滇东断陷盆地南洞岩溶地下水系统地下河水文动态特征与资源量评价

赵 一, 李衍青, 李 军 , 刘 鹏, 蓝芙宁*

1)中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、岩溶动力学重点实验室, 广西桂林 541004;

2)河北建筑工程学院市政与环境工程系, 河北张家口 075000

我国滇东断陷盆地具有特殊的地质结构和水文地质条件, 水土资源空间分布极不均匀又不配套,土壤资源集中分布在盆地平坝区, 而盆地平坝区地下水大都埋深较深, 形成“土在楼上, 水在楼下”的格局, 该地区主要的供水来源为岩溶地下水, 定量评价岩溶地下水资源, 对于滇东断陷盆地区水资源的开发利用和调配有着重要的意义(邹胜章等,2005; 郭琳等, 2006; 臧红飞等, 2010; 吕文凯等,2021)。滇东断陷盆地岩溶大泉较少, 地下河高度发育, 地下河的分布特征控制着该地区岩溶地下水资源分配(Torbarov, 1976; 乔小娟等, 2014)。而岩溶地下河的水文过程能反映岩溶地下水的响应和衰减过程, 不仅可提取岩溶地下水系统内部结构信息(郭小娇等, 2014), 还可为岩溶地下水资源评价提供一些水力参数(Wetzel, 2003; Winston and Criss, 2004;Liu et al., 2007; 罗明明, 2017)。

南洞地下河是滇东断陷盆地典型的超大型地下河, 由多条地下河组成, 是一径流途径复杂、水量较大的地下河系统。到目前为止南洞地下河的开发利用程度很低, 开采量不到 10%, 其开发潜力非常巨大。而其上游的蒙自坝区, 地势平整, 气候温和, 但干旱严重。近年来, 经过一些学者的研究, 南洞地下河主管道的空间展布逐渐明晰(赵一等,2017)。在草坝与大庄坝间, 南洞二号地下暗河过水断面较为狭窄, 可构筑地下堤坝, 形成地下水库。对解决蒙自坝区工农业用水, 改变缺水干旱面貌,具有决定性作用。本文在前人研究的基础上, 首先对南洞各条地下暗河出口的水文动态进行分析, 然后对南洞岩溶地下水系统资源量进行了定量评价,最后对南洞地下河水资源以及建库条件下二号暗河的允许开采量进行了计算, 以期为南洞岩溶地下水资源的开发利用和调配提供科学依据。

1 研究区概况与资料来源

1.1 研究区水文地质概况

南洞岩溶地下水系统主要含水地层依次为中下三叠系灰岩及泥质灰岩、中泥盆系灰岩、第四系砂黏土层和第三系泥灰岩。东北部边界以东山顶、大黑山—马吊坎地表分水岭为界。北西边界由砂岩地表分水岭和阻水断层组成的混合边界。南部边界以蒙自盆地内地下阻水带为界, 其是第三系泥灰岩构成的阻水深槽, 是系统岩溶地下水难以逾越的屏障(张贵等, 2008; 胡伟等, 2019), 平面分布呈北西向长条形状, 面积1 081.9 km2。研究区岩溶大泉较少, 岩溶地下水主要通过地下暗河排泄。南洞口附近可见有两个明显的地下暗河出口, 分别为“通灵洞”和“桃源洞”。除从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、大黑水洞暗河和黑龙潭暗河等次级管道, 或由于相对隔水层的阻挡而出露, 或由于相对排泄基准面的控制而出露, 出流后均归于盆地中之岩溶湖, 最终仍向南洞地下河深部径流转化(图1)。

图1 南洞岩溶地下水系统地下河分布与二号暗河管道剖面示意图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 资料来源

本次水资源研究, 除利用已收集的水文气象站降雨流量资料外, 还有本次野外实测的一些数据资料, 本次研究用到的主要的降雨、流量资料详见表1。纵观本次水资源评价基础资料, 主要由正规水文气象站长时间系列资料、不定期的水文气象短系列资料以及本次野外实测资料三部分组成。其中降雨站点资料基本控制了区内不同系统单元降雨差异,雨量观测资料(蒙自站、开远站)和南洞水文站资料时间系列长达25年。区内地下河主要排泄口均有测站控制。上述基础资料基本满足本区水资源中短期评价及预报的精度要求。

