岩溶断陷盆地湿地成因类型及水流系统特征研究.pdf
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1、岩溶断陷盆地湿地成因类型及水流系统特征研究张华1,2,3,4,5,王波3,4,5,高瑜3,4,5,康晓莉3,4,5,王宇3,4,6,刘绍华1,2,康晓波3,4,5,罗为群1,2,赵勇7(1.自然资源部岩溶生态系统与石漠化治理重点实验室,中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林541004;2.广西平果喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站,广西平果531406;3.自然资源部高原山地地质灾害预报预警与生态保护修复重点实验室,云南昆明650216;4.云南省高原山地地质灾害预报预警与生态保护修复重点实验室(筹),云南昆明650216;5.云南省地质环境监测院,云南昆明650216;6.云南省地质调查
2、局,云南昆明650051;7.云南省地质调查院,云南昆明650216)摘要:云南断陷盆地岩溶湿地众多,是云南高原生态系统的重要组成部分,但因各种原因,造成湖泊淤积、水面面积缩小以至消亡,滇东地区的湖泊退化较为明显,近 30 年内有 20 多个天然湖泊过早消亡。文章开展滇东岩溶断陷盆地内具有代表性的通海湖泊退化型(杞麓湖湿地)、泸西地下水聚积型(黄草州湿地)、宣威地下河淤塞型(格宜串珠状湿地)三种类型典型岩溶湿地研究,主要研究湿地的成因类型及特征、湿地“三场”(径流场、水化学场、温度场)特征,分析岩溶断陷盆地内天然形成的湿地地质条件、水文地质条件、水环境影响因素及定量评价水环境质,以及岩溶湿地自
3、然及人为影响因素、影响形式、作用强度、效应和水源减小、污染加剧、水质下降、湿地萎缩等及其生态环境问题。研究结果表明,通海湖泊退化型(杞麓湖湿地)受人为和自然因素影响较大,水质水量是其退化的主要原因;泸西地下水聚积型(黄草州湿地)受湿地内地下补给、净化、修复,水质总体较好;宣威地下河淤塞型(格宜串珠状湿地)受区域地下水水位变化影响,地下水总体丰富。文章研究成果为岩溶断陷盆地湿地的保护、科学研究、利用、生态修复提供地质依据。关键词:湿地类型;湿地特征;水流系统;水环境;湿地修复;岩溶断陷盆地中图分类号:P641文献标识码:A文章编号:10014810(2023)04067213开放科学(资源服务)
4、标识码(OSID):0引言岩溶断陷盆地(faultbasin)是指在广袤的西南岩溶石山区,周围石山环绕、中间为新生界沉积平坝的盆状地形区域,当地俗称为“坝子”1。岩溶湿地(karstwetland)主要是指分布在岩溶地区(地表、地下),或以岩溶水为主要补给水源,具有岩溶地区特有的富钙偏碱性水土特征、具有典型岩溶水土循环演化机制、以喜钙耐碱的湿地生物群落为主或与喜钙耐碱的生物群落相互依存为特征的内陆湿地,包括岩溶区地表或地下的湖泊、沼泽、河流或其他岩溶地下水文系统2。基金项目:自然资源部岩溶生态系统与石漠化治理重点实验室开放基金专项/广西岩溶动力学重大科技创新基地开放课题资助(KDL202101
