滇東斷陷盆地南洞巖溶地下水系統地下河水文動態特征與資源量評價

趙 一, 李衍青, 李 軍 , 劉 鵬, 藍芙寧*

1)中國地質科學院巖溶地質研究所/自然資源部、巖溶動力學重點實驗室, 廣西桂林 541004;

2)河北建筑工程學院市政與環境工程系, 河北張家口 075000

我國滇東斷陷盆地具有特殊的地質結構和水文地質條件, 水土資源空間分布極不均勻又不配套,土壤資源集中分布在盆地平壩區, 而盆地平壩區地下水大都埋深較深, 形成“土在樓上, 水在樓下”的格局, 該地區主要的供水來源為巖溶地下水, 定量評價巖溶地下水資源, 對于滇東斷陷盆地區水資源的開發利用和調配有著重要的意義(鄒勝章等,2005; 郭琳等, 2006; 臧紅飛等, 2010; 呂文凱等,2021)。滇東斷陷盆地巖溶大泉較少, 地下河高度發育, 地下河的分布特征控制著該地區巖溶地下水資源分配(Torbarov, 1976; 喬小娟等, 2014)。而巖溶地下河的水文過程能反映巖溶地下水的響應和衰減過程, 不僅可提取巖溶地下水系統內部結構信息(郭小嬌等, 2014), 還可為巖溶地下水資源評價提供一些水力參數(Wetzel, 2003; Winston and Criss, 2004;Liu et al., 2007; 羅明明, 2017)。

南洞地下河是滇東斷陷盆地典型的超大型地下河, 由多條地下河組成, 是一徑流途徑復雜、水量較大的地下河系統。到目前為止南洞地下河的開發利用程度很低, 開采量不到 10%, 其開發潛力非常巨大。而其上游的蒙自壩區, 地勢平整, 氣候溫和, 但干旱嚴重。近年來, 經過一些學者的研究, 南洞地下河主管道的空間展布逐漸明晰(趙一等,2017)。在草壩與大莊壩間, 南洞二號地下暗河過水斷面較為狹窄, 可構筑地下堤壩, 形成地下水庫。對解決蒙自壩區工農業用水, 改變缺水干旱面貌,具有決定性作用。本文在前人研究的基礎上, 首先對南洞各條地下暗河出口的水文動態進行分析, 然后對南洞巖溶地下水系統資源量進行了定量評價,最后對南洞地下河水資源以及建庫條件下二號暗河的允許開采量進行了計算, 以期為南洞巖溶地下水資源的開發利用和調配提供科學依據。

1 研究區概況與資料來源

1.1 研究區水文地質概況

南洞巖溶地下水系統主要含水地層依次為中下三疊系灰巖及泥質灰巖、中泥盆系灰巖、第四系砂黏土層和第三系泥灰巖。東北部邊界以東山頂、大黑山—馬吊坎地表分水嶺為界。北西邊界由砂巖地表分水嶺和阻水斷層組成的混合邊界。南部邊界以蒙自盆地內地下阻水帶為界, 其是第三系泥灰巖構成的阻水深槽, 是系統巖溶地下水難以逾越的屏障(張貴等, 2008; 胡偉等, 2019), 平面分布呈北西向長條形狀, 面積1 081.9 km2。研究區巖溶大泉較少, 巖溶地下水主要通過地下暗河排泄。南洞口附近可見有兩個明顯的地下暗河出口, 分別為“通靈洞”和“桃源洞”。除從南洞口出流的南洞地下河, 尚有置迭于其上的平石板暗河、小黑水洞暗河、大黑水洞暗河和黑龍潭暗河等次級管道, 或由于相對隔水層的阻擋而出露, 或由于相對排泄基準面的控制而出露, 出流后均歸于盆地中之巖溶湖, 最終仍向南洞地下河深部徑流轉化(圖1)。

圖1 南洞巖溶地下水系統地下河分布與二號暗河管道剖面示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the distribution of underground rivers in the Nandong karst groundwater system and No. 2 underground river pipeline section

1.2 資料來源

本次水資源研究, 除利用已收集的水文氣象站降雨流量資料外, 還有本次野外實測的一些數據資料, 本次研究用到的主要的降雨、流量資料詳見表1。縱觀本次水資源評價基礎資料, 主要由正規水文氣象站長時間系列資料、不定期的水文氣象短系列資料以及本次野外實測資料三部分組成。其中降雨站點資料基本控制了區內不同系統單元降雨差異,雨量觀測資料(蒙自站、開遠站)和南洞水文站資料時間系列長達25年。區內地下河主要排泄口均有測站控制。上述基礎資料基本滿足本區水資源中短期評價及預報的精度要求。

