桂林毛村地下河流域雨季与旱季定量示踪分析

以典型岩溶地区广西桂林市毛村地下河流域为例,基于在线高分辨率监测进行雨季与旱季定量示踪试验,精细刻画流域内含水介质特征。根据示踪试验研究及毛村地下河系统内地下水的径流和分布特征,可将毛村地下河系统划分为社更岩、扁岩地下河系统,大冲里-背地坪系统和大岩前落水洞-毛村出口系统。这三个子系统分布于毛村流域的上游和下游,其示踪剂浓度历时曲线为陡升陡降的尖峰,地下管道相对单一,无较大岔道和溶潭发育。各段地下河水动力作用以对流作用为主,且水流一般呈现为紊流流态。雨季流速快、流量较大,平均运移时间短,示踪剂回收率比旱季高。流域中游含水介质相对均匀,无管道发育,地下水主要赋存于溶蚀裂隙。      

环境同位素示踪的毛村地下河流域水流特征

岩溶水文特征是岩溶区生态环境可持续发展的关键驱动力。文章利用环境同位素示踪剂反馈的水动力过程,解译毛村地下河流域的水流特征。其流域内水体δD和δ18O范围均位于大气降水δD和δ18O的范围内,大气降水是流域主要的补给来源;基于δ13C_DIC利用质量守恒定律计算岩溶水体中DIC来源于碳酸盐岩溶解的平均值为52.13‰,可揭示相关的水—碳酸盐岩相互作用历程;流域内岩溶水点222Rn和EC值对大气降水的响应特征表明降水的蓄积作用可驱动深层岩溶裂隙水运移,且具有较强的稀释作用;基于222Rn的衰变特征,计算6月份地下河管道有效水流速度为2 427.49 m·d?1;西南岩溶地下河水流与地表水流相似,且对降水响应敏感。综合毛村地下河流域的水文地质条件及其水文点SI、222Rn、δ13C_DIC和δ18O间的相关关系,环境同位素可更好地示踪岩溶裂隙水流特征,揭示岩溶含水系统的空间结构特征及水流路径。水化学环境天然示踪剂可提供有关岩溶含水系统的重要信息,对水动力学方法具有重要的补充作用。      

微动HVSR法在岩溶区探测地下河管道和溶洞的有效性研究

微动HVSR(Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio)法是一种简单有效的被动源地震勘探方法,当测点下方介质存在明显的速度变化时,HVSR曲线会呈现相应的异常形态。为探索该方法在岩溶区探测地下河管道和溶洞的有效性,选择桂林毛村地下河流域内的大岩前村作为研究区,并在此开展野外试验。研究区发育有一条地下河管道,通过精准的洞穴测量,获得了此地下河管道的平面位置和洞高等信息。在研究区的地下河管道上方地面布设3条物探测线,均进行微动HVSR法测量,并用探地雷达法测量作对比。结果表明,两种物探方法的异常位置与测线下方地下河管道的实际平面位置基本一致,证明微动HVSR法可作为一种有效的地下河管道和溶洞探测方法。     

板文地下河系统内涝

在查阅东兰县历年水灾纪实的基础上，通过详细剖析板文地下河系统管道特征，认为主流下游段水力坡度小、流速慢是造成系统内灌输的主要内因。同时，区分了拉平洼地内涝和巴纳洼地内涝的差异。拉平洼地地下河管道连通性差、部分淤塞，常常引发天然内涝；而巴纳洼地地下河管道畅通，因岩滩水库蓄水造成库水倒灌，地下河水位抬升，排泄能力降低，使洪水沿巴纳溢流天窗漫溢到巴纳洼地形成岩溶内涝。岩滩水库不仅增加了板文地下河系统内涝范围，而且使最小致涝降雨量从建库前的216.4mm降低到建库后的120mm，从而使内涝更易发生和严重。     

