地下河

喀斯特地形中的地下水流

地下河(Underground River ;Subterranean River ),亦称 暗河 、伏流,指在岩溶发育地区没入地表以下沿地下溶洞和裂隙而流的河流,是一种独特的喀斯特现象, 通常在岩溶地形地区出现,水流隐蔽在地下。地下河分布广泛,规模不一,有的小规模只在特定区域流动,有的大规模可横跨数百千米。

地下河是岩溶发展中的一种特殊产物,它的形成大致可分为强径流带演变、 洼地 发育、 断裂带 演变三类, 其水质和水量还受地质构造、降雨量和 人类活动 的影响。 按规模划分,地下河可分为巨型地下河、大型地下河、中型地下河、小型地下河; 按形态特征划分,地下河可分为树枝状地下河、锯齿状地下河、线状地下河、网状地下河。

地下河作为独特的 溶洞 现象,对 生态环境 和人类活动有重大意义。它参与了地质构造,供应了 水资源 ,还可发展为旅游资源。 在开发与利用地下河资源时,需要注重水资源的保护和合理管理,避免水质污染等问题,确保资源的可持续利用。

形成

形成过程

地下河是岩溶发展中的一种特殊产物,其演化形式受构造条件、地貌形态以及新 构造运动 的支配,因地而异。地下河的形成大致可分为强径流带演变、 洼地 发育、 断裂带 演变三类。

强径流带演变

这类地下河的形成与岩溶区古侵蚀 溶蚀谷 的发育过程关系密切,主要由河谷底部溶蚀裂隙发育的强径流带演变而成。在碳酸盐岩的原始地形中,沿着 地壳 构造裂隙的路径,小型沟谷开始形成,并逐渐成为地下水的 集水区 ,河床下形成了密集的裂隙网络,导致地下水流集中。随着地壳的抬升和侵蚀基准面的降低,地表水流逐步转入地下,形成潜流。同时由于地表水的逆向侵蚀速度跟不上侵蚀基准面的下降,河水开始转入地下。地下水位的上升导致河道内出现 落水洞 和漏斗等岩溶特征,河道从下游向源头方向逐步演变,最终河道干涸,形成封闭的谷地。随着时间的推移,河道下方的地下河通道不断发展,形成了完整的地下河系统。

洼地发育

地下河在洼地发育和演化的过程是一个由地表到地下、由小规模到大规模的连续发展过程,涉及地表水流的溶蚀、 地下水 的下渗以及管道的不断扩大,可以分为溶蚀侵蚀- 地表水 下渗-管道扩大三个阶段。第一阶段,地表水流沿着原始地形运动,对可溶岩体表面进行溶蚀和侵蚀,形成溶沟、溶槽、石芽地形。 地下水 具有山区裂隙水的特征,由多个分散的泉水排泄。第二阶段, 地表水 大量下渗,在裂隙密集的地段促使强烈溶蚀发生。在裂隙 相交 的地方,不同方向的剖面的裂隙有一定的张开度,地表水沿着这些薄弱地带一面下渗一面溶蚀,并使岩体松动,崩落形成漏斗和 飞雾洞 。第三阶段,随着管道逐渐扩大,更多 地下水 通过,反过来又使漏斗不断壮大发育形成 洼地 ,吸收的大量水源不断流入地下通道,使之有充足的地下水对岩体进行溶蚀,管道相继扩大,流量不断集中,地下河最终形成。洼地为地下河的发育提供了补给水源,而地下河则为洼地的持续扩大提供了排泄通道,二者相互促进,共同推动发展。

断裂带演变

有些地下河是直接由 断层 和断裂带演变而来的。断层和断裂带在 碳酸盐岩 中的透水性为地下河的形成提供了重要的地质基础,这些断层和断裂带在碳酸盐岩中充当着强渗透带的角色,它们的存在促进了 地表水 向下的渗透,为 地下水 的流动提供了有利的地质构造。特定的河流在地表水潜入地下后,会直接通过断裂带流向主河谷,形成地下河的排水路径。正断层和 逆断层 均具备形成地下河的条件。尽管逆断层内部的 构造岩 胶结紧密,透水性相对较差,但其上方的裂隙密集带却具有较好的透水和导水性能,因此地下河的通道多发育在逆断层的上盘。

影响因素

地下河的水流主要由地表 降水 沿岩层 渗流 或由地表河流经 落水洞 进入地下河组成,少数地下河水流由深源和远源 地下水补给 。 此外,地下河的分布还受 岩性 、地质构造和排水基准面的控制。在 地层 褶皱的轴部、裂隙和断裂发育部位、可溶岩与非可溶岩的接触外以及排水基准面附近,地下河易于发育。 在溶岩地质区域,地下河可能形成于 石灰岩 溶洞 中; 而有些地下河则明显受区域断裂构造带的制约,多沿断裂构造带发育。

