(它由可溶性的碳酸盐岩体及其中非均匀分布、且具有不同等级 或层次的导水通道网络 裂隙
) —岩溶网络组成介质骨架结构; 通过导水通道传输的流体的补给与排泄, 进行碳—水—钙循 环, 和外部环境保持着物质、能量和信息交流; 同时实现着自身的发展与演化—— 岩溶化过程。
可溶性碳酸盐岩体中的初始裂隙水流系统从外部环境获得补给, 经系统内部导水通道运 移至排泄出系统的过程中, 由于系统内部裂隙介质在导水能力和网络连通程度等方面的空间 差异, 其水流经过了多次不均匀的分配, 形成局部较为集中的水流分布带。 这说明初始裂隙介 质和裂隙水渗流场就是具有一定层次结构的系统。它在通道、水流和围岩三者相互制约和协同 作用下自发产生介质岩溶化—— 裂隙网络通道的逐步溶蚀扩展。 从初始裂隙介质的导水能力 差异, 导致水流的分配不均匀, 进而产生通道溶蚀扩展速度上的差异, 便形成了一个介质岩溶 化的正反馈过程, 即不均匀介质?不均匀水流?差异性溶蚀?更不均匀介质?更不均匀水流 ?更大差异性溶蚀? 所以岩溶过程实质上是一个自组织过程, 即通过自身的演化, 把小的 不均匀和差异逐级放大为高层次的不均匀系统, 即不断把有限的水流逐步有组织地汇集于少
数通道, 使其优先发展为大型岩溶管道, 最后裂隙水流演变为岩溶管道流。也就是说, 岩溶演化
( ) α 作者简介: 沈继方 1935- , 女, 教授, 主要从事水文地质工程地质教学和研究。
收稿日期: 2000- 04- 30
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过程即将低层次的有序结构通过自组织机制发展为高层次的有序结构。 岩溶发育程度反映了 有序程度的高低。均匀结构的裂隙网络和均匀分布的裂隙水流是无序结构, 则难以演化成岩溶 发育程度很高的有序结构, 初始差异越明显, 即初始有序程度高, 自组织演化过程就越迅速, 岩 1, 2 溶化程度就越高。
岩溶动力系统在一定的自然环境下形成与演化, 又反作用于周围环境, 从而对该类地区的 自然风貌、生态、人类的生活与生存、当地的工农业发展都会带来重大影响。岩溶动力系统独特 的自组织演化过程和结果, 表现出独特的资源环境效应, 不同的演化过程和结果, 产生不同的 资源环境效应。 系统历史演化过程的重建、现今演化阶段的确定和未来发展趋势的预估, 是该 类地区经济与社会可持续发展, 进行宏观调控的基础和前提。
现今人类活动的强度和规模愈来愈大, 严重地改变着自然环境, 如在岩溶地区修建大型引 蓄水工程、大流量抽排岩溶水, 极大地改变了岩溶动力系统的补给和排泄, 也间接影响到内部 的相互作用和协调, 使系统演化过程加速或逆转, 产生新的环境效应, 因此视人为作用的干扰 程度可将岩溶动力系统划分为自然型和人工—自然复合型两大类。 本文以鄂西清江流域龙洞 岩溶动力系统为例, 剖析自然型的演化过程, 探讨建立人工—自然复合型良性发展的调控思 路。
[ 3 ]1 龙洞岩溶动力系统的形成条件及发育特
龙洞岩溶动力系统发育于恩施盆地东侧、北北东向褶皱带的柏杨坪—磨刀石向斜西翼的
() 三叠系嘉陵江组 地层中, 内部导水介质现今已发展成熟为岩溶管道流暗河系统, 其背景 T 2 j
条件及平面展布如图 1 所示。
该系统分布区地形受构造线和地层控制, 山脉走向呈 —东西两侧分别有龙洞 , N N E SSW