5、)、国家重点研发计划项目(2016YFC0502502)联合资助第一作者简介:张华(1982),男,本科,高级工程师,主要从事水工环地质调查研究。E-mail:。通信作者:刘绍华(1986),男,硕士,助理研究员,长期以来主要从事岩溶水文地质、生态地质、岩溶环境等方面调查研究。E-mail:。收稿日期:20230120第42卷第4期中国岩溶Vol.42No.42023年8月CARSOLOGICASINICAAug.2023张华,王波,高瑜,等.岩溶断陷盆地湿地成因类型及水流系统特征研究J.中国岩溶,2023,42(4):672-684.DOI:10.11932/karst20230404湿地被
6、称为“地球之肾”,是地球表层系统的重要组成部分,是自然界最具生产力、价值最高的生态系统之一3。尽管湿地仅占全球陆地面积的 5%8%4,却是很重要的自然资源,有着重要的生态功能5。国内外对湿地的研究主要是围绕着退化湿地生态恢复与重建6、湿地与全球变化关系研究7、城市湿地的功能评价89、湿地开发利用10、湿地的水环境11等领域,研究方法由过去的局限于湿地特征和质量定性评价,发展到湿地定量评价的 3S 技术和数学模型方法1213的广泛应用。云南岩溶高原湿地特征显著,与地下水和水文地质作用关系紧密,研究成果为岩溶湿地生态环境变化及驱动机制14、湿地的功能研究15、沉积物水质分析评价16、水文特征分析1
7、7。云南断陷盆地中岩溶湿地众多,湖泊湿地是云南高原上的明珠,但因各种原因造成湖泊淤积、水面面积缩小甚至消亡,湖泊退化严重。据 20 世纪50 年代初统计至今,水面面积 1km2以上的湖泊由原来的 50 余个发展至今已不足 30 个。滇东岩溶区的湖泊湿地退化较为明显,如石屏县赤瑞湖、嵩明县嘉丽泽、陆良县中原泽、曲靖东湖、宣威迤谷海等均已干涸。人们对云南的自然岩溶湿地、湖泊湿地及裂隙构造湿地研究广泛,且对不同的地质环境、不同的海拔、不同的地貌类型岩溶湿地研究的理论水平较高。而从区域地质、水文地质演化方面的研究相对较低。本文通过野外调查、水位水量监测、水质分析等,采用水文地质学及岩溶学方法,深入研究
8、岩溶断陷盆地湿地的成因类型、湿地形成的影响因素,并定量分析湿地水资源相关水量、水质等对湿地的控制因素,为岩溶断陷盆地湿地的保护、科学研究、利用以及生态修复提供地质依据。1岩溶断陷盆地地质环境概况研究区的 3 个岩溶盆地为通海盆地、泸西盆地、宣威格宜洼地,3 个典型岩溶盆地内形成的岩溶湿地各具特色,岩溶断陷盆地及湿地位置见图 1、特征见表 1。1.1通海岩溶断陷盆地通海杞麓湖岩溶断陷盆地位于云南省中部,为云南山字形构造前弧发育的岩溶断陷盆地,杞麓湖位于岩溶断陷盆地的北东部。盆地底部延伸方向和山字型构造前弧一致。盆底第四系湖积层,厚约280m,以灰黑色砂质黏土、淤泥为主,夹细砂、砂砾螺蛳壳层,夹层
9、最大厚度 20m,一般在 515m。盆地底部地势由南西向东北逐渐降低,海拔 17951800m,地势较为平坦18。杞麓湖岩溶断陷盆地孔隙水主要赋存于砂砾螺蛳壳层中,富水性很弱,动态变化不大,年变幅仅 1m。盆地周围出露碎屑岩,主要有三叠系干海子组(T3g)及侏罗系冯家河组(J1f)、张河组(J2z)和蛇店组(J2s)等砂岩、泥岩,在盆地西部出露面积较大,赋存裂隙孔隙层间水。岩溶水为盆地内主要地下水类型,含水层主要为二叠系(P)、泥盆系(D)、震旦系(Z)厚层状灰岩、白云岩,多呈块状分布于盆地南部,岩溶发育,富水性强。岩溶水在盆地外围岩溶山区接受大气降水渗入补给和基岩裂隙水侧向补给后,自四周向盆