2 岩溶地下水水文动态特征

地下河和泉流量是岩溶地下水系统在接受多种输入激励后产生的响应, 其变化是各种输入信息在经系统内部的滞后、延迟与叠加等过程的“滤波”加工的综合表现, 其变化特征不仅取决于输入信息的变化特征, 同时也蕴含了系统结构特征的有效信息(陈植华, 1991; 卢耀如, 2006; 覃星铭等, 2015)。

本文对南洞地下河总出口(1990—2014年)径流和降水的月(年)均值观测数据分析(图2, 3), 可以看出, 南洞地下河多年平均年迳流总量为2.58×108m3,最大年迳流总量为3.36×108m3(2008年), 最小年迳流总量为 1.58×108m3(2011年)。月(年)均径流量均与月(年)降水量正相关, 月均径流量与月降水量相关性较差(R2=0.476 1), 说明南洞地下河径流主要受当地降雨控制, 但径流相对降雨有一定的滞后。南洞地下河每年月流量和蒙自站每年月降雨变化曲线如图 4所示, 可以看出南洞地下河月流量变化曲线基本呈单峰型,个别年份呈双峰型, 一般每年径流量汛期为6—11月, 月最大流量出现在1998年的7月, 最小流量出现在 1999年的 6月。个别年份像1999年和2006年径流量最大的月份为10月, 11月。受西南季风的影响, 蒙自降水量相对较少, 降水量一般集中在4—10月。径流相对降雨存在滞后现象,滞后原因在于岩溶含水层有较大的调蓄空间存在。总体上, 南洞地下河具有排泄量大, 动态变化大,周期性强, 排泄滞后于降雨, 调蓄量大等特征。

表1 研究区主要降雨、流量资料一览表Table 1 List of main rainfall and flow data in the study area

图2 南洞地下河年均流量与蒙自站年降水量的关系Fig. 2 The relationship between the annual average discharge of Nandong underground river and the annual precipitation of Mengzi station

图3 南洞地下河月均流量与蒙自站月降水量的关系Fig. 3 The relationship between monthly average discharge of Nandong underground river and monthly precipitation of Mengzi station

图4 南洞地下河每年月流量与蒙自站每年月降水量的关系(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)

一般来说, 如果降雨入渗条件较好, 循环路径较短, 集中补给的大气降水或坡面流, 在岩溶管道中会形成快速流, 可导致极为迅速的水文响应过程出现, 较复杂的运移管道和裂隙介质在岩溶地下水响应过程中具有较强的调蓄作用, 则会导致响应滞后时间较长, 水文过程曲线拖尾现象明显(Atkinson,1977; 贺可强等, 2002; 刘仙等, 2009)。因此, 在不同的岩溶地下水系统中, 由于岩溶发育程度和径流途径的结构差异, 会导致其在岩溶地下水系统中呈现不同的响应行为(罗明明等, 2016)。本次调查对流域内四条主要地下河(南洞一号暗河、南洞二、三号暗河、平石板暗河和黑龙潭暗河)的水文过程进行了监测。从它们的偶测年降雨流量历时曲线可以看出(图5), 南洞二、三号暗河的流量最大, 黑龙潭暗河最小, 其峰值的大小与补给面积, 降水量和降雨入渗条件有直接关系。四条地下河出口的降水流量历时曲线在枯水期相对比较稳定, 较大降水或者集中降水补给时段, 起伏的峰值较高, 出现多次峰值,说明这几条暗河的含水介质具有不均匀性, 以管道流和裂隙流为主。其中二、三号暗河系统的水文过程曲线延迟时间和响应时间都是最长的, 间接反映出其径流路径最长, 结构最为复杂; 一号暗河和平石板暗河次之; 黑龙潭暗河系统岩溶较为发育,径流排泄条件最好, 对降水分配大小反应最为敏感。

