麗江市黑龍?zhí)兜貐^(qū)水文地質條件分析

雷風平，王錦國，趙燕容，陳長生，黃 華，周 云

(1.河海大學地球科學與工程學院，南京 210098； 2.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，武漢 430010)

自然條件改變會影響當?shù)氐叵滤Y源的天然平衡狀態(tài)，大規(guī)模開發(fā)利用地下水資源更會引起水資源短缺[1-2]。位于麗江市玉泉公園的重要景觀黑龍?zhí)度?，近年來由于降水減少及供水開采，多次出現(xiàn)涌水量減少甚至斷流的現(xiàn)象。2013年曾通過清溪、拉市海、文海水庫等水源引水以維持景區(qū)正常運營。目前，急需開展保泉措施恢復黑龍?zhí)度鹤匀怀隽鞯拿婷瞇3-4]。查明該地區(qū)的水文地質條件可以為“云南省麗江市黑龍?zhí)侗Ｈこ獭钡膶嵤┨峁┲匾Y料。

1 研究區(qū)概況

麗江市地處中國西南橫斷山區(qū)，屬高原型西南季風氣候，氣候垂直分布明顯，年平均氣溫在12.6～19.8℃。年均降雨量為910～1 040mm，5～10月為雨季，降雨量占全年的85%以上，且集中于7、8月。區(qū)內大部分地區(qū)冬暖夏涼，年溫差小，但晝夜溫差較大。研究區(qū)周邊主要河流有黑白水河、文化河、三束河等。

本次研究涉及的九子海―黑龍?zhí)堆芯繀^(qū)位于麗江盆地東北部，總面積約320km2。區(qū)內總體為高原山區(qū)地貌，山體走向為北北西-北北東向，地勢呈北高南低；山體間分布有九子海、臘日光、古都塘、紅水塘等大型溶蝕洼地，其中九子海洼地面積最大且位于研究區(qū)的中部。

2 研究區(qū)水文地質背景

2.1 地層巖性

研究區(qū)出露的從老到新依次為二疊系上統(tǒng)玄武巖組(P2β)、黑泥哨組(P2h)、長興組(P2ch)，三疊系下統(tǒng)臘美組(T1l)、中統(tǒng)北衙組(T2b)、上統(tǒng)中窩組(T3z)、松桂組(T3sn)，古近系麗江組(E2l)以及第四系(Q)等。本區(qū)巖溶發(fā)育強烈的層狀灰?guī)r、白云質灰?guī)r及鈣質角礫巖，分布廣泛；巖溶中等發(fā)育的厚層狀灰?guī)r、白云質灰?guī)r和夾碎屑巖的灰?guī)r呈條帶狀分布。北衙組中段、上段是研究區(qū)內最主要的強透水性巖溶化地層，垂向上分布有近1 000m且大面積出露，地層在空間上連續(xù)性較好，該地區(qū)的巖溶發(fā)育主要基于上述地層。麗江組和長興組也屬于區(qū)內的巖溶化地層。弱透水及相對隔水巖層主要有北衙組下段下部(T2b1-1)鈣質頁巖、砂頁巖，三疊系臘美組(T1l)砂巖、泥巖，以及黑泥哨組(P2h)砂巖、頁巖，研究區(qū)內出露較少。地層的出露情況(圖1)和地層厚度反映了巖溶發(fā)育強度及深度整體具有由北往南、由東往西逐步加強的趨勢。不同的巖性分布和組合造成了研究區(qū)內賦存地下水的差異，詳見表1。

圖1 研究區(qū)地質概況Figure 1 Study area geological outline

地層代號及名稱厚度/m巖性水文地質特征E2l3麗江組第三段106～650鈣質、白云質角礫巖。巖溶中等發(fā)育,中等透水,主要賦存溶蝕裂隙及溶洞水。T2b3北衙組上段0～888灰?guī)r、白云質灰?guī)r。強巖溶,強透水性,主要賦存裂隙溶洞水。T2b2北衙組中段85～604白云質灰?guī)r、灰質白云巖。強巖溶,強透水性,主要賦存裂隙溶洞水。T2b1-2北衙組下段上部200～300泥質灰?guī)r及泥質條帶灰?guī)r。巖溶發(fā)育較強,強透水性,主要賦存裂隙溶洞水。P2ch長興組222～503灰?guī)r夾燧石條帶。強巖溶,中等透水,裂隙溶洞水賦存為主。