河和周家河流经, 为近南北向延伸的长条形河间地块, 一般海拔高程 500, 600, 总体东高西m 低, 相对高程约 110。龙洞河沿白垩—第三系“红层”与嘉陵江组接触带, 自流向 恩施 m N E SW 城东汇入清江, 水面高程 420, 是河间地块地下水的排泄基准; 周家河源于区外巴东组 () m T 2 b碎屑岩分布区, 流向与龙洞河近于平行, 构成区内地下水系统的补给边界; 北部的二太坪、枯树 林一线及南部猫儿槽, 为地表分水岭, 分别构成地下水系统的南北可变动流量边界。
嘉陵江组属单一均匀型的纯碳酸盐岩岩组, 总厚度近 800, 是清江流域岩溶最发育的地 m
层层位, 完全裸露展布在河间地块内。由于其东西两侧被相对隔水的巴东组碎屑岩和白垩—第 三系“红层”所限, 西侧切割“红层”与嘉陵江组接触带的龙洞河河谷处又是区内导水介质嘉陵
4 江组岩层出露的最低点, 从而规定了系统中地下水的运动, 只能遵循最小阻力原则, 顺优势
() 导水通道方向 或顺层和沿水力梯度最大方向往此处汇集, 进行集中排泄, 所以最终在嘉陵江 组内发育了成熟的龙洞洞穴系统。
龙洞洞穴系统是一呈树枝状展布, 由南、北、东三支主通道联系众多小型分支交汇于龙洞 的厅廊组合型。 南支延伸至七里坪通天洞, 并直达周家河西岸, 其东侧分支较多; 北支至核桃 坝; 东 支 受 边 界 限 制, 长 度 较 短。 整 个 洞 穴 系 统 几 乎 近 水 平 发 育, 平 面 上 主 要 沿 和? 10N E
方向延?伸, 受这两个方向的巨型裂隙控制。 洞穴横断面一般近似三角形, 由围岩中的垂 100SE
层和顺层两组裂隙控制, 沿近直立巨型裂隙发育的廊道断面有时表现为峡谷形。洞顶和洞壁发 育有各种水蚀形态, 洞口段和各天窗水平段洞壁见大量波痕和贝窝, 指示古水流方向与现洞内 水流方向一致。 旱洞洞顶常有密集的深大窝穴, 洞壁上还见到多层状水平边槽龙洞洞穴系统。
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图 1 龙洞岩溶洞穴系统的地质背景与平面展布特征
F ig. 1 Geo lo g ica l co nd it io n and p lane d ist r ibu t io n o f L o ngdo ng k a r st cave rn sy stem 洞底均可见到水流沉积物, 主要是粘土、亚粘土层及沿水流线呈带状分布的河床相砂砾石, 砾 石成分以碳酸盐岩为主, 部分为磨圆度较好的巴东组泥岩和砂岩, 最大粒径可达 30; 洞底崩 cm 塌堆积物也较普遍。 洞穴系统南支东侧支洞上、马家湾洼地暗河天窗段的上部旱洞中, 化学沉 积物较发育, 见有石钟乳、石笋、石柱、石幔、石瀑等各种形态。
该洞穴系统内赋存和运移的岩溶水, 已发展为稳定的管道流—— 完整的地下暗河水系, 其 2汇水面积约 30。高程 420的龙洞河水面虽是排泄基准, 但排泄口—— 龙洞受底部大冶组 km m
泥质灰岩的相对隔水作用所顶托, 高悬于河水面之上 35, 暗河水以瀑布形式下落。 洞穴系统 m
展布区之上的地表广布岩溶洼地、落水洞, 成为汇集表流或大气降水直接注入补给的通道; 周 家河水在上游流经嘉陵江组岩层的地段进行入渗补给, 下游于南支尾端接近暗河, 从而使地表 地下水有密切水力联系; 通天洞天窗水位在洪水期几乎与周家河水位同步涨落, 滞后时间很 短。
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2 龙洞岩溶动力系统的演化
