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岩溶山区坡面一孔多层地下水监测试验及科学意义

郭芳 姜光辉 刘凡 李志杰

郭 芳,姜光辉,刘 凡,等. 岩溶山区坡面一孔多层地下水监测试验及科学意义[J]. 中国岩溶,2024,43(3):491-499 doi: 10.11932/karst20240301
引用本文: 郭 芳,姜光辉,刘 凡,等. 岩溶山区坡面一孔多层地下水监测试验及科学意义[J]. 中国岩溶,2024,43(3):491-499 doi: 10.11932/karst20240301
GUO Fang, JIANG Guanghui, LIU Fan, LI Zhijie. Experiment of monitoring multi-layer groundwater at a karst hill slope and its scientific significance[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2024, 43(3): 491-499. doi: 10.11932/karst20240301
Citation: GUO Fang, JIANG Guanghui, LIU Fan, LI Zhijie. Experiment of monitoring multi-layer groundwater at a karst hill slope and its scientific significance[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2024, 43(3): 491-499. doi: 10.11932/karst20240301

岩溶山区坡面一孔多层地下水监测试验及科学意义

doi: 10.11932/karst20240301
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(42172287,42272303);广西自然科学基金(2020GXNSFDA238013);桂林岩溶地质广西野外科学观测研究站(科研能力建设)(桂科23-026-274);国家自然科学基金(41472239)
详细信息
    作者简介:

    郭芳(1978-), 女,博士,研究员,主要从事岩溶水文地质研究。E-mail:gfkarst@126.com

    通讯作者:

    姜光辉(1977-),男,博士,教授,主要从事岩溶水文地质研究。E-mail:bmnxz@126.com

  • 中图分类号: P641

Experiment of monitoring multi-layer groundwater at a karst hill slope and its scientific significance

  • 摘要: 钻孔是揭露含水层结构和开展地下水监测的重要载体。在场地地下水监测中,不分层的丛式钻孔存在成本高、代表性不全等缺陷。“一孔多层”分层监测对水头或溶质分布的区分度高,在孔隙和裂隙含水层应用广泛,但岩溶介质因结构复杂,极少有案例研究。文章对丫吉试验场西坡径流小区的一个钻孔(ZK6)进行分层并开展监测。依据钻孔岩芯编录资料、抽水试验以及水化学与温度测孔的结果,判断岩溶发育的特征,确定将ZK6孔划分为四层,实施了钻孔封隔。对四个层位的水文观测发现,四个层位的水位动态对降雨的响应有较大差异。其中,第一层一个水文年中无水和充水状态时长分别占79%和21%,说明该层的岩溶介质处于充水和无水交替,且更多时间处于无水状态;第二层水位响应滞后明显;第三层和第四层水头差异表现出地下水排泄区的水头垂直分布特征。ZK6孔四个层位的水化学存在差异,表明岩溶介质结构的差异不仅影响了水文过程也影响水化学特征。第四层的电导率基本稳定在450 μS·cm−1,而第二层因表层元素积累和水更新速率慢,电导率是第四层的2倍,第一层电导率的剧烈变化则反映表层岩溶带受到降雨补给影响最为强烈。综合钻孔分层的水文和水化学特征,认为第一至第四层分别代表表层岩溶带、裂隙基质带、上部饱水带和下部饱水带。岩溶山坡的“一孔多层”分层技术难度大,但一旦实现不仅可以认识岩溶垂向分带的水动力机制,也为地下水分层开发利用技术突破提供了可能。

     

  • 图  1  丫吉试验场S31泉域系统与钻孔分布图

    1. 泉水及编号 2. 钻孔及编号 3. 洼地及编号 4. 系统边界 5. 断层 6. 地下水流向 7.峰丛洼地与峰林平原界线 8. 公路 9. 第四系 10.融县组灰岩

    Figure  1.  S31 spring system and borehole distribution in the Yaji experimental site

    1. Springs and numbers 2. Boreholes and numbers 3. Karst depressions and numbers 4. Water system boundary 5. Fault 6. Groundwater flow direction 7. Boundary of peak cluster-depression and peak forest-plain 8. Road 9. Quaternary 10. Limestone in Rongxian Formation

    图  2  ZK6钻孔分层示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of borehole layers(ZK6)

    图  3  ZK6水化学测孔剖面与岩溶带的划分

    Figure  3.  Profile of hydrochemistry logging and the division of karst zones

    图  4  ZK6(孔口标高:156.45 m)和ZK7(孔口标高:160.35 m)水文动态变化

    Figure  4.  Variation of hydrological processes in boreholes ZK6 (orifice elevation: 156.45 m) and ZK7(orifice elevation: 160.35 m)

    图  5  ZK6分层水化学对比(2018年7月)

    Figure  5.  Comparison of hydrochemistry among different layers at ZK6

    图  6  钻孔ZK6的三个层位水温和电导率监测结果

    Figure  6.  Online monitoring results of water temperature and conductivity at three layers of borehole ZK6

    表  1  钻孔ZK6的分层方案

    Table  1.   Layering scheme of borehole ZK6

    层位 通道 分层位置 岩溶特征 分层目标
    第一层 ZK6-1 岩石表面至洞穴下方。深度为地面以下6.5 m(156.45~149.95 m) 发育0.7 m高的洞穴 洞穴可能为表层岩溶水季节性的排泄通道,需要独立观测水位
    第二层 ZK6-2 第一止水位置(6.5 m)至表层岩溶带的下界,第二止水位置为地面以下10 m(149.95~146.45 m) 疑似岩溶管道一处 水化学与温度变化趋势发生变化,需要独立观测
    第三层 ZK6-3 第二止水位置至变径处,止水位置为地面以下28 m(146.45~128.45 m) 岩溶裂隙发育的
    迹象
    岩溶裂隙水流导致水化学变化,推测可能是坡面下部径流的主要排泄区
    第四层 ZK6-4、ZK6-5
    ZK6-6、ZK6-7
    第三止水位置以下至孔底(128.45~95.45 m) 具有弱岩溶现象的
    裂隙
    水流微弱,可能是地下缓流层
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    表  2  ZK6分层之前与其他坡面钻孔的水的物理-化学性质对比

    Table  2.   Comparison of physicochemical properties of ZK6 before layering and other boreholes at the slopes

    钻孔编号 水深
    /m
    Ca2+ ${\rm{HCO}}_3^{-}$ 温度
    /℃
    pH 电导率
    /μS·cm−1
    /mg·L−1
    ZK1 9.63 138 378 26.6 7.13 580
    ZK2 8.84 137 317 27.3 7.38 456
    ZK3 7.91 98 268 24.4 7.57 409
    ZK4 2.72 108 329 25.1 7.30 498
    ZK5 7.57 130 397 27.8 7.20 531
    ZK6 6.50 136 397 21.1 7.15 590
    ZK7 6.19 82 238 20.3 7.58 391
    ZK8 4.57 131 354 20.5 7.25 549
    ZK9 3.65 148 433 25.3 7.10 665
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-10
  • 录用日期:  2024-04-29
  • 修回日期:  2024-04-26
  • 网络出版日期:  2024-08-15
  • 刊出日期:  2024-06-25

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