岩溶地下水多层次径流模型应用

杨帆 刘海峰

摘  要：丽江河间地块上岩溶水系统十分发育，查明其径流规律有利于“玉龙-古城”城区科学高效开发利用地下水资源，对地区经济发展和生态环境建设十分重要。作者采用岩溶地下水多层次径流模型对研究区岩溶水径流规律进行分析，查明丽江河间地块岩溶水径流在表层径流、浅径流、深径流不同层次的规律。综合地下水流量分析、水化学反演、同位素测试、示踪试验的结果，对结论进行验证，表明作者提出的径流模型有较好的应用效果。

关键词：多层次径流模型；水径流结构；水径流路径；示踪试样；验证分析

中图分类号：P641.7      文献标志码：A          文章编号：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

在全国广布的岩溶发育区中，云南以丰富的岩溶地下水类型具有极高的研究价值。其中滇西丽江古城-玉龙地区的岩溶水系统为岩溶高原类系统的典型代表。该地区水文地质研究程度较高，前期工作积累了丰富的岩溶水调查资料，有利于此项研究的开展。新构造运动时期，云南普遍经历了三期抬升运动。受此影响，云南红河、文山等地经历了岩溶多期发育，形成了多层次的岩溶地下水系统，总结得出了岩溶地下水多层次径流模型。丽江古城-玉龙地区地质条件与模型应用条件高度吻合，利用该模型能有效分析研究区岩溶水的径流规律。

1  研究区地质环境概况

研究区位于青藏高原东南缘，范围以丽江盆地和拉市盆地两流域为主，包括溶蚀高原、构造剥蚀高山、侵蚀深切峡谷和断陷沉积盆地等地貌单元，地势整体西北高东南低。研究区北西、北、东3个方向金沙江环绕，为最低排泄基准面，北部构成高原岩溶河间地块；金沙江的支流漾弓江与黑白水是研究区地表地下水的重要排泄途径，金沙江岸及南东向鹤庆盆地的观音峡排泄带为重点研究地段。

玉龙雪山出露地层以奥陶（O）、泥盆（D）、石炭（C）为主。二叠纪巨厚玄武岩（Pe）于工作区有较大规模分布；滨海沼泽相沉积（P2h）有较多出露。三叠系海相岩溶地层（T2g、T3Z）在研究区有广泛分布，其底部为滨-浅海火山碎屑沉积（T1q），上覆陆相沉积（T3sg）。古近系山麓相或河湖相沉积岩（E2b1-3）分布于工作区东部；早更新世在丽江盆地南部和拉市盆地形成河湖相沉积层（Q1s）；在中更新世有河湖相、冰川相松散堆积物（Qp），全新世形成河湖相沉积（Qhal）[1]。

研究区处于羌塘－三江造山系與扬子陆块区西缘结合部位，经历了多期次构造运动。研究区中北东向断裂体系切割了前期南北向断裂，在区域上形成了以断块为基本单元的构造架构。

2  岩溶地下水多层次径流模型

参考王宇[2]在2018年提出的岩溶水浅循环、深循环概念，结合云南岩溶石山地区实际，作者总结了“岩溶地下水多层次径流模型”。此模型的物质基础是一个地区具有广阔分布的岩溶地层，且地层具有提供岩溶充分发育的厚度，岩溶发育空间内非可溶岩不具绝对空间分割性。依据云南大地构造史[3]，该模型的地形要素在垂向为多层次构造，一般有3个层次。位置最低的地形一般为大江大河的侵蚀峡谷或大型溶蚀平原边缘，构成模型的岩溶水最低排泄基准；位于中间高度位置的地形单元一般为岩溶断陷盆地、岩溶宽谷以及中间层级的溶蚀面地形（峰丛或峰洼地、溶蚀平原等）；模型顶部地形为最高层级的岩溶夷平面。此模型中，表层岩溶径流带发育深度最小，地下水径流介质为溶隙及微小型溶蚀孔隙，赋存水量小，水力坡度大，径流迅速，季节性强。模型浅部径流系统一般发育于地下50～150 m处，发育深度受地层构造及岩性变化的限制，岩溶水径流介质通常为溶隙网络、结构简单的岩溶管道系统，水力坡度较大，径流速率较大，调蓄能力一般很差，部分系统季节性过水。模型的深部径流系统受构造及岩性控制发育深度可达200～400 m或更深，岩溶水径流介质一般为树状结构的地下河系统，常附带羽状、网状溶隙网络，系统整体展布跨度大，延伸几千米至十几千米，下游常发育近水平展布的廊道。此类型系统可形成地下湖、倒虹吸管等结构，整体水力坡度小，径流较慢，对水量有较强的调蓄能力。

