巖溶關(guān)鍵帶年內(nèi)水文動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

毛龍富， 劉 宏， 周恩民， 易 琦， 黨翠翠， 楊麗瑞， 付 舒， 張凈凈

(1.云南大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 云南 昆明 650500； 2.云南大學(xué) 國(guó)際喀斯特聯(lián)合研究中心， 云南 昆明 650223)

1 研究背景

巖溶關(guān)鍵帶位于大氣-水-巖石-土壤-生物等圈層交匯地帶，受五大圈層共同的物理、化學(xué)、生物及其耦合作用[1]，垂向包括植被冠層的頂端至含水層的底部[2]，巖溶管道-洞穴-地下河-隔水層組成了巨大巖溶地下空間[3]。巖溶水是巖溶關(guān)鍵帶物質(zhì)、信息、能量等交流的紐帶，也是巖溶地區(qū)的一種重要水資源[4]，世界人口的至少四分之一依賴巖溶水資源[5]，其水文功能對(duì)巖溶區(qū)生態(tài)水文的進(jìn)一步研究具有深遠(yuǎn)意義[6]。裸露碳酸鹽占據(jù)全球陸地表面積的15%，世界上最大的巖溶區(qū)位于中國(guó)，約達(dá)363.10×104km2，其中滇、貴、川、渝、桂、湘、鄂、粵等南方7 省1市碳酸鹽巖出露總面積為114.26×104km2，占土地面積的27.36%[7-8]。由于特殊的巖溶地質(zhì)環(huán)境、顯著的季風(fēng)氣候、脆弱的生態(tài)環(huán)境，中國(guó)南方巖溶地區(qū)水資源具有脆弱性和敏感性，同時(shí)存在巖溶干旱、內(nèi)澇、地下水易污染難治理等問(wèn)題。受全球氣候變化和人類活動(dòng)等共同影響，巖溶地區(qū)水資源供需矛盾日益突出，并導(dǎo)致水土流失、石漠化、貧困等惡性循環(huán)。進(jìn)一步解譯巖溶水文過(guò)程是改善民生、保障巖溶地區(qū)生態(tài)優(yōu)良和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)巖溶水動(dòng)力學(xué)、水文地球化學(xué)、同位素水文學(xué)、數(shù)值模擬、灰箱模型、地球物理等方法來(lái)探究巖溶關(guān)鍵帶水文過(guò)程。巖溶關(guān)鍵帶是同時(shí)存在溶蝕裂隙、溶蝕孔、管道、溶井和溶洞等多重水流的系統(tǒng)[9]，巖溶含水層的非均勻性和各向異性給巖溶水文過(guò)程的研究帶來(lái)了挑戰(zhàn)。Mangiarotti等[10]運(yùn)用混沌模型分析了兩個(gè)不同水文特征、不同地質(zhì)氣候和人為作用條件下的巖溶泉，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到巖溶系統(tǒng)水文動(dòng)態(tài)的低可預(yù)測(cè)性和非線性，揭示了泉水與氣候條件之間的非線性關(guān)系。Jourde等[11]、Zhang等[12]發(fā)現(xiàn)非飽和帶-飽和帶子系統(tǒng)的巖溶水動(dòng)力具有垂直變化規(guī)律，表層巖溶泉水流量對(duì)降雨可產(chǎn)生短中期、長(zhǎng)期響應(yīng)。于苗等[13]基于時(shí)間序列分形理論對(duì)巖溶大泉的動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行了研究，并探討了大氣降水、人工開(kāi)采和人工補(bǔ)給量對(duì)其的影響關(guān)系。δ18O是聯(lián)系降水、洞穴滴水的重要線索[14]，通過(guò)氫氧同位素可預(yù)估每月降水滯留在巖溶包氣帶上的水量[15]。曾成等[16]采用水文水化學(xué)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器對(duì)貴州南部的板寨巖溶地下河系統(tǒng)進(jìn)行了野外監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)表層巖溶水文地球化學(xué)具有年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