10、底径流,一部分在盆底边缘以泉点形式出露于地表,另一部分在盆底的北西部的四街和南部的九街、杨广形成富水块段。总的来说,在杞麓湖岩溶断陷盆地北部和西部,岩溶水埋藏浅,多沿盆地边缘呈线状以泉点的形式出露于地表,盆地中的钻孔出现承压自流现象;而东部岩溶水水位埋深大,泉水出露060120 km图1研究区湿地分布图Fig.1Distributionofwetlandsinthestudyarea第42卷第4期张华等:岩溶断陷盆地湿地成因类型及水流系统特征研究673少。岩溶水位埋深一般 3.1745m,承压性水位+0.8m。杞麓湖岩溶断陷盆地为一封闭的湖盆,汇集的大气降水分别以地表、地下自四周向盆地内径流至
11、杞麓湖,汇水面积 345.95km2。整个盆地的地表水通过位于盆地东南端的落水洞灌入岳家营暗河管道补给地下水,落水洞高程 1786.27m。根据地表岩溶发育特征推测暗河管道在岳家营首先向南发育,再偏南东方向,于罗庄充水落水洞转向东发育 16.5km,受构造及碎屑岩控制地表发育较多干枯落水洞,再经咱乐充水落水洞,转向北沿断层带碎屑岩与碳酸盐的断层接触带径流 8.5km,于华宁县宁州镇高寨村北西 400m 处的暗河出口呈股状涌出19(图 2)。1.2泸西岩溶断陷盆地泸西岩溶断陷盆地以地块断陷为主导,侵蚀及溶蚀共同作用形成,由里到外不同成因和组合形态的地貌呈现环带状分布,总体地势由低平递增至高耸,地
12、形切割由浅到深,地貌分布和变化规律明显。构造控制了盆地地貌特征及地下水的分布,是北东向暗河管道形成的主控因素,通常沿断裂走向出露泉点,发育串珠状的洼地、落水洞及溶洞等。出露地层以中生界三叠系为主,局部地段分布古生界二叠系、新生界下第三系。坝区、河谷区及山区洼地内分布有新生界第四系红黏土、砂质黏土、细砂、砂砾,一般厚度 030m。泸西喀斯特断陷盆地流域是一个具有完整的补给、径流、排泄过程的岩溶水系统,地表水、地下水转换频繁,地表水补径排特征主要以小江河径流过程体现,地下水在接受大气降水补给后,上层径流以泉、暗河的形式在泸西盆地底面排泄后转化成地表水,最终汇集于盆地南部、通过工农隧洞及落水洞排向小
13、江;下层径流则以小江水面为基准,通过深层径流排泄20(图 3)。1.3宣威岩溶断陷盆地宣威岩溶断陷盆地在区域上属北盘江三级流域,革香河四级流域,五级田边地下河系统。流域面积160.82km2,属裸露型岩溶系统,东西两侧以碎屑岩地表分水岭、地下分水岭为界,北部以碎屑岩地下分水岭边界为界,南部主要以 C2w、Pe 碎屑岩为隔水边表 1断陷盆地地质环境特征Table1Characteristicsofgeologicalenvironmentoffaultbasins岩溶断陷盆地湿地类型形态规模地形地貌主要含水层主要构造岩溶发育程度湿地规模通海盆地杞麓湖湖泊退化型半月形,呈近东西向,流域面积345.
