河更为苛刻，裂隙管道发育不充分的地方不利于伏流的出现，但暗河却更容易成为可溶岩地区的一种地下水的主要排泄方式。故构造作用对伏流、暗河的发育展布起到了较为显著的作用，见图4。

图4 伏流、暗河数量与地层、构造关系

3.3 水系

各类水体经下渗成为地下水后通常会汇聚并集中排泄，从而形成了伏流和暗河，其排泄口通常都发育在区域最低排泄基准面附近，故水系也是影响伏流暗河出露的重要因素。在此选择以二、三级水系为基准，探讨伏流和暗河的异同。据此次调查，南门河水系内无地下河发育，而主要集中于东门河、古蔺河以及丹桂河水系中。但由于研究区范围内不同水系涵盖的可溶岩范围相差甚远，故在此选用地下河发育密度指标（s）为衡量标准，分析两者在不同水系中的分布情况。其定义是，碳酸盐岩单位面积上地下河发育的条数，为便于计算采用10km2的碳酸盐岩出露面积为标准[14]，公式如下：

式中：S——某一地区地下河总条数（条）；A——碳酸盐岩出露面积（10km2）。

经计算，丹桂河水系中伏流发育密度最大，占绝对优势。而暗河在三个水系中所占比例相当，东门河内的密度略大于其余两条水系。分析认为，由于不同地形地貌直接控制着地下水的水动力特征，制约着岩溶作用的强度，使其在不同的地形部位形成不同的岩溶形态。而丹桂河水系的侵蚀基准面最低，其范围内地形高差大，坡度陡，推测该地区河流下切速度较快，地表水主要顺沟渠排泄，后沿洞穴通道及溶蚀裂隙进入地下，集中溶蚀显著，故伏流发育更充分。而其他区域地形低洼，坡度平缓，地下水以水平运动为主，面状溶蚀占主导地位，故暗河发育充分[15]。具体发育密度见表1。

表1 伏流、暗河发育所处水系统计

3.4 水化学和同位素特征

由伏流和暗河的定义可知，两者之间最根本的差别在于：暗河为面状补给，无明显的进水口，伏流则为沟渠集中补给，有明显的线状补给端。不同的补给方式也决定了伏流和暗河的水化学特征的不同。故在此选取了该地区7组暗河，5组伏流进行水化学简分析；另选2组暗河，4组伏流进行2H（D）、18O同位素分析测试。具体测试结果分析如下：

整体看来，测试水样中，伏流和暗河的阳离子均主要以Ca2＋为主，Na＋、Mg2＋次之，K＋最少。但阴离子组成方面，伏流主要以HCO－3和SO2－4为主，Cl－最少；暗河主要以HCO－3为主，仅一组水样呈SO4－Ca型。但该点矿化度为所有水样中最大，达722mg／l，pH＝4.5也为所有水样中最低。故推测该点出现SO2－4含量偏高，较低pH值和较高矿化度值是受到附近璜厂排放出含SO2－4离子废水的影响。综上分析，该地区地下水水化学类型主要为HCO3·SO4－Ca型水，为典型的岩溶地区地下水类型。图5反映出研究区域内地下水的循环交替条件较好，得到大气降水补给的同时也得到其它水源的混合补给，地下水径流途径较长，岩石介质对于地下水化学类型的改造作用较为明显，矿化程度普遍较高。

图5 伏流、暗河水化学分区

4组伏流出口的水化学数据分析显示，U05、U15、U36的SIC、SID和SIG值均小于0，可见其径流途径通畅，水岩作用不充分。唯一存在U31的SIC、SID和SIG值大于0，但分析此伏流入口补给水源U38的化学成分可知，虽然U31的溶解度几乎达到饱和，但完全是因为补给伏流的水源本身就已达到饱和，且出入口的数据极其接近，也可说明伏流本身的水岩作用时间不长，物质成分交替程度不够，水体基本保持了入口端原有的化学性质。

7组暗河水化学结果则一致表明，大多数暗河出口处水体的溶解度都已达到饱和状态，且矿化度基本为250～400mg／L，可见其径流途径一般通畅，水岩作用时间较长。由此可见，伏流相较暗河而言，更多地保持了补给水源的性质，径流途中与岩体之间的相互作用较弱，径流途径更加通畅、迅速，如表2所示。

表2 研究区地下水水样饱和指数表

3.5 空间展布特征

地下河空间展布与区域环境有关，是地层岩性、地质构造、水系、气温及降雨等因素综合作用的结果。经现场调查及分析，虽然古叙地区伏流和暗河的平面展布情况类似，但纵向发育却呈现出明显的差异性。通过对6条伏流、11条暗河的发育长度和进出口高差计算后可知，研究区内伏流的地下径流管道的平均斜率仅为0.078，相较暗河0.134的斜率而言其值仅为暗河的2／3[16]。由此说明该地区伏流在地下的展布，相比暗河纵坡降更小，水流更平缓，如表3所示。

4 结论

川南古叙岩溶地区伏流所处高程较集中，对比暗河，出口位置相对于地表水体也更高，而暗河出口高程分布散乱，距离地表水体更近；地下暗流主要分布在二叠系茅口组灰岩中，与该地区地层岩溶发育程度基本一致；从构造的角度可知，伏流分布更为集中，而暗河则相对均匀，且数量更多，由此推测伏流发育的条件更加严格；水系方面，伏流发育的地区山体较为陡峭，地表水主要以沟渠形式排泄，而暗河所属地区山体更平缓，水体以面状下渗溶蚀为主；又经水化学和同位素检测，伏流径流通道更通畅，水岩作用不如暗河充分；最后通过计算两者垂向发育斜率，推测该地区伏流的地下管道更为平缓，纵坡降小于暗河。

川南古叙地区岩溶水资源相当丰富，对于该地区出现的暗河和伏流，附近村民多是放任自流，排入河中，未加利用，远未发挥其应有的经济价值[17－20]。若能在掌握二者特性的基础上合理充分应用继而开展专水专用，将能更有效地提高岩溶水资源的利用率。

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