桂林硝盐洞特殊岩溶包气带洞穴滴水水文过程探究

桂林硝盐洞特殊岩溶包气带洞穴滴水水文过程探究

覃建兴

关键词：硝盐洞；降雨；包气带

引言

岩溶石山地区的降雨入渗很大一部分是经过岩溶带调蓄进入包气带。经过落水洞的水流水文的过程是非常迅速的,然而由土壤的水流对降雨反应比较缓慢。对滴水进行观测不仅方便以后了解复杂的洞水水文的指标变化之间的关系，从而更好的完善水文模型，还有助于对洞穴沉积物的形成机理进行解释和研究。由于前人通过洞穴滴水来研究包气带的水文特征比较少，因此本文就以桂林丫吉试验场硝盐洞为例，来简要地描述其水文过程。

一、桂林丫吉概况

试验场硝盐洞位于桂林市丫吉村附近，发育于上泥盆统融县组浅灰至灰白色中厚层亮晶颗粒灰岩中。该洞洞口高197.5m，长100m，宽25m，洞穴的顶板的厚度是20m～150m。该洞经历了溶蚀、钙板沉积、水下沉积、水塘疏干和再沉积等演变。该洞穴滴水主要来源于降水，受到地下水干扰的因素小。该洞顶主要的植被有草丛和灌木林，其分布均匀，无明显差异。土壤以灰褐色、褐黄色沙质黏土为主要，土壤的通透性比较好，土壤类型一致。

根据桂林市气象表示，该洞穴所处地区的平均气温为18.8℃，降水量是1915.2mm，该地区4月到8月是雨季。降水量占年降水量的70％，并且伴有较多的暴雨，此地区为典型的亚热带风季气候。

二、研究方法

2.1、监测装置

硝盐洞的XY5滴水点是在石钟乳的下面形成的，滴水流量变化较大，并且比较分散。由此，可以针对XY5的水点设计分散型洞穴流水检测装置，如图一所示。这种监测装置有测流装置和收集装置组成。收集装置是一个倾斜于测流装置的坡面收集棚，它的作用是将分散的滴水倒流至测流装置内。测流装置的组成主要有流量桶和三角堰。在流量桶中垂直放置多参数水质检测仪，来自动的对水位、电导率、水温度进行记录，从而更好的实现对硝盐洞进行检测。流量计算方法要根据水力学中的有压管道小孔自由出流公式进行计算，不仅如此，还要结合室内试验模拟流量桶的公式进行确定。

2.2、示踪试验

根据洞穴形态、滴水位置和洞穴底部地形地貌条件，可以推测出XY5滴水点出汇联通地表的路径，在硝盐洞顶山坡最高处放置200g荧光素钠进行示踪试验，地表与洞穴滴水的连通性和补给来源。投放点选择在陡坎下方的汇水坑，该投放点土壤的覆盖面积比较少，在投放之前要先将土壤清除干净，并且在放入荧光素钠之后要使用水清洗，也可以使用木棍搅拌使其完全下渗，要尽量减少示踪剂在地表滞留。如图二所示：

图二：硝盐洞山坡剖面及示踪剂的投放点以及荧光素钠投放坑

2.3、降水量的测量方式与来源

丫吉试验场的降水量由翻斗式雨量桶进行自动记录的，测量的精度是0.2mm。桂林市的降雨量和气温使用的是桂林气象站的数据，其数据是中国气象局数据网上的数据。因为试验场内的雨量桶发生故障，导致数据不完整，所以降雨量统一使用桂林气象局的数据。

三、结果与讨论

3.1、滴水补给成分划分

示踪试验结果结合洞穴水文水化学数据可以了解到岩溶含水系统结构的特点以及滴水补给来源的信息等。如图三所示，XY5滴水点自从投放之后，所接受到的水文水化学示踪剂浓度的变化结果。从图三中不难发现，示踪剂浓度峰值和流量以及EC峰值之间是一一对应的，并且，示踪剂浓度的峰值出现在强降雨时段，其结果表示，硝盐洞滴水上的覆盖层有直接连通地表的现象存在，其滴水点至少受到管道流和弥散流两种径流补给，在研究硝盐洞滴水的补给过程中利用化学方式和氢氧同位素来指出滴水补给的来源是由管道流和包气带渗透径流这两种不同水文行为的径流成分。

