滇池盆地東側(cè)黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)端﹃P(guān)系研究

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(1.招商局生態(tài)環(huán)保科技有限公司，重慶 400067 ；2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059)

呈貢黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)毒挥诘岢財(cái)嘞菖璧貥?gòu)造帶內(nèi)，兩者間相距不到3 km，且均出露于二疊系陽新組(P1y)灰?guī)r中，但兩者的地下水動(dòng)態(tài)變化特征以及水化學(xué)、氫氧同位素組分特征均有較大差異，呈貢作為昆明市新城開發(fā)區(qū)，是工程施工建設(shè)極為頻繁地區(qū)，而黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)蹲鳛楫?dāng)?shù)刂匾墓┧吹?，各類工程與他們間的相互影響關(guān)系不容忽視。王宇在[1]《斷陷盆地巖溶水賦存規(guī)律》中曾詳細(xì)介紹了吳家營巖溶水系統(tǒng)，主要分析了該系統(tǒng)內(nèi)地下水徑流模式以及巖溶水單元?jiǎng)澐忠罁?jù)，但未對(duì)呈貢黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)堕g具體關(guān)系做詳細(xì)論述。本文將通過對(duì)地質(zhì)構(gòu)造條件、水化學(xué)組分、氫氧同位素等方面的分析，著重研究兩者間水力聯(lián)系。徐子?xùn)|等[2]人曾利用同位素特征分析了青云山隧道斷層帶地下水與河水關(guān)系；蘇小四等[3]根據(jù)水化學(xué)及同位素特征研究了馬蓮河河水與地下水間關(guān)系；漆繼紅等[4]利用水化學(xué)及同位素特征分析了川東隔擋式構(gòu)造銅鑼山背斜一南溫泉背斜溫泉水力聯(lián)系，以上研究均取得了很好的效果。

1 地質(zhì)概況

呈貢黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)毒鶠榈叵掳岛映隹冢瑢儆诼懵?覆蓋型巖溶水系統(tǒng)，即巖溶含水層組由裸露巖溶山區(qū)延伸至松散土層覆蓋區(qū)、由裸露過渡為覆蓋型的巖溶水系統(tǒng)[5]。地下水一般出露于可溶巖與覆蓋層接觸帶附近，剩余未出露部分地下水則轉(zhuǎn)為覆蓋型巖溶水。呈貢黑龍?zhí)?、白龍?zhí)毒鶠榇朔N情況出露。其出露位置平面圖見圖1。

區(qū)主要出露可溶巖地層為上泥盆統(tǒng)宰格組(D3zg)、下石炭統(tǒng)上司組(C1s)、中石炭統(tǒng)威寧組(C2w)、下二疊統(tǒng)陽新組(P1y)，隔水層主要為上二疊統(tǒng)峨眉山組(P2β)、下石炭統(tǒng)萬壽山組(C1w)和下二疊統(tǒng)倒石頭組(P1d)。其中泥盆系與石炭系地層相似，以白云巖為主，且中間無完整的隔水層出現(xiàn)，故將其統(tǒng)一為C+D地層，P1y以灰?guī)r為主。各地層在兩龍?zhí)冻雎段恢靡员本鶠楸睎|向展布。在黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)冻雎段恢醚鼐€，發(fā)育南北向大型斷裂——白邑村-橫沖斷裂，斷層北段出露明顯，斷續(xù)見于大新冊(cè)一帶南北向褶皺帶中，斷層面東傾，傾角較緩。而在北東方向P1y與P2β為斷層接觸，該斷層為一朵云-大新冊(cè)逆斷層，斷層線與地層走向大體一致。在土瓜塘一帶， P1y與C+D地層通過一平移斷層切割，為斷層接觸，P1d缺失。由于斷層兩側(cè)均為碳酸鹽巖，且?guī)r溶發(fā)育，可知該平移斷層為導(dǎo)水?dāng)鄬?，所以北東段P1y成為土瓜塘以南西段的P1y和C+D中地下水共同補(bǔ)給區(qū)。

圖1 吳家營巖溶水系統(tǒng)平面圖

區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，常見石芽、洼地、落水洞等，如三家村C+D地層中發(fā)育有一落水洞，經(jīng)王宇[1]示蹤試驗(yàn)，其排泄區(qū)為黑龍?zhí)?，白龍?zhí)稕]有檢測到示蹤粒子存在，證明C+D地層巖溶管道中地下水徑流至黑龍?zhí)冻雎?，剩余部分則進(jìn)入覆蓋型巖溶區(qū)。黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)冻雎队赑1y地層中，均為HCO3-Ca-Mg型水，雨季兩者流量相當(dāng)，黑龍?zhí)秳?dòng)態(tài)不穩(wěn)定，雨季、枯季水量相差較大，而白龍?zhí)秳t動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

