香溪河岩溶流域几种岩溶水系统的地质结构特征

罗明明，肖天昀，陈植华，周 宏，罗朝晖，肖紫怡

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北武汉 430074;2.中国地质大学(武汉)地质调查研究院，湖北武汉 430074)

岩溶水系统属于地下水系统的一种类型，是指构成汇集一定岩溶地下水量的岩石圈、水圈和大气圈的空间有机耦合体［1］。地下水系统研究中“含水系统”与“地下水流系统”是两个不同的概念［2］，本文研究的岩溶水系统主要指岩溶水流系统。

岩溶水系统的划分和地质结构的研究是水均衡分析、水资源潜力评价、计算岩溶水的补给、径流和排泄量的基础［3～6］。岩溶水系统模式分类的研究对了解中国南北方不同地质环境背景下岩溶水系统的结构特征具有重要意义。以秦岭淮河为界，中国北方岩溶水系统规模大，含水岩组为含杂质较多的层状碳酸盐岩，含水介质以溶蚀裂隙为主，多以岩溶大泉形式排泄，水文响应滞后，流量稳定;中国南方岩溶水系统多发育为地下河系，含水岩组多为质纯块状碳酸盐岩，含水介质以岩溶管道或洞穴为主，峰林和洼地等地表岩溶形态十分发育，水文响应灵敏，流量动态变化大［2，7］。

香溪河流域属于中国南北过渡岩溶带基岩山区，岩溶发育特征有别于南北岩溶特点，同样，岩溶地下水的流场刻画及水资源量的评价基本属于空白;其次，区内台原型峰丛洼地分布区干旱缺水问题严重，长期制约着当地工农业的发展。根据对地层、构造、裂隙、岩溶地貌、岩溶泉、地表水系等的野外调查及测量，结合野外试验与室内实验等手段，对岩溶水系统边界进行确定、划分岩溶水系统模式、研究岩溶水系统的结构，这是长期水文监测网络建立、典型岩溶小流域研究、岩溶发育特征总结、水资源量准确评价等研究工作的前提，同时也对解决当地干旱缺水问题具有指导意义。

1 研究区概况

1．1 自然地理条件

香溪河流域位于湖北省宜昌市兴山县境内，位于三峡库区上游，流域全长97.3km，是三峡水利枢纽坝上北岸第一条大支流。本次1∶5万岩溶水文地质调查区覆盖了古夫河与高岚河，属于香溪河流域的两个次级流域。

香溪河流域属于亚热带季风气候，四季分明、雨量充沛，年均降水量为900～ 1200mm，汛期降水量占全年68%左右，受区内山峦起伏和季风的影响，气候垂直变化明显，降水量年际变化、季节以及空间分布差异较大，小气候特征十分显著。香溪河流域总体属构造侵蚀剥蚀地貌，系中低山区，山峦叠嶂，沟壑纵横，地形相对高差大，岩溶地貌形态复杂多样，可见多级岩溶剥夷面景观，地势总体北高南低，大体可划分为三种地貌类型:侵蚀切割河谷低山区(＜800m)、岩溶剥蚀中山区(800～ 1200m)、缓坡高山区(＞ 1200m)。区内森林资源极为丰富，森林覆盖率达60.3%。

1．2 地质条件

研究区内地层出露较齐全，自太古界变质岩类至第四系松散岩类，除缺失石炭系及白垩系地层外，其他地层皆有出露，地层总厚度约2×104m。在兴山县峡口镇实测沉积岩地层总厚度为 7869.30m，其中碳酸盐岩地层总厚度为 3532.18m，占沉积岩总厚度比例为44.89%。区内碳酸盐岩主要集中于震旦系、寒武系、奥陶系、二叠系和三叠系地层，岩性以灰岩和白云岩为主，成片广泛分布于研究区内，碳酸盐岩在剖面上呈多层状分布。非碳酸盐岩主要集中于太古界水月寺群、下寒武系、志留系和侏罗系，岩性主要为碎屑岩类和变质岩类。

