巖溶地下水多層次徑流模型應(yīng)用

楊帆 劉海峰

摘? 要：麗江河間地塊上巖溶水系統(tǒng)十分發(fā)育，查明其徑流規(guī)律有利于“玉龍-古城”城區(qū)科學(xué)高效開發(fā)利用地下水資源，對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)十分重要。作者采用巖溶地下水多層次徑流模型對(duì)研究區(qū)巖溶水徑流規(guī)律進(jìn)行分析，查明麗江河間地塊巖溶水徑流在表層徑流、淺徑流、深徑流不同層次的規(guī)律。綜合地下水流量分析、水化學(xué)反演、同位素測(cè)試、示蹤試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，表明作者提出的徑流模型有較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：多層次徑流模型；水徑流結(jié)構(gòu)；水徑流路徑；示蹤試樣；驗(yàn)證分析

中圖分類號(hào)：P641.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）10-0106-04

Abstract： The karst water system on the Hejian formation of the Lijiang River is well developed， and it has been found that its runoff law is conducive to the scientific and efficient development and utilization of groundwater resources in the urban area of "Yulong-Gucheng"， and thereby is very important for regional economic development and ecological environment construction. The author analyzes the law of karst water runoff in the study area using the multi-level runoff model of karst groundwater， and finds out the law of karst water runoff in different levels of surface runoff， shallow runoff and deep runoff in Hejian formation of the Lijiang River. Based on the results of groundwater flow analysis， hydrochemical inversion， isotope test and tracer test， the conclusion is verified， which shows that the runoff model proposed in this paper has a good application effect.

Keywords： multi-level runoff model; water runoff structure; water runoff path; tracer sample; verification analysis

在全國(guó)廣布的巖溶發(fā)育區(qū)中，云南以豐富的巖溶地下水類型具有極高的研究?jī)r(jià)值。其中滇西麗江古城-玉龍地區(qū)的巖溶水系統(tǒng)為巖溶高原類系統(tǒng)的典型代表。該地區(qū)水文地質(zhì)研究程度較高，前期工作積累了豐富的巖溶水調(diào)查資料，有利于此項(xiàng)研究的開展。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期，云南普遍經(jīng)歷了三期抬升運(yùn)動(dòng)。受此影響，云南紅河、文山等地經(jīng)歷了巖溶多期發(fā)育，形成了多層次的巖溶地下水系統(tǒng)，總結(jié)得出了巖溶地下水多層次徑流模型。麗江古城-玉龍地區(qū)地質(zhì)條件與模型應(yīng)用條件高度吻合，利用該模型能有效分析研究區(qū)巖溶水的徑流規(guī)律。

1? 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

研究區(qū)位于青藏高原東南緣，范圍以麗江盆地和拉市盆地兩流域?yàn)橹?，包括溶蝕高原、構(gòu)造剝蝕高山、侵蝕深切峽谷和斷陷沉積盆地等地貌單元，地勢(shì)整體西北高東南低。研究區(qū)北西、北、東3個(gè)方向金沙江環(huán)繞，為最低排泄基準(zhǔn)面，北部構(gòu)成高原巖溶河間地塊；金沙江的支流漾弓江與黑白水是研究區(qū)地表地下水的重要排泄途徑，金沙江岸及南東向鶴慶盆地的觀音峽排泄帶為重點(diǎn)研究地段。

玉龍雪山出露地層以?shī)W陶（O）、泥盆（D）、石炭（C）為主。二疊紀(jì)巨厚玄武巖（Pe）于工作區(qū)有較大規(guī)模分布；濱海沼澤相沉積（P2h）有較多出露。三疊系海相巖溶地層（T2g、T3Z）在研究區(qū)有廣泛分布，其底部為濱-淺?；鹕剿樾汲练e（T1q），上覆陸相沉積（T3sg）。古近系山麓相或河湖相沉積巖（E2b1-3）分布于工作區(qū)東部；早更新世在麗江盆地南部和拉市盆地形成河湖相沉積層（Q1s）；在中更新世有河湖相、冰川相松散堆積物（Qp），全新世形成河湖相沉積（Qhal）[1]。

研究區(qū)處于羌塘－三江造山系與揚(yáng)子陸塊區(qū)西緣結(jié)合部位，經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。研究區(qū)中北東向斷裂體系切割了前期南北向斷裂，在區(qū)域上形成了以斷塊為基本單元的構(gòu)造架構(gòu)。

