基于脈沖響應(yīng)法的巖溶管道水網(wǎng)水質(zhì)評(píng)價(jià)

基于脈沖響應(yīng)法的巖溶管道水網(wǎng)水質(zhì)評(píng)價(jià)

貴州省普定縣后寨地下河流域是一個(gè)典型的復(fù)雜溶解小流域，水文流量過程極其復(fù)雜。除地貌形態(tài)多樣性及地形陡緩差異性造成一定影響之外,其根本原因是巖溶含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變?cè)斐傻?。每年除洪水季?jié)中的暴雨引起地下水位上升而使地表短暫積水外,絕大部分的降水到達(dá)地面后均迅速轉(zhuǎn)入地下補(bǔ)給巖溶水。后寨地下河流域巖溶極為發(fā)育,上游段無(wú)明顯的地表河河谷,中、下游雖有河谷,但只形成短暫的季節(jié)性徑流,河床沿途漏陷坑呈串珠狀排列,徑流時(shí)明時(shí)暗。流域的水文徑流過程明顯地受巖溶地下空間(溶隙、溶管)及展布特征的控制。1流域地質(zhì)概況后寨地下河流域位于黔中高原的普定南部,海拔高程一般在1220~1400m之間,最高為1585m,最低為1218m,相對(duì)高差一般在250~300m之間,最高達(dá)363m。多年平均氣溫15.1℃,多年平均降雨量1343.6mm,降雨集中在5~10月。流域東北部為峰叢洼地、峰叢谷地,是該流域的上游段,中下游為峰林盆地區(qū)。流域處在普定向斜西南端,地層為中三疊統(tǒng)關(guān)嶺組第二段(T2g2)和第三段(T2g3)。第二段可分為三層:第一層(T2g2-1)為中厚層灰?guī)r、泥灰?guī)r;第二層(T2g2-2)為泥質(zhì)白云巖、頁(yè)巖、泥灰?guī)r;第三層(T2g2-3)為中厚層灰?guī)r、泥灰?guī)r,夾少量頁(yè)巖。其中T2g2-3的泥灰?guī)r、頁(yè)巖在流域的中部形成相對(duì)隔水層,并把該流域相對(duì)分隔成東西兩個(gè)巖溶水文地質(zhì)單元(圖1)。2通過設(shè)置數(shù)值試驗(yàn)及結(jié)果分析,可以解決兩種試驗(yàn)結(jié)果的比較巖溶含水介質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的研究是80年代后期才引起巖溶科技工作者的重視,但至今尚沒有較為準(zhǔn)確可行的研究方法。為此有的科技人員曾試圖應(yīng)用流域出口段水質(zhì)長(zhǎng)觀資料推算溶蝕、沖刷而帶走流域內(nèi)含水介質(zhì)的體積來(lái)判斷流域內(nèi)巖溶空洞率。但這種方法在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)由水流帶走的介質(zhì)體積雖然可以求算出來(lái),但對(duì)于被水流帶走的含水介質(zhì)的地表、地下部分的劃分,以及歷史遺留部分的確定均無(wú)法完成。出于開發(fā)巖溶地下水資源的需要,有時(shí)在一些小范圍內(nèi)通過較大的投入也能獲得較為接近實(shí)際的結(jié)果。例如后寨地下河流域的上游母豬洞地下水庫(kù),貴州省“六五”、“七五”巖溶課題攻關(guān)期間曾采用脈沖試驗(yàn)法,較為準(zhǔn)確地計(jì)算出母豬洞地下水庫(kù)的儲(chǔ)水空洞體積和地下水庫(kù)容量,并得出了海拔高程在1326~1346m之間的孔隙率為0.01~0.05。日本宮古島上的地下水庫(kù),利用工程鉆孔、網(wǎng)狀布點(diǎn)提取巖心測(cè)出不同高程的空洞率,求出蓄水區(qū)域空洞率為0.032;而該庫(kù)蓄水后進(jìn)行抽空水試驗(yàn),得到的空洞率為0.024?？梢娫撛囼?yàn)與母豬洞地下水庫(kù)的試驗(yàn)結(jié)果是相當(dāng)接近的。在大多數(shù)情況下,可采用較為簡(jiǎn)易的各種衰減方程,即利用退水段曲線來(lái)計(jì)算巖溶地下河流域內(nèi)含水介質(zhì)在地下洪水位線以下至地下河出口高程之間的空洞率和空洞的絕對(duì)數(shù)值。但利用該方法很難測(cè)定這一高程段以外的含水介質(zhì)的空洞率。3流域內(nèi)地下水的人工脈沖水實(shí)驗(yàn)成果后寨河流域含水介質(zhì)由規(guī)模不大,但較發(fā)育的溶管和溶隙組成,它們?cè)诓煌牡孛矘?gòu)造和不同的高程中組合關(guān)系復(fù)雜多變,這正是該流域巖溶發(fā)育空間差異的體現(xiàn)。筆者在對(duì)該流域進(jìn)行含水介質(zhì)空間結(jié)構(gòu)分析時(shí),選擇了六谷、老黑潭等水文站資料進(jìn)行分析。根據(jù)1989年、1990年流量實(shí)測(cè)的資料,應(yīng)用衰減方程計(jì)算了含水介質(zhì)空間的比例(表1),得出六谷站泉區(qū)的溶管容積約占儲(chǔ)水空間的7.47%~9.40%,而溶隙容積約占92.53%;老黑潭站泉區(qū)的溶管約占儲(chǔ)水空間的7.49%~11.6%,溶隙的容積約占88.4%~92.5%。