马山岩溶地下河流域水文过程分析
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发布时间：2022-04-21 18:53
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时间：2023-10-24 04:54
7.3.1 岩溶地下河流域水文过程总体分析
根据梁虹等[3]的研究，岩溶地下河流域是以碳酸盐岩为主的可溶岩区，在水的溶蚀和侵蚀作用下形成地表和地下两个水系，其结构和水文功能均具有特殊性。岩溶地下河流域内地表、地下两个水系往往具有不闭合周界和不同的边界条件，造成流域周界非闭合的主要原因是岩溶发育的极不均匀性和水文地貌的综合作用所导致。
根据地表植被覆盖情况可以将岩溶地下河流域划分为三种类型：裸露型、半覆盖型和覆盖型岩溶地下河流域，各类型的岩溶地下河流域在水文过程上存在一定的差别（图7.10）。其差别主要体现在：裸露型岩溶地下河流域存在表层岩溶带，具有调蓄水量的作用，形成独特的表层带径流，由于缺乏植被，缺失植被的截留过程；覆盖型岩溶地下河流域有土壤层覆盖，形成壤中流，有较好的植被覆盖条件，植被的截留作用非常明显；在半覆盖型岩溶地下河流域，既存在一定的表层带径流，局部也存在壤中流，有少量植被覆盖，有一定的植被截留过程。
7.3.2 马山岩溶地下河流域研究分区
马山岩溶地下河流域为裸露型与半覆盖型混合分布的岩溶地下河流域，裸露型与半覆盖型岩溶地下河流域在水文过程上存在一定的差异，有必要对马山岩溶地下河流域进行研究分区，对各个分区的水文过程分别进行分析。根据不同植被覆盖情况以及与马山岩溶地下河管道的连通性，将马山岩溶地下河流域划分为峰丛洼地区和峰丛谷地区。
岩溶地区地下水与环境的特殊性研究
以马山岩溶地下河流域1：50000地形图为基础，应用GIS软件对流域的地形进行数字化分析，生成流域数字高程模型（图7.11）。该模型直观地反映出马山岩溶地下河流域地形地貌整体情况是东部（岩溶地下河发育上游地区）地形起伏大；整体趋势自东向西起伏变化逐步减小，自东向西，由南到北高程逐渐降低。以马山岩溶地下河流域数字高程模型为基础，进行峰丛洼地区、峰丛谷地区划分（图7.12）。
图7.11 马山岩溶地下河流域数字高程模型示意图
马山岩溶地下河流域的上游补给区及支流以峰丛洼地为主，为裸露型岩溶区类型；马山岩溶地下河流域的中、下游区以峰丛谷地为主，在谷地中，有厚度在0～5m之间的土壤层分布，厚度不一且土壤与部分裸露岩石夹杂分布在谷地之中。
图7.12 马山岩溶地下河流域峰丛洼地、峰丛谷地分区
7.3.2.1 峰丛洼地
峰丛洼地的主要特点是三个以上的陡峭山峰在一个共同的山体基座上构成峰丛，峰丛间有成群的封闭小洼地分布。峰丛洼地一般位于地势较高或分水岭地段，为马山岩溶地下河系的补给区。降雨降至地表后很快为岩溶裂隙、漏斗、落水洞等所吸收，转化为岩溶地下水，分布极为不均。
洼地，也称岩溶洼地，是指在地表碳酸盐岩岩体内，由岩溶作用形成的周边为岩溶石山体，底部较平坦，面积较大，多有土层覆盖和利于耕种的封闭负地形。岩溶洼地具有极强的汇水功能，是岩溶石山区地貌构成中的主要单元，洼地之间有峰丛正地形发育，而底部往往也通过落水洞和竖井与岩溶地下河或潜水面相通。