2 水力聯(lián)系探析

2.1 基于構(gòu)造條件分析

據(jù)圖1可知，白龍?zhí)断到y(tǒng)主要接受北東側(cè)裸露的P1y的灰?guī)r的補(bǔ)給，范圍比較廣，且地表和地下巖溶均相當(dāng)發(fā)育，巖溶形態(tài)為水平洞隙系統(tǒng)，發(fā)育不均，主要儲(chǔ)水空間為旁側(cè)溶隙網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該區(qū)內(nèi)洼地、落水洞密度為4個(gè)/km2，而巖溶率38%～63.8%，均為巖溶強(qiáng)發(fā)育帶，所以補(bǔ)給資源相當(dāng)豐富，水量較大(圖2)。

圖2 白龍?zhí)稄搅髌拭媸疽鈭D

黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)堕g由于有穩(wěn)定隔水層P1d的存在，黑龍?zhí)吨饕邮蹸+D地層中白云巖的補(bǔ)給，其巖溶發(fā)育程度相對(duì)P1y地層較弱，但有三家村落水洞地表水補(bǔ)給，故動(dòng)態(tài)變化與地表水情況息息相關(guān)。

通過黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)堕g地形可知，黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)堕g的C+D地層在靠近白龍?zhí)兜奈恢糜幸恍⌒头炙畮X存在，這使得該地層中大部分地下水主要為由南向北徑流至黑龍?zhí)冻雎叮瑑H有少部分地下水為由北向南，穿過斷層至白龍?zhí)杜判埂?/p>

2.2 基于動(dòng)態(tài)演化分析

黑龍?zhí)栋岛映隹谂判垢叱? 920 m，目前主要吳家營及呈貢縣居民生活用水重要水源；白龍?zhí)栋岛映隹谂判垢叱? 935 m，目前主要為農(nóng)業(yè)用水和池塘用水。白龍?zhí)兜呐判垢叱梯^黑龍?zhí)兜呐判垢叱谈?，從水均衡的角度來考慮，如果兩個(gè)系統(tǒng)為同一地下水系統(tǒng)，在旱季流量明顯減少的應(yīng)該是白龍?zhí)?。然而從雨季和旱季兩次現(xiàn)場的野外調(diào)查結(jié)果來看，黑龍?zhí)度髁績纱蜗嗖畋容^大，水量變化3～4倍；而白龍?zhí)度牧髁吭谟昙竞涂菁揪容^穩(wěn)定，且黑龍?zhí)队性谟旰笞儨啙岬默F(xiàn)象，而白龍?zhí)秳t沒有這種情況。證明白龍?zhí)兜难a(bǔ)給穩(wěn)定，水源來源比較穩(wěn)定和充足，徑流途徑長，補(bǔ)給范圍較大，而黑龍?zhí)兜难a(bǔ)給則變化較大，再次說明兩個(gè)系統(tǒng)是獨(dú)立的，具相對(duì)獨(dú)立的補(bǔ)給來源。

表1 黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)兜叵滤畡?dòng)態(tài)特征表 L/s

注：表中雨季和旱季分別為2012.08和2013.04現(xiàn)場實(shí)測

2.3 基于水化學(xué)特征分析

地下水水化學(xué)特征是巖土體中的礦物成分和地下水流之間相互作用的結(jié)果，它決定于地下水運(yùn)動(dòng)時(shí)接觸的圍巖成分、水文地質(zhì)條件和氧化還原環(huán)境等。水文地球化學(xué)方法是研究一個(gè)地區(qū)含水層水文地質(zhì)條件的重要手段。黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)端瘜W(xué)組分特征見表2。

從水化學(xué)分析的結(jié)果來看，黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)堕g各離子組分含量均有較大差距。黑龍?zhí)度哂幸欢ê康腃l-(3.47 mg/L)和相對(duì)較高的NO3-和礦化度，證明黑龍?zhí)锻ㄟ^落水洞(例如三家村落水洞)接收地表水的補(bǔ)給，帶入特定的Cl-，而白龍?zhí)秳t沒有這樣的補(bǔ)給特征。這一現(xiàn)象可以作為說明兩個(gè)系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立佐證之一。

