岩溶水的运动特征
岩溶水流速变化很大,因此其流态的变化也很复杂。在溶孔和溶缝中,地下水缓慢渗出,水流属于层流状态;而在溶洞、暗河等岩溶管道中,地下水流速较大,往往处于紊流状态;在它们之间的大型溶蚀裂隙中,大多表现为过渡混流状态。
岩溶管道的断面大小因地而异,有的地方形成大厅,有的地方可能很窄;有些地方有漏斗、竖井、天坑、天窗等。,它们与地表相连,而在某些地方,它们只是孤立的管道。因此,岩溶水的运动在某些地区往往局限于自由地表流动(当有天窗与地表相通时,或地下洞室未完全充满地下水时),而在其他地区则被孤立的管道所限制,这就是承压水流动。同时,岩溶含水介质的截面不同,导致不同截面的地下水流动能差异很大。断面较窄的水流动能较大,断面较宽的水流动能较小,因此地下水测压水位波动较大(图11-12)。
图11-12岩溶管道水压测量下水位变化示意图(据任天培等。,1986)(箭头方向表示地下水的方向,其长度表示速度的相对大小)。
由于岩溶发育不均匀,含水介质之间水力联系程度变化较大,很多情况下地下水流线互穿互不混合,造成统一水位的水流和各自封闭孤立的管道并存。最典型的例子是英国圣邓斯坦附近的竖井,那里有两个高度相同的孤立的泉水,相距只有几米,但它们的水质和水量却完全不同。示踪试验表明,其中一个由浅水流动补给,另一个由深部隔离管道补给。因此,在岩溶地区绘制等压线或等压线图时,必须有足够密集的钻孔,不能像在松散层孔隙水那样简单地线性插值。
在强岩溶地区,地表河流往往被地下河俘获,潜入地下。当它在地下流动一定距离后,由于河道发育条件的限制,又重新流向地表,以河流的形式继续流动。地表的河段是明流,地下流的河段叫暗流。这种明流和暗流交替的现象在国内外很多岩溶地区都非常普遍。
岩溶水的径流方向一般是从补给区向排泄区移动,但在其他方向上,也有水力联系的不同含水介质之间的水分交换,如双重介质之间的双向流动。在洪水季节,由于天坑和封闭洼地的快速点补给,水位迅速上升。但由于附近溶孔和溶缝的缓慢渗透补给,水位上升缓慢,导致双重含水介质之间存在压力差。因此,管道水一方面向排放口移动,另一方面横向补充周围的溶解孔隙和溶解裂隙介质。在枯水期,许多管道流在地表没有明显的补给,由于排水渠道畅通,其内水位迅速下降;但由于缓释水效应,周围溶孔溶蚀裂隙网络中水位下降缓慢。此时,在压差的作用下,水从溶解孔隙溶蚀裂缝介质流入管道,形成管道内的基本流动(图11-13)。这种情况常见于黔南、黔北。岩溶水的运动不仅具有垂向波动的特点,而且在水平方向上还具有双重介质之间双向流动的特点,这就造成了其水位面形在不同季节的变化(图11-14)。
图11-13岩溶含水层扩散流与管道流水动力结构图
图11-14不同季节岩溶管道及裂隙系统水压面示意图(据袁道贤等,1988)。