马山岩溶地下河流域，特别是在峰丛洼地区，地表岩溶形态十分丰富，正、负地形交错分布。岩溶地下河流域中的正地形和负地形可以用以表征地表岩溶形态——正地形包括岩溶锥状石峰、塔状石峰等，石峰表层水体的运动表现为一种放射扩散流；负地形包括洼地、盆地等，表层水体的运动则为一种辐合汇集流。因而，峰丛洼地具有典型的面状水文结构。
马山岩溶地下河流域内洼地分布相当广泛（图7.13）。从高程上看，流域内的有高位洼地、中低位洼地分布，在马山岩溶地下河系上游区的洼地主要以高位洼地为主，中下游区的洼地以中、低位洼地为主（图7.14）。
7.3.2.2 峰丛谷地
峰丛谷地中有比较开阔的谷地分布，一般位于岩溶地下河系的中上游地段，其间岩溶地下水的补给以降水为主，同时接收来自上游补给区的径流量。峰丛谷地一般沿岩溶地下河管道或主要构造线分布，谷地内往往有天窗、溶井等直接与岩溶地下河管道相连，在降雨后通常会有地表明流与地下潜流交替出现。
图7.13 马山岩溶地下河流域洼地分布示意图
图7.14 马山岩溶地下河流域地形地貌简图
谷地，也称岩溶谷地或槽谷，是指在岩溶地下河流域内分布的开阔的呈狭长状或带状等不规则的大片平地，与岩溶洼地不同的是岩溶谷地通常不具有封闭性。谷地地下往往有岩溶地下河系或岩溶管道分布，在雨季往往形成地表明流和地下潜流相互交替的特殊现象。
由于谷地分布往往受线状地貌结构和线状地质构造所影响，马山岩溶地下河流域谷地分布沿构造线、地下河管道等呈线状分布，沿线汇集水流，为典型的线状水文结构（图7.15）。
图7.15 马山岩溶地下河流域谷地分布示意图
7.3.3 马山岩溶地下河流域水文过程分析
马山岩溶地下河流域为裸露型与半覆盖型混合分布的岩溶地下河流域，对马山岩溶地下河流域的水文过程进行分析时，需要对峰丛洼地、峰丛谷地的水文过程作出详细对比分析，从而达到对马山岩溶地下河流域水文过程的全面认识。
7.3.3.1 降雨的截留、填洼
降雨过程中，植物枝叶因表面吸着力、承托力和水分重力、表面张力等作用下将降雨储存于植物枝叶表面；降雨停止后，截留水量最终耗于蒸发。影响植物截留的因素主要是植被本身的特性和气象、气候等因素。马山岩溶地下河流域峰丛洼地区主要为裸露型岩溶流域，植被覆盖条件较差，降雨的截留量很小，截留过程可以忽略；而峰丛谷地区为半覆盖型岩溶流域，谷地内有一定植被分布，因而截留过程需要考虑。
在降雨过程中，当降雨强度大于地面下渗能力时，超渗雨即开始填充洼地，当每一洼地达到其最大容量后，后续降雨就会产生洼地出流；降雨停止后，填洼量最终耗于下渗和蒸散发。影响流域填洼量的主要因素有降雨强度、流域最大填洼量、下渗和蒸散发等。
在马山岩溶地下河流域，峰丛洼地区地表形态十分丰富，正、负地形交错分布，洼地数量众多，且洼地底部有落水洞、漏斗等与岩溶管道相连，使降雨迅速汇入，故填洼量较大（图7.16）；在降雨强度很大时，岩溶管道不能及时排泄水量，致使一部分水量又通过落水洞、漏斗在洼地处易积聚成涝。而在峰丛谷地区因谷地地形较为平缓，填洼量相对较峰丛洼地区少。