(上述形成条件和发育特征说明该系统是具有良好补给条件 面上降水的直接入渗、外源水
) 补给和集中进行排泄的系统, 外界的输入强度足以激发系统的自组织机制, 使系统的层次结 构不断升级、放大。
根据对龙洞出口段及各塌陷天窗暴露洞段围岩裂隙的观测和统计, 本区岩层中除主要发
()育两组中型裂隙 顺层与垂层、组成初始非连续连通裂隙网络导水介质外, 同时还在其背景上
() 较普遍地叠加了两组陡倾角的巨型裂隙 走向近南北的纵张和走向近东西的横张; 后者分布
() 密度虽低于前者, 但规模 隙宽和延伸长度和导水能力却远胜于前者, 控制了主要的水流。 说 明该系统的初始裂隙介质具有较明显的二级层次结构, 这一层次结构是系统内岩溶分异演化 的基础。
龙洞岩溶动力系统是在现代排泄基准—— 清江支流龙洞河谷和内外补给水源的控制下, 两级裂隙介质传导的非均匀水流对围岩快速差异性溶蚀、不断升级演化的结果。根据洞穴空间 展布、洞体的三维组合结构和洞壁的水蚀与沉积形态进行分析, 认为它经历了两个发育期的三
个发育阶段。
2. 1 裂隙差异溶蚀扩展阶段 (即第一发育期的初阶段)
龙洞河谷在现龙洞和出口附近将覆于 之上的“红层”侵蚀, 使河间地块内的 岩层 T 2 j T 2 j 在此以最低标高出露, 成为较为集中的排泄段, 地表水面—— 排泄基准稳定在龙洞右上方的旱
洞洞口顶板高程之上。此时地表水系、地下水补排格局基本与现代相似, 只是地面相对高差、排
泄的集中程度、地表汇水面积及补给强度均较小。 地下迳流在向龙洞方向汇集排泄的过程中,通过不同层次裂隙组自身的竞争与协调, 进行分异溶蚀逐步加大介质扩容的差异, 提高水流分 布的不均匀程度, 形成明显优势的溶隙通道网。
()2. 2 集中管道流形成阶段 第一发育期的后阶段
差异溶蚀不断强化水流的集中程度, 优势溶隙部分扩容为管道, 充满管道的有压水流机械 侵蚀作用加强, 介质差异与水流集中程度进一步迅速提高, 直至发展成熟为完全的管道流——
地下暗河水系。
2. 3 垂向继承发育阶段 (即第二期)
地壳抬升, 河谷下切, 补排条件变化。 在现龙洞口处, 河流向东岸侧蚀, 将 下伏的相对 T 2 j
() 隔水底板大冶组 泥质条带灰岩揭露, 系统内岩溶水集中从此处隔水底板之上排泄, 形成T 1 d 高悬暗河出口与瀑布。 排泄基准下降, 岩溶作用向深部发展, 管道断面增高, 形成峡谷, 上部早 期管道退水, 成为旱洞, 部分围岩顶板塌陷, 洞口后退, 洞内形成高大洞厅, 地表沿主流管道出 现多处天窗, 并在地表水流汇集作用下, 扩展发育了迭置的多级洼地、槽谷, 从而使雨后的地表
片流汇集于管道分布线上, 通过天窗直接灌入补给, 增大了降水在区内补给的强度和排泄量的动态变化。 地面相对高差的增加, 扩大了汇水面积, 同时增强了外源水的补给强度。 垂向继承 发育的第二期, 由于补排条件的优势, 加速了岩溶化的进程, 也加大了岩溶化的强度。下层管道
的规模总是大于上层, 这是清江流域多层管道系统的基本特点。
3 龙洞岩溶动力系统演化结果的资源环境效应
龙洞岩溶动力系统已演化为高度有序的层次结构, 发展成熟为完全管道流, 地下暗河水系
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代替了地表水系, 从而决定了系统所在河间地块内的非常态自然面貌, 产生了特定的岩溶资源
