巖溶地下水多層次徑流模型應用

楊帆 劉海峰

摘? 要：麗江河間地塊上巖溶水系統十分發育，查明其徑流規律有利于“玉龍-古城”城區科學高效開發利用地下水資源，對地區經濟發展和生態環境建設十分重要。作者采用巖溶地下水多層次徑流模型對研究區巖溶水徑流規律進行分析，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律。綜合地下水流量分析、水化學反演、同位素測試、示蹤試驗的結果，對結論進行驗證，表明作者提出的徑流模型有較好的應用效果。

關鍵詞：多層次徑流模型；水徑流結構；水徑流路徑；示蹤試樣；驗證分析

中圖分類號：P641.7? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

在全國廣布的巖溶發育區中，云南以豐富的巖溶地下水類型具有極高的研究價值。其中滇西麗江古城-玉龍地區的巖溶水系統為巖溶高原類系統的典型代表。該地區水文地質研究程度較高，前期工作積累了豐富的巖溶水調查資料，有利于此項研究的開展。新構造運動時期，云南普遍經歷了三期抬升運動。受此影響，云南紅河、文山等地經歷了巖溶多期發育，形成了多層次的巖溶地下水系統，總結得出了巖溶地下水多層次徑流模型。麗江古城-玉龍地區地質條件與模型應用條件高度吻合，利用該模型能有效分析研究區巖溶水的徑流規律。

1? 研究區地質環境概況

研究區位于青藏高原東南緣，范圍以麗江盆地和拉市盆地兩流域為主，包括溶蝕高原、構造剝蝕高山、侵蝕深切峽谷和斷陷沉積盆地等地貌單元，地勢整體西北高東南低。研究區北西、北、東3個方向金沙江環繞，為最低排泄基準面，北部構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研究地段。

玉龍雪山出露地層以奧陶（O）、泥盆（D）、石炭（C）為主。二疊紀巨厚玄武巖（Pe）于工作區有較大規模分布；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]。

研究區處于羌塘－三江造山系與揚子陸塊區西緣結合部位，經歷了多期次構造運動。研究區中北東向斷裂體系切割了前期南北向斷裂，在區域上形成了以斷塊為基本單元的構造架構。

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、深循環概念，結合云南巖溶石山地區實際，作者總結了“巖溶地下水多層次徑流模型”。此模型的物質基礎是一個地區具有廣闊分布的巖溶地層，且地層具有提供巖溶充分發育的厚度，巖溶發育空間內非可溶巖不具絕對空間分割性。依據云南大地構造史[3]，該模型的地形要素在垂向為多層次構造，一般有3個層次。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，構成模型的巖溶水最低排泄基準；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的巖溶夷平面。此模型中，表層巖溶徑流帶發育深度最小，地下水徑流介質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，季節性強。模型淺部徑流系統一般發育于地下50～150 m處，發育深度受地層構造及巖性變化的限制，巖溶水徑流介質通常為溶隙網絡、結構簡單的巖溶管道系統，水力坡度較大，徑流速率較大，調蓄能力一般很差，部分系統季節性過水。模型的深部徑流系統受構造及巖性控制發育深度可達200～400 m或更深，巖溶水徑流介質一般為樹狀結構的地下河系統，常附帶羽狀、網狀溶隙網絡，系統整體展布跨度大，延伸幾千米至十幾千米，下游常發育近水平展布的廊道。此類型系統可形成地下湖、倒虹吸管等結構，整體水力坡度小，徑流較慢，對水量有較強的調蓄能力。

3? 麗江河間地塊地下水徑流規律分析

基于研究區地質條件（圖1）應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在河間地塊地下空間中分布緊密，整個系統規模巨大、互聯結構復雜，多層性明顯的結論。

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，補給來源為冰雪融水或大氣降水，通過二疊、三疊系基巖（風化）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風化帶裂隙水，流程較長，向下滲透更深，在條件有利處形成強徑流帶，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清溪龍潭；Ⅱ九鼎龍潭；Ⅲ玉水寨泉群；IV雪山南東麓泉群；V白浪花泉；VI干地壩農場水下泉；Ⅶ火車貨運站泉；Ⅷ魚化村泉群；IX大龍潭；X觀音峽泉；XI三股水泉；XII興文村小學；XIII美泉村圣泉；XIV新尚村賽吉坎泉；XV七河鎮羊見村下金安泉；XVI七河鎮新文村泉。

圖1? 麗江河間地塊水文地質條件圖

3.2? 淺部徑流與深部徑流系統

研究區淺部徑流與深部徑流系統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。這些系統含水層系統及水流場結構較為復雜，巖溶孔隙流、溶隙管道流、溶隙管洞流等都有分布，水流場的主徑流方向為由盆地分水嶺向金沙江排泄基準面流動。在麗江盆地東部高原巖溶系統內，紅水塘、九子海、上古都塘等洼地的地下巖溶管道或管洞發育的方向受斷層控制，地表多表現為落水洞、漏斗按構造線方向線性分布；巖溶地層與相對隔水層呈斷層接觸關系，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排泄，而是向北運移至黑白水谷底排泄。據實際調查，在侵蝕基準面高度之上的巖溶含水層由石灰巖組成的強透水層與由白云巖組成的相對弱透水層以互層或夾層的形式構成，在巖溶地層內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，前者又細分為地下河及巖溶大泉兩類，其補給徑流區為溶蝕高原面，溶丘洼地及溶丘谷地，有天坑、豎井、落水洞發育。地下河結構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，巖溶結構對流速調控性強，于金沙江谷底或金沙江支流谷底分布；巖溶大泉以網絡狀溶隙系統為主，巖溶管道系統可能存在，水力坡降大，流程長，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），七河鎮新文村泉（266.6 L/s），七河鎮羊見村下金安泉（720 L/s）。