2 巖溶地下水水文動態特征

地下河和泉流量是巖溶地下水系統在接受多種輸入激勵后產生的響應, 其變化是各種輸入信息在經系統內部的滯后、延遲與疊加等過程的“濾波”加工的綜合表現, 其變化特征不僅取決于輸入信息的變化特征, 同時也蘊含了系統結構特征的有效信息(陳植華, 1991; 盧耀如, 2006; 覃星銘等, 2015)。

本文對南洞地下河總出口(1990—2014年)徑流和降水的月(年)均值觀測數據分析(圖2, 3), 可以看出, 南洞地下河多年平均年逕流總量為2.58×108m3,最大年逕流總量為3.36×108m3(2008年), 最小年逕流總量為 1.58×108m3(2011年)。月(年)均徑流量均與月(年)降水量正相關, 月均徑流量與月降水量相關性較差(R2=0.476 1), 說明南洞地下河徑流主要受當地降雨控制, 但徑流相對降雨有一定的滯后。南洞地下河每年月流量和蒙自站每年月降雨變化曲線如圖 4所示, 可以看出南洞地下河月流量變化曲線基本呈單峰型,個別年份呈雙峰型, 一般每年徑流量汛期為6—11月, 月最大流量出現在1998年的7月, 最小流量出現在 1999年的 6月。個別年份像1999年和2006年徑流量最大的月份為10月, 11月。受西南季風的影響, 蒙自降水量相對較少, 降水量一般集中在4—10月。徑流相對降雨存在滯后現象,滯后原因在于巖溶含水層有較大的調蓄空間存在。總體上, 南洞地下河具有排泄量大, 動態變化大,周期性強, 排泄滯后于降雨, 調蓄量大等特征。

表1 研究區主要降雨、流量資料一覽表Table 1 List of main rainfall and flow data in the study area

圖2 南洞地下河年均流量與蒙自站年降水量的關系Fig. 2 The relationship between the annual average discharge of Nandong underground river and the annual precipitation of Mengzi station

圖3 南洞地下河月均流量與蒙自站月降水量的關系Fig. 3 The relationship between monthly average discharge of Nandong underground river and monthly precipitation of Mengzi station

圖4 南洞地下河每年月流量與蒙自站每年月降水量的關系(1990—2014年)Fig. 4 The relationship between the annual monthly flow of Nandong underground river and the monthly precipitation of Mengzi Station (1990–2014)

一般來說, 如果降雨入滲條件較好, 循環路徑較短, 集中補給的大氣降水或坡面流, 在巖溶管道中會形成快速流, 可導致極為迅速的水文響應過程出現, 較復雜的運移管道和裂隙介質在巖溶地下水響應過程中具有較強的調蓄作用, 則會導致響應滯后時間較長, 水文過程曲線拖尾現象明顯(Atkinson,1977; 賀可強等, 2002; 劉仙等, 2009)。因此, 在不同的巖溶地下水系統中, 由于巖溶發育程度和徑流途徑的結構差異, 會導致其在巖溶地下水系統中呈現不同的響應行為(羅明明等, 2016)。本次調查對流域內四條主要地下河(南洞一號暗河、南洞二、三號暗河、平石板暗河和黑龍潭暗河)的水文過程進行了監測。從它們的偶測年降雨流量歷時曲線可以看出(圖5), 南洞二、三號暗河的流量最大, 黑龍潭暗河最小, 其峰值的大小與補給面積, 降水量和降雨入滲條件有直接關系。四條地下河出口的降水流量歷時曲線在枯水期相對比較穩定, 較大降水或者集中降水補給時段, 起伏的峰值較高, 出現多次峰值,說明這幾條暗河的含水介質具有不均勻性, 以管道流和裂隙流為主。其中二、三號暗河系統的水文過程曲線延遲時間和響應時間都是最長的, 間接反映出其徑流路徑最長, 結構最為復雜; 一號暗河和平石板暗河次之; 黑龍潭暗河系統巖溶較為發育,徑流排泄條件最好, 對降水分配大小反應最為敏感。

