岩溶含水介质具有不均匀性, 很难确定其内部结构, 长期以来是岩溶学界的研究热点。目前, 用于确定岩溶含水介质空间结构特征的方法手段有暴雨后地下水流量衰减方程和地球化学过程^{[1, 2]}、放水脉冲试验^{[3, 4]}、工程钻孔^[5]、物理探测^{[6, 7]}和示踪实验^[8]等。随着理论方法和技术的进步, 示踪试验已成为最为重要的手段之一, 常被用来探寻岩溶地下河的管道网络分布及地下水溶质运移特征^{[9, 10, 11, 12]}、确定岩溶地下水系统边界^[13]、研究水库渗漏途径^{[14, 15]}及获取水文地质参数^{[16, 17]}等。在工作方法上, 高精度在线监测技术发展, 替代了传统的试验流程, 在实践中取得了很好的效果^{[18, 19, 20]}。

2014年10月, 在贺州市合宝地下河系统进行水文地质调查中, 在地下河管道上进行示踪试验, 使用瑞士纽沙泰尔大学开发的GGUN-FL30野外荧光分光光度计^[21]进行高精度在线示踪监测。之后, 应用Qtracer2软件对监测数据进行分析处理, 获取了该地下河的管道结构和水动力学条件的相关参数, 为该地下河系统的数值模型建立提供了科学依据, 对相似地质条件下地下河系统示踪试验提供了参考。

合宝地下河系统位于广西壮族自治区贺州市黄田镇, 属于亚热带季风气候, 多年平均气温为19.9 ℃, 多年平均降雨量为1 550.3 mm。研究区内洼地、消水洞、溶洞、地下河、石林分布, 为峰丛洼地谷地地貌, 出露泥盆系信都组(D₂x)细砂岩、石英砂岩夹粉砂岩及泥盆系东岗岭组(D₂d)、泥盆系巴漆组(D_2-3b)、泥盆系融县组(D₃r)白云岩、白云质灰岩、灰岩或夹白云岩。洼地底部高程120~150 m, 山峰顶部高程355~683 m。合宝地下河入口(S₁)位于合宝村SE120 ° 方向700 m处, 地层为泥盆系上统融县组(D₃r), 发育灰岩夹少量白云岩, 岩层产状185° ∠40° 。汇集了来自北侧和东侧、发源于姑婆山花岗岩地区的地表河流(图1), 经此入口进入地下后, 以管道流的形式向SW210° 方向径流。该地下河入口呈近圆形, 岩溶管道洞顶距地表30 m左右。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 研究区合宝地下河水文地质简图 D2x. 泥盆系信都组; D2d. 泥盆系东岗岭组; D2-3b. 泥盆系巴漆组; D3r. 泥盆系融县组; η γ Κ 2. 姑婆山岩组Fig.1 Hydrogeology sketch of Hebao underground river in the study area

目前, 地下河管道上共有3个出口, 即S₂、S₃和S₄(S₂和S₄为地下河出口, S₃为溢洪溶洞), 标高分别为185 m、159 m和154 m。在洪水时节, S₂和S₃才会有水流出, 只有S₄常年有水出流。据调查, 地下河管道沿NE向断裂构造发育。2008年以前, 地下河主要从高程相对较高的S₂出流。S₃为砂锡矿全充填溶洞。2008年, 在S₃处开采砂锡矿的过程中, 将NW向沿断裂构造发育的溶洞疏通, 致使地下河绝大部分地下水从S₃出流。后来, 为了使S₂处修筑的水利设施重新利用, 对新开挖的S₃处的洞口进行封堵, 以期恢复原有地下河形态。然而, 蓄水过程抬高了地下水位, 2008年12月22日, 岩溶水击穿S₃出口东南侧约150 m处农户的房屋地板, 形成一个直径0.5 m的洞口S₄。湍急的水流将房屋西侧的菜地冲毁, 形成宽约3 m的渠道, 地下河的水流都从S₄流出, 形成了如今的地下河管道形态。

本次示踪试验荧光素钠的穿透曲线呈现出单峰特征, 说明其管道流占主要部分。但其峰值的出现过程中曲线并非稳步上升和稳步下降, 斜率的变化比较明显, 说明该管道出现局部承压特征, 而且在峰值曲线下降之后有一个不明显的峰值, 这说明水流的方向并不单一, 存在支流。穿透曲线的拖尾较短, 说明其地下岩溶发育呈单一管道型, 不存在较大的溶潭, 这是因为若存在一个或多个溶潭, 示踪剂经过溶潭时会进行弥散和稀释再运移, 其结果会导致示踪剂的运动时间拖长^[8]。示踪剂的回收率为63.18%。经调查, 地表没有其他明显的排泄出口, 说明该地下河存在地下潜流, 地下水以分散流的形式向地表水体排泄。

合宝地下河管道储水量为26 714 m³, 过水断面面积13.70 m², 管道储水平均直径4.18 m, 管道平均直径3.28 m, 与实际调查数据相吻合。

浓度穿透曲线陡, 表征弥散距离长, 缓则表征真实的弥散距离反而短^[8]。合宝地下河系统弥散系数0.505 m²/s, 纵向弥散度37.81 m, 并且示踪剂浓度曲线为较陡, 说明该地下河系统内岩溶发育不均一性强, 示踪剂弥散距离较长且速率较大。

雷诺数的大小可用来判明所研究水流的型态。雷诺数小表征着流体流动时各质点间的黏性力占主导地位, 流体的各质点沿平行于管路内壁进行有规则的流动, 呈现层流流动状态; 雷诺数大表征着惯性力占主导地位, 流体呈现紊流(亦称湍流)状态。一般而言, 管道的雷诺数N_R< 2 000为层流状态, N_R=2 000~4 000为过渡状态, N_R> 4 000为紊流状态^[23]。计算得到的雷诺数为48 937, 远大于4 000, 表明合宝地下河系统的地下水为典型的紊流型态。如此高的雷诺数也表明地下水流动极不稳定, 流速的微小变化很容易发展、增强, 形成紊流、不规则的紊流流场。

摩擦系数表征地下河管道与水的相互作用, 反映含水层介质对水流速减弱作用。通过经验公式估算得出摩擦系数是0.178, 表明地下河管道内部凸起或凹陷处很多, 差异溶蚀明显, 说明合宝地下河管道内部结构非常复杂, 这在前文调查访问资料中也可以得到印证。

通过本次示踪试验, 辅助野外调查手段, 基本上查明了合宝地下河管道的空间展布状况及运移于其中的地下水径流参数。

(1)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。试验期间, 合宝地下河约有63.18%的水流从出口S₄排泄。由于地表调查未发现其他集中排泄出口, 说明该地下河内存在地下潜流, 有少部分地下水以分散流的形式向地表水体排泄。

(2)合宝地下河枯季水流的最大流速为156.00 m/h, 平均流速为48.09 m/h, 岩溶管道储水量为26 714 m³, 管道过水断面面积为13.70 m², 管道平均直径为4.18 m, 弥散系数为0.505 m²/s, 纵弥散度为37.81 m, 摩擦系数为0.178, 雷诺数为48 937, 舍伍德数为1 875.4, 施密特数为1 140。上述数据为该地下河系统的数值模型的建立提供了依据。

(3)示踪试验结果表明, 合宝地下河岩溶极其发育, 含水介质具有较大的不均一性。受制于共轭断裂构造, 发育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。