香溪河流域位于新华夏系第三隆起带，在大地构造单元上属于扬子准地台北缘上扬子台坪北部之鄂中皱断区，跨神农架断穹、黄陵断穹和秭归台皱束三个四级构造单元的交汇地带，在构造体系上位于淮阳山字型构造西翼反射弧砥柱与新华夏系第三隆起带的复合部位，区内北北东向断裂与北西向断裂密集交错发育，导致局部碳酸盐岩地层与非碳酸盐岩地层发生明显错动。

2 岩溶水系统划分

2．1 岩溶水系统边界的确定

岩溶水系统的划分具有级次性，目前南方岩溶水系统划分一般以区域地表水系为基础，按干流与支流关系逐级划分岩溶水系统［8］。在区域上，长江流域构成一级岩溶水系统，香溪河流域为二级岩溶水系统，高岚河流域与古夫河流域为三级岩溶水系统，本文研究的岩溶水系统为高岚河流域与古夫河流域内更次一级小规模尺度上的岩溶水系统。

前人在划分岩溶水系统时，裴建国等［9］提出了以岩溶水出露条件和岩溶含水岩组埋藏条件为原则划分西南岩溶地下水系统。万军伟等［10］在鄂西南清江流域岩溶研究中，以岩溶含水岩组空间分布和岩溶水排泄条件为岩溶水系统划分原则。王伟等［11］提出了地表水文网和沟谷的组合关系为原则划分黔西北岩溶地下水系统。曹成立等［12］针对亚系统划分主要依据地下水分水岭和一级河流流域分水岭，子系统则考虑了含水介质和水力条件。

针对研究区地质环境的特点(图1):碳酸盐岩与非碳酸盐岩地层呈多层状分布，碳酸盐岩地层的空间形态、分布高程及连续性受构造变动而产生显著差异，地形深切，河网及沟谷密布，因此确定以含水岩组与隔水岩组的空间组合关系、地表水文网与深切沟谷、地表及地下分水岭作为确定本区岩溶水系统边界的主要依据。

图1 香溪河流域水文地质略图Fig．1 Hydrogeological outline map of the Xiangxi River Basin

(1)含水岩组与隔水岩组的空间组合关系。根据地层含水性分析，确定了区内三大含水单元为上震旦系含水单元、下寒武-奥陶系含水单元、二叠-下三叠系含水单元，均为岩溶含水层。由于地层接触或断层错动的关系，太古界水月寺群、下寒武系、志留系、侏罗系的变质岩及碎屑岩类与碳酸盐岩地层接触部位构成了岩溶水系统的隔水边界。

(2)地表水文网与深切沟谷的相互配合。由于地形深切，多层岩溶含水层直接暴露于深沟崖壁上，沿隔水底板一线成泉排泄;地表水系局部深切至区域隔水底板，构成区内岩溶水系统的最低排泄基准面。地表水系及深切沟谷多构成了区内岩溶水系统的排泄边界。

(3)地表及地下分水岭的存在。区内局部地区地下分水岭与地表分水岭大致相当，地表分水岭即可构成岩溶水系统的边界;在地下分水岭与地表分水岭不一致的区域，地下分水岭构成了系统的零通量边界。

2．2 岩溶水系统划分结果

前人在研究中国南方和北方岩溶水系统分类时，主要考虑了地层岩性组合、地质构造类型、岩溶含水介质、岩溶水循环深度和周期、岩溶水埋藏条件、岩溶水径流方式、岩溶水排泄条件、岩溶发育特征、岩溶水系统成因、岩溶水动态变化特征等因素，分类命名中主要依据岩溶水埋藏条件、岩溶含水介质、岩溶水径流方式和岩溶水排泄条件等因素［8～11，13～21］。