在巖溶地區(qū)，巖溶含水層復(fù)雜且特殊，給巖溶水文過(guò)程的研究增加了難度，洞穴滴水的存在為深入探究巖溶泉水的水文運(yùn)移過(guò)程提供了便利條件。黃龍泉域地處典型的巖溶區(qū)，巖溶地貌發(fā)育成熟，水文地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，老黃龍洞洞穴滴水-泉水近乎垂直分布，是進(jìn)一步解析巖溶關(guān)鍵帶水文動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的天然實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。

對(duì)黃龍泉域老黃龍洞的降水—洞穴滴水-泉水(即降水—地下水—地表水)的水文差異特征進(jìn)行綜合研究，旨在剖析典型巖溶關(guān)鍵帶水文動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其原因，加深認(rèn)識(shí)巖溶地下水運(yùn)移模式和水循環(huán)機(jī)制，為廣大巖溶地區(qū)水資源調(diào)控、管理、防旱抗?jié)车裙ぷ魈峁┛茖W(xué)參考。

2 數(shù)據(jù)采集與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

黃龍泉位于云南省昆明市嵩明縣阿子營(yíng)鄉(xiāng)朵格村，是典型的暗河式巖溶泉，其泉口(25°25′49.552′′N，102°55′55.016′′E)海拔高程為2 296.70 m。老黃龍洞口海拔高程為2 331.64 m，處在垂直高度比黃龍泉口高約35 m的半山腰，洞穴內(nèi)發(fā)育有落水洞、洞穴滴水和石筍、石柱、石花、石壩等巖溶景觀。研究區(qū)老黃龍洞-黃龍泉區(qū)位概況見(jiàn)圖1。

黃龍泉域在昆明市水源保護(hù)區(qū)內(nèi)，屬于滇池流域北部分水嶺地帶，是昆明市重要飲用水源松華壩水庫(kù)的補(bǔ)給河流——牧羊河的主要源頭之一(圖1(a))，每年向水庫(kù)注入700×104m3的優(yōu)質(zhì)水，也是當(dāng)?shù)卮迕竦娘嬘盟?。由黃龍泉域的水文地質(zhì)狀況(圖1(b))來(lái)看，其補(bǔ)給區(qū)以碳酸鹽巖地層為主，由上司段威寧組(C1d2)、石炭系下統(tǒng)大塘組(D2h1-2)和上泥盆統(tǒng)宰格群地層(D3zg)泥盆系華寧組?？诙?O1t)構(gòu)成，主要含水層為泥盆系、石炭系碳酸鹽巖。洞穴主要發(fā)育在石炭系的下統(tǒng)大塘組上司段地層(C1d2)，上部主要為白云巖與灰?guī)r，下部主要為灰?guī)r質(zhì)角礫巖。洞穴深部即尾端以威寧組地層為主，主要發(fā)育有灰白色厚層、淺灰和塊狀純灰?guī)r。洞穴局部巖層發(fā)育有角礫狀灰?guī)r及薄層砂頁(yè)巖[17]。黃龍泉主要由降水入滲補(bǔ)給，是典型的巖溶包氣帶補(bǔ)給型巖溶泉(圖1(c))，泉水平均流量為106 L/s，礦化度為137 mg/L。

圖1 研究區(qū)老黃龍洞-黃龍泉區(qū)位概況

該區(qū)域同時(shí)受到東亞季風(fēng)和印度季風(fēng)的影響，屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為15.07 ℃，多年平均降水量為962.94 mm，干濕季交替顯著，雨季(5-10月)的降水量占全年的86.8%；干季(11-次年4月)的降水量則低于各月平均降水量，僅占年降水量的13.2%。該區(qū)碳酸鹽巖裸露，以黃棕壤為主，土層發(fā)育厚度不一，由山頂向周邊山麓遞減，山頂土層厚度約100 cm，山麓土層厚度在0～30 cm之間。植被主要以云南松林、高山針葉林及灌叢草甸等耐旱植物交錯(cuò)分布，山頂處種有大量人工松林。

2.2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)

