水道退化与鞍形谷及伏流通道的形成
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发布时间：2024-05-14 19:29
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时间：2024-06-04 03:40
喀斯特化的排水道由于渗漏逐步丧失其排水的功能称为水道退化。水道渗漏的方式通常有两种，一种是沿程渗漏，如普定后寨河母猪洞至马官、冯家至茅坑，后寨至干坝等地段的渗漏就是这种方式，渗漏通道多为小的垂直裂隙与层间裂隙；另一种是排水道的一侧沿断层或大的垂直裂隙发育出新的喀斯特水通道，原排水道的水流集中灌入该通道而成为伏流。由于水能较大，伏流通道的规模可以很大，有的成为峡谷状洞道，如南盘江天生桥电站附近的天生桥伏流，六冲河九洞天天生桥伏流。如果伏流通道能够“吸入”全部洪水，则其侧方的过去地表水道完全退化为干谷。由于干谷失能，它会相对于附近的活动水道逐渐抬高而成为鞍形谷。如贵阳南明河天生桥（图4-1），原河流经过图中鞍形谷A—B—C。谷中D点有大片砂岩砾石冲积层。现河水于A点沿一大垂直裂隙伏入地下经天窗、天生桥出，而鞍形谷已高于河水面10m，洪水期不能过水，完全退化为干谷。通常，如果鞍形谷中发展新的漏陷，则会向洼地发展，平坦的谷底收缩为相邻洼地间的低垭口，如图4-1B—C段。在这个例子中，洼地是流水谷地退化后进一步漏陷化的产物。
图4-1 贵阳南明河天生桥伏流及鞍形谷平面图
由此可见，不仅地表水流袭夺会形成鞍形谷，地表水道集中渗漏也会产生出鞍形谷，而这一过程必然伴随一伏流的发育。新的水流通道形成使集中径流带转向，从而导致快速流场在喀斯特水文地貌空间上的调整。所以，鞍形谷仅是前一期快速流场的历史记录，而只有现在水流活动的伏流带才位于最低势面等势线槽中。
在快速流场中，不间断的水流作用要开凿出一个新的水流通道或扩大一个已有的水流通道需要多长时间或以怎样的速度进行，这是喀斯特水文地貌学十分关心的问题。而现场定点测定的数据是非常惊人的，在不间断水流的洞底用微距计测得的石灰岩消耗速率竟达1mm/a（High,1970），如果管道从裂隙开始就以这个侵蚀速率扩大，则一个直径为1m的管道形成只需500年。但实际上原始的裂隙被溶蚀作用打开需要很长的时间，因为这时水流的循环速度非常小，水流经常处于饱和状态。表4-1是实验测定的裂隙宽度与水流在未饱和时所能流经的裂隙长度（Berner等，1974;Plummer等，1978）。从实验的数据看，当裂隙宽度在10-3mm以下时，水流很快达到饱和。因此，溶蚀作用打开原始裂隙成为管道所需的这一“孕育”时期是相当长的，有人认为从最初的裂隙所具有的宽度看，需要10000年（Palmer,1984）。另外，根据表4-1，只要裂隙宽度达到10-1mm，其中的水流几乎可以认为是不会达到饱和的，而水流的溶蚀作用可以在它所能达到的初始水流通道长度内持续作用。但实际上水流会由于许多流程上的环境因素的改变而达到饱和，如洞穴碳酸钙堆积，河流石灰华堆积就是例证。当水流通道宽度扩大到某一个阈值时，通道所能容纳的水量增大，流态改变，固体载荷增多。即从这个阈值开始，以后水流对通道的机械侵蚀强度超过化学侵蚀强度。只有达到这个阈值，以后水流通道扩大的速度才会大大加快。虽然目前尚不能确切地指出这个阈值，但它显然存在，因为前述实测的1mm/a洞底消耗值比已知的湿热带最高溶蚀率300mm/ka（Palina,1974）高一个数量级。
表4-1 裂隙宽度与非饱和溶液所能到达的裂隙长度关系（据Berner等，1974;Plummer等，1978）
试验条件：水力梯度0.1，温度10℃，饱和浓度200mg/L。
图4-2 地表水槽与地下管道体积比较（相同流量下）