针对香溪河流域岩溶水系统的地质结构特征，本文主要采用了岩溶含水岩组、岩溶含水介质、系统空间结构、系统平面形态、岩溶水排泄方式、岩溶水主径流方向、岩溶泉成因、地貌类型等因素对系统进行分类，分类命名中主要依据岩溶含水岩组、空间结构和岩溶水排泄方式的差异，将岩溶水系统概化为四种类型(表1):震旦-寒武双层分散排泄型、震旦单层分散排泄型、寒武-奥陶单层集中排泄型、二叠-三叠单层集中排泄型。

表1 岩溶水系统模式类型Table 1 Types of the karst water systems

按照岩溶水系统划分和模式分类原则，在兴山县幅工作区内划分了11个岩溶水子系统，各个岩溶水子系统的边界见表2。其中，高岚河谷及其支流沟谷成为众多岩溶水子系统的排泄边界，含水岩组与隔水岩组的接触线一带多构成了岩溶水系统的隔水边界。对各个系统进行归类，根据野外调查资料，统计出各系统的排泄特征(表3)。相比于北方岩溶水系统，研究区内岩溶水系统规模一般较小。分散排泄型岩溶水系统排泄标高相对较高，单个泉点流量小，总泉流量也小，说明岩溶水只有小部分以岩溶泉的形式排泄，其他大部分直接排泄进入地表水系;集中排泄型岩溶水系统以岩溶大泉的形式排泄，总泉流量基本代表了系统内地下水的排泄总量。

表2 岩溶水子系统边界Table 2 Boundaries of the karst water systems

表3 岩溶水子系统排泄特征Table 3 Discharge characteristics of the karst water systems

3 几种岩溶水系统模式的地质结构特征

3．1 震旦-寒武双层分散排泄型

该类岩溶水系统在平面上形似一座孤岛，中间高，四周低，呈现出二级阶梯状，高岚河及其支流沟谷构成系统北、西、南三面的排泄边界，水月寺群隔水底板构成系统东侧的隔水边界。系统呈现出明显的双层结构，寒武系石牌组泥岩在空间上将系统分隔为上下两个独立的子系统(图2)。上层子系统含水岩组为寒武系天河板组泥质条带灰岩、石龙洞组白云岩、覃家庙组白云岩夹泥岩，地层倾向北西西，倾角11°～17°，厚度约100～300m，个别系统由于顶部强烈剥蚀，仅残留天河板组;下层子系统含水岩组为震旦系灯影组白云岩及灰岩，地层倾向北西西，倾角9°～24°，厚度约700～800m。

图2 震旦-寒武双层分散排泄型示意图Fig．2 Schematic diagram of the Sinian-Cambrian double layer decentralization drainage type

上层子系统顶部发育有岩溶洼地，接受大气降雨的补给，沿溶蚀裂隙或岩溶管道径流，导水能力强，径流途径较短，最终沿天河板组与石牌组分界线一带形成接触下降岩溶泉排泄，呈分散式排泄，泉点个数较多但流量均较小(表3)。局部形成小型岩溶管道，如在大天池天河板组底部发育有一溶洞，洞口朝向南西，高3.6m，宽1.6m，向内延伸大于20m，洞口泉水水温10℃，流量6.15L/s。在上层子系统的补给区，入渗补给量大，雨季地下水量丰富。

下层子系统与上层子系统由于石牌组稳定的隔水作用而水力联系微弱，其补给区位于孤岛外环碳酸盐岩裸露区，接受大气降水和上层岩溶水子系统排泄泉水的补给，含水介质以裂隙为主，岩溶水主要沿溶蚀裂隙网络径流;部分岩溶水在灯影组与陡山沱组分界线一带形成接触下降岩溶泉排泄;在高岚河及其支流的河谷两侧，灯影组垂向溶蚀裂隙极其发育，沿河谷一带出露泉点少，总泉流量小，绝大部分岩溶水直接向高岚河排泄。下层子系统由于补给受限，又由于孤岛外围地形陡峭，大气降雨入渗量有限，总体水量偏小。