在黃龍泉口安置HOBO U24-001水文監(jiān)測(cè)計(jì)，每30 min自動(dòng)監(jiān)測(cè)保存電導(dǎo)、水位、水溫等數(shù)據(jù)。依據(jù)流量和水化學(xué)變化特征，可分為季節(jié)性滴水(A)、溢流性即敏感性滴水(B)、常年性即穩(wěn)定性滴水(C靠近洞口、D在洞穴深部)[18-19](圖1(d))。在老黃龍洞里選取上述4個(gè)不同類型的典型滴水點(diǎn)，借助安全帽燈和高精度秒表現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)讀取洞穴滴水的滴率，為減小或避免誤差，其中滴率較快的滴水點(diǎn)取25～35滴的均值，滴率較慢的滴水點(diǎn)取3～5滴的均值，滴率中等的滴水點(diǎn)一般取10～15滴的均值，每滴水流量取0.05 mL。距泉口約100 m外安置雨量計(jì)記錄降水、氣溫。選取的數(shù)據(jù)采集日期為2015-11-30-2017-10-05和2019-01-01-2020-04-17，洞穴滴水的采集日期為2016-03-06-2017-10-05，逐周監(jiān)測(cè)和采集樣品。1951-2020年的氣象數(shù)據(jù)源自中國(guó)國(guó)家氣象局，其中蒸發(fā)量指蒸發(fā)皿大型蒸發(fā)量。

2.3 分析方法

(1)自相關(guān)性分析。自相關(guān)(autocorrelation function)由Larocque于1998年提出[20]，指的是時(shí)間序列相關(guān)性，量化一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)序列值x=(x1,x2，…，xt，…，xn)的線性依賴關(guān)系。自相關(guān)系數(shù)r(k)可定義為：

(1)

(2)

(k=0,1,2,…,m)

從水文地質(zhì)角度分析，r(k)揭示了巖溶含水層狀況、儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)以及水文過(guò)程，記憶時(shí)間長(zhǎng)短說(shuō)明了t與t+k系列之間的關(guān)聯(lián)程度，反映出巖溶系統(tǒng)及其變化程度[24]。

(2)互相關(guān)性分析?；ハ嚓P(guān)(cross correlation function)[25]指兩個(gè)變量的時(shí)域上輸入信號(hào)x=(x1,x2，…，xt，…，xn)與輸出信號(hào)y=(y1,y2，…，yt,…，yn)的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)k≥0時(shí)，互相關(guān)系數(shù)rxy(k)可定義如下[26]：

(3)

(4)

互相關(guān)圖最大振幅rxy(k)出現(xiàn)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間(k)最能反映水文脈沖傳輸至含水層的延滯時(shí)間，當(dāng)rxy(k)≤0.2時(shí)表示兩組時(shí)間序列互相關(guān)性消失或不明顯。根據(jù)顯著性界限確定自相關(guān)性、互相關(guān)性的顯著程度。

(3)Pearson相關(guān)系數(shù)。通過(guò)計(jì)算Pearson相關(guān)系數(shù)(rxy)分析探討各要素之間的復(fù)雜關(guān)系[27]。

(5)

(4)年內(nèi)分配不均勻系數(shù)與完全調(diào)節(jié)系數(shù)。降水、水位、滴率等要素的年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cu與完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr定義如下[28]：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(5)集中度與集中期。集中度(Cd)、集中期(Dm)是將一年內(nèi)泉水、滴水等水文氣象序列{R(i)，i= 1，2，…，12；i為年內(nèi)某個(gè)月}作為向量分析，可定義為[32]：

(11)

(12)

Dm=arctan(Ry/Rx)

(13)

式中：Cd為集中度；Rx、Ry分別為R在x、y方向上的分解矢量；θ(i)為第i月的矢量角度，θ(i) = 2πi/12；Dm為集中期[33-34]。

3 結(jié)果與分析

3.1 水文要素動(dòng)態(tài)變化特征

根據(jù)相關(guān)氣象資料計(jì)算1951-2020年昆明市嵩明縣降水距平百分?jǐn)?shù)，結(jié)果如圖2所示。昆明市嵩明縣1951-2020年年均降水量為960 mm，其中雨季降水量占86.8%，干季降水量占13.2%，近70年該區(qū)域降水量呈減少趨勢(shì)(平均變化率為-1.328 mm/a)(圖2)、氣溫呈上升趨勢(shì)(平均變化率為0.016 ℃/a)，總體呈趨暖干化，旱澇率占45.7%。該區(qū)域季節(jié)性特征顯著，各月間降水量差距大。2016年屬于平水年，降水量為870.1 mm，雨季降水量為728.2 mm，占年降水量的83.7%，其中7-9月降水量為477.1 mm，占年降水量的54.8%；干季降水量明顯比雨季少，僅占年降水量的16.3%。

