Characteristics and genesis of karst water flow system around Huangling anticline
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摘要: 岩溶水流系统特征研究有助于地下水资源的合理评价和开发利用。借鉴水文学的研究方法，统计并量化了典型岩溶水流系统的空间特征以及其水文动态响应、温度场和电导率特征。划分了扇状、树枝状、平行状、梳状4种地下水系来综合反映岩溶水流系统的地表-地下岩溶特征，前两者主管道垂直于地层走向，构造裂隙起汇水作用，后两者主管道平行于地层走向，层面裂隙起汇水作用。黄陵穹隆西北翼、西翼和南翼以平行状和树枝状为主，东翼和北翼则以扇状水系和平行状水系为主。不同地下水系结构的形成及区域差异与含水系统和水系的空间关系和级次性密切相关，并表现出不同的动态特征。扇状和平行状岩溶水流系统对降雨响应最为敏感，而梳状水系岩溶水流系统响应和衰减过程最慢；基于岩溶地下水温度与出露高程和循环深度显著相关的关系建立了鄂西山区地下水温度线。这一基础性研究可为岩溶地下水流系统研究和当地工程实践提供一定的理论支持。Abstract: The study of the karst water flow system is helpful for the reasonable evaluation and utilization of groundwater resources.In this paper, the spatial characteristics, hydrological dynamic response, temperature field, and conductivity characteristics of the typical karst water flow system were calculated and quantified by referring to the methods of hydrology research.Four groundwater systems, i.e., fan-shaped, branch-shaped, flat-shaped, and comb-shaped, were divided to comprehensively reflect the surface-underground karst characteristics of the karst flow system.The main pipelines of the first two are perpendicular to the stratigraphic trend, and the structural fractures play a role in catching water.The main pipelines of the latter two are parallel to the stratigraphic trend, and the horizontal fractures play a role in collecting water.The northwest, west, and south wings of the Huangling anticline are branch-shaped and flat-shaped, while the east and north wings are fan-shaped and flat-shaped water systems.The formation and regional differences of different groundwater systems are closely related to the spatial relationship and hierarchy of aquifer systems and water systems which show different dynamic characteristics.The fan-shaped and flat-shaped karst flow system are the most sensitive to rainfall response, while the comb-shaped karst flow system has the slowest response and attenuation process.Based on the obvious correlation between karst groundwater temperature and exposed elevation and circulation depth, the groundwater temperature line in the mountainous area of western Hubei province is established.This study could provide certain theoretical support for karst groundwater flow system research and local engineering practice.
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我国西南地区是世界上碳酸盐岩出露面积最大，岩溶最为发育的区域之一。岩溶地下水是当地生产生活的主要水源。由于岩溶发育的非均质性和不同地貌、水系组合特征导致了地下水资源时空分布不均和区域的差异性，地下水流系统划分和研究是地下水资源的开发利用、污染防治与修复等工作的基础。