3  丽江河间地块地下水径流规律分析

基于研究区地质条件（图1）应用岩溶地下水多层次径流模型分析，可得出浅部径流与深部径流系统在河间地块地下空间中分布紧密，整个系统规模巨大、互联结构复杂，多层性明显的结论。

3.1  表层径流

表层径流主要分布于玉龙雪山西麓，黑白水流域，金沙江岸，补给来源为冰雪融水或大气降水，通过二叠、三叠系基岩（风化）裂隙渗流，埋藏浅，渗流慢，流程短，流量小（平均小于1.1 L/s）；特殊地层及断层破碎带形成条带型溶隙水和强风化带裂隙水，流程较长，向下渗透更深，在条件有利处形成强径流带，径流量较大（14.67～403.2 L/s）[1]。径流途径受地形控制，一般于就近地形转折端或侵蚀冲沟底部溢出排泄。

注：①九子海；②红水塘；③古都塘；④黑白水河；⑤金沙江岸；⑥文海；⑦拉市海；⑧丽江盆地；⑨金沙江岸；I清溪龙潭；Ⅱ九鼎龙潭；Ⅲ玉水寨泉群；IV雪山南东麓泉群；V白浪花泉；VI干地坝农场水下泉；Ⅶ火车货运站泉；Ⅷ鱼化村泉群；IX大龙潭；X观音峡泉；XI三股水泉；XII兴文村小学；XIII美泉村圣泉；XIV新尚村赛吉坎泉；XV七河镇羊见村下金安泉；XVI七河镇新文村泉。

图1  丽江河间地块水文地质条件图

3.2  浅部径流与深部径流系统

研究区浅部径流与深部径流系统主要分布在拉市盆地、丽江盆地、金沙江岸以及黑白水流域，存在于二叠系、三叠系、古近系岩溶地层中，以T2-3、E2b3岩溶水为主体。这些系统含水层系统及水流场结构较为复杂，岩溶孔隙流、溶隙管道流、溶隙管洞流等都有分布，水流场的主径流方向为由盆地分水岭向金沙江排泄基准面流动。在丽江盆地东部高原岩溶系统内，红水塘、九子海、上古都塘等洼地的地下岩溶管道或管洞发育的方向受断层控制，地表多表现为落水洞、漏斗按构造线方向线性分布；岩溶地层与相对隔水层呈断层接触关系，T3sg或P2h限制了岩溶流向[4]，大量地下水并未直接向金沙江这一排泄基准排泄，而是向北运移至黑白水谷底排泄。据实际调查，在侵蚀基准面高度之上的岩溶含水层由石灰岩组成的强透水层与由白云岩组成的相对弱透水层以互层或夹层的形式构成，在岩溶地层内形成多层岩溶含水层。岩溶水受断层或下伏弱透水层阻隔在不同高程位置成泉（图2）。

丽江河间地块地下水径流可分为峡谷型深部径流和盆地型浅部径流。其中，前者又细分为地下河及岩溶大泉两类，其补给径流区为溶蚀高原面，溶丘洼地及溶丘谷地，有天坑、竖井、落水洞发育。地下河结构上有主管洞及分支管道组成的地下河系，水力坡降大，流程长，岩溶结构对流速调控性强，于金沙江谷底或金沙江支流谷底分布；岩溶大泉以网络状溶隙系统为主，岩溶管道系统可能存在，水力坡降大，流程长，流速中等，于金沙江谷底或接近谷底的岸坡上分布。排泄水点在海拔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），七河镇新文村泉（266.6 L/s），七河镇羊见村下金安泉（720 L/s）。

盆地型浅部径流排泄形式为岩溶大泉，补给径流区为溶蚀高原面，溶丘洼地，有落水洞发育，结构为具有分支结构的管道及网络状溶隙系统，流量动态变化大，流速快，分布于盆地边缘或盆地外围斜坡或金沙江岸坡（海拔2 440～2 650 m）。代表性排泄点如九鼎龙潭（426.47 L/s），美泉（439 L/s）；海拔2 200～2 560 m，大龙潭（270.72 L/s）、鱼化泉（222.88 L/s）、西关泉（148.18 L/s）。

4  验证分析

4.1  基于泉流流量动态的分析

地下水排泄点的流量动态变化反映了泉域、地下河系统径流的动力学特征，此次研究选取了白浪花地下河、大龙潭、西关泉、美泉村圣泉的流量动态进行分析。具体过程为使用数学统计方法分析流量的变化特征，并结合水文地质条件和气象资料，综合分析水径流特征。从动态图（图3）可知白浪花地下河属稳态变幅小，流量峰值滞后降雨峰值3～4个月；属波态的还有大龙潭、西关泉，流量变幅较大，流量峰值滞后降雨峰值2个月；美泉村圣泉属峰态，流量变幅大，流量峰值滞后降雨峰值1～2个月。