一般來說, 如果降雨入滲條件較好, 循環路徑較短, 集中補給的大氣降水或坡面流, 在巖溶管道中會形成快速流, 可導致極為迅速的水文響應過程出現, 較復雜的運移管道和裂隙介質在巖溶地下水響應過程中具有較強的調蓄作用, 則會導致響應滯后時間較長, 水文過程曲線拖尾現象明顯(Atkinson,1977; 賀可強等, 2002; 劉仙等, 2009)。因此, 在不同的巖溶地下水系統中, 由于巖溶發育程度和徑流途徑的結構差異, 會導致其在巖溶地下水系統中呈現不同的響應行為(羅明明等, 2016)。本次調查對流域內四條主要地下河(南洞一號暗河、南洞二、三號暗河、平石板暗河和黑龍潭暗河)的水文過程進行了監測。從它們的偶測年降雨流量歷時曲線可以看出(圖5), 南洞二、三號暗河的流量最大, 黑龍潭暗河最小, 其峰值的大小與補給面積, 降水量和降雨入滲條件有直接關系。四條地下河出口的降水流量歷時曲線在枯水期相對比較穩定, 較大降水或者集中降水補給時段, 起伏的峰值較高, 出現多次峰值, 說明這幾條暗河的含水介質具有不均勻性, 以管道流和裂隙流為主。其中二、三號暗河系統的水文過程曲線延遲時間和響應時間都是最長的, 間接反映出其徑流路徑最長, 結構最為復雜; 一號暗河和平石板暗河次之; 黑龍潭暗河系統巖溶較為發育,徑流排泄條件最好, 對降水分配大小反應最為敏感。

圖5 南洞巖溶地下水系統各地下河的降水流量歷時曲線Fig. 5 The duration curve of precipitation flow in various rivers in Nandong karst water system

3 巖溶地下水資源量評價

3.1 巖溶地下水系統區劃

按巖性構造、每條地下河組合情況和補徑排關系, 將其劃分為四個子系統(梁永平和王維泰, 2010;莫美仙等, 2019), 即南洞一號暗河子系統, 南洞二、三號暗河子系統、平石板暗河子系統及黑龍潭暗河子系統(圖1)。

南洞一號暗河子系統東北端以東山頂地形分水嶺為界, 南部以地表分水嶺為界, 為一相對獨立的水文地質單元。區內降水除去蒸發外, 大部份匯集于灰巖區, 形成巖溶地下水, 地下逕流自東往西流, 于南洞口排出地表。

南洞二、三號暗河子系統是南洞巖溶地下水系統的主體, 該子區巖溶地下水主要補給途徑為東山高原區灰巖和盆間淺丘灰巖區大氣降水的直接入滲,其次為盆地邊緣幾個主要落水洞的地表水注入補給。由于小黑水洞暗河、大黑水洞暗河及灰土地暗河為南洞二、三號暗河子系統的季節性溢洪口, 將其并入南洞二、三號暗河子系統, 不再單獨劃分子系統。

平石板暗河子系統東、北以地表分水嶺為邊界;南以透水層地表分水嶺為邊界; 西以透水層地表分水嶺及新華村一帶地表分水嶺為邊界。區內降水除蒸發外, 幾乎全部形成地下逕流, 地下水以管道流為主, 裂隙流次之, 向北西方向徑流, 由于地形的切割, 在平石板以暗河的形式股狀流出地表。

黑龍潭暗河子系統在平面上呈南北向展布, 大氣降雨入滲為該巖溶地下水系統主要補給來源, 南東部為暗河系統的補給區, 接受大氣降雨, 通過地表、管道以滲入和灌入的方式補給地下水, 以北東—南西向導水斷層為運移的管道, 由北東向南西方向徑流, 部分地下水由于地形切割在黑龍潭呈股狀涌出后流入蒙自盆地, 另一部分可通過地下徑流向南洞口匯集。

3.2 天然資源量評價

本文計算單元劃分根據上述區劃, 采用降雨入滲系數法和徑流模數兩種方法分別對南洞巖溶地下水系統天然資源量進行計算。

3.2.1 天然補給量

采用降水入滲系數法計算天然補給量:

式中:Q—降水滲入補給量(萬m3／a);α—降水滲入系數(無量綱);F—地下水系統面積(km2);H—多年平均降水量(mm/a)。

各子系統面積根據數字化的水文地質圖上實際圈定結果,α的選取根據實際地層巖性、巖溶發育程度, 并結合以往1/20萬水文地質普查資料進行類比選用, 然后對選取值進行加權平均, 各子系統的主要參數見表2。