盆地型淺部徑流排泄形式為巖溶大泉，補給徑流區為溶蝕高原面，溶丘洼地，有落水洞發育，結構為具有分支結構的管道及網絡狀溶隙系統，流量動態變化大，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）。代表性排泄點如九鼎龍潭（426.47 L/s），美泉（439 L/s）；海拔2 200～2 560 m，大龍潭（270.72 L/s）、魚化泉（222.88 L/s）、西關泉（148.18 L/s）。

4? 驗證分析

4.1? 基于泉流流量動態的分析

地下水排泄點的流量動態變化反映了泉域、地下河系統徑流的動力學特征，此次研究選取了白浪花地下河、大龍潭、西關泉、美泉村圣泉的流量動態進行分析。具體過程為使用數學統計方法分析流量的變化特征，并結合水文地質條件和氣象資料，綜合分析水徑流特征。從動態圖（圖3）可知白浪花地下河屬穩態變幅小，流量峰值滯后降雨峰值3～4個月；屬波態的還有大龍潭、西關泉，流量變幅較大，流量峰值滯后降雨峰值2個月；美泉村圣泉屬峰態，流量變幅大，流量峰值滯后降雨峰值1～2個月。

綜合分析得出以下結論：①白浪花地下河的徑流系統對降水響應滯后較強，水動力相對較弱，分析認為徑流過程整體水力梯度較小，具有慢速流為主的流量調蓄能力，及模型中的深部徑流特征；②西關泉與大龍潭類似，能代表麗江盆地外圍分水嶺上的地下水徑流發育，以管道為主，物質運移較為流暢，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，反映出徑流系統水力梯度大，消泄能力強，以結構簡單的巖溶管道構成，無蓄水調節部空間，徑流特征符合模型中的淺部徑流類型。

4.2? 水化學徑流路徑反演分析

由于巖溶地層T2-T3的廣泛分布，僅對排泄水點的常規化學成分進行聚類分析不能準確分析各泉域的地下水徑流路徑[5]， 需采用水化學路徑反演[3]、示蹤試驗、同位素測試結合水文地質條件分析才能更精準地分析深循環徑流和淺循環徑流的路徑分布。

筆者根據2019年雷風平[5]，2016年高偉[6]等所做同位素測試結果得出：九子海為黑龍潭泉群以及清溪泉群的補給源；九子海為干地壩泉、紅水塘泉的補給來源；九子海與白浪花泉間無水力聯系，古都塘地區為該泉的補給區。

依據2012—2013年麗江市黑白水河引水黑龍潭保泉補水工程連通示蹤試驗，2019年韓嘯所做示蹤試驗[7]（熒光素鈉）的結果得出：九子海與白浪花泉間無水力聯系；九子海為黑龍潭、清溪泉泉群的補給區。

依據2015年唐克旺采用PHREEQC方法[8]得出的結論：九子海與清溪泉群、黑龍潭泉群、巖腳泉、甘澤泉存在水力聯系；與干海子泉、白浪花地下河無水力聯系。

綜上，九子海地區至黑龍潭、清溪泉排泄帶發育有淺部徑流系統，符合多層次徑流模型中淺部徑流模式分析的結果；古都塘地區至白浪花排泄點發育有深部徑流的地下河系統，也同樣符合模型分析的結果。

5? 結論

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

6? 討論

筆者基于巖溶地下水多層次徑流模型對麗江河間地塊地下水循環特征的分析是符合實際的，積極探索了高原巖溶山地河間地塊地下水運動規律，為科學開發麗江盆地地下水提供了較為可靠的依據。麗江地下水資源分布的不平衡對城市開發利用水資源提出了更嚴格的要求：從金沙江岸的巖溶水系統中提水代價巨大，拉市海地表水調水有限，麗江盆地地下水資源開發不當極易引發斷流、沉降、地下水污染等水環境問題，這些都要求麗江河間地塊巖溶水開發利用的科學性與可持續性，要求對研究區的巖溶水徑流過程必須有更精細的掌握。建議下一步對三股水地下河、西關大泉、白浪花地下河等進行示蹤試驗，為更科學地利用其資源提供可靠依據。

參考文獻：

[1] 任世川，高學震，寧勝功，等.云南省麗江盆地水文地質調查報告[R].昆明：云南省地質環境監測院，2021.

[2] 王宇.巖溶高原地下水徑流系統垂向分帶[J].中國巖溶，2018，37（1）：1-8.

[3] 云南省地質礦產局.云南省區域地質志[M].北京：地質出版社，1990.

[4] 楊帆，劉海峰，任世川.云南麗江盆地地下水系統邊界研究及系統劃分[J].云南地質，2022，41（1）：104-110.

[5] 雷風平，王錦國，趙燕容，等.麗江市黑龍潭地區水文地質條件分析[J].2019，31（4）：51-56，67.

[6] 高偉.云南省麗江市黑龍潭泉域地下水系統分析[D].成都：成都理工大學，2016.

[7] 韓嘯，陳鑫，鄭克勛，等.示蹤試驗在巖溶大泉修復中的應用——以麗江黑龍潭為例[J].中國巖溶，2019，38（4）：524-531.

[8] 唐克旺，譚乃元，譚大書，等.麗江黑龍潭泉群保護理論與實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2015.