地下水流系统是由一个或多个补给区流向一个或多个排泄区的流线簇构成的时空有序相互作用的流动地下水体。因此水流系统是研究水质(水温、水量)时空演变的理想框架与工具[1]。前人对于岩溶水流系统的特征已开展了大量的研究，但更多的是从供水角度反映岩溶水流系统的结构特征[2-10]。同时，受限于调查精度和研究手段，对于岩溶水流系统边界条件、内部结构特征和渗流场、温度场、化学场的区域对比研究开展的较少。
前人对岩溶地区水系结构的研究结果认为，岩溶地表、地下水系结构均符合Horton水系结构定律[11]，地表地貌形态也是地质条件的外部表现，因此，地表水系和流域的研究思路可以用来研究岩溶水流系统的地下水水系结构和系统特征。
黄陵穹隆地处湖北省西部，位于中扬子陆块北缘及多个构造单元的交织部位，是研究华南板块陆内构造变形的重要窗口。在其四周覆盖着自南华系以来较为完整和连续的沉积地层，是我国典型的岩溶槽谷地貌区。举世闻名的三峡大坝便坐落在黄陵岩体之上。自葛洲坝、三峡大坝修建以来，已有大量学者围绕该区的水文地质问题展开研究[4, 12-20]，为本文的研究奠定了良好的基础。在前期1∶5万水文地质调查和前人研究成果的基础上，笔者拟借鉴地表水系结构特征的研究方法，对黄陵穹隆周缘岩溶水流系统特征进行对比，并讨论其成因。
1. 研究区概况
1.1 水系分布特征
研究区内长江穿黄陵穹隆而过，学界普遍认为地质历史时期黄陵背斜为华西、华东的分水岭，岭西之水流入归州盆地和四川盆地，岭东之水则向东流，后来三峡贯通，长江流入东海。但长江三峡河流袭夺的时间一直存在争议，一般认为在0.20~ 0.12 Ma间切开黄陵背斜分水岭, 形成新的长江[21-22]。现阶段，长江沿江两侧发育多个南北向河流(图 1)，北侧发育香溪河、黄柏河、沮漳河等流域，流域面积多大于1 000 km2。而南岸九畹溪、茅坪河、卷桥河、松门溪等流域，面积在300~900 km2(图 2)。从级次上南岸支流均为长江的二级支流，但从规模上来讲相差较大，本文将其合并称为南岸水系。地表水是岩溶地下水的排泄基准，是地下水最主要的汇，因此，长江是研究区内最低的排泄基准，也是最终的汇。在岩溶流域，枯水期，地表水也均由地下水排泄而成。岩溶大泉或地下暗河均为四级、或五级水系的源头，地表水与地下水转化关系复杂且频繁，部分的地表水系由古地下河发育而来，存留的嶂谷地貌即为凭证。因此，水系的展布形态也能反映地下水的运移规律。
图 1 黄陵穹隆周缘水系和构造特征Figure 1. Water system and structural characteristics of the Huangling anticline水系的展布规律受气候、地形和地质构造等因素的影响。如图 1所示，研究区干流水系的展布规律与构造线的方向基本吻合，总体为近南北向。在黄陵穹隆西北翼地表水系以北北东向为主，显然是由于该河谷处于神农架穹隆与黄陵背斜之间的宽缓向斜过渡带，主要构造线方向也为北北东向而决定的，而到了西翼香溪河干流就转为以南北向为主。黄陵穹隆东翼如沮漳河、黄柏河的水系展布方向主要为北北西向，这与通城河断裂的方向完全一致。在黄陵穹隆的北翼受青峰褶皱带的影响，构造线以东西向为主，发育近东西向的霸王河。除大的构造单元影响外，多期次构造运动形成的节理裂隙不仅控制了地下水的运移路径，也影响了水系的发育[23]。
1.2 地质构造背景
黄陵穹隆位于中扬子陆块北缘，北邻秦岭-大别造山带，并处于大巴山褶皱带与齐岳山-八面山褶皱带东延的交汇处。区内主要构造单元为黄陵背斜，与黄陵背斜相邻的构造单元分别为其西北侧的神农架背斜、南侧的长阳-张家河背斜、西南侧的香龙山背斜、西侧的秭归向斜、东侧的远安地堑、东南侧的宜昌斜坡[24](图 1，2)。复杂的地质格架塑造了奇特的地貌景观和形态各异的岩溶水系统。
地质历史时期，区内黄陵背斜主要经历了4个构造隆升过程，在不同的地质历史时期，该地区的构造形迹不同，共同形成了如今的地质格架。随着晋宁造山运动的结束，整个研究区转化为稳定地台环境，进入沉积盖层发展阶段。研究区盖层沉积极为发育，伴随着有规律的海侵海退，以沉积多套浅海-台地相的碳酸盐岩与陆缘碎屑岩地层为主。印支-燕山造山运动为区内最主要的构造运动，结束了研究区海相盆地的演化历史，奠定了研究区现今的构造格架。印支期表现为近东西向褶皱和断裂，燕山期构造变形以北东、北北东和北北西向脆性正断层为主，喜山期表现为由南向北脆性逆冲断层，新构造运动以来一直处于较快速隆升的过程中[25-26]，表现为差异升降和剥蚀夷平，形成了研究区山高谷深、坡陡崖悬的地形地貌。经过多期次的地质活动，形成了如今的地貌水系格局，并控制了不同时期岩溶演化的排泄基准面。
如图 3所示，黄陵背斜东翼到当阳向斜西翼整体为局部小规模的揉皱的单斜构造，产状平缓，倾角8°~15°，局部达20°。西翼位于黄陵背斜与秭归向斜复合部位，整体为单斜构造，地层倾角自黄陵背斜西翼近8°渐变为54°。西北翼为黄陵背斜与神农架穹隆之间的宽缓向斜，构造线方向以北北东向，向斜两翼地层产状较缓，倾角4°~12°，核部受新华断裂和小谷山断裂切割，地层倾角较陡，为25°~45°，至核部逐渐变缓。向斜西北翼与神农架穹隆过渡带的古夫河西北岸沿线，地层总体向东南倾，倾角15°~30°。中部古夫、咸水河一带，有相邻的北东向紧密背斜、向斜皱褶，向神农架穹隆过渡，受褶皱影响地层产状变化大。黄陵穹隆北翼和南翼以平缓的单斜地层为主，倾角4°~20°，局部有小规模揉皱。
1.3 水文地质特征