图7.16 马山岩溶地下河流域峰丛洼地结构示意图
7.3.3.2 降雨的入渗补给
在岩溶地下河流域，降雨一般以三种方式补给岩溶地下河系。第一种方式是点状集中补给，通过广泛分布在洼地和谷地中的漏斗、落水洞、溶井、溶斗、地下河天窗等地表岩溶形态，以集中注入式和流入式补给。特别是在裸露型岩溶地下河流域，地表土层浅薄，基岩大都裸露，落水洞发育，使得降水多集中通过落水洞等以“灌入”方式补给岩溶地下水，该种补给方式的汇流时间短，入渗系数大，也称作“快速补给”。第二种方式是面状补给，通过地表大量岩溶裂隙，以面状入渗式补给。降雨沿基岩裂隙以“缓慢入渗”的方式补给岩溶地下水，也称作“慢速补给”。第三种方式是线状补给，沿地表岩溶谷地、串珠状的竖井、天窗、洼地等岩溶形态组合，呈线状补给岩溶地下水。
马山岩溶地下河流域的峰丛洼地区与峰丛谷地区在降雨的入渗补给上存在较大的差异。马山岩溶地下河流域峰丛洼地区以裸露型碳酸盐岩为主，其补给以极不均匀的线状渗透和管道水的集中点状补给为主；马山岩溶地下河流域峰丛谷地区谷地内有一定的土壤层分布，土壤孔隙相对均匀，以面状渗透补给为主，谷地内也有落水洞、天窗、竖井等与地下河管道直接相连，因而也存在局部点状和线状补给。
此外，在马山岩溶地下河流域峰丛洼地区还存在着一种特殊岩溶结构——表层岩溶带，它对岩溶地下水的形成、运移有重要的影响，是马山岩溶地下河流域水循环中的一个重要调蓄带[8]。它的调蓄作用表现在两个方面：一是水量上的调蓄，增加入渗补给量；二是岩溶水流过程的调蓄，即通过复杂的表层岩溶系统延缓降雨后雨水在岩溶水系统停留的时间。表层岩溶带的存在使得峰丛洼地区与峰丛谷地区的水文过程存在一定的差异，也使得岩溶地下河流域与非岩溶流域的水文过程存在很大的差异。
7.3.3.3 产、汇流
马山岩溶地下河流域以峰丛洼地和峰丛谷地为主，这两种类型在产汇流机制以及产汇流成分上存在一定的差别，通过对这两种类型的产汇流过程的分别研究，从而达到对马山岩溶地下河流域的整体产汇流情况的全面认识。
（1）峰丛洼地的产汇流
马山岩溶地下河流域峰丛洼地为裸露型岩溶区，峰丛顶部、岩溶台面、洼地周边斜坡及沟谷两岸斜坡上部、山体斜坡地带凸起等部位，常为表层岩溶带局部微型地下水域的补给区，水力坡度大，其碳酸盐岩表面风化裂隙相对发育，水动力条件优越，刚入渗地下的雨水便形成具有较高的侵蚀和溶蚀能力的地下径流；而在山地坡脚、洼地周边斜坡下部及洼地底部、沟谷的底部等部位，常为表层岩溶带地下水的排泄区。
峰丛洼地中坡地垂直剖面自上至下有裂隙带（包括表层岩溶带）、渗透带及管流带三个水文作用带。降水过程中，各水文作用带对雨水起着不同的分配和调蓄作用。超渗雨水在坡面上形成坡面流，坡面下渗水量在裂隙带内侧向运动，形成裂隙流，属快速裂隙流；裂隙带下渗水向管流带下渗，形成渗漏带，属慢速裂隙流（图7.17）。这三种水流分别以集中灌入和分散渗漏补给落水洞和地下河。峰丛洼地区的产汇流成分包括超渗地面径流、表层岩溶带裂隙流、裂隙管道流成分。峰丛洼地具有一定的蓄水作用功能主要表现在表层岩溶带、岩溶洞穴和落水洞等含水介质空隙空间。