高精度地下水示踪技术及其应用——以毛村地下河流域为例

笔者以桂林毛村岩溶地下河流域的示踪试验为例, 探索高精度地下水示踪方法在岩溶水文地质研究中的应用。实践证明, 该方法较传统示踪方法具有较大优势。试验中, 从地下河主出口回收I号示踪剂为34%, 地下水平均流速为35.3 m/h, 全部回收率约为60%~70%。示踪结果证实毛村地下河流域具有典型河间地块特征, 存在多个排泄出口, 水文地质边界较复杂; 主出口处示踪剂浓度变化呈宽域多峰, 说明具有多管道、沿途多个较大溶潭特征; II号示踪剂在所有接收点都没有收到, 其原因较为复杂和不确定。枯季部分地下水有沿西南方向断层排泄迹象, 雨季是否存在较大径流, 还需用示踪试验来证实; 流量不均衡, 排泄区可能存在潜流。     

广西布泉地下河发育特征及连通性分析

为查明广西布泉地下河岩溶发育规律和分布特征,在1∶5万水文地质调查的基础上,对该区地下水水位动态进行长期观测和示踪,研究布泉地下河地表和地下岩溶发育特征,分析布泉河上游和中游各支流间的连通性。该区地表主要为峰丛洼地,溶蚀强烈,地下河管道主要沿断层展布,平面形态呈树枝型,剖面形态呈阶梯型。地下河中下游管道的地下水水位动态对降雨的响应滞后,上游管道及远离管道区的地下水水位动态对降雨的响应敏感。地下河上游和中游地下水平均流速分别为1 166 m/d和1 079 m/d,地下水总体径流速度较快,上游地下水的水力坡度大于中游。地下河上游管道分支较多,地下水连通性较复杂,中游主管道明显,连通性较好。     

地下河系统水动态监测网络优化对比分析:以桂林海洋-寨底地下河系统为例

基于我国南方地区岩溶发育极不均匀、水位水质动态变化快的特点,通过对信息熵法和防污性能法所得结果的对比,分析在缺少系列监测资料条件下,利用岩溶水系统防污性能评价结果快速布设地下河系统水动态监测网的可行性及其布设原则。根据防污性能评价结果,结合水循环特征,桂林海洋-寨底地下河系统水动态监测网需由17个监测站组成;采用信息熵法对现有35个监测站进行优化后,认为只需要12个监测站就可组成最优监测网,但这12个监测站点与采用防污性能评价法得到的点位完全重合,且均位于防污性能差的地区。对比分析认为,以地下水系统防污性能评价结果布设地下水动态监测网是可行性的,因为岩溶发育区既是防污性能差的地区,也是地下水动态变化快的地区,能充分反映地下河系统水质水量变化。采用防污性能评价法布设地下水动态监测网时,需要充分认识和了解地下河系统水文地质条件和地下河管道结构特征,且需要遵循以下原则:(1)在岩溶发育相对较弱的系统中部(基本上不存在防污性能差的地区)不设置监测站点;(2)在距离地下河出口较近的岩溶发育区内(即防污性能差的地区)监测站点可由地下河出口替代;(3)对于多支管道系统,岩溶发育相对较弱且距离较短的小型支管道上可以不布设监测站,由支管道与主管道交汇处的监测站代替。     

南洞地下河岩溶管道展布及结构特征的示踪试验解析

运用高精度的示踪试验研究了南洞地下河流域部分岩溶管道的展布状况,并对暗河管道的结构特征进行了分析。试验结果表明:一号暗河有一独立的含水系统,补给区为瓦白白一带,二号暗河主管道总体通往永宁和石洞方向,三号暗河通往城红寨方向,二号暗河和三号暗河在南洞口附近有连通,枯季时二号暗河补给三号暗河。此外,一号暗河和二号暗河分别呈老年期和壮年期地下河形态,较为畅通;三号暗河则发育较晚,出口处有较多的裂隙。最后,结合现有的资料及流域内的水文地质条件,对流域内岩溶管道的大体分布位置进行了推断,绘制了岩溶管道的展布图,以期为南洞地下河流域的岩溶水文地质调查、物探、钻探及地下水开发利用等提供理论依据。      