研究区内地层从太古宙、古生界、中生界至新生界出露连续、齐全。其中，太古界、元古界变质地层分布于流域东南部黄陵结晶基底区，古生界、中生界之沉积盖层大面积分布于黄陵穹隆四周，形成“莲花宝座”地质地貌形态；新生界松散沉积层零星分布于河流沟谷地带。根据赋存埋藏条件及分布规律，区内地下水可分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶水和基岩裂隙水3个大类。
在地下水系统理论指导下，划分含水系统和水流系统作为本研究的基本单元[27]。基于实测剖面、岩矿分析、裂隙测量、岩溶统计、泉点统计等手段对含水层的含水性进行分析评价，对划分出的含水岩组与隔水岩组进行空间组合分析，将隔水岩组作为含水系统的外部边界，隔水岩组与含水岩组的分界线即构成含水系统的边界线。含水系统的划分结果见表 1。
表 1 研究区含水系统划分结果Table 1. Division result of aquifer system in the study area一级 二级 三级 地层 厚度/m ZQ松散岩类孔隙含水系统Ⅰ Q < 10 岩溶含水系统Ⅱ 震旦系岩溶含水系统 Z 515 下寒武统岩溶含水系统 ∈1s2 180 中寒武统-奥陶系岩溶含水系统 寒武系天河板组-覃家庙组岩溶含水系统 ∈1t-∈2q 440 寒武系娄山关组-奥陶系红花园组岩溶含水系统 ∈2O1l、O1h 303~583 奥陶系牯牛谭组-宝塔组岩溶含水系统 O2g-O2-3b 72 二叠系-三叠系岩溶含水系统 二叠系岩溶含水系统 P 363 三叠系岩溶含水系统 T 1 242~1 297 基岩风化裂隙含水系统Ⅲ 碎屑岩孔隙裂隙水含水系统 J、K 岩浆岩变质岩风化裂隙含水系统 Pt2m、Pt2x、Pt2g 含水系统的划分在不同构造部位有所相变，如寒武系覃家庙组在黄陵穹隆西翼香溪河流域可以三分，一、三段为相对隔水层、二段是较好的含水层，是榛子乡地区目前地下水钻探开采的主要目的层位。而其他地区，一般表现为两分，一段为相对隔水层，二段是较好的含水层。多个岩溶大泉如黄龙洞即出露在一二段分界处、由于一段的隔水而排泄。
含水系统的规模和特征限制了地下水运移路径的长短和岩溶含水介质发育的程度，进而限制了岩溶水流系统的规模。研究区按照岩溶发育特征、岩溶地下水赋存条件，并结合地下水补径排条件等，在含水系统的基础上可划分为表层岩溶泉系统、分散流系统、集中排泄的岩溶大泉系统和地下河系统。前两者分布广泛、系统面积小且监测、研究难度大，本文主要以后者所代表的主要岩溶水流系统为对象开展对比研究。
2. 黄陵穹隆周缘岩溶水流系统结构特征
2.1 岩溶水流系统分类
地下水流系统可以从多个角度进行分类研究。本文借鉴水文地貌学中水系分类方法，将落水洞或宽大裂隙作为地下河水系的源头，岩溶大泉或地下暗河出口作为地下水水系的河口，地表岩溶发育的不同地貌类型如岩溶洼地、槽谷可以指示地下水运移通道的位置及方向[28]，即地下水系的干流或支流的位置和方向。同时，前期开展的示踪实验不仅圈画了地下水分水岭的位置，同时也确定了地下水的源汇关系。洞穴的探测也很好地认识了地下水系的结构特征。在此基础上，可以依据地下水系特征初步地将研究区岩溶水流系统总结为树枝状水系、平行状水系、扇状水系、梳状水系(图 4)。该方法能够综合地反映岩溶水流系统的地表-地下岩溶的发育特征和补径排关系。
图 4 4种不同的岩溶地下水系结构形态及与地层产状和河流流向的示意图a.扇状水系; b.梳状水系; c.平行状水系; d.树枝状水系Figure 4. Schematic diagram of four different karst groundwater systems and their relationship with stratigraphic occurrence and river flow(1) 树枝状水系
其特征是岩溶发育程度低，支流多而不规则，支流以锐角汇入干流呈树枝状分布。树枝状水系是所有源头地下水水系普遍存在的一类，也存在于高角度单斜地层地区。降雨分散入渗补给地下水后，地下水沿2~3组节理裂隙在重力作用下阶梯状运移，形成树枝状水系，也是所有岩溶大泉、地下暗河或者分散排泄岩溶水流系统的源头水系。同时在部分高倾角的岩溶水流系统中(如响龙洞)，地表地貌特征以岩溶槽谷和岩溶斜坡地貌为主，降雨后以裂隙分散入渗或通过斜坡上小型天窗集中补给，地下水的介质特征以裂隙-宽大裂隙-管道为主，地下水系具有多个干流和支流，地下水多因地表河流切割和隔水层的控制以侵蚀-溢流成因排泄，其类型主要为岩溶大泉，很少发育至岩溶地下暗河规模。岩溶水流系统平面形态多为不规则块状，地下水集中排泄点位于系统的一角。
(2) 平行状水系
其特征是岩溶发育程度高，支流呈相互平行或大致平行，并以近相等的交角汇入干流，当交角较小时，主流与支流也近似相互平行，形态若马尾。平形状水系是研究区大型的岩溶水流系统的主要地下水系类型，主要存在于出露范围广、缓倾角的单斜或双层碳酸盐岩地区。地表地貌形态多为交叉的峰丛洼地条带，洼地长轴方向与构造裂隙方向吻合，但往往主控裂隙方向的洼地发育长度较长，而次要构造裂隙控制发育的洼地长度较短，分别对应了岩溶地下水系的干流和支流。降雨多通过落水洞集中补给地下水，含水介质多以宽大裂隙-管道-洞穴为主，一般具有1~2条主要支流，地下水多因地形切割和隔水层的控制以侵蚀-接触成因排泄，排泄类型以岩溶大泉和地下暗河为主。岩溶水流系统平面形态多为长条状，集中排泄点位于岩溶水流系统中间。
(3) 扇状水系