主要特征

水文地质特征

地下河具有地表河流的主要特征,它拥有主流、支流组合的流域系统,以及可能的溶洞和裂隙介质。 有时在同一 含水层 中,可发育多条不 连通 的地下河。大的地下河系统可形成地下 水系 ,有的 流域面积 达1000平方千米以上。一条地下河通常具有单独的补给、径流与排泄条件。一般来说,地下河有地表流水注入,并可在适当地方流出地表。 地下河的补给和排泄受到地貌的控制,如层状 夷平面 地貌会影响地下河的补给和排泄方式。 在地下河的出口一般具有明显的洞穴通道和集中补给区,流量动态多属剧变型。 地下河的水文状况随地表河洪枯水期的变化而变化,其流量还与降雨量直接相关,在 降水 集中的月份,地下河流量较大。

地质构造特征

地下河的分布受到区域构造条件的影响,如断裂、褶皱等地质构造特征,这些特征影响了地下河的发育和分布。 不同的地貌部位,地下河发育的特征是不同的。在河流两岸,地下河分布与地方侵蚀基准面相应时,其规模大,水量丰富;假如有隔水层的阻挡,或者 第四纪 地壳 上升度大于溶蚀深度时,地下河则高于当地侵蚀基准面,形成悬挂式的地下河;在两个相邻溶蚀盆地间的山地,往往发育穿山式地下河。 此外,地下河大多发育在 碳酸盐岩 地区,如 石灰岩 和 白云岩 ,这些地区的岩溶作用较为强烈,有利于地下河的形成和发展。

化学特性

地下河的化学成分因其具体地理位置和地质环境而异, 人类活动 也可能对地下河的化学成分产生显著影响。地下河中常见的 物质 有 碳酸根 、 硫酸盐 、 硅酸盐 、氯离子、微生物等, 以及可能含有溶解的 二氧化碳 等气体。 在特定地质条件下,地下河中还含有铅、镉等重金属。 此外,地下河中的 硝酸盐 和其他污染物的浓度受人类活动的影响较大,如农业生产活动等。

主要分类

按规模划分

指 流域面积 在1000平方千米以上,主流长度为数十千米,枯季流量大于1立方米每秒的地下河。这类地下河多产生于高原边缘斜坡地带,如 分水岭 高原向主河谷过渡的地貌斜坡,在地貌上有较大的完整和连续性。岩溶层组类型为有利于岩溶发育的均匀状 石灰岩 。在流域内地下河与地表河交替和转换频繁,水位和流量有较大的变幅,水位变幅可达上百米。巨型地下河出露 标高 低,大多数在主河谷岸边,若在山区则形成一条山区河溪的源头。

指 流域面积 在100~1000平方千米,主流长为十数千米或数十千米,枯季流量大于0.1立方米每秒的地下河。此类地下河多数出现在高原面上河流切割处或大型 洼地 、盆地、坡立谷内。 碳酸盐岩 分布常受褶皱或断裂影响而中断,地下河出口常与断裂构造有关,或常因地表河流切割而露头。

指流域面积在数十至一百平方千米间,主流长十数千米,枯季流量大于0.01立方米每秒的地下河。这类地下河多分布在山区, 碳酸根 岩层分布面积有限,且常为断裂破坏其完整性和连续性的地区;地表河流密度大,不容许地下管道有较长延伸机会。

指 流域面积 在十数平方千米以内,主流长度仅几千米,枯季有断流或仅有几升每秒的流量的地下河。这类地下河常在地形起伏剧烈、山形支离破碎、整体性极差的地区,常常脱离 含水层 而悬挂状存在于 包气带 中,是一种接近衰亡的地下河。

按形态特征划分

宽 向斜 中发育一条或多条地下河,其主流不一定在轴部,支流顺张性或低序次地压扭性断裂或层面发育,形如树枝。

发育在窄向斜的地下河,一般沿横张裂隙在轴部两侧摆动,形如方齿。

在狭窄的梳状 背斜 地区沿背斜轴部张性裂隙发育的地下河,其上往往发育呈串珠状 落水洞 或 洼地 等负地形。

沿一组扭张性和一组扭压性裂隙发育的地下河,形如网格。

地理分布

世界分布

地下河分布在世界各地,具有不同的长度和特点,其中较为典型的地下河多分布在 亚洲 的 越南 、 菲律宾 、 黎巴嫩 、 中国 ; 欧洲 的 法国 、 斯洛文尼亚 ; 北美洲 的 墨西哥 、 美国 等地。

