(它由可溶性的碳酸鹽巖體及其中非均勻分布、且具有不同等級 或層次的導水通道網絡 裂隙

) —巖溶網絡組成介質骨架結構; 通過導水通道傳輸的流體的補給與排泄, 進行碳—水—鈣循 環(huán), 和外部環(huán)境保持著物質、能量和信息交流; 同時實現著自身的發(fā)展與演化—— 巖溶化過程。

可溶性碳酸鹽巖體中的初始裂隙水流系統(tǒng)從外部環(huán)境獲得補給, 經系統(tǒng)內部導水通道運 移至排泄出系統(tǒng)的過程中, 由于系統(tǒng)內部裂隙介質在導水能力和網絡連通程度等方面的空間 差異, 其水流經過了多次不均勻的分配, 形成局部較為集中的水流分布帶。 這說明初始裂隙介 質和裂隙水滲流場就是具有一定層次結構的系統(tǒng)。它在通道、水流和圍巖三者相互制約和協(xié)同 作用下自發(fā)產生介質巖溶化—— 裂隙網絡通道的逐步溶蝕擴展。 從初始裂隙介質的導水能力 差異, 導致水流的分配不均勻, 進而產生通道溶蝕擴展速度上的差異, 便形成了一個介質巖溶 化的正反饋過程, 即不均勻介質?不均勻水流?差異性溶蝕?更不均勻介質?更不均勻水流 ?更大差異性溶蝕? 所以巖溶過程實質上是一個自組織過程, 即通過自身的演化, 把小的 不均勻和差異逐級放大為高層次的不均勻系統(tǒng), 即不斷把有限的水流逐步有組織地匯集于少

數通道, 使其優(yōu)先發(fā)展為大型巖溶管道, 最后裂隙水流演變?yōu)閹r溶管道流。也就是說, 巖溶演化

( ) α 作者簡介: 沈繼方 1935- , 女, 教授, 主要從事水文地質工程地質教學和研究。

收稿日期: 2000- 04- 30

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過程即將低層次的有序結構通過自組織機制發(fā)展為高層次的有序結構。 巖溶發(fā)育程度反映了 有序程度的高低。均勻結構的裂隙網絡和均勻分布的裂隙水流是無序結構, 則難以演化成巖溶 發(fā)育程度很高的有序結構, 初始差異越明顯, 即初始有序程度高, 自組織演化過程就越迅速, 巖 1, 2 溶化程度就越高。

巖溶動力系統(tǒng)在一定的自然環(huán)境下形成與演化, 又反作用于周圍環(huán)境, 從而對該類地區(qū)的 自然風貌、生態(tài)、人類的生活與生存、當地的工農業(yè)發(fā)展都會帶來重大影響。巖溶動力系統(tǒng)獨特 的自組織演化過程和結果, 表現出獨特的資源環(huán)境效應, 不同的演化過程和結果, 產生不同的 資源環(huán)境效應。 系統(tǒng)歷史演化過程的重建、現今演化階段的確定和未來發(fā)展趨勢的預估, 是該 類地區(qū)經濟與社會可持續(xù)發(fā)展, 進行宏觀調控的基礎和前提。

現今人類活動的強度和規(guī)模愈來愈大, 嚴重地改變著自然環(huán)境, 如在巖溶地區(qū)修建大型引 蓄水工程、大流量抽排巖溶水, 極大地改變了巖溶動力系統(tǒng)的補給和排泄, 也間接影響到內部 的相互作用和協(xié)調, 使系統(tǒng)演化過程加速或逆轉, 產生新的環(huán)境效應, 因此視人為作用的干擾 程度可將巖溶動力系統(tǒng)劃分為自然型和人工—自然復合型兩大類。 本文以鄂西清江流域龍洞 巖溶動力系統(tǒng)為例, 剖析自然型的演化過程, 探討建立人工—自然復合型良性發(fā)展的調控思 路。