其特征是水系呈扇形状，支流岩溶发育程度高，各支流向一点集中，干流短而不明显。扇状水系主要出露于范围广、小倾角的单斜或双层碳酸盐地区，受小的向斜构造、断层的影响能够汇集一定扇状区域范围内的地下水。地表地貌形态多为岩溶洼地和岩溶斜坡的组合类型，多形成平行状的岩溶洼地分布，洼地长轴方向与地下水系干流方向不一定一致，雨后落水洞灌入式补给地下水，含水介质以宽大裂隙-管道-洞穴为主，一般具有大于2条的主要支流，干流较短，接近泉口。地下水多在构造影响下集中排泄，排泄类型以岩溶大泉和地下暗河为主。岩溶水流系统平面形态多为扇状，排泄点位于其中央最低处。
(4) 梳状水系
其特征是支流平行分布均位于干流的一翼。梳状水系主要出露于背斜一翼的狭长的、条状分布、大倾角的岩溶含水系统中或沿断裂带发育，往往发育大型的岩溶水流系统。地表地貌形态多为串珠状的洼地，如酒斟子岩溶地下暗河，平面呈狭长的带状分布，纵向为阶梯状下降的形态，每个阶梯均发育大型的岩溶洼地或岩溶漏斗，雨后通过落水洞灌入式补给地下水，沿支流在不同的位置汇入唯一的干流，受断层或隔水层的阻隔而溢流出露，排泄类型以地下暗河为主。
按照岩溶含水介质、补给方式和水力梯度来看，4个地下水水系结构的汇水能力由大到小分别为：梳状水系、平行状水系、扇状水系和树枝状水系。
2.2 岩溶水流系统统计特征
借鉴地表水系结构特征的研究思想，从岩溶水系统的长度、宽度、地层倾角、岩溶地下水主流向、水力比降等指标来描述岩溶地下水流系统的特征，总结不同地下水系结构的水流系统的规律和特征。2013年以来，对28个表层泉、岩溶大泉和地下暗河的水位、温度、电导率进行了长期监测。从监测结果来看，降雨刺激后地下水动态变化大，而基流的多年状态更加稳定，更能体现岩溶水流系统的渗流场、温度场和化学场的总体特征，因此，本文中采用多年的基流态的监测数据作为岩溶水流系统的特征。统计结果如表 2、图 5所示。
表 2 黄陵穹隆周缘典型岩溶水流系统特征统计Table 2. Statistics of characteristics of typical karst water flow system around Huangling anticline部位 岩溶水流
系统名类型 流量/
(L·s-1)水温/
℃电导率/
(μs·cm-1)面积/
km2地层
代号地层倾
角/(°)径流模数/
(L·s-1·km-2)平面形态 长宽比 补给区最
高点/m平均补给
高度/m出口高
度/m高差/
m水力
坡降地下水流
方向/(°)西北翼 黑龙泉 岩溶大泉 57 15.50 309 16.50 ∈ 19 3.45 平行状水系 3.36 1 402 850 550 852 0.11 158 白龙泉 岩溶大泉 60 15.30 343 9.30 ∈ 23 6.45 平行状水系 3.50 960 900 587 373 0.07 160 雾龙洞 岩溶大泉 51 13.70 319 8.70 ∈ 19 5.86 平行状水系 4.93 1 560 1 150 600 960 0.13 166 云龙洞 地下暗河 77 13.20 395 17.30 ∈ 19 4.45 平行状水系 2.56 1 560 1 200 615 945 0.14 187 响水洞 岩溶大泉 300 14.30 355 34.00 ∈ 16 8.82 梳状水系 4.31 1 693 1 060 304 1 389 0.08 235 水磨溪泉 岩溶大泉 150 16.10 378 13.00 O 18 11.54 树枝状水系 1.21 1 140 760 349 791 0.19 287 西翼 响龙洞 岩溶大泉 42 13.80 238 13.00 T 46 3.23 树枝状水系 1.21 1 650 1 300 356 1 294 0.28 255 南翼 鱼泉洞 地下暗河 36 14.50 249 9.80 ∈ 10 3.67 平行状水系 3.82 1 350 1 170 309 1 061 0.16 171 迷宫泉 岩溶大泉 27 14.30 187 6.20 ∈ 8 4.35 梳状水系 13.17 1 442 1 148 430 1 012 0.13 175 NZK04 钻孔 0 14.20 200 ∈ 8 1 442 1 250 305 1 153 潭 岩溶大泉 200 13.20 248 18.60 T 32 10.75 扇状水系 1.09 1 530 1 150 191 1 339 0.27 291 周坪龙洞 地下暗河 5 13.50 174 4.80 P 22 1.04 平行状水系 2.62 1 458 1 250 816 642 0.19 120 仙龙洞 岩溶大泉 12 11.60 163 3.30 E 25 3.64 树枝状水系 2.08 1 550 1 450 796 754 0.28 230 仙鱼泉 岩溶大泉 300 14.60 184 21.70 O 36 13.82 扇状水系 1.16 1 168 1 050 499 669 0.13 42 大鱼泉洞 岩溶大泉 100 14.70 223 9.50 P 24 10.53 树枝状水系 3.81 1 320 1 000 274 1 046 0.17 310 龙洞 地下暗河 15 16.50 394 2.90 ∈ 12 5.17 平行状水系 1.17 610 450 308 302 0.14 71 忘忧泉 地下暗河 20 16.10 272 3.90 ∈ 10 5.13 平行状水系 1.25 896 550 438 458 0.23 100 NZK06 钻孔 0 17.50 1 350 ∈ 25 227 潮水洞 岩溶大泉 20 15.80 394 4.80 ∈ 10 4.2 梳状水系 2.10 650 610 460 190 0.09 89 五爪泉 岩溶大泉 350 15.60 249 42.90 O 25 8.16 