中国分布

中国的地下河总长度达数千千米,流量可达每秒几米,主要分布于 南方地区 ,具体包括 秦岭 以南、 云南省 昆明以东、桂林宜昌一线以西的地区,涉及 广西壮族自治区 、 贵州省 、 云南省 、 四川省 和 湖南省 五省。其中以黔桂溶洼-峰林地区、滇东黔西高原区、黔中高原区、 长江 和 珠江 分水岭 地带、川鄂湘黔山区、 广西壮族自治区 岩溶峰林平原地区的地下河发育最为显著。

位于 云贵高原 向 广西盆地 过渡的地貌斜坡地带,包括滇东南、 黔东南苗族侗族自治州 、 兴德村 部分地区。这里的地下河流程较长,汇水面积较大。其中,主流河段长达数十千米,汇水面积达数百平方千米。结构形态复杂,常见树枝型地下河分布普遍,主流与支流清晰可见,管道明显,规模壮观;具有集中排泄量大的特点。这一地区岩溶 水资源 丰富,常为地表河的重要源头。

位于 云贵高原 核心部分。高原面地形辽阔平坦,山峦多呈波状起伏,形成了典型的溶原丘峰景观。在溶原面上,地下河不发育,但在 乌江 上游的 三岔河 、 六冲河 以及 红水河 上游的 南盘江 和 北盘江 深切处,地势分别向东和向南倾斜,形成了峭壁陡谷的河谷。由于地形切割剧烈,地下河容易露头,因此该地区没有巨型地下河,主要以大型和中型地下河为主,如织金三塘地下河、赫章古达地下河、大方城西地下河等。

位于 贵州高原 中部。 地下水 埋深浅,地下河短小,以中小型为主,大型的则见于 鸟江镇 及 红水河 支流 谷地 内。从 分水岭 到河谷,岩溶地貌由峰林-谷地向峰林-注地、 丘陵 漏斗、深切谷四类地貌单位逐渐过渡,部分地下河能穿越这些单元,一气贯通,形成长达数十千米的大型地下河,如普定高羊地下河、镇宁龙潭地下河。

包括 贵州省 中部 都匀市 到贵阳至 安顺市 一带,地形相对平坦,地下河表现为短流程、规模较小的特点。主流长度一般在数千米,少数超过十千米,汇水面积一般为数十平方千米。地下河流量较小,枯季流量大多为每秒几百升。埋藏浅,水力坡度小,与地表河交替出现,形态多样,袭夺频繁。

包括川东南、黔北、 滇东北 、鄂西和 湘西土家族苗族自治州 部分地区。地形为条形 谷地 ,地下河基本上沿 构造线 延伸,以单管型地下河为主,长度短小,一般在数千米范围内。

位于广西岩溶峰林平原地区。地下河埋藏浅,分支众多,水力坡度平缓,出现 虹吸 承压管道,地下河发育深度不受当地侵蚀基准面控制。

作用和影响

发生地质作用

地下河通过水流的 侵蚀作用 ,参与地质构造的塑造和稳定,有助于维持地貌的长期演变。 地下河的地质作用主要包括 剥蚀作用 、 搬运作用 和沉积作用。

分为机械潜蚀作用和 化学 溶蚀作用。机械潜蚀作用是指地下河在流动过程中,对土、石的冲刷破坏作用,可视为地表河流的冲刷作用。在长时间的机械潜蚀作用下,可以形成地下空洞,甚至引起地面陷落,出现 落水洞 和 洼地 ,这种现象常见于 黄土 发育地区;疏松的 钙质 粉砂岩 也易受到冲刷破坏。化学溶蚀作用是指地下河可溶解可溶性岩石所产生的破坏作用,又称岩溶作用,是地下河 地质作用 的主要形式。地下河中普遍含有一定数量的 二氧化碳 ,能溶解 碳酸盐岩 ,使碳酸盐变为溶于水的 碳酸氢盐 ,随水流失。在碳酸盐岩地区, 化学 溶蚀作用可产生一系列如溶沟、石芽、溶洼、溶柱、落水洞、 溶洞 和 天峻石林 等岩溶地貌。在钙质或 硫酸盐 含量较高的 黏土岩 中,岩溶作用可产生土洞、土林等地貌。