14、95km2,盆底面积153.39km2盆地四周侵蚀、溶蚀低中山地貌,海拔19002200m,坡度2030二叠系(P)、泥盆系(D)、震旦系(Z)厚层状灰岩、白云岩,多呈块状分布于盆地南部,富水性强断裂构造为北东及北西向,多为张扭性断层,具有一定的导水富水作用岩溶发育中等杞麓湖形似葫芦,东西长15km,南北宽5km,湖水面积42.3km2,占盆地面积的11.95%,最大水深15m,平均水深4m,蓄水量约1.94108m3泸西盆地黄草州地下水聚积型椭圆形,呈北东向,流域面积,1009.28km2,盆底面积78.1km2盆地四周侵蚀、溶蚀低中山地貌,海波17002100m,坡度2045三叠系永宁镇组
15、下段(T1ya)、三叠系个旧组(T2g)、法朗组下段(T2fa)灰岩、白云岩,富水性强构造以北东和北东东向的断裂和褶皱为主。主要发育雨龙断裂、白水向斜、杨梅山背斜岩溶发育强烈黄草洲湿地目前面积0.26km2,水平水深1.5m,最深处可达5m宣威格宜洼地格宜串珠状湿地地下河淤塞型圆形和不规则型,呈南北向,流域面积160.82km2微地貌属溶丘洼地,海拔19401950m,坡度一般小于25二叠系阳新组(P2y3)灰岩、白云质灰岩、白云岩、泥质灰岩,富水性强。格宜向斜构造岩溶发育强烈5个溶塘(启文湖、酒厂湖泊、格宜二中湖泊、文渊阁湖泊、崇明湖),呈“”,呈北东南西向和北西向串珠状分布,面积小于0.0
16、1km2,水深0.62.14m674中国岩溶2023年界。碎屑岩裂隙含水组有 C1w、P2l、P3x,喷出岩裂隙含水层 Pe,它们多呈条带状分布于系统西、南、东三侧,且构成隔水边界。P2y 中岩溶发育,地貌上多形成溶丘、洼地溶蚀槽谷、槽谷,洼地边缘发育 1-2 层干溶洞,在格宜长房子村、法戛村养猪场洼地底部发育充水落水洞及暗河管道,成为地下水运移的主要通道21。系统西、南、东三侧为隔水边界,P2y 下伏地层 P2l 构成隔水底板,在空间上组合构成一个向斜储水构造。裸露的 P2y 含水层,接受大气降水补给后,部分在洼地及槽谷边缘出露,之后沿沟谷或伏流进入洼地,灌入落水洞;部分沿溶蚀裂隙进入地下河
17、管道。系统内地下水最终向南沿田边地下河管道径流,于革香河左岸谷底排泄。整个田边暗河系统分为四级排泄基准面,一是溶丘洼地边缘格宜大龙潭,二是格宜镇周边溶丘洼地串珠状湖泊出露;三是五甲科洼地底部排泄,四是革香河最终排泄22。2岩溶湿地成因类型及特征2.1湖泊退化型(杞麓湖)由于泥砂淤塞暗河岩溶管道,岳家营落水洞最大泄流量不断减小,由 6.73m3s1(1958 年 1 月)逐渐减小为 2.35m3s1(1998 年 9 月)。为了满足灌溉需求,落水洞处修建了人工闸门,人为地控制落水洞泄水量,雨季时湖蓄水,旱季时放水,40 年来湖水面积01121314151617181920212345678910
18、1124 km图2通海盆地流域水文地质图1-纯碳酸盐岩类岩溶水2-不纯碳酸盐岩类岩溶水3-基岩裂隙水4-松散岩类孔隙水5-实测及推测断层6-实测及推测逆断层7-推测充水断层8-岩组类型界线9-地层代号10-地层产状11-下降泉,流量(Ls1)12-上升泉,流量(Ls1)13-下降泉群,流量(Ls1)14-上升泉群,流量(Ls1)15-暗河及出口中,流量(Ls1)16-充水落水洞17-无水落水洞18-无水岩溶漏斗19-地下水流向20-流域边界21-调蓄水隧道工程Fig.2HydrogeologicalmapofthewatershedofTonghaibasin第42卷第4期张华等:岩溶断陷盆地
19、湿地成因类型及水流系统特征研究675变化不大,但因落水洞最大泄流量的减小使杞麓湖调蓄功能逐渐减小,时常发生旱涝灾害。分析认为管道淤塞的主要原因是岩溶通道入口处的部分溶隙被淤积的泥砂堵塞,导致落水量不断减小,加上在岩溶管道沿线的落水洞相对附近海拔低,降雨时携带的泥砂、枯枝落叶、生活垃圾等被雨水冲入到落水洞,在发育相对狭窄的部位堆积起来堵塞岩溶管道,导致落水洞泄流量变小。因此修建了杞麓湖调蓄水隧道工程,长 9.97km,北起东村北 1500m 杞麓湖边,途经东村、酱菜厂转南西,经梅子园、里山镇至下许家庄南东 500m的大河旁。工程设计底板标高 1793.96m,低于盆底 2m,出口底板标高 176