平行状水系 1.17 1 378 750 471 907 0.12 78 酒酙子泉 地下暗河 600 13.70 215 61.40 ∈ 30 9.77 梳状水系 5.51 1 670 1 300 420 1 250 0.05 97 东翼 白龙泉 岩溶大泉 400 15.30 225.5 46.00 ∈ 10 8.70 扇状水系 0.77 1 150 870 423 727 0.11 59 百家泉 地下暗河 15 16.50 174.5 2.10 O 10 7.14 平行状水系 2.40 700 610 480 220 0.11 53 老龙洞 岩溶大泉 30 14.90 204 7.50 ∈ 10 4.00 扇状水系 1.43 960 900 510 450 0.09 44 北翼 青龙口 岩溶大泉 60 11.00 200 17.00 ∈ 15 3.53 平行状水系 2.22 1 820 1 600 1 180 640 0.13 145 黄龙洞 地下暗河 80 13.00 240 13.20 ∈ 9 6.0 扇状水系 0.44 1 260 1 000 720 540 0.17 4 
图 5 研究区岩溶水流系统的统计特征a~d.分别是黄陵穹隆周缘不同部位岩溶水流系统的面积、径流模数、水力坡降、循环深度的统计特征；e、f分别是不同地下水系特征的径流模数和平面形态的统计特征Figure 5. Statistical characteristics of karst water flow system in the study area从岩溶水流系统类型上来看，黄陵穹隆西北翼以平行状水系为主，还存在部分树枝状水系和梳状水系；西翼以树枝状水系为主；南翼以平行状和树枝状为主，东翼和北翼以扇形水系和平行状水系为主。
从岩溶水流系统规模和岩溶发育程度上来看(图 5-a，b)：黄陵穹隆周缘以中型岩溶水流系统(面积大于10 km2), 发育少量大型岩溶水流系统(面积小于100 km2)。其中西北翼大型岩溶水流系统发育，多个水流系统面积相差不大，平均面积16.5 km2，平均径流模数6.7 L/s·km2，主要发育在寒武系-奥陶系岩溶含水系统中。西翼大型岩溶水流系统较少，以三叠系含水系统中的响龙洞岩溶水流系统为代表，面积13 km2，径流模数3.23 L/s·km2。南翼发育多个岩溶水系统，以清江-南岸水系地表分水岭为界，分水岭以北和以南的岩溶水系统平均面积分别为8.55，52.2 km2，平均径流模数分别为6.22，8.9 L/s·km2，南岸水系流域内岩溶水系统数量多，规模小，岩溶发育程度明显小于清江流域。东翼总体岩溶水流系统规模小，主要发育在寒武系-奥陶系岩溶含水系统中，发育1个大型岩溶水流系统，平均径流模数为6.6 L/s·km2。北翼大型岩溶水流系统较少，主要发育寒武系含水系统中，其岩溶水流系统平均面积和平均径流模数分别是15.1 km2和4.8 L/s·km2。
与地表流域高差和水力梯度类似，岩溶水流系统的循环深度和水力坡降也是刻画地下水循环的重要特征。黄陵穹隆周缘岩溶水流系统水力坡降存在较大区别(图 5-c，d)，从大到小分别是：西翼 > 南翼 > 北翼 > 西北翼 > 东翼，这与5个区域地层产出状态密切相关(表 2)，地层产状越大，水力坡降越大。相对应的岩溶水流系统的循环深度也表现出相似的规律，水力坡降越大，地下水垂向运动动能越大，继而地下水流不断向下溶蚀，循环深度增大。
同时，从统计结果来看，平行状、扇状、梳状、树枝状4个不同地下水系结构中具有不同的平面形态(图 5-e，f)，其长宽比均值分别为2.6，0.9，6.3，2.0，对应的径流模数分别为4.9，8.6，6.7，7.2，表明长宽比越小，岩溶含水层具有更大储水空间和汇水能力。在地层倾角较缓的区域，往往发育形成平行状水系和梳状水系的岩溶水系统，其水力比降小，而大倾角的地层大多发育树枝状和扇状水系的岩溶水流系统，同时具有更大的水力比降。在重力的驱动下，地下水沿层面裂隙和构造裂隙阶梯状运移，水力比降越大，地下水垂向运动要优于水平运动，因此，前者往往发育1~2条主要的岩溶管道，而后者往往具有多条的岩溶管道汇集流域内的地下水。但总体而言，研究区内岩溶水流系统地下水的主要运移方向与构造密切相关，在黄陵穹隆的南北两翼地下水多以近南北向水流运动，而在东西两翼地下水多发育东西向的地下水水系，在西翼香溪河流域位于黄陵穹隆与神农架穹隆的复合部位，也发育南北向的地下水流系统，这与黄陵背斜穹隆抬升过程中应力释放形成的主控构造裂隙方向一致。层面裂隙产状控制了岩溶水流系统的规模和形态，而构造裂隙的产状控制了地下水的运移规律。
2.3 水文动态响应特征
水文流量过程线是渗流场特征的综合体现，蕴含着含水介质等硬结构和水文地质参数等软结构的综合信息。目前，基于指数衰减方程计算岩溶含水介质的组成方面已比较成熟，利用衰减方程可以将岩溶地下水的水文过程衰减曲线分为几个不同的阶段，每个阶段对应不同含水介质的释水过程，可以用来对比研究不同岩溶水流系统渗流场的特征。对比了4种不同岩溶水系统在50 mm左右单次降雨过程的响应特征如图 6所示：雨后流量变化剧烈，均可达数十倍；从响应时间来看，扇状、平行状、树枝状、梳状岩溶水流系统的滞后时间分别为：3, 3, 4, 6 h；从洪峰形态来看，均为不对称左偏单峰型，流量变幅均达数十倍，扇状和平行状岩溶水流系统洪峰更加窄尖，其以管道为主的第一衰减阶段时间分别为15, 17 h，树枝状岩溶水流系统26 h次之，梳状岩溶水流系统洪峰最为宽缓，第一衰减阶段持续时间最长，约38 h，这除了与岩溶发育程度有关外，还由于扇状和平行状地下水系汇流距离短、汇流管道数量多，而梳状地下水系往往只发育一条汇流主管道，汇流途径长，雨后管道中地下水往往为有压流。扇状、平行状、树枝状、梳状岩溶水流系统第一衰减阶段管道含水介质释水量分别占总流量的0.11, 0.4, 0.02, 0.21，进一步说明裂隙介质是岩溶含水系统主要的储水空间，而管道含水介质主要起导水和汇水作用。树枝状的岩溶水流系统以分散补给为主，管道发育最少，流量动态变化小，而其他3种，以落水洞灌入式补给为主，暗河管道发育，从而展示出强烈的水文动态变化。