3．2 震旦单层分散排泄型

该类岩溶水系统在平面上形似一座孤岛，中间高，四周低，地表水系及沟谷构成系统外周界的排泄边界。含水岩组为震旦系灯影组纹层灰岩及白云岩，位于黄陵断穹的西北翼，地层倾向西，倾角10°～17°，含水层厚度约800～900m，此类个别岩溶水系统在孤岛顶部残留小面积的寒武系石牌组和牛蹄塘组泥岩。

在孤岛顶部未见岩溶洼地分布，发育有较多小型溶蚀沟槽，大气降水主要通过溶蚀裂隙补给进入岩溶含水层，岩溶水主要赋存于溶蚀裂隙中，岩溶水沿裂隙网络向四周呈放射状散流。在灯影组与陡山沱组分界线一带形成较多接触下降岩溶泉，流量均较小，未见岩溶大泉和地下暗河出口，总体呈分散排泄状;在含水岩组与地表水系直接接触的地段，大部分岩溶水直接排泄进入地表水系(图3)。在沟谷两岸，地形陡峭，灯影组地层发育有大量垂向溶蚀裂隙，表明大气降雨的地表产流量较大，因此在该类系统的补给区入渗补给量一般，总体地下水量中等。

图3 震旦单层分散排泄型示意图Fig．3 Schematic diagram of the Sinian single layer decentralization drainage type

3．3 寒武—奥陶单层集中排泄型

该类系统的含水岩组由寒武系天河板组泥质条带灰岩夹鲕粒灰岩、石龙洞组白云岩、覃家庙组白云岩夹泥岩、三游洞组白云岩或奥陶系生物碎屑灰岩构成，地层产状平缓，整体向西倾斜，倾角7°～32°，含水层厚度约为400～600m;寒武系石牌组泥岩构成该系统的隔水底板，地层向西倾，倾角9°～20°，厚度约为200～300m。

石牌组隔水底板构成系统的底部边界，北、东、西三面均存在地下水分水岭，形成一个完整的岩溶泉域。在补给区发育有大量岩溶洼地与落水洞，为台原型峰丛洼地地貌，岩溶洼地与落水洞由北向南呈串珠状分布，绝大部分大气降水和地表水汇集于岩溶洼地呈灌入式补给地下水，入渗补给量大。该类岩溶水系统的含水层厚度有限，岩溶发育程度高，岩溶水的循环深度较浅，径流相对较快。通过开展地球物理勘探可知，在白龙泉和雾龙洞的径流区均存在南北向的岩溶管道，岩溶水主要赋存于溶蚀裂隙与溶蚀管道中，地下水主要沿岩溶管道顺地层走向南北向流动，通过在白龙泉流域开展的示踪试验也得以验证。岩溶水在径流途中受石牌组或覃家庙组的阻水作用，最终以接触下降成因的岩溶大泉于台原边缘一带集中排泄(图4)，例如白龙泉流量60L/s，雾龙洞流量43L/s，水墨溪流量125L/s。该类系统补给与排泄都相对集中，补给入渗系数大，泉流量受降雨影响明显，水文响应快，泉流量动态变化明显，地下水量丰富。

图4 寒武-奥陶单层集中排泄型示意图Fig．4 Schematic diagram of the Cambrian-Ordovician single layer concentrated drainage type

3．4 二叠-三叠单层集中排泄型

该类岩溶水系统的含水层由二叠-三叠系灰岩和白云岩构成，位于秭归向斜的东翼，地层向西呈单斜状展布，地层倾角22°～49°，形成坡度较陡的单斜峰，因此大部分地区被三叠系嘉陵江组灰岩及白云岩覆盖，补给区与排泄区的相对高差约1000～1300m。