為了測(cè)算流域內(nèi)母豬洞地下水庫(kù)的儲(chǔ)水空間體積和地下水庫(kù)的庫(kù)容量,以及流域地下河儲(chǔ)水空間,貴州普定巖溶研究綜合試驗(yàn)站于1989年10月23日上午6時(shí)至25日上午6時(shí)利用母豬洞地下水庫(kù)的儲(chǔ)水作為人工脈沖放水試驗(yàn)的源頭,并在其下游各觀測(cè)點(diǎn)每小時(shí)進(jìn)行一次觀測(cè)的連續(xù)監(jiān)測(cè),主要的試驗(yàn)成果如表2及圖2~4所示。從圖及表可看出:(1)流域內(nèi)含水介質(zhì)主要以巖溶裂隙、孔隙為主,其所占的比例可達(dá)83.1%~96.9%,而巖溶管道含水介質(zhì)只有3.10%~16.81%。(2)流域中上游區(qū)巖溶管道含水介質(zhì)小于中下游區(qū),如老黑潭觀測(cè)站測(cè)得的巖溶管道含水介質(zhì)的比率為3.10%,而位于中上游的六谷觀測(cè)站測(cè)得的巖溶管道含水介質(zhì)的比率則高達(dá)16.81%。(3)流域內(nèi)含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)主要有三種類型:①溶隙-管道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是水位上升快而衰減緩慢,脈沖試驗(yàn)過程中水位變幅小(即使在汛期也很少超過1m),但其峰值持續(xù)時(shí)間卻較長(zhǎng),在衰減過程中水位過程線常出現(xiàn)“平臺(tái)”(見圖2),反映含水巖體具有一定的儲(chǔ)水調(diào)蓄能力。流域中上游區(qū)多屬這種含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)類型。②較單一的溶管結(jié)構(gòu)。該含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是水位上升快而衰減亦快,且變幅較大,峰值持續(xù)時(shí)間短,反映了其間的地下水徑流較為通暢。③溶隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是水位上升快,但衰減時(shí)段較長(zhǎng),顯示出含水巖體的蓄水排泄不暢,地下水徑流緩慢。流域的中下游多屬此含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)類型。4地表徑流進(jìn)入西部單元下游如前面所述,后寨河流域中游段屬峰林洼地、峰林盆地,其間分布的頁(yè)巖、泥灰?guī)r條帶,把流域分為東西兩個(gè)水文地質(zhì)單元(見圖1),使地下水運(yùn)移過程中在中游地段受阻隔而不能順暢通過,地下水只能部分地在個(gè)別被斷裂切穿的部位(如六谷-二官-馮家)通過,其余的則只能冒出地表并通過地貌上的缺口通道,如地表河道,進(jìn)入西部單元(主要是下游段)。這就是說盡管流域的上游及下游段巖溶地下空間均很發(fā)育的,但由于中間分布一道相對(duì)隔水層(T2g2-3)把流域分為東西兩個(gè)單元(尤如兩個(gè)地下水庫(kù)),東部水文地質(zhì)單元(上游段)的地下水,流入西部單元(下游段),是不順暢的。當(dāng)降雨進(jìn)入地下后,水流大致由東向西經(jīng)過兩個(gè)串聯(lián)的地下水庫(kù),最后由下游的冒水坑溢出地表流出區(qū)外。這種地下含水介質(zhì)空間系統(tǒng)對(duì)地下徑流均起到較大的調(diào)蓄作用,因而各暴雨事件在上、中、下游各觀測(cè)點(diǎn)的水文過程經(jīng)各種水流特性疊加后,表現(xiàn)出既有地表河流的特性,又有經(jīng)過較強(qiáng)地下河調(diào)蓄后的特性。5水文單元及水位動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)(1)后寨河流域巖溶極為發(fā)育,河床多有陷落坑分布,地表地下河水力聯(lián)系密切。(2)T2g2-3將流域分隔成東西兩個(gè)水文地質(zhì)單元區(qū),并造成流域地下水徑流受阻,使得上游(東水文地質(zhì)單元)地下水只能部分通過六谷-二官-馮家斷裂、部分通過冒出地表利用地貌缺口進(jìn)入下游區(qū)(西水文地質(zhì)單元)。(3)流域含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)主要有溶隙-管道網(wǎng)絡(luò)、較單一溶管、溶隙網(wǎng)絡(luò)三種。溶隙-管道網(wǎng)絡(luò)主要發(fā)育于流域中上游;而溶隙網(wǎng)