综合分析得出以下结论：①白浪花地下河的径流系统对降水响应滞后较强，水动力相对较弱，分析认为径流过程整体水力梯度较小，具有慢速流为主的流量调蓄能力，及模型中的深部径流特征；②西关泉与大龙潭类似，能代表丽江盆地外围分水岭上的地下水径流发育，以管道为主，物质运移较为流畅，径流特征符合模型中的浅部径流；③美泉村圣泉的径流通道较为通畅，反映出径流系统水力梯度大，消泄能力强，以结构简单的岩溶管道构成，无蓄水调节部空间，径流特征符合模型中的浅部径流类型。

4.2  水化学径流路径反演分析

由于岩溶地层T2-T3的广泛分布，仅对排泄水点的常规化学成分进行聚类分析不能准确分析各泉域的地下水径流路径[5]， 需采用水化学路径反演[3]、示踪试验、同位素测试结合水文地质条件分析才能更精准地分析深循环径流和浅循环径流的路径分布。

笔者根据2019年雷风平[5]，2016年高伟[6]等所做同位素测试结果得出：九子海为黑龙潭泉群以及清溪泉群的补给源；九子海为干地坝泉、红水塘泉的补给来源；九子海与白浪花泉间无水力联系，古都塘地区为该泉的补给区。

依据2012—2013年丽江市黑白水河引水黑龙潭保泉补水工程连通示踪试验，2019年韩啸所做示蹤试验[7]（荧光素钠）的结果得出：九子海与白浪花泉间无水力联系；九子海为黑龙潭、清溪泉泉群的补给区。

依据2015年唐克旺采用PHREEQC方法[8]得出的结论：九子海与清溪泉群、黑龙潭泉群、岩脚泉、甘泽泉存在水力联系；与干海子泉、白浪花地下河无水力联系。

综上，九子海地区至黑龙潭、清溪泉排泄带发育有浅部径流系统，符合多层次径流模型中浅部径流模式分析的结果；古都塘地区至白浪花排泄点发育有深部径流的地下河系统，也同样符合模型分析的结果。

5  结论

丽江河间地块岩溶水径流体系中浅部径流系统、深部径流系统是确实存在的，受大地构造控制階梯状分布发育于河间地块地层中。由于它们的存在，丽江河间地块区域上接收的降水资源经地下水径流系统完成了多层次又相互关联的时空分割。河间地块东部，大部分水资源经短流程直接排泄进入了金沙江及其支流流域，小部分被丽江盆地存蓄，继续径流，再向下游排泄。河间地块西部的大部分水资源径流通过拉市、丽江盆地再汇入金沙江流域，流程较长。

6  讨论

笔者基于岩溶地下水多层次径流模型对丽江河间地块地下水循环特征的分析是符合实际的，积极探索了高原岩溶山地河间地块地下水运动规律，为科学开发丽江盆地地下水提供了较为可靠的依据。丽江地下水资源分布的不平衡对城市开发利用水资源提出了更严格的要求：从金沙江岸的岩溶水系统中提水代价巨大，拉市海地表水调水有限，丽江盆地地下水资源开发不当极易引发断流、沉降、地下水污染等水环境问题，这些都要求丽江河间地块岩溶水开发利用的科学性与可持续性，要求对研究区的岩溶水径流过程必须有更精细的掌握。建议下一步对三股水地下河、西关大泉、白浪花地下河等进行示踪试验，为更科学地利用其资源提供可靠依据。

参考文献：

[1] 任世川，高学震，宁胜功，等.云南省丽江盆地水文地质调查报告[R].昆明：云南省地质环境监测院，2021.

[2] 王宇.岩溶高原地下水径流系统垂向分带[J].中国岩溶，2018，37（1）：1-8.

[3] 云南省地质矿产局.云南省区域地质志[M].北京：地质出版社，1990.

[4] 杨帆，刘海峰，任世川.云南丽江盆地地下水系统边界研究及系统划分[J].云南地质，2022，41（1）：104-110.

[5] 雷风平，王锦国，赵燕容，等.丽江市黑龙潭地区水文地质条件分析[J].2019，31（4）：51-56，67.

[6] 高伟.云南省丽江市黑龙潭泉域地下水系统分析[D].成都：成都理工大学，2016.

[7] 韩啸，陈鑫，郑克勋，等.示踪试验在岩溶大泉修复中的应用——以丽江黑龙潭为例[J].中国岩溶，2019，38（4）：524-531.

[8] 唐克旺，谭乃元，谭大书，等.丽江黑龙潭泉群保护理论与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2015.