广西凌云县水源洞地下河系统结构特征研究

张勤军，贝为昶，邓 艳，李 静，覃 选，石树静，冯民豪，刘文佳，康志强

(1.广西壮族自治区地质调查院，广西 南宁 530007； 2.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西 桂林 541004；3.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430078； 4.广西有色勘察设计研究院，广西 南宁 530031；5.广西壮族自治区地质矿产勘查开发局，广西 南宁 530023)

0 引言

中国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37万km2，占该区总面积的36%[1]。研究表明，构造控制洞穴发育规模，在构造破碎带及其附近容易发育大规模洞穴[2]，南方岩溶区共分布2836条地下河系，总长度13 919 km，总流量相当于黄河的流量[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]。西南地区生态环境脆弱，水土流失以及地质灾害问题严重[5]。

在岩溶区，地下水是生活与工农业用水的主要来源之一，对岩溶水进行勘查和开发利用尤为重要。不合理的岩溶水开发及利用将导致水量减少、水质恶化等水文地质环境地质问题[6-11]。广西水源洞地下河为典型的阶梯型树枝状地下河，其流域面积大，流量动态变化大，前期调查精度不足，地下河系统的空间展布不明。水源洞地下河及其下游的澄碧河、浩坤湖是凌云县洞穴鱼类保护区的核心地带，是我国首个针对洞穴鱼类的保护区。近年来，水量衰减问题已引起当地政府的高度重视，迫切需要查明水源洞地下河的空间展布。地下水示踪试验又称为地下水连通试验[12-13]，人工示踪技术的应用能够提高地下河调查的准确度[14]。基于1∶5万水文地质调查、地下水流量动态长期观测、地下水示踪等，进一步查明了凌云县水源洞地下河系统的结构特征和流量变化，为水源洞地下河的开发利用和保护提供依据。

1 研究区概况

水源洞地下河位于广西西部百色市凌云县境内(图1)。研究区属亚热带季风气候，多年平均气温20.5℃，多年平均降雨量1659.4 mm，降雨充沛但年内分配不均，主要集中在5—10月份。研究区地貌上属于云贵高原向东南倾斜延伸的凌云台地部位，发育典型的高峰丛洼地和构造—侵蚀中低山地貌。研究区地势北高南低，地形高差大，最高点为西侧的青龙山，高程1498 m，最低为水源洞地下河出口(S03)，高程440 m。研究区处于华南板块南华活动带右江褶皱系百色凹陷四级构造单元内，区内构造总体上以NE向的断层为主，敏村向斜控制了区内碳酸盐建造。

水源洞地下河出口(S03)位于凌云县城北侧，最枯流量为1620.5 L/s (1979年)，是县城居民生活饮用水的主要供水水源。水源洞地下河整体由北东向南西发育，平面上呈树枝状(图2)，剖面呈阶梯型。西面和北面以二叠系(P)碳酸盐岩夹碎屑岩和三叠系(T)碎屑岩的山脊为地下水分水岭，东面以凌云岩溶台地中心区域为地下水分水岭，区内地下河管道受NE向断裂控制，并呈弧形展布。系统内地下水有岩溶水和基岩裂隙水两大类型。岩溶水含水岩组在研究区大面积分布，基岩裂隙水含水岩组主要分布在西部的标村、平林村一带和东北部仰村附近。水源洞地下河多源汇一，共有6条管道。主管道①号长约20.89 km，剖面上为缓坡型(图3)，平均水力坡度12‰。受旋卷构造控制，砥柱中心位置垂向岩溶深发育，地下水埋深较大，一般大于100 m。地下河沿线发育5个地下河天窗和20个消水洞，可见明显地下河入口4个。水源洞地下河接受外源水补给较多，4个地下水入口均为地表溪流入口。地下水总体上由北东向南西方向径流，最终由凌云县城北侧的水源洞地下河出口(S03)排出系统，成为澄碧河的源头。