马山岩溶地下河流域峰丛洼地由于距地下河主管道较远，进入地下河管道的时间较长；裂隙带分布较为广泛，蓄水量巨大，形成的慢速流能持续补给管道流，形成的裂隙流在没有渗透补给的情况下也能持续很久，不易断流。
（2）峰丛谷地的产汇流
在有土层覆盖或半覆盖的条件下，在山垭口、坡间低洼地带、坡脚、洼地及沟谷底部等地形相对平缓、地势相对较低的部位，由于降水的汇集和入渗条件较好，常形成较为集中、持续时间相对较长的壤中流；而在山体顶部、山脊及山体斜坡地带凸起部位等地形较为陡峻的地带，雨水入渗条件差，多形成坡面流从地面流失。
峰丛谷地内具有土壤层覆盖，垂直剖面自上而下有土壤带、裂隙带、渗流带和管流带四个水文作用带，对雨水起着分配和调蓄作用。除有坡面流和裂隙流外，因有土壤带控制下渗，并在土壤带内形成壤中流，与裂隙流合成快速裂隙流；渗漏带向岩溶地下河系主管道进行渗透，渗透流形成慢速裂隙流（图7.18）。这四种水流分别以集中灌入和分散渗透补给落水洞和地下河[9]。峰丛谷地区的产汇流成分主要包括地面径流、壤中流、裂隙流、管道流。
峰丛谷地的土壤带主要具有蓄水功能和向裂隙带渗透的导水功能，裂隙带以蓄水功能为主，渗透带及管流带则主要以导水功能为主。马山岩溶地下河流域峰丛谷地内土壤带形成的壤中流能够快速地进入岩溶管道，且峰丛谷地与岩溶地下河管道直接相连，峰丛谷地内的渗流带的水量直接向岩溶地下河管道进行渗透，因而峰丛谷地区降雨能较快转化成管道流；峰丛谷地裂隙带分布较少，其蓄水能力相当有限，裂隙流的持续性较差，在没有持续渗透补给下，裂隙流容易消失。
马山岩溶地下河流域峰丛洼地由于距地下河主管道较远，进入地下河管道的时间较长，裂隙带分布较为广泛，蓄水量巨大，形成的慢速流能持续补给管道流，形成的裂隙流就算没有渗透补给的情况下也能持续很久，不易断流，但是由于水量释放非常缓慢，损耗较大，可以推测峰丛洼地区降雨转化为岩溶地下河水量的程度较低，降雨入渗系数相对较小。马山岩溶地下河流域峰丛谷地内土壤带形成的壤中流能够快速地进入岩溶管道，且峰丛谷地与岩溶地下河管道直接相连，峰丛谷地内的渗流带的水量直接向岩溶地下河管道进行渗透，峰丛谷地区降雨能较快转化成管道流；峰丛谷地裂隙带分布较少，其蓄水能力相当有限，区内裂隙流的持续性较差，在没有持续渗透补给下，裂隙流容易消失；峰丛谷地裂隙带蓄水量很少，降雨能迅速地转化为岩溶地下河管道流，蒸发等损耗较少，转化岩溶地下河水量较大，可以推测峰丛谷地降雨转化为岩溶地下河系水量的程度较高，降雨入渗系数相对较大。
7.3.3.4 峰丛洼地、峰丛谷地水文过程对比
综上所述，马山岩溶地下河流域的水文过程特征为：峰丛洼地区有裂隙带（包括表层岩溶带）、渗流带及管流带三个水文作用带，以点状集中补给为主，少量沿裂隙分布的线状补给；峰丛谷地区有土壤带、裂隙带、渗流带及管流带四个水文作用带，以面状渗透补给为主，点状和线状补给为辅。对于马山岩溶地下河流域内的峰丛洼地、峰丛谷地在水文过程上的差别进行对比（图7.17，图7.18）。
图7.17 峰丛洼地径流形成过程简图
图7.18 峰丛谷地径流形成过程简图
7.3.4 岩溶地下河流域与非岩溶流域的对比分析
7.3.4.1 地表、地下水文结构对比