二叠-三叠系碳酸盐岩东西两侧分别与侏罗系与志留系泥岩或砂岩接触，平面上地层呈条带状南北向展布，侏罗系与志留系形成了东西两侧稳定的隔水边界;孟家陵一带存在南北地下水分水岭，构成南北两个岩溶水系统的边界。在北部单斜山顶部为峰丛洼地地貌，高程约1500～1600m，发育有大量岩溶洼地、落水洞、溶蚀沟槽、石芽等岩溶形态，大部分大气降水通过岩溶洼地和落水洞补给岩溶含水层;在单斜峰坡面地区，由于山体坡度较大，只有小部分大气降雨补给进入含水层，大部分通过地表产流进入地表水系，因此在单斜峰坡面上可见大量沿东西向发育的溶蚀沟槽。岩溶水主要赋存、运移于由裂隙和管道组成的导水网络中，地下水顺地层倾向由东往西汇流，在东侧碳酸盐岩与非碳酸盐岩分界线附近的地势低洼处形成溢流下降成因的岩溶大泉(图5)，如响龙洞流量68L/s。该类系统接受补给范围较广，地下水埋深大，包气带厚度大，整体入渗补给量中等，泉流量与降雨关系密切，动态变化大，地下水量较丰富。

上文论述的二叠-三叠单层集中排泄型岩溶水系统属于二叠-三叠系碳酸盐岩地层中的局部流动系统，由于区内二叠-三叠系地层单斜的特点，且地层总厚度较大，在埋藏型岩溶带不排除其存在南北向区域流动系统的可能，尚需在后期研究中进一步调查论证。

图5 二叠-三叠单层集中排泄型示意图Fig．5 Schematic diagram of the Permian-Triassic single layer concentrated drainage type

4 结论

(1)根据地层含水性分析，确定了区内三大岩溶含水单元:上震旦系含水单元、下寒武-奥陶系含水单元、二叠-下三叠系含水单元。针对研究区地质环境的特点，确定了以含水岩组与隔水岩组的空间组合关系、地表水文网与深切沟谷、地表及地下分水岭作为确定区内岩溶水系统边界的主要依据。

(2)针对香溪河流域岩溶水系统的地质结构特征，将区内岩溶水系统结构概化为四种模式:震旦-寒武双层分散排泄型、震旦单层分散排泄型、寒武-奥陶单层集中排泄型、二叠-三叠单层集中排泄型。四种模式在空间结构、含水岩组、地形地貌、边界性质、岩溶发育特征、岩溶水补径排条件、岩溶地下水量等方面具有明显差异。

(3)在岩溶水系统划分与模式分类的基础上，针对集中排泄型岩溶水系统的长期水文监测，应在集中排泄出口建站观测，而对分散排泄型岩溶水系统，建站时应分段控制住作为排泄基准面的地表水系的流量;在水资源量评价工作中，针对不同的岩溶水系统类型，选择典型岩溶小流域进行研究，根据水文气象的长期监测数据可分别确定其补给系数等水文地质参数，例如寒武-奥陶单层集中排泄型岩溶水系统的补给系数要明显大于震旦单层分散排泄型，进而对不同的岩溶水系统类型分区进行水资源量评价。

(4)对于当地水资源开发利用区划，在不同的岩溶水系统类型分布区，因地制宜，可选择不同的开发利用方式，以适应不同区域工农业发展对水资源的需求。对于双层系统，由于上层子系统排泄标高较高，且隔水层附近多为耕地和居民区，可利用其重力势采用引渠或导管直接将泉水作为灌溉水源和生活用水，但其整体泉流量较小，供水能力有限;对于单层分散排泄系统，岩溶水多以分散状排泄进入地表水系，且分布在地势相对较高的流域上游及其支流，可利用其高差势能作为梯级电站的发电水源;对于单层集中排泄系统，泉流量大，水质较好，是良好的饮用水源，但由于其出露位置相对较低，可利用提水的方式将泉水引至地势较高的岩溶洼地等干旱区，其开发利用潜力大。

总之，本文的研究工作对后期的水资源评价与开发研究具有重要的指导作用，对鄂西岩溶山区水文地质调查与研究技术方法体系做出了初步探索。

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