[ 3 ]1 龍洞巖溶動力系統(tǒng)的形成條件及發(fā)育特

龍洞巖溶動力系統(tǒng)發(fā)育于恩施盆地東側、北北東向褶皺帶的柏楊坪—磨刀石向斜西翼的

() 三疊系嘉陵江組 地層中, 內部導水介質現今已發(fā)展成熟為巖溶管道流暗河系統(tǒng), 其背景 T 2 j

條件及平面展布如圖 1 所示。

該系統(tǒng)分布區(qū)地形受構造線和地層控制, 山脈走向呈 —東西兩側分別有龍洞 , N N E SSW

河和周家河流經, 為近南北向延伸的長條形河間地塊, 一般海拔高程 500, 600, 總體東高西m 低, 相對高程約 110。龍洞河沿白堊—第三系“紅層”與嘉陵江組接觸帶, 自流向 恩施 m N E SW 城東匯入清江, 水面高程 420, 是河間地塊地下水的排泄基準; 周家河源于區(qū)外巴東組 () m T 2 b碎屑巖分布區(qū), 流向與龍洞河近于平行, 構成區(qū)內地下水系統(tǒng)的補給邊界; 北部的二太坪、枯樹 林一線及南部貓兒槽, 為地表分水嶺, 分別構成地下水系統(tǒng)的南北可變動流量邊界。

嘉陵江組屬單一均勻型的純碳酸鹽巖巖組, 總厚度近 800, 是清江流域巖溶最發(fā)育的地 m

層層位, 完全裸露展布在河間地塊內。由于其東西兩側被相對隔水的巴東組碎屑巖和白堊—第 三系“紅層”所限, 西側切割“紅層”與嘉陵江組接觸帶的龍洞河河谷處又是區(qū)內導水介質嘉陵

4 江組巖層出露的最低點, 從而規(guī)定了系統(tǒng)中地下水的運動, 只能遵循最小阻力原則, 順優(yōu)勢

() 導水通道方向 或順層和沿水力梯度最大方向往此處匯集, 進行集中排泄, 所以最終在嘉陵江 組內發(fā)育了成熟的龍洞洞穴系統(tǒng)。

龍洞洞穴系統(tǒng)是一呈樹枝狀展布, 由南、北、東三支主通道聯(lián)系眾多小型分支交匯于龍洞 的廳廊組合型。 南支延伸至七里坪通天洞, 并直達周家河西岸, 其東側分支較多; 北支至核桃 壩; 東 支 受 邊 界 限 制, 長 度 較 短。 整 個 洞 穴 系 統(tǒng) 幾 乎 近 水 平 發(fā) 育, 平 面 上 主 要 沿 和? 10N E

方向延?伸, 受這兩個方向的巨型裂隙控制。 洞穴橫斷面一般近似三角形, 由圍巖中的垂 100SE

層和順層兩組裂隙控制, 沿近直立巨型裂隙發(fā)育的廊道斷面有時表現為峽谷形。洞頂和洞壁發(fā) 育有各種水蝕形態(tài), 洞口段和各天窗水平段洞壁見大量波痕和貝窩, 指示古水流方向與現洞內 水流方向一致。 旱洞洞頂常有密集的深大窩穴, 洞壁上還見到多層狀水平邊槽龍洞洞穴系統(tǒng)。

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圖 1 龍洞巖溶洞穴系統(tǒng)的地質背景與平面展布特征

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 洞底均可見到水流沉積物, 主要是粘土、亞粘土層及沿水流線呈帶狀分布的河床相砂礫石, 礫 石成分以碳酸鹽巖為主, 部分為磨圓度較好的巴東組泥巖和砂巖, 最大粒徑可達 30; 洞底崩 cm 塌堆積物也較普遍。 洞穴系統(tǒng)南支東側支洞上、馬家灣洼地暗河天窗段的上部旱洞中, 化學沉 積物較發(fā)育, 見有石鐘乳、石筍、石柱、石幔、石瀑等各種形態(tài)。

該洞穴系統(tǒng)內賦存和運移的巖溶水, 已發(fā)展為穩(wěn)定的管道流—— 完整的地下暗河水系, 其 2匯水面積約 30。高程 420的龍洞河水面雖是排泄基準, 但排泄口—— 龍洞受底部大冶組 km m

泥質灰?guī)r的相對隔水作用所頂托, 高懸于河水面之上 35, 暗河水以瀑布形式下落。 洞穴系統(tǒng) m

展布區(qū)之上的地表廣布巖溶洼地、落水洞, 成為匯集表流或大氣降水直接注入補給的通道; 周 家河水在上游流經嘉陵江組巖層的地段進行入滲補給, 下游于南支尾端接近暗河, 從而使地表 地下水有密切水力聯(lián)系; 通天洞天窗水位在洪水期幾乎與周家河水位同步漲落, 滯后時間很 短。