表2 各子系統主要參數表Table 2 Main parameters of each subsystem

本次調查收集了南洞巖溶地下水系統內氣象站(蒙自、開遠、西北勒、石洞氣象站)長系列的降水資料, 根據就近選取的原則, 利用經驗頻率計算降水量的保證率:

式中:P—降水量的保證率(%);m—降水量值從大到小排序后的序號;n—統計的實測降水量值個數。

根據上述經驗頻率公式(式 2)可統計得出各子系統降水量保證率(50%、75%和 95%)下的降水量,進而利用降雨入滲系數法(式 1)計算得出各降雨保證率下的入滲補給量和多年平均降雨補給量, 計算成果見表3。

表3 天然資源量計算成果表(降雨入滲法)Table 3 Calculation results of natural resources (rainfall infiltration method)

3.2.2 天然徑流量

采用徑流模數法計算天然徑流量:

式中,Q徑—地下水系統多年平均徑流量(104m3/a);M多平—多年平均徑流模數(L/s·km2);F—地下水系統面積(km2);Q平偶—偶測年年平均流量(L/s);M平偶、M多平—偶測年、多年平均降水量下年平均徑流模數(L/s·km2);H偶、H多—偶測年、多年平均降水量(mm/a)。

南洞口的偶測年(2014年)平均流量為7.78 m3/s,南洞一號暗河子系統的南洞口排泄量約占總出流量的 12.2%, 南洞二、三號暗河子系統的南洞口排泄量約占總出流量的 87.8%。除了由南洞口排出的年均排泄量外, 南洞二、三號暗河子系統排泄量的計算還考慮了該區由大小黑水洞和灰土地出流的年均排泄量, 大小黑水洞和灰土地偶測年(2014年)平均出流量為0.50 m3/s; 平石板暗河子系統和黑龍潭暗河子系統的徑流模數主要依據平石板暗河口和黑龍潭暗河口偶測年(2015年)的流量和降雨資料通過上述公式(式3, 4, 5)計算得到。由于研究區巖溶泉較少,并且巖溶地下水開采量不大, 本次計算選擇忽略。具體計算參數及成果見表4。

表4 天然資源量計算參數及成果表(徑流模數法)Table 4 Calculation parameters and results of natural resources (runoff modulus method)

3.3 可采水資源量評價

各評價區的可開采量用枯季徑流模數法計算:

式中,Q允—地下水允許開采量(104m3/a);M枯—枯季徑流模數(L/s·km2);F—地下水系統面積(km2)。

枯季徑流模數M枯的確定:

式中:M枯偶、H偶—分別為偶測年枯季徑模和偶測年降水量;M枯多、H多—分別為多年平均枯季徑模和多年平均降水量。

根據上述公式(式6, 7, 8)計算可得到的各區多年枯季可采資源量, 見表 5。可見南洞地下河巖溶地下水系統的水資源可開采資源量巨大。

表5 巖溶地下水可采資源計算一覽表Table 5 Calculation list of karst groundwater recoverable resources

3.4 南洞地下河水資源評價

3.4.1 南洞地下河的儲存量

對天然出露的南洞地下暗河, 可采用大河動態衰減系數法計算其出口以上的儲存量(何師意等,2007):

式中:W—枯季某天含水系統出口以上剩余體積儲存量(萬m3);Q枯—枯季某天暗河的流量(萬m3／d);α—衰減參數(1/d)。

衰減系數α的計算:

式中,Qt—衰減開始后第t天的流量(萬 m3/d);Qo—衰減開始時刻(t=0)的初始流量(萬m3/d)。

本次選取基本無雨的2014年1月1日至4月30日共120天的南洞水文站觀測資料來求取衰減系數, 1月1日流量6.30m3/s為初始流量, 4月30日流量2.86 m3/s為最末流量, 根據公式(式10, 11)可計算得到α為0.006 6, 從而根據公式(式9)得到1月1日枯季開始時南洞地下河的剩余儲存量為 8 247.3萬m3, 4月30日達到最枯時的剩余儲存量尚有3744萬 m3, 南洞地下河在斷絕天然補給量的情況下,120天消耗的調蓄量為4 503.3萬m3, 由此可見南洞地下河的可調蓄量是可觀的。