2? 巖溶地下水多層次徑流模型

參考王宇[2]在2018年提出的巖溶水淺循環(huán)、深循環(huán)概念，結(jié)合云南巖溶石山地區(qū)實(shí)際，作者總結(jié)了“巖溶地下水多層次徑流模型”。此模型的物質(zhì)基礎(chǔ)是一個(gè)地區(qū)具有廣闊分布的巖溶地層，且地層具有提供巖溶充分發(fā)育的厚度，巖溶發(fā)育空間內(nèi)非可溶巖不具絕對(duì)空間分割性。依據(jù)云南大地構(gòu)造史[3]，該模型的地形要素在垂向?yàn)槎鄬哟螛?gòu)造，一般有3個(gè)層次。位置最低的地形一般為大江大河的侵蝕峽谷或大型溶蝕平原邊緣，構(gòu)成模型的巖溶水最低排泄基準(zhǔn)；位于中間高度位置的地形單元一般為巖溶斷陷盆地、巖溶寬谷以及中間層級(jí)的溶蝕面地形（峰叢或峰洼地、溶蝕平原等）；模型頂部地形為最高層級(jí)的巖溶夷平面。此模型中，表層巖溶徑流帶發(fā)育深度最小，地下水徑流介質(zhì)為溶隙及微小型溶蝕孔隙，賦存水量小，水力坡度大，徑流迅速，季節(jié)性強(qiáng)。模型淺部徑流系統(tǒng)一般發(fā)育于地下50～150 m處，發(fā)育深度受地層構(gòu)造及巖性變化的限制，巖溶水徑流介質(zhì)通常為溶隙網(wǎng)絡(luò)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的巖溶管道系統(tǒng)，水力坡度較大，徑流速率較大，調(diào)蓄能力一般很差，部分系統(tǒng)季節(jié)性過(guò)水。模型的深部徑流系統(tǒng)受構(gòu)造及巖性控制發(fā)育深度可達(dá)200～400 m或更深，巖溶水徑流介質(zhì)一般為樹狀結(jié)構(gòu)的地下河系統(tǒng)，常附帶羽狀、網(wǎng)狀溶隙網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)整體展布跨度大，延伸幾千米至十幾千米，下游常發(fā)育近水平展布的廊道。此類型系統(tǒng)可形成地下湖、倒虹吸管等結(jié)構(gòu)，整體水力坡度小，徑流較慢，對(duì)水量有較強(qiáng)的調(diào)蓄能力。

3? 麗江河間地塊地下水徑流規(guī)律分析

基于研究區(qū)地質(zhì)條件（圖1）應(yīng)用巖溶地下水多層次徑流模型分析，可得出淺部徑流與深部徑流系統(tǒng)在河間地塊地下空間中分布緊密，整個(gè)系統(tǒng)規(guī)模巨大、互聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多層性明顯的結(jié)論。

3.1? 表層徑流

表層徑流主要分布于玉龍雪山西麓，黑白水流域，金沙江岸，補(bǔ)給來(lái)源為冰雪融水或大氣降水，通過(guò)二疊、三疊系基巖（風(fēng)化）裂隙滲流，埋藏淺，滲流慢，流程短，流量?。ㄆ骄∮?.1 L/s）；特殊地層及斷層破碎帶形成條帶型溶隙水和強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙水，流程較長(zhǎng)，向下滲透更深，在條件有利處形成強(qiáng)徑流帶，徑流量較大（14.67～403.2 L/s）[1]。徑流途徑受地形控制，一般于就近地形轉(zhuǎn)折端或侵蝕沖溝底部溢出排泄。

注：①九子海；②紅水塘；③古都塘；④黑白水河；⑤金沙江岸；⑥文海；⑦拉市海；⑧麗江盆地；⑨金沙江岸；I清溪龍?zhí)叮虎蚓哦執(zhí)?；Ⅲ玉水寨泉群；IV雪山南東麓泉群；V白浪花泉；VI干地壩農(nóng)場(chǎng)水下泉；Ⅶ火車貨運(yùn)站泉；Ⅷ魚化村泉群；IX大龍?zhí)?；X觀音峽泉；XI三股水泉；XII興文村小學(xué)；XIII美泉村圣泉；XIV新尚村賽吉坎泉；XV七河鎮(zhèn)羊見村下金安泉；XVI七河鎮(zhèn)新文村泉。

圖1? 麗江河間地塊水文地質(zhì)條件圖

3.2? 淺部徑流與深部徑流系統(tǒng)