图 6 不同岩溶水流系统渗流场特征A.白龙洞扇状岩溶水流系统; B.酒斟子梳状岩溶水流系统; C.鱼泉洞平行状岩溶水流系统; D.响龙洞树枝状岩溶水流系统Figure 6. Seepage field characteristics of different karst water flow systems2.4 温度场特征
研究区各岩溶水系统平均的基流水温和补给高程呈现高度拟合的线性关系(图 7-a)，其温度梯度为-4.43℃/km，小于研究区的大气温度梯度-5.19℃/km(图 7-b)，说明岩溶区不仅受浅表气温影响，在地下运移过程中得到了围岩的热量补给。总体而言，4种不同的岩溶水流系统的基流温度与出露高程相关性不大，而是均与循环深度和补给高程密切相关(图 7-c)，因此，我们建立了鄂西山区地下水温度线：
T(H,h)=19.25−0.005 461×H−0.003 925×h (1) 
图 7 研究区地下水多年平均温度及影响因素统计特征a.不同地下水系的岩溶水系统温度与电导率的统计规律；b.研究区国家气象站多年平均温度与海拔的统计规律；c.综合体现了研究区地下水温度与出露高程和循环深度三者间的关系Figure 7. Statistical characteristics of multi-year average groundwater temperature and factors in the study area式中：T为地下水多年平均温度(℃)；H为地下水出露高程(m)；h为地下水循环深度(m); R2=0.91。
根据研究区多个洞穴和地下暗河探测工作，岩溶水系统的降雨补给-径流-排泄过程依次表现为开放式-半封闭式-开放式的特征。在补给区，通过落水洞和较大的溶蚀裂隙、风化裂隙，浅表气温对地下水影响大；而径流区，地下水运移深度大，仅通过地下水流动带来的少量空气或少量裂隙与大气沟通，此时，围岩与地下水的交互占主导作用。在排泄区，地下水集中排泄口多以岩溶管道或暗河洞穴形态出现，地下水与大气沟通密切。此温度线可反映大气与围岩对地下水的共同作用，结合大气降水线可以共同识别岩溶水循环的特征。但是，4种岩溶水系统的温度梯度仍存在区别(图 7-a)。平行状、扇状、树枝状岩溶水流系统地下水温度梯度与大气温度梯度基本接近，因前两者岩溶发育强烈，地下水沿管道或宽大裂隙运移，深部循环的时间较短，因此与围岩的热量交换较少，而树枝状岩溶水流系统虽然岩溶发育程度低，但同时地下水循环的深度较浅，地下水受大气温度影响较大，因此地下水与大气的温度随高程变化基本一致。梳状水系的岩溶水流系统地下水温度梯度小于气温梯度，这是由于其循环深度大、循环路径长，地下水运移过程中得到了围岩热量的正补给。
2.5 电导率特征
电导率能够综合体现岩溶水流系统的水动力条件、岩性和水-岩相互作用的特征[29]。研究区不同类型地下水的电导率特征如图 8所示：首先，温度对电导率有较大的影响，具有明显的线性正相关关系。随着温度增高，分子运动加快，从而具有更高的电导率值(图 8-a)。同时，水力坡降越大地下水运动越快，水-岩相互作用时间更短，电导率越低(图 8-b)。从统计结果来看，4种地下水系结构中，扇状水系一般具有更大的水力坡降和较低的电导率，因其补给方式以灌入式补给为主，岩溶管道发育且汇流路径短，因此水-岩相互作用时间短，地下水电导率较低。与其对应的树枝状水系却有较高的电导率，这与其岩溶相对发育程度低，地下水运移以裂隙为主，水-岩相互作用时间长有关。平行状和梳状水系均为灌入式补给和管道集中排泄的补径排特征，因管道路径的长短而表现出不同的电导率值。。除此之外，统计结果显示，随着岩溶水流系统排泄流量的增加，电导率先增加后减小，大约在100 L/s左右达到峰值，这可能是与地下水循环的路径长短和含水介质有关。前期，随着岩溶水系统规模增大，系统能够汇集更大范围内的地下水，岩溶水循环路径增长，流量和电导率逐渐增大；然而，更大的流量增加了岩石的溶蚀量，加速了岩溶发育的过程，含水介质向导水能力更强的管道-裂隙演变，从而减少了水-岩相互作用的时间，电导率呈下降态势，径流模数也展现出类似规律。这反映了岩溶水流系统演化的过程。
图 8 研究区水流系统电导率的统计特征a.电导率与水温关系; b.水力坡降与电导率关系; c.电导率与流量关系Figure 8. Statistical characteristics of electrical conductivity of water flow system in the study area3. 黄陵穹隆周缘岩溶水流系统特征差异及成因分析
黄陵穹隆位于多个构造单元的复合部位，其周缘地区岩溶水流系统特征存在显著的差异，这与气候、地形地貌和水系结构和地质条件密不可分。
黄陵穹隆及周缘横跨我国地形的二三级阶梯，降雨量具有明显的“南多北少、东多西少”的特征(图 9)。南北两翼地貌以岩溶洼地+峡谷地貌组合形式，而东西两翼以岩溶斜坡为主。前者通过洼地落水洞灌入式补给地下水，后者以降雨沿裂隙分散入渗补给为主，补给源的多少限制了岩溶水流系统发育，反映在岩溶水流系统和径流模数的差别上。