基于时延三维电阻率反演的岩溶地下河管道空间分布识别物理模拟研究

岩溶地下河管道空间分布的识别对岩溶区的各类地球科学工作意义重大,文章阐述了采用时延三维电阻率反演技术,开展对地下河管道空间分布识别的研究,在室内灰岩介质下的物理模拟实验结果表明:对雨季管道充水和枯季管道干涸时采集的电阻率数据进行时延反演后,地下河管道的模拟三维空间分布被很好地突显出来,时延反演效果大大地优于对单次采集数据的反演效果,管道充填水时的反演效果次之,管道充填空气时的反演结果很难有效识别地下河管道的空间分布情况。物理模型试验成果可指导野外实践中对岩溶地下河管道的探测研究。      

重庆地区岩溶地下河发育与分布的基本特征

岩溶地下河是我国西南岩溶地区地下水资源赋存的主要形式,是重要的水源地。本文以重庆市域范围内1∶20万水文地质普查报告为基础,结合大量的野外调查工作,从岩性、构造、地貌等角度总结了重庆岩溶区地下河发育、分布的基本特征。结果表明在质纯层厚的石灰岩中地下河最为发育,而在其它碳酸盐岩层组中,由于碳酸钙含量下降,岩溶率下降,地下河弱发育或不发育。在重庆地区,受到区域构造条件的影响,岩溶地下河管道多沿构造线展布。区域褶皱（向斜、背斜、褶皱转折部位）、构造复合部位、断裂等地质构造特征均影响了岩溶地下河的发育和分布。重庆地区的层状夷平面地貌,控制了岩溶地下河的补给和排泄,地下河多在低一级夷平面形成的河谷、沟谷中出露。根据重庆地区岩溶水的水动力特征和循环条件,将地下河分为汇流型、分流型和平行流型3种类型。      

贺州市合宝地下河系统的定量示踪试验与分析

在岩溶水文地质调查中,示踪试验的应用是较为广泛且行之有效的方法。为确定地下河系统的岩溶含水介质结构,采用高精度在线监测技术在广西壮族自治区贺州市合宝地下河主管道上进行示踪试验。试验采用的示踪剂为荧光素钠,在线监测设备为GGUN-FL30野外荧光分光光度计。试验结果显示: 合宝地下河入口S₁与出口S₄之间地下河以管道流为主要特征,结构相对简单,不存在溶潭等地下储水体; 示踪剂回收率为63.18%,说明该地下河还有其他排泄途径,很有可能为地下潜流。基于Qtracer2数据分析可知,合宝地下河枯季水流的最大流速为156.00 m/h,平均流速48.09 m/h,岩溶管道储水量26 714 m³,管道过水断面面积13.70 m²,平均直径4.18 m,弥散系数0.505 m²/s,纵弥散度37.81 m,摩擦系数0.178,雷诺数48 937,舍伍德数1 875.4,施密特数1 140。合宝地下河岩溶极其发育,含水介质不均一性强,为规模较大的单一管道系统。地下水流态呈紊流型,且局部具备承压特征。研究数据及成果为建立地下河系统数值模型提供了依据。     

云南南洞地下河系统边界及性质研究

地下河系统具有固定补给范围和资源要素,是岩溶地下水进行独立循环的基本单元,控制了岩溶水的运移富集、水化学演化特征、资源构成以及环境地质问题。开展地下河系统研究首要任务是确定系统边界位置及其水文地质性质。以南洞地下河系统为研究对象,据野外调查、勘探、试验资料,以地球系统科学理论为指导,运用现代岩溶学、地质学及水文地质学的分析方法,确定南洞地下河系统是由1号暗河和2号暗河系统组成的,其中2号暗河还有叠置于其上的平石板和黑龙潭两个全排型暗河子系统;其含水岩层主要为三叠系个旧组（T2g）灰岩、灰质白云岩、白云质灰岩;根据边界的水文地质性质可以划分为地表分水岭边界、地下分水岭边界、隔水边界、岩溶含水层深埋滞留型边界。      