一般来说, 如果降雨入渗条件较好, 循环路径较短, 集中补给的大气降水或坡面流, 在岩溶管道中会形成快速流, 可导致极为迅速的水文响应过程出现, 较复杂的运移管道和裂隙介质在岩溶地下水响应过程中具有较强的调蓄作用, 则会导致响应滞后时间较长, 水文过程曲线拖尾现象明显(Atkinson,1977; 贺可强等, 2002; 刘仙等, 2009)。因此, 在不同的岩溶地下水系统中, 由于岩溶发育程度和径流途径的结构差异, 会导致其在岩溶地下水系统中呈现不同的响应行为(罗明明等, 2016)。本次调查对流域内四条主要地下河(南洞一号暗河、南洞二、三号暗河、平石板暗河和黑龙潭暗河)的水文过程进行了监测。从它们的偶测年降雨流量历时曲线可以看出(图5), 南洞二、三号暗河的流量最大, 黑龙潭暗河最小, 其峰值的大小与补给面积, 降水量和降雨入渗条件有直接关系。四条地下河出口的降水流量历时曲线在枯水期相对比较稳定, 较大降水或者集中降水补给时段, 起伏的峰值较高, 出现多次峰值, 说明这几条暗河的含水介质具有不均匀性, 以管道流和裂隙流为主。其中二、三号暗河系统的水文过程曲线延迟时间和响应时间都是最长的, 间接反映出其径流路径最长, 结构最为复杂; 一号暗河和平石板暗河次之; 黑龙潭暗河系统岩溶较为发育,径流排泄条件最好, 对降水分配大小反应最为敏感。

图5 南洞岩溶地下水系统各地下河的降水流量历时曲线Fig. 5 The duration curve of precipitation flow in various rivers in Nandong karst water system

3 岩溶地下水资源量评价

3.1 岩溶地下水系统区划

按岩性构造、每条地下河组合情况和补径排关系, 将其划分为四个子系统(梁永平和王维泰, 2010;莫美仙等, 2019), 即南洞一号暗河子系统, 南洞二、三号暗河子系统、平石板暗河子系统及黑龙潭暗河子系统(图1)。

南洞一号暗河子系统东北端以东山顶地形分水岭为界, 南部以地表分水岭为界, 为一相对独立的水文地质单元。区内降水除去蒸发外, 大部份汇集于灰岩区, 形成岩溶地下水, 地下迳流自东往西流, 于南洞口排出地表。

南洞二、三号暗河子系统是南洞岩溶地下水系统的主体, 该子区岩溶地下水主要补给途径为东山高原区灰岩和盆间浅丘灰岩区大气降水的直接入渗,其次为盆地边缘几个主要落水洞的地表水注入补给。由于小黑水洞暗河、大黑水洞暗河及灰土地暗河为南洞二、三号暗河子系统的季节性溢洪口, 将其并入南洞二、三号暗河子系统, 不再单独划分子系统。

平石板暗河子系统东、北以地表分水岭为边界;南以透水层地表分水岭为边界; 西以透水层地表分水岭及新华村一带地表分水岭为边界。区内降水除蒸发外, 几乎全部形成地下迳流, 地下水以管道流为主, 裂隙流次之, 向北西方向径流, 由于地形的切割, 在平石板以暗河的形式股状流出地表。

黑龙潭暗河子系统在平面上呈南北向展布, 大气降雨入渗为该岩溶地下水系统主要补给来源, 南东部为暗河系统的补给区, 接受大气降雨, 通过地表、管道以渗入和灌入的方式补给地下水, 以北东—南西向导水断层为运移的管道, 由北东向南西方向径流, 部分地下水由于地形切割在黑龙潭呈股状涌出后流入蒙自盆地, 另一部分可通过地下径流向南洞口汇集。

3.2 天然资源量评价

本文计算单元划分根据上述区划, 采用降雨入渗系数法和径流模数两种方法分别对南洞岩溶地下水系统天然资源量进行计算。

3.2.1 天然补给量

采用降水入渗系数法计算天然补给量:

式中:Q—降水渗入补给量(万m3／a);α—降水渗入系数(无量纲);F—地下水系统面积(km2);H—多年平均降水量(mm/a)。

各子系统面积根据数字化的水文地质图上实际圈定结果,α的选取根据实际地层岩性、岩溶发育程度, 并结合以往1/20万水文地质普查资料进行类比选用, 然后对选取值进行加权平均, 各子系统的主要参数见表2。