在研究区，新构造运动呈现出间歇性抬升的特点，导致了河流不断下切，并形成了多个夷平面。这使得岩溶的发育也具有多期性，在水平与垂向发育间不断转换，因此岩溶地下暗河并非像地表溪流一样有自然变化的河床。在稳定期，水平方向的裂隙(层面裂隙或构造裂隙)汇水作用强，岩溶得到进一步的发育，塑造了如今的地下水系的支流。在抬升期，地下水下切能力强，沿节理密集带或断层沟通了相邻的含水层的地下水系，岩溶水流系统的规模进一步扩大，并形成了地下水系的干流。新构造运动为不同地下水系的演化提供了动力，但其结构的不同还与含水系统结构特征和水系的组合有关。
黄陵穹隆东西两翼及南翼仙女山断裂以西的岩溶含水系统垂直于长江的三级水系而平行于二级水系，从而被切割为多个小型水流系统。构造裂隙起主要的汇水作用，地下暗河主管道近乎垂直于地层走向。地下水向两侧三级水系就近排泄，以侵蚀泉为主，形成四级水系的源头。在地层高倾角地区，地貌形态以岩溶斜坡为主，岩溶发育程度低，地下水系以树枝状为主，如响龙洞。在缓倾角地区，地表岩溶发育程度高，在向斜构造或断层汇水的作用下形成了扇状地下水系，如白龙洞。
黄陵穹隆南翼及西北翼地区的岩溶含水系统与长江二级水系斜交并平行于长江的三级水系。层面裂隙起到主要的汇水作用，隔水层阻水作用明显。地下暗河主管道平行或小角度交于地层走向，在隔水层的控制下向四级水系排泄，以接触泉为主，并形成平行状地下水系，多见于地层产状轻缓的地区，如白龙泉。在地层倾角较陡的地区，水力梯度大，位置较低的管道更容易袭夺位置较高管道的地下水，从而演化成单支主管道的梳状水系，如酒斟子泉。
4. 结语
基于前期工作的成果和认识，研究了黄陵穹隆周缘岩溶水流系统的特征。借鉴水文学的研究思路，统计和对比了西北翼、西翼、南翼、东翼、北翼典型岩溶水流系统的发育特征, 总结概括了4种地下水系特征，分别是扇状、树枝状、平行状、梳状，给出了其定义并讨论了其平面形态特征。从地下水动态特征来看，扇状、平行状地下水系响应速度快，树枝状、梳状地下水系响应速度慢，扇状和平行状岩溶水流系统洪峰更加窄尖，梳状岩溶水流系统洪峰最为宽缓，其汇流特征也显示出汇流距离长短和管道数量的影响。基于多年的地下水监测资料，分析了4种不同岩溶水流系统的温度场和电导率特征，进一步验证了其不同的含水介质特征和补径排特征，并基于岩溶地下水的温度均与循环深度和补给高程密切相关的认识，建立了该地区的地下水温度线，为后续深入研究奠定了基础。不同地下水系结构的岩溶水流系统的形成及区域分布存在明显差异，这与含水系统与水系的空间关系和级次性、新构造运动和地层产出状态等因素密切相关。
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图 1 黄陵穹隆周缘水系和构造特征
Figure 1. Water system and structural characteristics of the Huangling anticline
图 4 4种不同的岩溶地下水系结构形态及与地层产状和河流流向的示意图
a.扇状水系; b.梳状水系; c.平行状水系; d.树枝状水系
Figure 4. Schematic diagram of four different karst groundwater systems and their relationship with stratigraphic occurrence and river flow
图 5 研究区岩溶水流系统的统计特征
a~d.分别是黄陵穹隆周缘不同部位岩溶水流系统的面积、径流模数、水力坡降、循环深度的统计特征；e、f分别是不同地下水系特征的径流模数和平面形态的统计特征
Figure 5. Statistical characteristics of karst water flow system in the study area
图 6 不同岩溶水流系统渗流场特征
A.白龙洞扇状岩溶水流系统; B.酒斟子梳状岩溶水流系统; C.鱼泉洞平行状岩溶水流系统; D.响龙洞树枝状岩溶水流系统
Figure 6. Seepage field characteristics of different karst water flow systems
图 7 研究区地下水多年平均温度及影响因素统计特征
a.不同地下水系的岩溶水系统温度与电导率的统计规律；b.研究区国家气象站多年平均温度与海拔的统计规律；c.综合体现了研究区地下水温度与出露高程和循环深度三者间的关系
Figure 7. Statistical characteristics of multi-year average groundwater temperature and factors in the study area
图 8 研究区水流系统电导率的统计特征
a.电导率与水温关系; b.水力坡降与电导率关系; c.电导率与流量关系
Figure 8. Statistical characteristics of electrical conductivity of water flow system in the study area
表 1 研究区含水系统划分结果
Table 1. Division result of aquifer system in the study area
一级 二级 三级 地层 厚度/m ZQ松散岩类孔隙含水系统Ⅰ Q < 10 岩溶含水系统Ⅱ 震旦系岩溶含水系统 Z 515 下寒武统岩溶含水系统 ∈1s2 180 中寒武统-奥陶系岩溶含水系统 寒武系天河板组-覃家庙组岩溶含水系统 ∈1t-∈2q 440 寒武系娄山关组-奥陶系红花园组岩溶含水系统 ∈2O1l、O1h 303~583 奥陶系牯牛谭组-宝塔组岩溶含水系统 O2g-O2-3b 72 二叠系-三叠系岩溶含水系统 二叠系岩溶含水系统 P 363 三叠系岩溶含水系统 T 1 242~1 297 基岩风化裂隙含水系统Ⅲ 碎屑岩孔隙裂隙水含水系统 J、K 岩浆岩变质岩风化裂隙含水系统 Pt2m、Pt2x、Pt2g 