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2 龍洞巖溶動力系統(tǒng)的演化

(上述形成條件和發(fā)育特征說明該系統(tǒng)是具有良好補給條件 面上降水的直接入滲、外源水

) 補給和集中進行排泄的系統(tǒng), 外界的輸入強度足以激發(fā)系統(tǒng)的自組織機制, 使系統(tǒng)的層次結 構不斷升級、放大。

根據對龍洞出口段及各塌陷天窗暴露洞段圍巖裂隙的觀測和統(tǒng)計, 本區(qū)巖層中除主要發(fā)

()育兩組中型裂隙 順層與垂層、組成初始非連續(xù)連通裂隙網絡導水介質外, 同時還在其背景上

() 較普遍地疊加了兩組陡傾角的巨型裂隙 走向近南北的縱張和走向近東西的橫張; 后者分布

() 密度雖低于前者, 但規(guī)模 隙寬和延伸長度和導水能力卻遠勝于前者, 控制了主要的水流。 說 明該系統(tǒng)的初始裂隙介質具有較明顯的二級層次結構, 這一層次結構是系統(tǒng)內巖溶分異演化 的基礎。

龍洞巖溶動力系統(tǒng)是在現代排泄基準—— 清江支流龍洞河谷和內外補給水源的控制下, 兩級裂隙介質傳導的非均勻水流對圍巖快速差異性溶蝕、不斷升級演化的結果。根據洞穴空間 展布、洞體的三維組合結構和洞壁的水蝕與沉積形態(tài)進行分析, 認為它經歷了兩個發(fā)育期的三

個發(fā)育階段。

2. 1 裂隙差異溶蝕擴展階段 (即第一發(fā)育期的初階段)

龍洞河谷在現龍洞和出口附近將覆于 之上的“紅層”侵蝕, 使河間地塊內的 巖層 T 2 j T 2 j 在此以最低標高出露, 成為較為集中的排泄段, 地表水面—— 排泄基準穩(wěn)定在龍洞右上方的旱

洞洞口頂板高程之上。此時地表水系、地下水補排格局基本與現代相似, 只是地面相對高差、排

泄的集中程度、地表匯水面積及補給強度均較小。 地下逕流在向龍洞方向匯集排泄的過程中,通過不同層次裂隙組自身的競爭與協(xié)調, 進行分異溶蝕逐步加大介質擴容的差異, 提高水流分 布的不均勻程度, 形成明顯優(yōu)勢的溶隙通道網。

()2. 2 集中管道流形成階段 第一發(fā)育期的后階段

差異溶蝕不斷強化水流的集中程度, 優(yōu)勢溶隙部分擴容為管道, 充滿管道的有壓水流機械 侵蝕作用加強, 介質差異與水流集中程度進一步迅速提高, 直至發(fā)展成熟為完全的管道流——

地下暗河水系。

2. 3 垂向繼承發(fā)育階段 (即第二期)

地殼抬升, 河谷下切, 補排條件變化。 在現龍洞口處, 河流向東岸側蝕, 將 下伏的相對 T 2 j

() 隔水底板大冶組 泥質條帶灰?guī)r揭露, 系統(tǒng)內巖溶水集中從此處隔水底板之上排泄, 形成T 1 d 高懸暗河出口與瀑布。 排泄基準下降, 巖溶作用向深部發(fā)展, 管道斷面增高, 形成峽谷, 上部早 期管道退水, 成為旱洞, 部分圍巖頂板塌陷, 洞口后退, 洞內形成高大洞廳, 地表沿主流管道出 現多處天窗, 并在地表水流匯集作用下, 擴展發(fā)育了迭置的多級洼地、槽谷, 從而使雨后的地表

片流匯集于管道分布線上, 通過天窗直接灌入補給, 增大了降水在區(qū)內補給的強度和排泄量的動態(tài)變化。 地面相對高差的增加, 擴大了匯水面積, 同時增強了外源水的補給強度。 垂向繼承 發(fā)育的第二期, 由于補排條件的優(yōu)勢, 加速了巖溶化的進程, 也加大了巖溶化的強度。下層管道

的規(guī)?？偸谴笥谏蠈? 這是清江流域多層管道系統(tǒng)的基本特點。

3 龍洞巖溶動力系統(tǒng)演化結果的資源環(huán)境效應

龍洞巖溶動力系統(tǒng)已演化為高度有序的層次結構, 發(fā)展成熟為完全管道流, 地下暗河水系

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代替了地表水系, 從而決定了系統(tǒng)所在河間地塊內的非常態(tài)自然面貌, 產生了特定的巖溶資源

環(huán)境效應, 主要表現為:

3. 1 不均勻分布的水資源

河間地塊內地下巖溶水是水資源的主體, 僅在馬家灣天窗塌陷帶見到 100長的明流段, m 所以也可說, 地下暗河水流是區(qū)內唯一的水資源。 水量分布的不均勻性, 是巖溶地區(qū)的普遍現 象, 尤其是完全受暗河管道控制、集中排泄型的巖溶水系統(tǒng)分布區(qū), 水資源的分布更不均勻, 水 量集中于少數暗河管道上, 其它廣大地區(qū)則無水, 彼此間形成極大反差, 本區(qū)就屬此類。同時由 于挽近期地殼抬升, 排泄基準下切, 暗河向深部發(fā)展, 地下水埋深普遍達數十至一百多米, 上部

形成石山缺水區(qū), 嚴重影響當地居民的生活和農業(yè)生產。該區(qū)合理開發(fā)利用地下水的主要途徑

() 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處, 打井取水; 或直接從揭 m

露暗河的天窗和落水洞取水。 后一方式已為當地個別應用或正準備采用。 3. 2 易于開發(fā)的水能資源

本系統(tǒng)的巖溶水集中于龍洞口排泄, 其流量較大, 但受降雨控制, 動態(tài)不穩(wěn)定, 一般為3 3 3 ( 3左右, 枯季最小僅 0. 4雨季可達 5, 6以上 由于無長觀資料, 未捕捉到最大 ??, ?m s m sm s

)值。此外由于相對隔水底板的控制, 泄水點位置高出當地排泄基準—— 龍洞河水面 35, 形成 m 了易于開發(fā)利用的水能資源。當地已在洞口附近以管渠分流引水, 修建了小型水電站。但由于 缺乏全面調查分析和長系列的動態(tài)資料, 電站裝機容量和實際可利用的水能蘊藏量不協(xié)調。為 使資源得到充分合理的開發(fā)利用, 應在龍洞口進行流量動態(tài)觀測; 也可通過對該巖溶動力系統(tǒng) 的深入調查研究, 掌握其控制面積、水流補給條件、介質結構特征及調蓄功能等, 以彌補動態(tài)資 料的不足。

3. 3 特殊的巖溶旅游資源

巖溶化結果產生的洞穴及其內的化學沉積物和各種水蝕形態(tài), 地表造型各異的溶痕, 均是 可以開發(fā)的特殊巖溶旅游資源。 本區(qū)具有開發(fā)價值的首推兩處: 一是龍洞出口地段, 該處距恩 施市市區(qū)僅 5. 5, 從其旱洞洞口外壁上的石刻文字可知, 古時就已成為觀光游覽地, 現應進 km

一步開發(fā), 成為恩施市一個集游玩、休閑避暑為一體的風景區(qū); 二是馬家灣天窗巖溶塌陷及溶 蝕洼地地段, 既有地表明流和洼地邊緣奇特的溶痕景觀, 又有發(fā)育各種化學沉積物的大型洞 穴。此外位于七里坪鎮(zhèn)以北的七里坪天窗處, 也發(fā)育有大型巖溶大廳, 連接著不同方向的水、旱

支洞。 上述三點可以組成一條完整的旅游線路, 即恩施?龍洞?馬家灣洼地?七里坪?恩施。只要科學地開發(fā)和管理, 不僅保護、美化了環(huán)境, 而且還能創(chuàng)造可觀的經濟效益, 并有助于提高 恩施對外界的吸引力。

結語4

典型巖溶動力系統(tǒng)的特點是: 通過自組織機制的演化過程, 逐步增大介質結構和水流分布 的差異, 達到強烈的非均質性, 即介質的高度巖溶化或系統(tǒng)的高層次有序性。 巖溶化程度的高 低, 反映了系統(tǒng)有序程度的大小。 已高度巖溶化的巖溶動力系統(tǒng)與環(huán)境的交流迅速, 對輸入變

化的反映特別靈敏。 因此這類地區(qū)環(huán)境脆弱, 人類活動不當, 極易破壞原來巖溶動力系統(tǒng)的結構、功能, 以致影響區(qū)內整體條件、生態(tài)平衡。 為此, 必須對區(qū)內整個巖溶動力系統(tǒng)及其資源環(huán) 境效應進行綜合調查研究, 以保護資源和環(huán)境為目標, 對資源開發(fā)進行統(tǒng)一規(guī)劃, 建立人工—

5 自然復合型巖溶動力系統(tǒng)良性發(fā)展的綜合調控模式。

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