研究區(qū)淺部徑流與深部徑流系統(tǒng)主要分布在拉市盆地、麗江盆地、金沙江岸以及黑白水流域，存在于二疊系、三疊系、古近系巖溶地層中，以T2-3、E2b3巖溶水為主體。這些系統(tǒng)含水層系統(tǒng)及水流場(chǎng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，巖溶孔隙流、溶隙管道流、溶隙管洞流等都有分布，水流場(chǎng)的主徑流方向?yàn)橛膳璧胤炙畮X向金沙江排泄基準(zhǔn)面流動(dòng)。在麗江盆地東部高原巖溶系統(tǒng)內(nèi)，紅水塘、九子海、上古都塘等洼地的地下巖溶管道或管洞發(fā)育的方向受斷層控制，地表多表現(xiàn)為落水洞、漏斗按構(gòu)造線方向線性分布；巖溶地層與相對(duì)隔水層呈斷層接觸關(guān)系，T3sg或P2h限制了巖溶流向[4]，大量地下水并未直接向金沙江這一排泄基準(zhǔn)排泄，而是向北運(yùn)移至黑白水谷底排泄。據(jù)實(shí)際調(diào)查，在侵蝕基準(zhǔn)面高度之上的巖溶含水層由石灰?guī)r組成的強(qiáng)透水層與由白云巖組成的相對(duì)弱透水層以互層或夾層的形式構(gòu)成，在巖溶地層內(nèi)形成多層巖溶含水層。巖溶水受斷層或下伏弱透水層阻隔在不同高程位置成泉（圖2）。

麗江河間地塊地下水徑流可分為峽谷型深部徑流和盆地型淺部徑流。其中，前者又細(xì)分為地下河及巖溶大泉兩類，其補(bǔ)給徑流區(qū)為溶蝕高原面，溶丘洼地及溶丘谷地，有天坑、豎井、落水洞發(fā)育。地下河結(jié)構(gòu)上有主管洞及分支管道組成的地下河系，水力坡降大，流程長(zhǎng)，巖溶結(jié)構(gòu)對(duì)流速調(diào)控性強(qiáng)，于金沙江谷底或金沙江支流谷底分布；巖溶大泉以網(wǎng)絡(luò)狀溶隙系統(tǒng)為主，巖溶管道系統(tǒng)可能存在，水力坡降大，流程長(zhǎng)，流速中等，于金沙江谷底或接近谷底的岸坡上分布。排泄水點(diǎn)在海拔1 475～1 870 m高度分布，代表性的有三股水地下河（2 084.4 L/s），白浪花地下河（400 L/s），七河鎮(zhèn)新文村泉（266.6 L/s），七河鎮(zhèn)羊見村下金安泉（720 L/s）。

盆地型淺部徑流排泄形式為巖溶大泉，補(bǔ)給徑流區(qū)為溶蝕高原面，溶丘洼地，有落水洞發(fā)育，結(jié)構(gòu)為具有分支結(jié)構(gòu)的管道及網(wǎng)絡(luò)狀溶隙系統(tǒng)，流量動(dòng)態(tài)變化大，流速快，分布于盆地邊緣或盆地外圍斜坡或金沙江岸坡（海拔2 440～2 650 m）。代表性排泄點(diǎn)如九鼎龍?zhí)叮?26.47 L/s），美泉（439 L/s）；海拔2 200～2 560 m，大龍?zhí)叮?70.72 L/s）、魚化泉（222.88 L/s）、西關(guān)泉（148.18 L/s）。

4? 驗(yàn)證分析

4.1? 基于泉流流量動(dòng)態(tài)的分析

地下水排泄點(diǎn)的流量動(dòng)態(tài)變化反映了泉域、地下河系統(tǒng)徑流的動(dòng)力學(xué)特征，此次研究選取了白浪花地下河、大龍?zhí)?、西關(guān)泉、美泉村圣泉的流量動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析。具體過(guò)程為使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分析流量的變化特征，并結(jié)合水文地質(zhì)條件和氣象資料，綜合分析水徑流特征。從動(dòng)態(tài)圖（圖3）可知白浪花地下河屬穩(wěn)態(tài)變幅小，流量峰值滯后降雨峰值3～4個(gè)月；屬波態(tài)的還有大龍?zhí)?、西關(guān)泉，流量變幅較大，流量峰值滯后降雨峰值2個(gè)月；美泉村圣泉屬峰態(tài)，流量變幅大，流量峰值滯后降雨峰值1～2個(gè)月。