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表 2 黄陵穹隆周缘典型岩溶水流系统特征统计
Table 2. Statistics of characteristics of typical karst water flow system around Huangling anticline
部位 岩溶水流
系统名类型 流量/
(L·s-1)水温/
℃电导率/
(μs·cm-1)面积/
km2地层
代号地层倾
角/(°)径流模数/
(L·s-1·km-2)平面形态 长宽比 补给区最
高点/m平均补给
高度/m出口高
度/m高差/
m水力
坡降地下水流
方向/(°)西北翼 黑龙泉 岩溶大泉 57 15.50 309 16.50 ∈ 19 3.45 平行状水系 3.36 1 402 850 550 852 0.11 158 白龙泉 岩溶大泉 60 15.30 343 9.30 ∈ 23 6.45 平行状水系 3.50 960 900 587 373 0.07 160 雾龙洞 岩溶大泉 51 13.70 319 8.70 ∈ 19 5.86 平行状水系 4.93 1 560 1 150 600 960 0.13 166 云龙洞 地下暗河 77 13.20 395 17.30 ∈ 19 4.45 平行状水系 2.56 1 560 1 200 615 945 0.14 187 响水洞 岩溶大泉 300 14.30 355 34.00 ∈ 16 8.82 梳状水系 4.31 1 693 1 060 304 1 389 0.08 235 水磨溪泉 岩溶大泉 150 16.10 378 13.00 O 18 11.54 树枝状水系 1.21 1 140 760 349 791 0.19 287 西翼 响龙洞 岩溶大泉 42 13.80 238 13.00 T 46 3.23 树枝状水系 1.21 1 650 1 300 356 1 294 0.28 255 南翼 鱼泉洞 地下暗河 36 14.50 249 9.80 ∈ 10 3.67 平行状水系 3.82 1 350 1 170 309 1 061 0.16 171 迷宫泉 岩溶大泉 27 14.30 187 6.20 ∈ 8 4.35 梳状水系 13.17 1 442 1 148 430 1 012 0.13 175 NZK04 钻孔 0 14.20 200 ∈ 8 1 442 1 250 305 1 153 潭 岩溶大泉 200 13.20 248 18.60 T 32 10.75 扇状水系 1.09 1 530 1 150 191 1 339 0.27 291 周坪龙洞 地下暗河 5 13.50 174 4.80 P 22 1.04 平行状水系 2.62 1 458 1 250 816 642 0.19 120 仙龙洞 岩溶大泉 12 11.60 163 3.30 E 25 3.64 树枝状水系 2.08 1 550 1 450 796 754 0.28 230 仙鱼泉 岩溶大泉 300 14.60 184 21.70 O 36 13.82 扇状水系 1.16 1 168 1 050 499 669 0.13 42 大鱼泉洞 岩溶大泉 100 14.70 223 9.50 P 24 10.53 树枝状水系 3.81 1 320 1 000 274 1 046 0.17 310 龙洞 地下暗河 15 16.50 394 2.90 ∈ 12 5.17 平行状水系 1.17 610 450 308 302 0.14 71 忘忧泉 地下暗河 20 16.10 272 3.90 ∈ 10 5.13 平行状水系 1.25 896 550 438 458 0.23 100 NZK06 钻孔 0 17.50 1 350 ∈ 25 227 潮水洞 岩溶大泉 20 15.80 394 4.80 ∈ 10 4.2 梳状水系 2.10 650 610 460 190 0.09 89 五爪泉 岩溶大泉 350 15.60 249 42.90 O 25 8.16 平行状水系 1.17 1 378 750 471 907 0.12 78 酒酙子泉 地下暗河 600 13.70 215 61.40 ∈ 30 9.77 梳状水系 5.51 1 670 1 300 420 1 250 0.05 97 东翼 白龙泉 岩溶大泉 400 15.30 225.5 46.00 ∈ 10 8.70 扇状水系 0.77 1 150 870 423 727 0.11 59 百家泉 地下暗河 15 16.50 174.5 2.10 O 10 7.14 平行状水系 2.40 700 610 480 220 0.11 53 老龙洞 岩溶大泉 30 14.90 204 7.50 ∈ 10 4.00 扇状水系 1.43 960 900 510 450 0.09 44 北翼 青龙口 岩溶大泉 60 11.00 200 17.00 ∈ 15 3.53 平行状水系 2.22 1 820 1 600 1 180 640 0.13 145 黄龙洞 地下暗河 80 13.00 240 13.20 ∈ 9 6.0 扇状水系 0.44 1 260 1 000 720 540 0.17 4
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