在第四纪构造运动中抬升的喀斯特区，广泛发育伏流通道这一事实还表明，地下管道的发育速度总是大于地表水道下切速度。这里，地下管道和地表水道均指为同一区域排泄基面所控制的。因为，如果情况相反，则在伏流通道能够到达基面以前，地表水道已被切至排泄基面，即使是洪水也能从地表水道排空，而短小的孕育中的伏流通道永远只能悬于地表水道斜坡上成为干盲道。根据广泛的事实，从这个简单的分析，我们就可以得到喀斯特流域中喀斯特水通道在地表和地下发育的相对速率的概念。但这似乎与机械侵蚀速率高于化学侵蚀速率的认识相矛盾。地表水道的下切包括机械侵蚀、化学侵蚀以及坡面风化带来的加速侵蚀作用，而地下管道的发育在扣除裂隙被溶蚀作用缓慢打开的10000年后（Palmer,1984），可以认为侵蚀作用和溶蚀作用才得以同时进行，但显然这里缺乏风化作用带来的加速侵蚀。因此，就绝对侵蚀速率而言，地下当然小于地表。不过，只要将一条侵蚀沟到达河谷时岩体被消耗的体积进行比较，疑问就容易解决了。我们可以实际地概算一下，在贵州清镇鸭池河（即乌江上游段）碳酸盐岩区找到一条汇入鸭池河的三级河流，其主流河谷的数据为长S=3500m，谷顶平均宽B=925m，谷顶到谷底平均高H=260m，构成一个倒三角形水槽（图4-2）。设塑造出这个水槽的平均侵蚀速率是v1，则该河谷发育所需的时间y1=BHS/2v1。另一方面，Н.А.Ржанннин的统计表明对于一个三级水道其多年平均流量为0.3m3/s，最大流量为2m3/s（承继成等，1986）。因此，需要考虑地下管道能排空最大流量所需的横截面面积。根据实际测定，山区河流岸坡带的管流流速多＞0.1m/s（张英骏等，1985）。取其流速下限0.1m/s，则排空最大流量2m3/s的圆形管道横截面积为20m2，即需要发育的圆管半径为r=2.5m。设先期溶蚀作用进行了10000年后管道内机械和化学总的侵蚀速率是v2（显然v2超过区域的平均溶蚀速率），则该管道发育所需的时间y2＝πr2S/2v2+10000，如果河谷发育的时间短于管道发育所需的时间，即有：
喀斯特流域水文地貌系统
将S、B、H、r的测算值代入，则上述关系变为：
喀斯特流域水文地貌系统
这个关系不够清楚，可以用我国黄土沟谷的最大侵蚀速率17.25m/ka（钱宁等，1980）代入不等式左边第二项得出：
喀斯特流域水文地貌系统
这个不等式是一个什么概念呢？即是说，如果在这个实例中，要求地表水道的发育时间短于地下管道的发育时间，则需要地表侵蚀速率是地下侵蚀速率的104倍。即地表以黄土沟谷的最大侵蚀速率下切（17.25m/ka），而地下管道以远小于我国最小的区域溶蚀速率（约10mm/ka）（陈治平，1985；杨明德，1985），即以0.7mm/ka的溶蚀速率发育。显然这些假设的“要求”在现实区域上是永远不能实现的，所以伏流通道的广泛发育也就很容易理解了。
其实无论是地表河道还是地下河道，其形成和发育都是在一种高速水流场中进行的，河道的开拓，洞道的扩展又都要从属于水流作用的最小功能原理，即塑造地下通道的水流也要受最小阻力原理的支配，总是选择最小阻力路径运动，亦即通过具有起伏、弯曲及通道的汇合与分叉时，要使通过这些地段的水流的水头损失达到最小值，水流就要对其阻碍的岩石优先进行侵蚀和溶蚀，改造水流通道以满足能量消耗最小原理要求，从而导致产生管道的扩大（Yang,C.T.,1979），故当能量取水流势能E以水头H表示时则：
喀斯特流域水文地貌系统
式中，t、l、J、U分别为时间、沿河距离、河道坡降、断面平均流速。
而水道坡降 （△H为水头差，L为水道长）
因为J除了标志地下管道纵向形态特征外，它还代表单位重量的水经过单位距离所损失的势能，故在均匀流条件下，水头差△H等于沿程水头损失hs，故有：
喀斯特流域水文地貌系统
能量消耗最小的数学方程为：
喀斯特流域水文地貌系统
式中流速U由水流外部因素决定。
因此上式可简化为：hs=min
图4-3 贵州织金响水洞平面图（贵州师范大学与新西兰奥克兰大学联合测绘）
这就是说，无论L取何值，当hs=min时， 总是成立的。只要地下水流开凿地下通道所搬走的岩石块体质量小于水流开拓地表河槽所搬运走的岩石块体质量，不管地下通道是否比原地表河槽弯曲，舍地表而行地下均符合最小功原理。
如贵州织金响水洞就是一条比原地表河长一倍多的伏流通道（图4-3）其所以能舍近求远，舍地表而行地下就是在这一原理支配下形成的。