2.2 地質構造

研究區(qū)位于揚子準地臺西部麗江臺緣拗帶內，三級構造單元屬鶴慶—洱海臺褶束。區(qū)內歷經(jīng)多期構造運動，形成了復雜的構造格局，斷裂、褶皺發(fā)育，其中斷裂占優(yōu)勢，褶皺的空間展布又受到斷裂的約束，詳見圖1。研究區(qū)局部巖體完整性較差，有利于巖溶發(fā)育。本區(qū)及周圍的巖溶發(fā)育主要受九子海環(huán)狀構造的控制，一些重要的斷裂和褶皺則進一步影響了局部的巖溶發(fā)育。

區(qū)內的斷裂主要為近南北向的壓性、扭性斷裂。其中F16斷層北起大具南至麗江，展布于玉龍雪山東麓和麗江盆地邊緣，在垂直斷層面方向相對隔水，順斷層面方向中等透水。F24斷層北起麻噶羅，向南西延伸至金山附近，延伸長度約為20km，屬陡傾角壓扭性斷裂，在垂直斷層面方向相對隔水，順斷層面方向中等透水。位于研究區(qū)邊界的F15、F47、F54斷裂均具有相對隔水的性質。區(qū)內的F51斷裂屬弱透水斷裂帶，F(xiàn)53斷裂屬中—強透水斷裂帶，其余小型斷裂對水文地質條件影響較小。

褶皺構造決定著巖層的分布及產(chǎn)狀，也決定著各不同部位構造裂隙的發(fā)育分布情況，從而影響巖溶的發(fā)育[5-6]。研究區(qū)內主要分布九子海復向斜、白浪花向斜、東巴谷復背斜、臘日光背斜、巴忙牛背斜等褶皺構造。九子海復向斜(S28)分布于研究區(qū)中部的九子海至西南部的黑龍?zhí)兑痪€，軸長約14km，是重要的蓄水構造，該復向斜中巖溶漏斗、落水洞呈串珠狀密集分布，發(fā)育方向呈近南北向、北東南西向，有利于大氣降水和季節(jié)性溪流補給地下水。白浪花向斜(S26)分布于白草坪—蘑菇廠一帶，是北部的重要蓄水構造，核部為三疊系北衙組厚層灰?guī)r，巖體較為完整，整體地勢較高，靠近北部黑白水河處高程驟降形成陡坡。巴忙牛背斜(A29)分布于大洋草―巴忙?！Ｂ錅弦痪€，核部地層透水性差。東巴谷背斜(A41)分布于東巴谷—清溪水庫一線。臘日光背斜(A42)分布于臘日光—甘澤泉一線。上述幾大褶皺共同控制了研究區(qū)地下流場的基本形態(tài)。

3 泉點實地調查

2017年7～8月,本文第一作者所在的河海大學水文地質課題組前往研究區(qū)及周邊調查當?shù)氐娜c，測定相關理化參數(shù)，并采集了水樣(表2)。作為地下水天然露頭，泉的性質能提供重要的水文地質信息[7]。根據(jù)實際調查獲悉研究區(qū)內及周邊地區(qū)的泉點分布，分析泉水成因和地下集水空間的特點[8]。在巖性和地質構造的共同作用之下，研究區(qū)及周邊出露大量巖溶泉，且總體分布在巖溶洼地的邊緣或附近區(qū)域。研究區(qū)內絕大多數(shù)泉為下降泉，受斷裂帶阻水作用或強烈風化剝蝕作用在地形突變處出露。黑龍?zhí)度褐饕雎队诰抛雍拖蛐蹦喜繐P起端西緣，受F16斷層阻水作用，散布多個泉點；白浪花泉群主要出露于白浪花向斜北部揚起端，主要沿放射性張裂面發(fā)育大泉并從山體向外溢流；古城區(qū)泉群和東部邊界泉群分別在古城區(qū)和東部邊界小范圍密集出露，流量相對較小。還有一些流量比較大的泉點出露在北衙組、麗江組和長興組中。根據(jù)研究區(qū)泉點的位置、向斜構造的展布特征以及巖溶化地層的厚度，推測白浪花向斜和九子海復向斜均存在大型地下蓄水空間，地下水主要向周邊的泉點排泄。從泉點的分布和出露情況來看，位于中部的巴忙牛背斜附近地層恰好分隔了南北兩大蓄水構造，使得地下水分別向南北流動。