表2 各子系统主要参数表Table 2 Main parameters of each subsystem

本次调查收集了南洞岩溶地下水系统内气象站(蒙自、开远、西北勒、石洞气象站)长系列的降水资料, 根据就近选取的原则, 利用经验频率计算降水量的保证率:

式中:P—降水量的保证率(%);m—降水量值从大到小排序后的序号;n—统计的实测降水量值个数。

根据上述经验频率公式(式 2)可统计得出各子系统降水量保证率(50%、75%和 95%)下的降水量,进而利用降雨入渗系数法(式 1)计算得出各降雨保证率下的入渗补给量和多年平均降雨补给量, 计算成果见表3。

表3 天然资源量计算成果表(降雨入渗法)Table 3 Calculation results of natural resources (rainfall infiltration method)

3.2.2 天然径流量

采用径流模数法计算天然径流量:

式中,Q径—地下水系统多年平均径流量(104m3/a);M多平—多年平均径流模数(L/s·km2);F—地下水系统面积(km2);Q平偶—偶测年年平均流量(L/s);M平偶、M多平—偶测年、多年平均降水量下年平均径流模数(L/s·km2);H偶、H多—偶测年、多年平均降水量(mm/a)。

南洞口的偶测年(2014年)平均流量为7.78 m3/s,南洞一号暗河子系统的南洞口排泄量约占总出流量的 12.2%, 南洞二、三号暗河子系统的南洞口排泄量约占总出流量的 87.8%。除了由南洞口排出的年均排泄量外, 南洞二、三号暗河子系统排泄量的计算还考虑了该区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测年(2014年)平均出流量为0.50 m3/s; 平石板暗河子系统和黑龙潭暗河子系统的径流模数主要依据平石板暗河口和黑龙潭暗河口偶测年(2015年)的流量和降雨资料通过上述公式(式3, 4, 5)计算得到。由于研究区岩溶泉较少,并且岩溶地下水开采量不大, 本次计算选择忽略。具体计算参数及成果见表4。

表4 天然资源量计算参数及成果表(径流模数法)Table 4 Calculation parameters and results of natural resources (runoff modulus method)

3.3 可采水资源量评价

各评价区的可开采量用枯季径流模数法计算:

式中,Q允—地下水允许开采量(104m3/a);M枯—枯季径流模数(L/s·km2);F—地下水系统面积(km2)。

枯季径流模数M枯的确定:

式中:M枯偶、H偶—分别为偶测年枯季径模和偶测年降水量;M枯多、H多—分别为多年平均枯季径模和多年平均降水量。

根据上述公式(式6, 7, 8)计算可得到的各区多年枯季可采资源量, 见表 5。可见南洞地下河岩溶地下水系统的水资源可开采资源量巨大。

表5 岩溶地下水可采资源计算一览表Table 5 Calculation list of karst groundwater recoverable resources

3.4 南洞地下河水资源评价

3.4.1 南洞地下河的储存量

对天然出露的南洞地下暗河, 可采用大河动态衰减系数法计算其出口以上的储存量(何师意等,2007):

式中:W—枯季某天含水系统出口以上剩余体积储存量(万m3);Q枯—枯季某天暗河的流量(万m3／d);α—衰减参数(1/d)。

衰减系数α的计算:

式中,Qt—衰减开始后第t天的流量(万 m3/d);Qo—衰减开始时刻(t=0)的初始流量(万m3/d)。

本次选取基本无雨的2014年1月1日至4月30日共120天的南洞水文站观测资料来求取衰减系数, 1月1日流量6.30m3/s为初始流量, 4月30日流量2.86 m3/s为最末流量, 根据公式(式10, 11)可计算得到α为0.006 6, 从而根据公式(式9)得到1月1日枯季开始时南洞地下河的剩余储存量为 8 247.3万m3, 4月30日达到最枯时的剩余储存量尚有3744万 m3, 南洞地下河在断绝天然补给量的情况下,120天消耗的调蓄量为4 503.3万m3, 由此可见南洞地下河的可调蓄量是可观的。