环境效应, 主要表现为:
3. 1 不均匀分布的水资源
河间地块内地下岩溶水是水资源的主体, 仅在马家湾天窗塌陷带见到 100长的明流段, m 所以也可说, 地下暗河水流是区内唯一的水资源。 水量分布的不均匀性, 是岩溶地区的普遍现 象, 尤其是完全受暗河管道控制、集中排泄型的岩溶水系统分布区, 水资源的分布更不均匀, 水 量集中于少数暗河管道上, 其它广大地区则无水, 彼此间形成极大反差, 本区就属此类。同时由 于挽近期地壳抬升, 排泄基准下切, 暗河向深部发展, 地下水埋深普遍达数十至一百多米, 上部
形成石山缺水区, 严重影响当地居民的生活和农业生产。该区合理开发利用地下水的主要途径
() 是: 在暗河通道上地形低洼地方 槽谷、洼地中, 水位埋深不足 50处, 打井取水; 或直接从揭 m
露暗河的天窗和落水洞取水。 后一方式已为当地个别应用或正准备采用。 3. 2 易于开发的水能资源
本系统的岩溶水集中于龙洞口排泄, 其流量较大, 但受降雨控制, 动态不稳定, 一般为3 3 3 ( 3左右, 枯季最小仅 0. 4雨季可达 5, 6以上 由于无长观资料, 未捕捉到最大 ƒƒ, ƒm s m sm s
)值。此外由于相对隔水底板的控制, 泄水点位置高出当地排泄基准—— 龙洞河水面 35, 形成 m 了易于开发利用的水能资源。当地已在洞口附近以管渠分流引水, 修建了小型水电站。但由于 缺乏全面调查分析和长系列的动态资料, 电站装机容量和实际可利用的水能蕴藏量不协调。为 使资源得到充分合理的开发利用, 应在龙洞口进行流量动态观测; 也可通过对该岩溶动力系统 的深入调查研究, 掌握其控制面积、水流补给条件、介质结构特征及调蓄功能等, 以弥补动态资 料的不足。
3. 3 特殊的岩溶旅游资源
岩溶化结果产生的洞穴及其内的化学沉积物和各种水蚀形态, 地表造型各异的溶痕, 均是 可以开发的特殊岩溶旅游资源。 本区具有开发价值的首推两处: 一是龙洞出口地段, 该处距恩 施市市区仅 5. 5, 从其旱洞洞口外壁上的石刻文字可知, 古时就已成为观光游览地, 现应进 km
一步开发, 成为恩施市一个集游玩、休闲避暑为一体的风景区; 二是马家湾天窗岩溶塌陷及溶 蚀洼地地段, 既有地表明流和洼地边缘奇特的溶痕景观, 又有发育各种化学沉积物的大型洞 穴。此外位于七里坪镇以北的七里坪天窗处, 也发育有大型岩溶大厅, 连接着不同方向的水、旱
支洞。 上述三点可以组成一条完整的旅游线路, 即恩施?龙洞?马家湾洼地?七里坪?恩施。只要科学地开发和管理, 不仅保护、美化了环境, 而且还能创造可观的经济效益, 并有助于提高 恩施对外界的吸引力。
结语4
典型岩溶动力系统的特点是: 通过自组织机制的演化过程, 逐步增大介质结构和水流分布 的差异, 达到强烈的非均质性, 即介质的高度岩溶化或系统的高层次有序性。 岩溶化程度的高 低, 反映了系统有序程度的大小。 已高度岩溶化的岩溶动力系统与环境的交流迅速, 对输入变
化的反映特别灵敏。 因此这类地区环境脆弱, 人类活动不当, 极易破坏原来岩溶动力系统的结构、功能, 以致影响区内整体条件、生态平衡。 为此, 必须对区内整个岩溶动力系统及其资源环 境效应进行综合调查研究, 以保护资源和环境为目标, 对资源开发进行统一规划, 建立人工—
5 自然复合型岩溶动力系统良性发展的综合调控模式。
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