对东卡鲁盆地（Eastern Karoo Basin）沿德拉肯斯堡山脉（Drakensberg Mountains）至印度洋（Indian Ocean）区域的地下水流动系统进行的调查研究

《Journal of Hydro-environment Research》：Investigation of groundwater flow systems in the Eastern Karoo Basin along the Drakensberg Mountains to the Indian Ocean transect

中国摘要：本研究以南非东卡鲁奥沉积盆地为对象，通过整合电位势面分析、水力标记、泉水分布、基流指数分析、同位素追踪及地质结构解析六种方法，揭示了从德拉肯斯堡山脉到印度洋的地下水流动系统具有显著的局部分段特征。研究显示，广泛分布的科拉苏岩侵入体（岩墙和岩床）通过阻碍垂直与水平地下水运动，导致系统被分割为多个独立的水文地质单元。尽管存在陡峭的地形梯度，但地下水流动主要受地质结构控制而非单纯地形驱动，表现为高海拔局地补给与排泄，缺乏跨区域连续流动。该成果为复杂地质条件下水文地质建模提供了新依据，对水资源管理和生态保护具有重要指导意义。

　　地下水流动系统是全球水资源管理的重要组成部分，尤其在地形复杂且数据匮乏的地区，其流动特性对水资源可持续利用、生态保护和环境变化响应具有深远影响。本研究聚焦于南非夸祖鲁-纳塔尔省的东部卡鲁沉积盆地，从德拉肯斯堡山脉到印度洋的横断面，探讨了该区域地下水流动系统的特点，特别强调地质因素对流动动态的控制作用。通过整合多种独立的证据来源，包括水位等势面图、湿地和排水模式、泉分布、基流分析、同位素与水化学追踪以及地下地质结构分析，研究揭示了地下水流动系统主要表现为局部化和分隔式，而非预期的从高地向低地的区域性流动。这些发现不仅为该地区的地下水管理提供了新的视角，也为全球类似沉积盆地的水文地质研究奠定了基础。

地下水流动是水循环的关键环节，连接地表水与地下水系统，影响河流径流和湿地生态系统。在干旱季节，地下水为河流提供基流，维持湿地和相关的生态水文多样性。在湿润地区，山地往往是地下水补给的主要来源，通过山前补给，将水输送至下游低地的含水层，支持着大量人口的用水需求。然而，由于山地地形的复杂性和地下岩层水文结构数据的缺乏，地下水流动系统的特性在许多地区仍然存在认知盲区。特别是在地质结构复杂的区域，地下水的流动路径往往受到岩层渗透性、断层、裂隙和地质构造的影响，使得地下水流动呈现高度异质性。

在南非，地下水占国家供水的10%至19%，许多农村居民依赖地下水满足日常用水需求。卡鲁沉积盆地是南非最重要的含水层系统之一，其区域地下水流动系统由于地质结构的异质性而显得尤为复杂。该盆地由低渗透性的沉积岩构成，地下水主要储存在次级特征中，如裂隙、断层、层理面和岩体边界。地下水的补给和流动不仅受到地形的影响，还与地质构造密切相关。在一些地区，尽管地形起伏显著，地下水流动却表现出明显的局部性，这与地下岩层的渗透性、水文地质结构以及地形对流动路径的控制作用有关。

本研究采用多方法整合分析，以更全面地揭示地下水流动系统。通过分析地下水位等势面，研究发现区域水力梯度在不同区域表现出显著差异。在某些区域，水力梯度陡峭，表明可能存在较高的地下水流动速率，而在其他区域则相对平缓，可能意味着水力屏障的存在。这种水力梯度的差异表明，地下水流动并非简单地从高地向低地迁移，而是受到地下岩层结构的强烈控制。例如，岩石裂隙和断层的存在可能导致地下水在某些区域形成局部循环，而缺乏连通性。因此，地下水流动的模式往往与地形特征不完全一致，而是由地质结构主导。

湿地和排水模式作为水力标记，能够提供关于地下水流动路径和补给区的重要信息。在本研究区域，湿地主要分布在高地地区，而低地仅有少量湿地，且这些湿地多由地表水维持，而非地下水补给。这表明，高地可能是地下水的主要排泄区，而低地可能缺乏与地下水的直接联系。同时，排水模式的特征，如河流的弯曲形态，也受到地下地质条件的影响。在高地地区，尽管地形陡峭，但河流仍表现出典型的蜿蜒形态，这可能是由于地下岩层的高抗压性，限制了垂直侵蚀的发生，从而导致河流形态的变化。这种现象表明，地下水流动和地表水流动之间存在复杂的相互作用，不能简单地通过地形特征进行预测。

泉的分布和特征同样反映了地下水流动的特性。在本研究区域，泉主要分布在高地和中低地，其出水速率通常较低，低于0.2升/秒。这种泉的特征与许多其他类似地形区域不同，后者往往具有较高的地下水出流量。研究推测，这可能是由于地下岩层的渗透性较低，导致地下水难以形成大规模的排泄点。此外，泉的分布与地质构造密切相关，某些泉的形成可能受到断层和裂隙的控制，这些结构可能作为地下水流动的通道或障碍。泉的局部分布表明，地下水流动可能更多地受到地质结构的影响，而非单纯依赖地形坡度。