2.4 基于氫氧同位素特征分析

大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素組成隨海拔高程的變化而有規(guī)律的變化，即高程效應(yīng)[6]。根據(jù)降水中18O的高度效應(yīng)，對(duì)于現(xiàn)代滲入成因的地下水，其補(bǔ)給區(qū)的海拔高程(H)可由下式計(jì)算：

(1)

式中：H為取樣點(diǎn)地下水補(bǔ)給區(qū)的高程(m)；h為參考取樣點(diǎn)(井、泉)的補(bǔ)給高程(m)；δs為取樣點(diǎn)的18O同位素成分(‰)；δp為參考取樣點(diǎn)(井、泉)的同位素成分(‰)；k為同位素高度梯度(‰/m)。

根據(jù)中國科學(xué)院貴陽地球化學(xué)研究所于津生等人(1980)對(duì)西南地區(qū)δ18O高程效應(yīng)的研究，其梯度值為-0.26‰/100m，即高程每增加100 m，δ18O減少0.26‰。再選取研究區(qū)附近一補(bǔ)給、排泄高程均較為明確的一泉點(diǎn)作為參考取樣點(diǎn)，最終根據(jù)黑龍?zhí)逗桶執(zhí)稓溲跬凰靥卣骺梢酝扑闫溲a(bǔ)給高程[7]，結(jié)果見表3。

從表3可知，黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)峨m然出露高程接近，但經(jīng)計(jì)算后推測出的補(bǔ)給高程卻相差近200 m,說明兩者補(bǔ)給條件不同。但兩者補(bǔ)給區(qū)均為北東方向的裸露可溶巖條帶，其補(bǔ)給高程不同則說明兩者間由于隔水層P1d的阻擋作用，兩者互相獨(dú)立。再者黑龍?zhí)吨械叵滤捎谠谌掖迓渌刺幓烊氲乇硭难a(bǔ)給，使得地下水中各組分特征發(fā)生變化，其補(bǔ)給高程推算結(jié)果還需結(jié)合其他條件確定。

表2 黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)端瘜W(xué)組分特征表 mg/L

表3 黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)堆a(bǔ)給高程推算表

2.5 基于地球化學(xué)作用過程分析

Phreeqc是通過地下水水化學(xué)組分特征，結(jié)合實(shí)測溫度、pH值等實(shí)際條件，對(duì)地下水的徑流路徑進(jìn)行反向模擬，是通過水-巖作用認(rèn)識(shí)地下水徑流路徑的有效方法。

2.5.1 模型建立

通過上文分析，將當(dāng)?shù)卮髿饨邓鳛樵?，黑龍?zhí)?、白龍?zhí)蹲鳛閰R，分別對(duì)黑龍?zhí)?、白龍?zhí)哆M(jìn)行反向模擬。為有效分析黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)堕g水力聯(lián)系，分別對(duì)4條路徑進(jìn)行模擬：源→黑龍?zhí)?C+D)、源→黑龍?zhí)?P1y)、源→白龍?zhí)?P1y)、源→白龍?zhí)?C+D)，即分別模擬黑龍?zhí)?、白龍?zhí)兜牡叵滤ㄟ^通過P1d兩側(cè)條帶徑流排泄的過程[8]。鑒于兩側(cè)碳酸鹽巖分別以灰?guī)r和白云巖為主，在礦物相選擇過程中將方解石、白云石作為其主要差異礦物，其余礦物相則為碳酸鹽巖中常見礦物：石膏、重晶石、天青石、螢石、巖鹽、鉀鎂鹽礦物。由于區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地下水與地表水交換強(qiáng)烈，故選取CO2(g)作為礦物相之一[9]。模擬過程中的溫度、pH值等條件按照實(shí)測值設(shè)置，不確定度為0.07[10]。

2.5.2 模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果顯示，在設(shè)定的模擬條件下，其中3條路徑：源→黑龍?zhí)?C+D)、源→黑龍?zhí)?P1y)、源→白龍?zhí)?P1y) 初始溶液及終止溶液的混合比為1:1，說明其路徑成立，其礦物轉(zhuǎn)化量見表4(表中“+”表示溶解，“-”表示沉淀)。而源→白龍?zhí)?C+D)顯示其混合比為0:1，表示路徑不成立。