3.4.2 南洞地下河的允許開采量

根據南洞口多年的月徑流資料, 可取其枯水期(當年11月—次年4月)平均日流量來計算南洞地下河的日允許開采資源量, 得到其日允許開采資源量為49.4萬m3/d。

3.4.3 建庫蓄水條件下二號暗河的允許開采量

南洞地下河建庫主要是在草壩和大莊之間攔蓄南洞二號暗河, 使上游盆地區地下水位抬高, 為盆地區就地淺層開采創造有利條件。

根據公式:

式中:Q允—建庫調蓄利用地下水的地下河允許開采量(m3/d);Q枯—地下河枯季平均流量(m3/d);Q蓄—調蓄水庫庫容(取7425萬m3);T枯—枯季時間(180 天)。

二號暗河管道流量約占南洞口出流量的70.1%,即34.6萬m3/d, 設計調蓄水庫庫容為7425萬m3。本次通過上式(式12)計算得到建庫條件下庫區上游允許開采資源量為75.9萬m3/d。

3.5 可靠性分析

一個系統內的地下水在某一個時期可能出現短暫的正均衡或負均衡。尤其在人為影響下, 地下水的均衡狀態總會被打破, 但從長遠來看, 地下水的補給與排泄應該是保持平衡的。

根據南洞巖溶地下水系統劃分, 南洞巖溶地下水系統包括南洞一號暗河子系統、南洞二、三號暗河子系統、平石板暗河子系統和黑龍潭暗河子系統。本次采用降雨入滲系數法和徑流模數法對南洞巖溶地下水系統的天然資源量分別進行了計算, 計算結果分別為35 610.7萬m3/a和33 460.2萬m3/a, 兩種算法計算結果相差不大, 較為可靠。用枯季徑流模數法對可采資源量進行了計算, 得到南洞巖溶地下水系統的可開采量為23 407.3萬m3/a, 小于南洞巖溶地下水系統的天然補給量, 開采具有保證。

天然補給量斷絕 120天后, 南洞地下河流量衰減至2.86 m3/s, 利用大河動態衰減系數法計算得到南洞地下河120天內消耗的調蓄量為4 503.3萬m3,剩余儲存量尚有3744萬m3。經分析計算南洞地下河枯季多年平均儲蓄量為7 484.8萬m3, 由此可見南洞地下河的調蓄量是可觀的。

南洞地下河的枯水期日均流量作為日可開采資源量, 考慮到南洞地下河巨大的調蓄量, 開采仍有保證。最后, 計算了南洞二號暗河建庫蓄水條件下庫區上游的允許開采量, 結果為75.9萬m3/d, 蓄水庫容來源于工程設計, 資源保證程度高。

4 結論及建議

(1)南洞地下河具有排泄量大, 動態變化大, 周期性強, 排泄滯后于降雨, 調蓄量大等特征。其中,二、三號暗河徑流路徑最長, 結構最為復雜; 一號暗河和平石板暗河次之; 黑龍潭暗河徑流條件最好,對降水分配大小反應最為敏感。

(2)按巖性構造、每條地下河組合情況和補徑排關系, 將其劃分為四個子系統, 即南洞一號暗河子系統, 南洞二、三號暗河子系統、平石板暗河子系統及黑龍潭暗河子系統。

(3)采用降雨入滲系數法和徑流模數法對南洞巖溶地下水系統的天然資源量分別進行了評價, 計算結果分別為35 610.7萬m3/a和33 460.2萬m3/a。用枯季徑流模數法對可采資源量進行了計算, 得到南洞巖溶地下水系統的可開采量為23 407.3萬m3/a,其可開采資源量巨大。

(4)對南洞地下河主管道的水資源量進行了評價, 南洞地下河在斷絕天然補給量的情況下, 120天消耗的調蓄量為 4503.3萬 m3, 南洞地下河的可調蓄量是可觀的。用南洞地下河的枯水期日均流量計算得到南洞地下河日允許開采資源量為49.4萬m3/d。

(5)在草壩與大莊壩間, 南洞二號地下暗河過水斷面較為狹窄, 可構筑地下堤壩, 形成地下水庫。對解決蒙自壩區工農業用水, 改變缺水干旱面貌,具有決定性作用。二號暗河建庫蓄水條件下庫區上游的日允許開采量為75.9萬m3/d, 蓄水庫容來源于工程設計, 資源保證程度高。計算結果可為南洞地下河的開發利用提供科學依據。

Acknowledgements:

This study was supported by National Key Research and Development Program of China (Nos.2016YFC0502502 and 2017YFC0406104) and China Geological Survey (Nos. DD20190334 and DD20190825).