搬运作用是指地下河将其剥蚀产物沿垂直或 水平运动 方向进行搬运。一般只有流动在较大洞穴中的地下河才具有较大的机械动力,能搬运数量较多、 粒径 较大的砂和 砾石 ,并在搬运过程中稍具分选和磨圆作用,类似于地表河流。地下河主要进行化学搬运。化学搬运的 溶质 成分取决于其流经地区的岩石性质和风化状况,通常以 碳酸氢盐 为主, 氯化物 、硫酸盐、 氢氧化物 较少。地下河的 化学 搬运物大部分会输入河流、湖泊和海洋。

分为机械沉积作用和化学沉积作用。机械沉积作用是指地下河流到平缓、开阔的洞穴中,水动力减小,在这些洞穴中形成砾石、砂和 粉砂 等堆积。由于水动力较小,地下河的机械 沉积物 具有粒细、量少、分选性与磨圆性差的特征,沉积物中可能混杂有溶蚀崩落作用产生的呈角砾状的崩积物。化学沉积作用是指含有溶解物质的地下河在运移中,由于温度、压力变化,水中 化学物质 发生沉淀。 溶质 在粒间孔隙内沉淀,可把松散堆积物胶结成致密的坚硬岩石;溶质在岩石裂隙内沉淀或结晶,可构成脉体,如由 碳酸钙 组成的 方解石 脉等;溶质随地下河流出地表,可在泉口处沉淀形成疏松多孔的泉华;饱含 碳酸氢钙 的地下河沿岩石的裂隙或 断层 流入 溶洞 ,可沉淀为溶洞滴石,包括 钟乳石 、 石笋 和石柱等。

改善生态系统

地下河中的化学物质利于高锰锌、低铜镉的优质 土壤结构 形成;其水温可一年四季保持恒温,能够起到调节地面四季气候的作用;此外,地下河及其洞穴系统为一些特殊生物提供了理想 栖息地 ,许多世界上绝无仅有的珍稀动物和野生洞长植物都生长于此,有利于保护 生物多样性 。

重要水资源

地下河是主要的 地下水 资源之一,可广泛应用于人类生活用水和工业生产用水、农业生产用水等。 此外,地下河水可以深入到人类无法涉足的地层深处,将许多有益于人体健康的矿物质成分及其 微量元素 带出地表,供给人们直接饮用或进行农业灌溉。

影响土木工程

地下河对土木工程的影响分为两个直接和间接两个方面:一是地下河与建筑物发生 物理化学 作用,改变建筑物的物理力学性质,即直接作用。二是地下河的岩土体与地下河之间的物理化学作用,改变了建筑物的岩土环境,间接影响到建筑物的物理力学性质。地下河对土木工程特殊的不良影响主要包括对 建筑材料 的腐蚀、降低地下河导致的地面 沉降 、地下河流动诱发的流砂和潜蚀、对地下建筑物的浮托作用等。

开发与利用

引水灌溉

在适当的地方修筑地下水坝,可建立地下蓄水库或抬高水位把地下河水引出地面加以利用,如用于农业灌溉等。在干旱地区,通过地下河进行农业灌溉既可保证农作物的的水分需求,提高农业产出,又可提高 水资源 的利用率。湖南云霄洞地下河便通过截流引水工程进行农业灌溉,解决了125公顷水田的旱涝问题。

水力发电

部分地区的地下河落差大、水量丰富,可利用地下河水发电。中国各省区兴建地下河水电站,已积累了丰富经验,如 云南省 的 六郎洞水电站 便是中国第一座用地下河发电的水电站。自1958年建成至今,六郎洞水电站的地下河来水量稳定,枯水期发电量1.8万千瓦,雨季超负荷运行,发电量2.8万千千瓦,还有多余水量排放。

旅游资源

一些地下河系统因其独特的地质和生态特征成为了旅游景点。如在广西都安,以地苏地下河为连接纽带,峰丛、峰林等各类地表 喀斯特 景观有序、集中地分布在地下河系周边,而通过天窗群、季节性地表河、竖井、落水洞等之间的相互联系, 世界地质公园 内呈现出“一河、百窗、千谷”的形态。

污染与保护

地下河污染

地下河可能被多种化学物质污染,这些化学物质包括杀虫剂、肥料、 染料 、药物、干洗剂、油漆、泄漏的汽油和其他由 人类活动 释放的化学物质。污染物通过地面渗入,经过 非饱和带 过滤后,最终到达地下河中。例如,道路上的汽油泄漏最终会进入地下。由于水流动速度很慢,污染物会在地下河中形成污染区,即受污染的地下河区域。 此外,受全球气候变化和特殊岩溶地质条件影响,岩溶区干旱缺水、 水土流失 严重,石漠化面积大,而地下河污染具有隐蔽性,治理难度大。据统计, 中国西南地区 约有30%的地下河水质变差,对人民群众身体健康及 生态环境 安全造成不利影响。