表4 模擬計(jì)算礦物轉(zhuǎn)化量表 mol

通過模擬結(jié)果可知，區(qū)內(nèi)地下水通過大氣降水補(bǔ)給，分別通過P1d兩側(cè)的C+D地層和P1y地層徑流至黑龍?zhí)?、白龍?zhí)杜判?，該過程中方解石、白云石、CO2均發(fā)生了溶解，其反應(yīng)式為：

CaCO3+H+=Ca2++HCO3-

CaMg(CO3)2+2H+=Ca2++Mg2++2HCO3-

CO2+H2O=H2CO3

H2CO3=H++HCO3-

即整個(gè)地下水系統(tǒng)中Ca2+、Mg2+、HCO3-等離子的含量均在增加。而路徑源→黑龍?zhí)?P1y)之所以成立，是由于在黑龍?zhí)杜判箙^(qū)出露有P1y地層，致使水中含有方解石礦物。而源→白龍?zhí)?C+D)不成立，則是由于白龍?zhí)稁缀跬耆珵镻1y地層中地下水補(bǔ)給，白云石含量極少，模型中以白云石作為主要礦物相，模擬其徑流路徑則不可能成立，這與事實(shí)吻合。

3 結(jié)語

通過對(duì)黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)稑?gòu)造特征、動(dòng)態(tài)演化、水化學(xué)組分以及同位素的分析可知：黑龍?zhí)杜c白龍?zhí)对诒睎|側(cè)土瓜塘以上為同一補(bǔ)給源，而在順巖層走向向西南延伸的區(qū)域，被穩(wěn)定出露的隔水層P1d隔開，分別在P1y、C+D地層中徑流，因此在區(qū)域的西南面成為相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)地下水系統(tǒng)。最后通過Phreeqc反向模擬技術(shù)進(jìn)一步得到驗(yàn)證，其結(jié)果可作為工程建設(shè)中的可靠依據(jù)。

5種分析方法結(jié)果一致，其中地質(zhì)構(gòu)造與動(dòng)態(tài)演化的分析是研究的基礎(chǔ)，而通過對(duì)水化學(xué)和同位素特征的分析，可進(jìn)一步確定地下水徑流路徑及補(bǔ)給高程，以達(dá)到確定其補(bǔ)給范圍的目的。根據(jù)地下水地球化學(xué)作用過程所采用的模擬技術(shù)則是基于以上分析，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以確保其可信。5種分析方法相輔相成，使整個(gè)分析過程完善，結(jié)論合理。

[1]王宇，等.斷陷盆地巖溶水賦存規(guī)律[M]. 昆明：云南科技出版社.2003.

[2]徐子?xùn)|，成建梅，劉府生，等.青云山隧道典型斷層帶地下水同位素分析及涌水量預(yù)測[J].勘察科學(xué)技術(shù).2009(03)42-47.

[3]蘇小四，萬玉玉，董維紅，等.馬蓮河河水與地下水的相互關(guān)系：水化學(xué)和同位素證據(jù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版).2009(06)1087-08.

[4]漆繼紅,許模,楊華云，等.川東銅鑼山背斜-南溫泉背斜溫泉水力聯(lián)系分析[J].人民長江.2011.42(11)5-9.

[5]黃會(huì).隧道工程對(duì)昆明呈貢黑龍?zhí)兜叵滤到y(tǒng)的影響[D].成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論.2013.

[6]楊曉新，徐柏青，楊威，等.藏東南不同季節(jié)水體中氧同位素的高程遞減變化研究[J].科學(xué)通報(bào).2009.54(15):2140-2147.

[7]裴建國,陶友良,童長水.焦作地區(qū)天然水環(huán)境同位素組成及其在巖溶水文地質(zhì)中的應(yīng)用[J].中國巖溶.1993.12(1):45-54.

[8]David L.Parkhurst、C.A.J.Appelo. Use’s Guide to PHREEQC(Version 2)-A Computer Program for Speciation,Bath-Reaction,One-Dimensional Transport,and Inverse Geochemical Calculations,2002.

[9]姚錦梅，周訓(xùn)，周海燕.天津市寧河北奧陶系灰?guī)r水源地的水文地球化學(xué)模擬[J].現(xiàn)代地質(zhì).2006.20(3):494-499.

[10]肖維.向斜型巖溶蓄水構(gòu)造地下水徑流模式及地球化學(xué)模擬研究[D]. 成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論.2011.