4 地下水水質調查及分析

4.1 地下水水質調查

表2中古都塘水樣取自原泉點附近揭穿灰?guī)r含水層的礦井，紅水塘水樣取自原泉點附近巖體裂隙溢流處。研究區(qū)為典型的碳酸鹽巖分布區(qū)，地下水水化學類型較為簡單，以重碳酸鈣和重碳酸鈣鎂型為主。研究區(qū)范圍內巖溶地下水水質優(yōu)良，無色、無味、無嗅、透明，地下水水溫在11～20℃，pH值在7.74～9.2。絕大部分取樣點導電性差，鹽度低，TDS值均小于260mg/L。熱水塘溫泉所富含的礦物質和微量元素使得電導率、鹽度和TDS指標都遠超過其他取樣點。

表2 地下水水質調查記錄

同一個水文地質單元中的地下水具有相近的補給來源和賦存條件，物理化學成分接近。由表2可以看出，黑白水河沿線出露的白浪花泉、白浪花二級電站泉、66號泉，高程接近，電導率、鹽度和pH也比較接近，推測具有統(tǒng)一的補給源，但各泉點位于不同的地層又導致了TDS值略有差異。清溪泉、白馬龍?zhí)?、三眼井、干地壩泉、巖腳泉、墳地泉、蓮花村龍?zhí)丁?53號泉等西南部、東部邊界泉的高程也比較接近，但是電導率、TDS值差異大，可能是由于地下水徑流條件存在差異。其中白馬龍?zhí)?、三眼井、蓮花村龍?zhí)逗蛶r腳泉的水樣中TDS值較高，是因為這幾處泉點地下水流經(jīng)居民區(qū)，受生活用水污染影響較大。在進行水質調查期間，通過實地走訪泉點附近居民，得知各泉點之間流量差異大但多年變化小。流量較大的泉或位于強巖溶化地層如清溪泉和九子海飲用泉，或出露高程較低如白浪花泉、白馬龍?zhí)逗?53號泉。老紙廠途中泉和臘日光泉的流量很小是由于出露高程高，地下水不易流出地表。

4.2 泉點相關性聚類分析

對水樣進行聚類分析是利用數(shù)學方法研究和處理各水樣之間的親疏關系，按照水樣相似度的大小，把這些樣品分類聚合。具有相似的化學成分且位置相近的地下水樣品之間具有較為密切的水力聯(lián)系，常處在相同的地下水系統(tǒng)中。地下水物理化學特性從側面反映了地下水的聯(lián)系，有助于查明水文地質條件[9-10]。

熱水塘溫泉具有高溫、高電導率、高礦化度的特點，屬深鉆孔揭露的深部裂隙水，與其它泉點有明顯差別，故該水樣單獨分類不參與聚類分析。九子海水塘屬于直接接受降雨補給的地表水，故該處水樣不參與聚類分析。

選取了電導率值、鹽度、pH、TDS含量作為分類的研究指標，利用SPSS軟件進行層次聚類分析，將17組樣本的數(shù)據(jù)進行Zscore標準化處理后，采用夾角余弦值和平均組間聯(lián)接的聚類結果符合實際需要。當并類距離取11時，17組樣本共分為4類，具體分類組合見圖2。由于取樣是在當?shù)貢r間的雨季進行，降水的影響會使分類結果，但基本能反映地下水之間的聯(lián)系。其中第①大類包括了白浪花泉、九子海飲用泉、老紙廠途中泉和干地壩泉，能反映白浪花向斜內的老紙廠途中泉與白浪花泉、九子海飲用泉存在水力聯(lián)系， 而干地壩泉靠近研究區(qū)東部的斷層邊界，歸入此類則不太合理。第②大類包括了古都塘泉、清溪泉、老紙廠泉、紅水塘、66號泉、臘日光泉和白浪花二級電站泉，從泉水出露地層和高程來看，清溪泉、臘日光泉的歸入不合理，其余的5處泉水出露點都在北衙組中，其地下水化學成分比較接近。但是古都塘樣本靠近當?shù)氐蔫F礦區(qū)， 紅水塘的取樣位置偏離泉水實際出露點且受土壤成分的影響較大，這些因素也會影響上述樣本的歸類結果。153號泉獨自成為第③大類，該泉點位于F24斷層的上盤，出露于第四系覆蓋下的北衙組上段，水化學成分受第四紀地層影響比較大。第④大類主要為古城區(qū)泉點和東部F24斷層下盤出露泉點，總體屬于研究區(qū)南部的地質單元中，存在水力聯(lián)系。由于現(xiàn)場測定的地下水化學成分種類和精度有限，且地下水化學成分的影響因素比較復雜[7]，所以對樣品補充了氫氧同位素分析。