图三：硝盐洞XY5滴水水文化学和示踪实验结果

从图三中可以发现，降雨过后的XY5滴水点流量及示踪剂浓度是保持稳定状态的，可以确定的是，硝盐洞上部分的包气带中存在着含水层以及弥散径流补给XY5水滴。这部分的径流组成了滴水的基流量。雨季滴水基流量明显的要比旱季的高，其主要原因是因为岩溶包气带得到补给之后，表层岩溶带压力增大，新降雨的渗透推动储存在表层的原水以活塞效应补给滴水，使得流量不断的增大。雨季时的电导率要低于旱季时的电导率，雨季滴水点的电导率受到新进雨水的混合，所以导致降雨补给后表层岩溶带渗透补给的弥散流的反应是混合作用之后获得的信息。

3.2、旱季转雨季滴水点对降雨响应过程

桂林地区旱季的时间集中在9月和第二年的2月之间，旱季的持续时间比较长，导致降雨分布不均匀。2月是旱季转雨季的过渡期，这个时间降雨会逐渐增多，大量降雨会使得表层岩溶带逐渐达到饱水状态，在2月的时候会形成第一个径流进入洞穴。本次试验选取了2013年12月到2014年3月为研究的时段，将第一个形成的管道流作为时间界点，来研究旱季转雨季包气带水文响应过程，由此来确定在经过长时间干旱之后滴水响应的最大滞后时间。

在研究的时间段内，其总降水量变为111.6mm，其有效降水量是54.6mm。研究期间出现过2次降雨，两次降雨都没有引起XY5滴水点流量和示踪剂浓度变大，如图四所示。两次强降雨首先是被地表植被、土壤等截留，因此不能形成有效的径流补给，由此可以知道，洞穴滴水降雨响应的重要条件是降雨阈值。

图四：旱季转雨季XY5滴水点降水响应过程

3.3、硝盐洞在旱季时XY5滴水水文响应

该实验选取的是2015年9月至2015年10月间的降雨的时期，从而来研究旱季XY5滴水点水文响应的过程，研究期间的降水量是59mm，且主要的降水量集中在10月5号～6号，有效的降水量是37.1mm，虽然9月19日至26日期间有22mm的降水量，但是都未能引起XY5滴水点的流量变化，其变化如图五所示，是因为在本次研究期间无效降雨的天数有26天，表层岩溶带长期没有得到降雨补给所导致的。岩溶包气带以裂隙流形式补给滴水，平均滴水量是1.54ml/s。在2015年10月4日开始出现集中降水，流量出现峰值。洪峰流量对降雨的滞后时间是52h。但是这次的降雨的示踪剂浓度表现不明显，其浓度较低。在2013年2月25日与4月6日降雨前基流中平均示踪剂浓度都小于投放之前的XY5滴水点检测的背景值。这就说明渗透径流和管道流之间没有存在直接的联系。示踪剂也没有进入表层岩溶带出水空间内。

图五：XY5滴水旱季降雨响应过程

四、结语

对桂林丫吉试验场硝盐洞进行示踪试验，并且结合了水文水化学检测数据，进而研究出岩溶包气带洞穴滴水的水文相应过程，研究的结论为以下几点：

（1）硝盐洞滴水主要受到集中补给的管道流和裂隙介质控制的弥散流这两种来形成径流成分的补给。硝盐洞上层的包气带中有表层岩溶带含水层存在，该部分的水是XY5滴水点在非降雨时期时期的主要水源。管道流仅仅是出现在强降雨这段时间，进而存在了降雨阈值引起的硝盐洞对降雨的水文响应。

（2）硝盐洞滴水对雨水的响应是受到岩溶含水层的含水量的影响，这种影响表现出很明显的滞后性。在经过干旱之后，降雨必须克服土壤和水份的亏缺才可以引起滴水的响应，而预计滴水对暴雨的影响比较迅速，滞后的时间最长约可达10h。

（3）当旱季转化为雨季的初期阶段，硝盐洞XY5的滴水点第一次对降雨响应的阈值是74mm，这就明显的表明了土壤和表层岩溶具有相当的储存的能力。

参考文献

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