岩溶地下河在SWAT中的概化方法——以毕节倒天河流域为例

岩溶地下河的存在严重影响了土壤和水评估工具（SWAT）在岩溶地区的普遍适用性。针对岩溶地下河在SWAT中的概化问题,提出基于数字高程模型（DEM）预处理结合SWAT流域自动识别功能的方法,将岩溶地下河暴露于地表,把岩溶区复杂的地表－地下二元结构简化为地表一元结构,并以贵州毕节地下河发育的倒天河流域为例进行应用。结果表明:① 对比未经概化地下河建立的模型,概化地下河建立的模型识别流域面积增大30.73%,子流域个数增加29.27%,水文响应单元（HRU）个数增加43.82%;② 参数取最大物理意义范围时,未经概化地下河建立的模型p因子=0.64,不满足建模条件,物理模型本身存在问题;③ 概化地下河建立的模型月步长模拟结果:校准期R2=0.96,NS=0.96,验证期R2=0.94,NS=0.93,月尺度模拟效果非常好。岩溶地下河概化方法使SWAT在流域划分方面更加合理,搭建的模型模拟更加合理。该研究拓展了SWAT模型在岩溶区的应用。      

滇东南南洞地下河系统源区洞穴特征及其成因演化机制

滇东南岩溶地貌发育,岩溶洞穴是该区典型空洞体系。文章以滇东南南洞地下河系统源区典型岩溶洞穴为研究对象,基于地学理论和地球化学分析,对该区地貌特征、成因及演化机制开展科学研究。研究表明,NW向的张性断裂、区内可溶部分最高个旧组碳酸盐岩以及杨柳河向西流动的水动力作用是南洞地下河系统源区洞穴发育的主要成因;全新世中期6 kaBP以来,该地区洞穴演化过程经历了三个阶段,其中,主体形成时间为6~4 kaBP;此外,建立石洞洞穴与地下河发育模式。本次研究对南洞地区地下水资源评价具有实际意义。      

泸西喀斯特断陷盆地地表水与地下水流域边界与水动力性质

在详细调查基础上,采用系统科学及水文地质分析方法,依据地形地貌、地层岩性、地质构造、示踪试验、地下水排泄基准面、喀斯特发育条件及发育规律等剖析论证流域边界,并通过钻探及示踪试验进行验证。研究结果:（1）对泸西喀斯特断陷盆地南东部的水系统边界向北移进行了修正,证实了三塘一带深部不发育的喀斯特是地下水分水岭边界,使得泸西喀斯特断陷盆地流域的径流系统和边界圈化更加准确;（2）泸西喀斯特断陷盆地流域地表水、地下水转化频繁,地表水径流特征主要以小江河在水库、河流、伏流间的径流转化过程为体现,地下水在侵溶山区接受大气降水补给后,上层径流以泉、暗河的形式在泸西盆地底面排泄后转化成地表水,最终汇集于盆地南部、通过工农隧洞及落水洞排向小江,而下层径流则以小江水面为基准,通过深层径流排泄。      

Pollution pattern of underground river in karst area of the Southwest China

Investigation of groundwater pollution has been carried out on multiple typical karst underground river systems in recent years in order to reveal the characteristics and mechanism of underground river pollution. Through the summary of the survey results, five characteristics of underground river pollution have been revealed, including directionality, weak hysteresis, easier for reversibility, linear and intermittent (or seasonal); combining with karst geomorphic types, pollution sources (primordial, secondary pollution and compound), pollution ways and pollution receptors, three basic pollution patterns of the underground river were depicted: Recharge area pollution, runoff area pollution and discharge area pollution. At the same time, the study discloses the reality of the underground river pollution is the three basic patterns and their subgenera in combination with super imposition on the space and time. And from the angle of the hydrogeological model, the study expounds the process of underground river pollution. Finally, the study gives naming rules of pollution pattern of the underground river and sets up PISAB method of pattern recognition. The results provide scientific basis for pollution repair and management of underground river in the southwest karst region.