圖2 水化學聚類分析譜系Figure 2 Hydrochemical clustering analysis spectrums

圖3 水樣δD-δ18O關系對比Figure 3 Water sampleδD-δ18O comparison and contrast

4.3 地下水同位素分析

氫氧同位素是水的直接組成成分，隨水的運移而移動。本文第一作者所在的課題組對泉點進行調查時采集了水樣，并委托河海大學使用LGR同位素分析儀對水樣進行了氫氧同位素分析(圖3)。本文采用的大氣降水線方程為[11]：

δD=7.87δ18O+11.09 (R2=0.961 7)

從圖3可以看出，所有泉點水樣同位素均落在了降雨線附近或下方，所有泉點的回歸線與降雨線較為接近，表明這些泉點水樣來自于降雨的補給,但是不同取樣點的地下水同位素值δ18O存在較大差異，揭示了不同的賦存空間和循環(huán)條件對地下水的影響[12-13]。從圖3來看，熱水塘具有獨立的補給來源；白浪花泉、白浪花二級電站泉、66號泉、古都塘泉、老紙廠途中泉屬于同一個大的泉域；其他泉點屬于另一個大的泉域。根據(jù)同位素分析結果又可進一步劃分。清溪泉、白馬龍?zhí)?、三眼井、臘日光、九子海飲用泉為同一補給來源；蓮花村龍?zhí)?、干地壩泉、紅水塘泉、153號泉的補給來源相近；墳地泉和巖腳泉具有相近的補給來源。

綜合上述分析可知，研究區(qū)內大致可分為南北兩大泉域，對應于九子海復向斜和白浪花向斜兩大蓄水構造，泉域內的泉點存在水力聯(lián)系。按照補給來源可以對泉點進一步分類， 并在圖4中標出泉點間的聯(lián)系。泉點實地調查的結果表明，位于中部的巴忙牛背斜附近地層的隔水作用使得地下水分別向南北流動，進一步可以判別以下徑流通道。由北向南的九子海飲用泉(S8)→臘日光泉(S10)→墳地泉(S15))→白馬龍?zhí)?S11)的地下水徑流通道是存在的，類似的還有由北向南的紅水塘泉(S7)→干地壩泉(S13)的徑流通道。北部泉域中也有古都塘泉(S6)和老紙廠途中泉(S4)從東西兩側分別流向白浪花泉(S1)、白浪花二級電站泉(S2)以及66號泉(S3)處的排泄基準面的徑流通道。

1-地層界線及代號;2-斷層及編號;3-褶皺及編號;4-研究區(qū)邊界;5-地名；6-水系；7-泉點及編號；8-溶蝕洼地圖4 泉點分布及劃分示意Figure 4 A schematic diagram of spring distributions and partitioning

5 結論

1)實地調查、水化學聚類分析和同位素分析等手段綜合使用，共同論證了主要巖溶泉的主要成因、補給來源和各泉點之間的水力聯(lián)系，加深了對研究區(qū)地質結構特點和水文地質條件的認識。

2)實際調查發(fā)現(xiàn)主要巖溶大泉是由于地形切割至巖溶含水層后使得地下水出露于地表，被切穿的地層有三疊系北衙組及古近系麗江組等，受到出露高程和徑流條件的影響，各泉點的流量差異較大，同時物理化學性質也有所區(qū)別。

3)研究區(qū)內水質良好，氫氧同位素分析的結果表明地下水的來源主要是大氣降水。根據(jù)水質調查、聚類分析和同位素分析對相關泉點進行分類，劃分區(qū)內地下水的水力聯(lián)系，為進一步定量地研究地下水資源的賦存和補給徑流排泄關系提供參考。