20、7.86m,低于盆底 28m。杞麓湖逐渐退化、萎缩的原因是多方面的,其一048 km侵溶蚀山区Erosion and corrosionmountain area含水层界线Aquifer boundary松散岩类孔隙含水层Loose rock porous aquifer基岩裂隙含水层Bedrock fissure aquifer纯碳酸盐岩类岩溶含水层Pure carbonate karst aquifer不纯碳酸盐岩类岩溶含水层Impure carbonate karst aquifer下降泉,右为枯季流量(l/s)Descending spring and water flowof dry
21、 season表层泉,右为枯季流量(l/s)Land spring and water flowof dry season暗河,右为枯季流量(l/s)Underground river and water flow of dry season富水块段界线及允许开采量(万 m3/d)Water-rich section and allowable yield河流断面及年平均流量(m3/s)River section and mean annual discharge水库及库容(104 m3)Reservoir and capacity断层Fault推测断层Inferred fault地下水流向G
22、roundwater flow direction水资源分区界线Water resource boundary充水落水洞Flooding sink hole水电站Hydropower station侵溶蚀河谷区Erosion and corrosionvalley area溶蚀丘峰谷区Corrosion hilly area沉积平坝区Sedimentary plain area图3泸西岩溶断陷盆地流域水文地质图Fig.3HydrogeologicalmapofLuxikarstfaultbasin676中国岩溶2023年降雨量分布不均,雨季降雨量大,其它时段降雨量小,难于维持湖泊水量;其二雨季
23、易发生洪涝,岳家营落水洞和修建调蓄水隧道工程将汇集的湖水排泄到外流域,水多时外流,缺水时难补,水资源调蓄难度大;其三通海县作为蔬菜农业大县,蔬菜种植需要大量的用水保苗,因此杞麓湖既是灌溉水源地也是汇水地,以致杞麓湖的水位总是在下降,且水质在整个云南高原湖泊中最差;其四虽然盘溪大龙潭调水23工程已经完工,但运行工程所需的电费、水资源费等资金缺口大,调水工程运行困难。2.2地下水聚积型(黄草洲)泸西黄草洲湿地东有皮家寨、坝心龙潭之水汇入东子河,西有泸源之水流入西河。这两部分水都是从暗河管道出露。古时候这两部分水的水量都很大,就像是两条玉带环绕着县城,称为“水抱”。1946 年以前,黄草洲区域岩溶湖
24、泊湖面南北、东西向都约 5km,水面面积 25km2,由于盆地底部常年淤积,蓄水量减少,导致洪水频发;1966 年建成工农隧道排洪,就此湖泊面积逐渐缩小;至 1980 年,水面面积 0.4km2,现如今黄草洲湿地目前面积 0.25km2,水平水深 1.5,最深处 5m24。黄草洲湿地不仅有外部地表水的汇入,同样也有湿地内的孔隙水和岩溶地下水出露,但来看自外部的地表水远远大于内部地下水,才使得黄草洲湿地一直存在,通过黄草洲湿地净化地表水后,水质总体有所提升。2.3地下河淤塞型(格宜的串珠状湿地)由于地质作用形成了格宜向斜构造,在漫长的地质历史过程中地表水及地下水对碳酸盐岩进行着不同形式、不同强度
25、的改造,2.50 亿年前以来西南地区仍处于提特斯海域,加上 2.502.05 亿年中国大部分地区仍处于潮湿热带亚热带或温带气候的控制下,对岩溶发育非常有利。阳新组灰岩的岩性普遍较纯,方解石含量较高,CaO 含量 54.34%,白云石成分相对较低,MgO 含量 1.59%,CaO/MgO 比值越大,岩石可溶性越强,溶蚀率相对较大。强烈的溶蚀作用形成了岩溶洼地、槽谷、溶洞、暗河管道等相伴的岩溶地貌景观,岩溶发育显示出垂向上的成层性,平面上的不均一性和分布上的方向,岩溶极其发育,地形相对高差小于 50m。发育的格宜向斜就像一个“盆”,地下水向盆底部集中,而向斜的核部位处于启文湖附近的洼地溶蚀槽谷,东
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