綜合分析得出以下結(jié)論：①白浪花地下河的徑流系統(tǒng)對(duì)降水響應(yīng)滯后較強(qiáng)，水動(dòng)力相對(duì)較弱，分析認(rèn)為徑流過(guò)程整體水力梯度較小，具有慢速流為主的流量調(diào)蓄能力，及模型中的深部徑流特征；②西關(guān)泉與大龍?zhí)额愃?，能代表麗江盆地外圍分水嶺上的地下水徑流發(fā)育，以管道為主，物質(zhì)運(yùn)移較為流暢，徑流特征符合模型中的淺部徑流；③美泉村圣泉的徑流通道較為通暢，反映出徑流系統(tǒng)水力梯度大，消泄能力強(qiáng)，以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的巖溶管道構(gòu)成，無(wú)蓄水調(diào)節(jié)部空間，徑流特征符合模型中的淺部徑流類型。

4.2? 水化學(xué)徑流路徑反演分析

由于巖溶地層T2-T3的廣泛分布，僅對(duì)排泄水點(diǎn)的常規(guī)化學(xué)成分進(jìn)行聚類分析不能準(zhǔn)確分析各泉域的地下水徑流路徑[5]， 需采用水化學(xué)路徑反演[3]、示蹤試驗(yàn)、同位素測(cè)試結(jié)合水文地質(zhì)條件分析才能更精準(zhǔn)地分析深循環(huán)徑流和淺循環(huán)徑流的路徑分布。

筆者根據(jù)2019年雷風(fēng)平[5]，2016年高偉[6]等所做同位素測(cè)試結(jié)果得出：九子海為黑龍?zhí)度阂约扒逑旱难a(bǔ)給源；九子海為干地壩泉、紅水塘泉的補(bǔ)給來(lái)源；九子海與白浪花泉間無(wú)水力聯(lián)系，古都塘地區(qū)為該泉的補(bǔ)給區(qū)。

依據(jù)2012—2013年麗江市黑白水河引水黑龍?zhí)侗Ｈa(bǔ)水工程連通示蹤試驗(yàn)，2019年韓嘯所做示蹤試驗(yàn)[7]（熒光素鈉）的結(jié)果得出：九子海與白浪花泉間無(wú)水力聯(lián)系；九子海為黑龍?zhí)丁⑶逑旱难a(bǔ)給區(qū)。

依據(jù)2015年唐克旺采用PHREEQC方法[8]得出的結(jié)論：九子海與清溪泉群、黑龍?zhí)度?、巖腳泉、甘澤泉存在水力聯(lián)系；與干海子泉、白浪花地下河無(wú)水力聯(lián)系。

綜上，九子海地區(qū)至黑龍?zhí)?、清溪泉排泄帶發(fā)育有淺部徑流系統(tǒng)，符合多層次徑流模型中淺部徑流模式分析的結(jié)果；古都塘地區(qū)至白浪花排泄點(diǎn)發(fā)育有深部徑流的地下河系統(tǒng)，也同樣符合模型分析的結(jié)果。

5? 結(jié)論

麗江河間地塊巖溶水徑流體系中淺部徑流系統(tǒng)、深部徑流系統(tǒng)是確實(shí)存在的，受大地構(gòu)造控制階梯狀分布發(fā)育于河間地塊地層中。由于它們的存在，麗江河間地塊區(qū)域上接收的降水資源經(jīng)地下水徑流系統(tǒng)完成了多層次又相互關(guān)聯(lián)的時(shí)空分割。河間地塊東部，大部分水資源經(jīng)短流程直接排泄進(jìn)入了金沙江及其支流流域，小部分被麗江盆地存蓄，繼續(xù)徑流，再向下游排泄。河間地塊西部的大部分水資源徑流通過(guò)拉市、麗江盆地再匯入金沙江流域，流程較長(zhǎng)。

6? 討論

筆者基于巖溶地下水多層次徑流模型對(duì)麗江河間地塊地下水循環(huán)特征的分析是符合實(shí)際的，積極探索了高原巖溶山地河間地塊地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為科學(xué)開發(fā)麗江盆地地下水提供了較為可靠的依據(jù)。麗江地下水資源分布的不平衡對(duì)城市開發(fā)利用水資源提出了更嚴(yán)格的要求：從金沙江岸的巖溶水系統(tǒng)中提水代價(jià)巨大，拉市海地表水調(diào)水有限，麗江盆地地下水資源開發(fā)不當(dāng)極易引發(fā)斷流、沉降、地下水污染等水環(huán)境問(wèn)題，這些都要求麗江河間地塊巖溶水開發(fā)利用的科學(xué)性與可持續(xù)性，要求對(duì)研究區(qū)的巖溶水徑流過(guò)程必須有更精細(xì)的掌握。建議下一步對(duì)三股水地下河、西關(guān)大泉、白浪花地下河等進(jìn)行示蹤試驗(yàn)，為更科學(xué)地利用其資源提供可靠依據(jù)。

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