基流指数（BFI）分析进一步揭示了地下水流动的局部化特征。BFI用于衡量地下水在河流总径流中的贡献比例，较高的BFI通常意味着较大的地下水贡献。然而，在本研究区域，BFI在高地和中低地表现出较高的值，而低地的BFI则相对较低。这表明，地下水流动主要发生在高地，而非预期的从高地向低地的区域性流动。这种模式的出现可能与地下岩层的结构有关，如裂隙和断层的存在，限制了地下水向低地的流动路径。同时，BFI在河流不同流级中的分布也显示出局部化的特征，进一步支持了地下水流动系统的分隔性。

同位素和水化学追踪是研究地下水流动的重要工具。通过分析水中的放射性同位素（如222Rn）和溶解固体（TDS）以及钠与钙的比值（Na?/Ca2?），研究发现这些参数在不同地形区域之间缺乏一致性。例如，在uMgeni流域，222Rn浓度在高地较高，而在低地则较低，表明地下水在高地区域的流动更为活跃，而在低地则相对较少。这种趋势与地下水的流动路径和补给区有关，说明地下水流动在高地可能受到局部地质条件的控制，而并非简单的从高地向低地迁移。此外，Na?/Ca2?比值的变化也反映了地下水流动的复杂性，表明地下水的流动可能受到局部水文地球化学过程的影响，而非整体的区域流动。

地下地质结构的分析进一步支持了地下水流动的局部化特征。通过卫星重力数据，研究发现地下存在显著的地质结构和异质性，这些结构可能作为地下水流动的通道或障碍。例如，重力数据的水平导数（HDR）分析显示，地下地质结构与地表排水和水力梯度方向垂直，这表明这些结构可能对地下水流动产生限制作用。此外，研究发现，dolerite岩浆侵入在地下形成明显的密度差异，这些差异可能影响地下水的流动路径和补给区。dolerite的侵入使得地下水流动受到阻碍，从而形成分隔的含水层单元。

在本研究区域，dolerite的侵入主要分布在中高地，覆盖了约18.3%的区域。这些侵入体通常以水平（sills）和垂直（dykes）的形式出现，它们可能限制地下水的垂直和横向流动，从而形成局部化的含水层系统。尽管地形起伏显著，但地下水流动并未表现出明显的区域性趋势，而是受到地质结构的强烈控制。这种现象在许多其他地区并不常见，表明本区域的地下水流动系统具有独特的地质背景。

研究还发现，尽管存在陡峭的地形梯度，地下水流动却表现出较低的横向渗透性，这可能是由于dolerite侵入体的物理特性所致。dolerite本身具有较低的孔隙度和渗透性，因此在未被风化和裂隙影响的情况下，它可能作为地下水流动的屏障。然而，在某些地质条件下，如断层和裂隙的存在，dolerite可能成为地下水流动的通道，从而影响地下水的补给和排泄路径。

此外，研究还指出，地下水流动的局部化特性对水资源管理提出了挑战。由于地下水流动系统被地质结构分隔，各含水层单元的补给和排泄过程可能相互独立。这种分隔性意味着，对某一区域地下水的开采可能影响其他区域的含水层，从而导致水资源的不均衡利用。因此，有效的地下水管理必须考虑区域地质条件，避免过度开采某一含水层单元，从而影响整个地下水系统的稳定性。

研究结果还强调了地质结构在控制地下水流动中的关键作用。尽管地形起伏显著，但地下水流动并非完全由地形决定，而是受到地质结构的强烈影响。这种地质控制作用在许多研究中得到了验证，表明地下水流动系统是复杂的，并且需要多学科方法进行综合分析。因此，未来的研究应更多关注地质结构对地下水流动的影响，特别是在数据匮乏和地质条件复杂的地区。

本研究提出的概念模型为未来类似沉积盆地的水文地质研究提供了参考框架。通过整合多种证据来源，研究揭示了地下水流动系统的局部化和分隔性，表明地质结构在控制地下水流动中的主导作用。这一模型不仅有助于理解地下水流动的机制，还为水资源管理和生态保护提供了科学依据。此外，研究还建议采用电阻率、磁力和地震勘探等方法，以更精确地确定地下dolerite侵入体的分布和特征，从而完善地下水流动模型。

总的来说，本研究通过多方法整合，揭示了南非东部卡鲁沉积盆地地下水流动系统的复杂性。研究结果表明，尽管地形起伏显著，地下水流动并未表现出明显的区域性趋势，而是受到地质结构的强烈控制。这一发现对于理解地下水流动机制、优化水资源管理以及应对气候变化和水资源短缺具有重要意义。未来的研究应继续探索地质结构对地下水流动的影响，并采用更先进的技术手段，以提高对地下水系统的认知和管理能力。