2 研究方法

前期研究认为，水源洞地下河系统共存在6条管道，其中管道①号和②号分别发源于加尤乡坳脚屯和坝王屯，在官仓附近汇合，沿NE向压扭断裂带发育；管道⑥号发源于加尤乡仰村一带，沿环形构造向南至洞新村一带后，向西发育，最终汇入地下河主管道。然而，通过对该地下河系统的降水—径流过程研究和地下水资源量评价，发现利用已有资料计算的地下水径流模数偏小，降水—径流过程不匹配。基于对水文地质条件的厘定，认为有必要对管道⑥号的空间展布状态进行重新研究。为此，采用示踪试验方法。

2.1 示踪试验

水源洞地下河管道①号自加尤乡坳脚屯至水源洞，总长度约18.3 km，其上游以消水洞为主要控制点(图3)。为了查明该地下河主管道延伸长度，管道发育情况、获取相关水文地质参数，设置示踪试验1组。投放点为央里村牛垌地下河入口(S01)，接收点为水源洞地下河出口(S03)。

水源洞地下河管道⑥号自逻楼镇仰村南流至洞新村后，转而向西，汇入水源洞地下河出口处，全长约30 km，沿途主要以消水洞为控制点。据前人资料，此为推测地下河管道，是否存在有争议。因其管道弯曲程度较大，洞新村以南10 km处发育弄福地下河出口(S05)。为证明管道⑥号上游与水源洞地下河出口(S03)、弄福地下河出口(S05)是否连通，寻找该管道地下水排泄点，查明管道发育情况，获取相关水文地质参数，设置示踪试验1组。投放点为陈家半坡消水洞(S02)，接收点为水源洞地下河出口(S03)、下甲乡弄福村弄福地下河出口(S05)、下甲乡河洲村河滩采石场八厘溢流溶洞(S04)。

试验原理：当接收点地下水用仪器检测荧光素浓度高于0.01×10-9或取回的水样用荧光示踪仪检测示踪剂的浓度，高于0.05×10-9即表明已接收到示踪剂，证明该点与投放点连通。

2.1.1 水源洞地下河管道①号示踪试验

1)试验时间：2017年9月12日—2017年10月15日。

2)示踪剂：荧光素钠2.6 kg。

3)所用仪器：荧光素示踪仪。

4)试验段距离：全长14.8 km。

5)投放点和接收点：投放点选择牛垌地下河入口(S01)，接收点为水源洞地下河入口(S03)，采用仪器自动检测确定(图2)。

2.1.2 水源洞地下河管道⑥号示踪试验

1)试验时间：2017年10月17日—2017年11月20日。

2)示踪剂：荧光素钠5 kg。

3)仪器：荧光素示踪仪。

4)试验段距离：全长30 km。

5)投放点和接收点：投放点选择陈家半坡消水洞(S02)，接收点为下游的水源洞地下河出口(S03)、下甲乡弄福村弄福地下河出口(S05)、下甲乡河洲村河滩采石场八厘溢流溶洞(S04)，各接收点采用仪器自动监测或取样化验确定(图2)。

根据野外荧光记录仪记录的示踪剂浓度和长观流量数据，计算出示踪剂的回收量。其计算公式为

(1)

式中：M为回收量，g；Q为实时流量，m3/s；c(ci)为历时浓度，μg/L；ti为示踪剂浓度历时时间，s；t1为示踪剂开始出现时间，s；t2为示踪剂恢复到背景浓度的时间，s。

(2)

2.2 地下水流量动态观测

针对近年来水源洞地下河枯季流量变小的现象，为获取水源洞地下河径流量、最枯流量等数据，布置了2处地下水流量动态长观点(图2)，分别为主管道上游的央里河和水源洞地下河出口(S03)，观测时间为2017年3月至2018年3月。

3 结果与讨论

3.1 示踪试验结果

3.1.1 水源洞地下河管道①号示踪试验结果

根据穿透曲线(图4)显示，示踪剂在管道①号投放后749 h到达，最大峰值出现在753 h，为0.19 μg/L，整个试验历时32.5 d。

投放点与接收点连通，曲线呈单峰状，说明示踪剂仅在单一通道中流动，试验段地下河未发育分支管道。曲线有拖尾现象，证明含示踪剂地下河水曾受缓冲作用，推测试验段地下河管道发育有一处贮水洞穴或地下湖。