岩溶地下河流域是在地下发育有以岩溶管道、岩溶洞穴等为主的岩溶空隙空间介质体和以岩溶管道为主的主要导储水空间，并有许多落水洞、天窗与暗河水流相联系的一种特殊岩溶流域。岩溶地下河流域不仅具有岩溶裂隙、落水洞、竖井、漏斗、溶蚀洼地、岩溶天窗等地表岩溶形态，而且还有具有溶洞、地下河、岩溶通道等地下岩溶形态（表7.8），决定了岩溶地下河流域具有地表、地下双重水文结构的重要特征；由于各种通畅的溶隙、落水洞以及各种岩溶管道的存在使得岩溶地下河流域的地表水流与地下水流交换迅速而频繁，岩溶地下河流域还具有相互耦合的地表与地下水文过程的特征。在非岩溶流域除了细小的土壤空隙、岩石裂隙外，不存在大的地下空间，并且地表水文网完整，与岩溶地下河流域的双层水文结构有很大的差别（图7.19）。
表7.8 岩溶区与非岩溶地表、地下水文结构类型比较
图7.19 岩溶地下河流域水文地质双层结构与非岩溶地表水流域的对比[10]
与非岩溶流域相比，岩溶地下河流域除了受地质构造、岩性、气候等作用影响外，同时还受岩溶水文过程的作用，因此岩溶地下河流域地貌形态除了有构造地貌、岩石地貌形态和气候地貌形态外，还存在水文地貌形态。岩溶地下河流域水文地貌形态与非岩溶流域的常态流水地貌形态既有相同的一面，如流水的侵蚀作用，也有不尽相同的一面，如水的溶蚀作用。岩溶地下河流域水文地貌形态不仅表现在地表地貌形态结构上，还表现在地下地貌形态结构。在岩溶地下河流域水文地貌形态中，特殊的水文过程作用有时表现为流水侵蚀作用为主的水文地貌结构功能特征，有时又表现为流水溶蚀作用为主的水文地貌结构功能特征（图7.20）。
图7.20 岩溶水文地貌形态（流水溶蚀、侵蚀作用）示意图
7.3.4.2 水文过程对比
岩溶地下河流域与非岩溶流域在流域产流特征上存在一定的差异，其根本原因在于岩溶流域有其自身特殊的岩溶地貌形态结构和含水介质结构。一方面，在非岩溶流域中，地貌形态结构相对比较单一，大多以流水侵蚀地貌为主，不管地表起伏大小如何，地表都常常有一土壤层覆盖，壤中流是非岩溶流域必有的一种径流成分；而岩溶流域由于水的溶蚀和侵蚀特征，地貌形态结构相对多样化，再加上碳酸盐岩和侵蚀特征，地貌形态结构决定土壤层在流域空间上的分布，一般在地表坡度比较大的塔峰和缓丘上是裸露的基岩，仅在洼地盆地、谷地地带才有一定厚度的土壤覆盖层，壤中流的径流成分在岩溶流域有一定厚度的土壤层分布的地区才有出现。另一方面，在非岩溶流域，地表以下的水通常是在相对均一的空隙介质中贮存或运动，地下水运动多呈慢速流形式；而在岩溶流域，由于碳酸盐岩的可溶性，使得基岩次生岩溶裂隙特别发育，广泛存在细小溶隙以及较大的溶隙管道（细小溶隙主要具有蓄水和滞水功能，较大的溶隙管道主要具有导水作用），其分布数量众多，且空隙空间也较大（表7.9）。
表7.9 岩溶地下河流域水文过程与非岩溶流域水文过程的对比分析
7.3.4.3 径流形成过程对比
由于岩溶地下河流域具有特殊的地表、地下双层水文结构及特殊的岩溶水文地质条件，岩溶地下河流域与非岩溶流域的径流形成过程有很大的不同（图7.21，图7.22）。
图7.21 岩溶地下河流域径流形成简图
图7.22 非岩溶流域径流形成简图