3.4.2 南洞地下河的允许开采量

根据南洞口多年的月径流资料, 可取其枯水期(当年11月—次年4月)平均日流量来计算南洞地下河的日允许开采资源量, 得到其日允许开采资源量为49.4万m3/d。

3.4.3 建库蓄水条件下二号暗河的允许开采量

南洞地下河建库主要是在草坝和大庄之间拦蓄南洞二号暗河, 使上游盆地区地下水位抬高, 为盆地区就地浅层开采创造有利条件。

根据公式:

式中:Q允—建库调蓄利用地下水的地下河允许开采量(m3/d);Q枯—地下河枯季平均流量(m3/d);Q蓄—调蓄水库库容(取7425万m3);T枯—枯季时间(180 天)。

二号暗河管道流量约占南洞口出流量的70.1%,即34.6万m3/d, 设计调蓄水库库容为7425万m3。本次通过上式(式12)计算得到建库条件下库区上游允许开采资源量为75.9万m3/d。

3.5 可靠性分析

一个系统内的地下水在某一个时期可能出现短暂的正均衡或负均衡。尤其在人为影响下, 地下水的均衡状态总会被打破, 但从长远来看, 地下水的补给与排泄应该是保持平衡的。

根据南洞岩溶地下水系统划分, 南洞岩溶地下水系统包括南洞一号暗河子系统、南洞二、三号暗河子系统、平石板暗河子系统和黑龙潭暗河子系统。本次采用降雨入渗系数法和径流模数法对南洞岩溶地下水系统的天然资源量分别进行了计算, 计算结果分别为35 610.7万m3/a和33 460.2万m3/a, 两种算法计算结果相差不大, 较为可靠。用枯季径流模数法对可采资源量进行了计算, 得到南洞岩溶地下水系统的可开采量为23 407.3万m3/a, 小于南洞岩溶地下水系统的天然补给量, 开采具有保证。

天然补给量断绝 120天后, 南洞地下河流量衰减至2.86 m3/s, 利用大河动态衰减系数法计算得到南洞地下河120天内消耗的调蓄量为4 503.3万m3,剩余储存量尚有3744万m3。经分析计算南洞地下河枯季多年平均储蓄量为7 484.8万m3, 由此可见南洞地下河的调蓄量是可观的。

南洞地下河的枯水期日均流量作为日可开采资源量, 考虑到南洞地下河巨大的调蓄量, 开采仍有保证。最后, 计算了南洞二号暗河建库蓄水条件下库区上游的允许开采量, 结果为75.9万m3/d, 蓄水库容来源于工程设计, 资源保证程度高。

4 结论及建议

(1)南洞地下河具有排泄量大, 动态变化大, 周期性强, 排泄滞后于降雨, 调蓄量大等特征。其中,二、三号暗河径流路径最长, 结构最为复杂; 一号暗河和平石板暗河次之; 黑龙潭暗河径流条件最好,对降水分配大小反应最为敏感。

(2)按岩性构造、每条地下河组合情况和补径排关系, 将其划分为四个子系统, 即南洞一号暗河子系统, 南洞二、三号暗河子系统、平石板暗河子系统及黑龙潭暗河子系统。

(3)采用降雨入渗系数法和径流模数法对南洞岩溶地下水系统的天然资源量分别进行了评价, 计算结果分别为35 610.7万m3/a和33 460.2万m3/a。用枯季径流模数法对可采资源量进行了计算, 得到南洞岩溶地下水系统的可开采量为23 407.3万m3/a,其可开采资源量巨大。

(4)对南洞地下河主管道的水资源量进行了评价, 南洞地下河在断绝天然补给量的情况下, 120天消耗的调蓄量为 4503.3万 m3, 南洞地下河的可调蓄量是可观的。用南洞地下河的枯水期日均流量计算得到南洞地下河日允许开采资源量为49.4万m3/d。

(5)在草坝与大庄坝间, 南洞二号地下暗河过水断面较为狭窄, 可构筑地下堤坝, 形成地下水库。对解决蒙自坝区工农业用水, 改变缺水干旱面貌,具有决定性作用。二号暗河建库蓄水条件下库区上游的日允许开采量为75.9万m3/d, 蓄水库容来源于工程设计, 资源保证程度高。计算结果可为南洞地下河的开发利用提供科学依据。

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).