根据式(1)、式(2)，计算得出示踪剂回收质量为186.93 g，回收率为7.19%。

示踪剂初现时可视为地下水最大流速，峰值视为平均流速，试验段地下河最大流速474.02 m/d，平均流速471.66 m/d。

3.1.2 水源洞地下河管道⑥号示踪试验结果

试验结果显示，弄福地下河出口(S05)、八厘溢流溶洞(S04)接收到荧光示踪剂信号，水源洞地下河出口(S03)未收到荧光示踪剂信号。试验证明，陈家半坡消水洞(S02)与水源洞地下河出口(S03)不连通，与弄福地下河出口(S05)、八厘溢流溶洞(S04)连通。

水源洞地下河出口(S03)由仪器15 min采样一次，由图5曲线可见，自10月17日至11月20日，荧光素钠保持本底值不变，无峰值出现，水源洞地下河出口无荧光素钠流经。

八厘溢流溶洞(S04)位于水源洞地下河出口(S03)与弄福地下河出口(S05)之间，距陈家半坡消水洞(S02)距离20.6 km。其发育于澄碧河左岸具有间歇泉特性，在试验期间流量变化较大。人工取样监测曲线(图5)显示呈多峰状，11月5日浓度最大达到4.15 μg/L。此次试验证明陈家半坡消水洞部分地下水流向八厘溢流溶洞。

弄福地下河出口(S05)处采用仪器15 min采样一次，从荧光素钠穿透曲线(图5)可见，共接收到三个峰值。第一峰值11月3日13：15初现，最高值1.85 μg/L，仅持续2 h 15 min恢复本底值；第二峰11月4日13：45初现，最高值2.56 μg/L，持续1 h 15 min后恢复本底值；第三峰最高，11月7日2：45初现，持续16 h 30 min，前峰缓，后陡升陡降，最高值达46.38 μg/L。陈家半坡消水洞(S02)至弄福地下河出口(S05)距离20.6 km，推测发育三条导水通道，两支流流程短，水量较小，受主支流大流量地下水稀释作用，前两峰显示低矮。主支流流量大，管道曲折流程长，峰值高但出现较慢。主通道地下水流速934.6 m/d，两支流通道地下水流速分别为1141.8 m/d、1207.3 m/d。因弄福地下河出口流量无法测量，回收量与回收率无法计算。

根据试验结果分析，水源洞地下河管道⑥号不存在，其上游陈家半坡消水洞附近地下水向南径流，从弄福地下河出口(S05)、八厘溢流溶洞(S04)汇入澄碧河。水源洞地下河共5条管道，结合水文地质调查，确定其流域面积约334.8 km2(图6)。

3.2 地下水流量动态观测结果

流量长观资料显示(图7)，水源洞地下河出口(S03)丰水期最大25.58 m3/s，枯水期最小0.335 m3/s，流量不稳定系数为0.013，对大气降雨响应敏感。央里河是水源洞最大的地表水补给源，提供了水源洞地下河22.9%的水量，其中丰水期最大5.91 m3/s，枯水期最小0.069 m3/s，流量不稳定系数0.012，动态变化与水源洞地下河出口一致。

根据流量动态观测结果分析：

1)水源洞地下河全年径流量3597万m3，流量变化大，属极不稳定型，表明管道过水能力较强，储水性较差。央里河是水源洞地下河主要支流，提供了22.9%的补给。

2)水源洞地下河最枯流量较38年前减少79.3% (1979年流量1620.5 L/s)。水源洞地下河最枯径流模数为1 L/s·km2，显示流域总体富水性为贫乏。

4 结论

1)水源洞地下河管道⑥号不存在，原管道上游地下水从八厘溢流溶洞(S04)、弄福地下河出口(S05)排泄汇入澄碧河。圈定水源洞流域面积约334.8 km2。

2)水源洞地下河全年径流量3597万m3，管道过水能力较强，储水性较差。央里河是水源洞地下河主要支流，提供了22.9%的补给。地下河流量变化大，属极不稳定型，最枯流量较38年前减少79.3%。