保护措施

科学研究

支持地下河的科学研究,深入研究地下河的形成、演化、生态功能等,为保护提供科学依据,如污染物在地下河中的行为、地下河的自净能力、探测新技术等。同时还可研究和推广既能保证农民收成又能保护地下河的技术方法,如利用 豆科 根瘤菌 共生固氮 作用减少 化学 氮肥 用量。

公众教育

普及岩溶科学知识和地下河保护的重要性,通过编写科普材料、培训教师、电视播放相关节目等方式提高公众意识。还可在已修复的地下河地区建立教育设施,展示地下河的污染原因、治理过程和重要性,提高公众保护意识。

监测立法

中国 水利部印发的《地下水保护利用管理办法》中提出,地下河的开发和利用必须以 生态环境 的保护和地下水资源的可持续利用为前提,务必避免对地下河系统造成不可逆的影响。在开发利用过程中,应当采取有效措施保护 地下水 生态系统的完整性和稳定性,确保地下河的水质和水量不受到污染和过度开采的影响。同时,需要进行全面的 环境影响评价 ,制定科学的管理方案和监测措施,以确保地下河系统的健康发展和地下水资源的可持续利用。

探测方法

地下河的探测方法包括示踪试验法、地质学推断法、 洼地 分析法、循迹追踪法、水准测量法等,这些方法可以单独使用,也可以结合使用,以提高地下河探测的准确性和效率。

当地下河在较长的距离上没有露头,或地下河有互相袭夺,或由集中到分散,地下河去向不明时,可通过使用 示踪剂 来确定地下河的流向和位置。

利用地下河受 岩性 和构造控制的特点,从地质学角度分析推断地下河的位置和发展趋势。这包括考虑地下河对岩性的选择性、接触带的控制性(层位接触带、 断层 接触带、 侵入接触 带),以及褶皱构造的影响。

通过 地貌学 方法分析岩溶区洼地与地下河的关系,划分为 盲谷 型洼地、天窗型洼地、漏斗状洼地、盆形洼地和竖井状洼地,这些洼地的生成与地下河的发育有不同程度的联系。

在地下河可进入的情况下,沿河道进行实测,或者根据地下河的露头点(如落水洞、天窗、竖井等)进行追踪,通过水位标高和流量的变化来勾划地下河的位置。

在地下河水力坡降小且露头点杂乱的情况下,可以在枯水期对各露头点实施水准测量,并制作地下水等水位线图,以确定地下河主流的位置。

主要地下河

世界各地均分布有较为典型的地下河景观,它们不仅因其长度和深度而闻名,还因其独特的地质特征和通航能力而受到关注。例如 墨西哥 的Sistema Sac Actun地下河通向加勒比海,是世界上最长的地下河; 菲律宾 的Puerto Princesa地下河可通航,流向 南海 ; 美国 的Santa Fe河地下河全长121千米,部分河段完全消失在地下,然后在5千米外的下游重新出现; 法国 的Labouiche地下河是 欧洲 最长的通航地下河; 斯洛文尼亚 的Kriznajama洞穴地下河长8.27千米,深度达到32米; 中国 的地苏地下河则长达241千米,是中国长度最长、水量最大的一条地下河。

Sistema Sac Actun地下河位于 墨西哥 ,全长约368千米,平均深度21米,最大深度120米,是世界上最长的地下河。它通向 加勒比海 ,河段上分布有220余个地下河天窗。

Puerto Princesa地下河位于 菲律宾 西南部,全长8.2千米,其中4.3千米可通航,是世界自然遗产之一。它穿过东南亚常见的 喀斯特 景观地形,由山流向 南海 ,河流下游受 潮汐 影响。这里是生物多样性保护区,包括了整个“山-海”生态系统以及一些非常重要的森林。

Labouiche地下河位于 法国 ,深约60米,全长1.5千米,是 欧洲 最长的通航地下河。 溶洞 内气候凉爽,景观多样。

连州地下河位于中国广东,是一个 亚热带 喀斯特地貌溶洞 暗河 景观。洞穴内可游览面积达600平方米,遍布千奇百怪的 钟乳石 、石笋、石柱、石幔等景观,有 广东省 地下第一河之称。

地苏地下河位于 中国 广西,全长241千米,是中国长度最长、水量最大的一条地下河。河段上分布着300余个天窗,其中规模较大、形态典型的有136个,可进入性较好的达47个,是目前国内外分布密度最大、观赏性极好的地下河天窗群,目前已探明世界级天窗9个。

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