圖2 1951-2020年昆明市嵩明縣降水距平百分?jǐn)?shù)

根據(jù)數(shù)據(jù)采集期記錄資料得出研究區(qū)大氣降水-洞穴滴水-泉水水文要素動(dòng)態(tài)變化特征，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集期研究區(qū)大氣降水-洞穴滴水-泉水水文要素動(dòng)態(tài)變化特征

洞穴滴水?dāng)?shù)據(jù)采集期老黃龍洞不同類型(A、B、C、D)洞穴滴水的滴率和電導(dǎo)率年內(nèi)變化特征以及電導(dǎo)率變化曲線分別見(jiàn)圖4、5。

圖4 數(shù)據(jù)采集期老黃龍洞不同類型洞穴滴水年內(nèi)滴率及電導(dǎo)率變化特征

圖5 數(shù)據(jù)采集期老黃龍洞不同類型洞穴滴水電導(dǎo)率變化曲線

分析圖3中滴水類型A、B、C、D的滴率變化曲線可知，不同類型的洞穴滴水產(chǎn)生了不同的水文響應(yīng)，季節(jié)性滴水(A)的年均滴率為176.47 mL/h，有顯著的季節(jié)性特征，雨季滴水流量遠(yuǎn)大于干季，滴率水文動(dòng)態(tài)變化曲線滯后于降水量峰值出現(xiàn)的時(shí)間，呈多峰曲線響應(yīng)，峰值出現(xiàn)在雨季中、后期且時(shí)間較短，而干季降水量較少，未產(chǎn)生顯著響應(yīng)。敏感性滴水(B)的年均滴率為82.56 mL/h，其滴率變化曲線對(duì)降水的響應(yīng)比較迅速，滴率峰值與降水量峰值相近，對(duì)降水事件均有明顯響應(yīng)。穩(wěn)定性滴水(C、D)的年均滴率分別為2.71、1.08 mL/h，年內(nèi)滴水滴率變化曲線變化較小，對(duì)降水量峰值響應(yīng)微弱。

分析圖4、5可知，老黃龍洞各類型洞穴滴水滴率及其變化程度由大到小排序?yàn)锳>B>C>D(圖4)，洞穴滴水A、B、C、D的平均電導(dǎo)率分別為592.61、620.17、648.10、1 560.53 μS/cm(圖5)，總體上電導(dǎo)率大小排序?yàn)锳

表1列出了老黃龍洞各類型洞穴滴水滴率與電導(dǎo)率之間的相關(guān)系數(shù)。由表1可看出，洞穴滴水的電導(dǎo)率與滴水滴率呈顯著正相關(guān)，其相關(guān)程度排序?yàn)锽>A>C>D，表明滴率大的洞穴滴水對(duì)降水響應(yīng)明顯。

表1 各類型洞穴滴水滴率與電導(dǎo)率之間的相關(guān)系數(shù)

黃龍泉水文氣象各參數(shù)的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，黃龍泉水位、水溫、電導(dǎo)率均對(duì)降水產(chǎn)生了明顯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其中泉水水位與電導(dǎo)率的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.608，呈顯著正相關(guān)，兩者變化具有良好的一致性。泉水水位的峰值與降水量的變化呈相似趨勢(shì)，但峰值之間沒(méi)有呈遞減趨勢(shì)，而電導(dǎo)率的峰值出現(xiàn)在雨季初期且向雨季末期遞減，表明干季高度礦化的巖溶裂隙水被淋濾擠出，產(chǎn)生“活塞效應(yīng)”，促使洞穴滴水和巖溶泉水的電導(dǎo)率偏高。雨季包氣帶水受到新進(jìn)雨水的混合作用，洞穴滴水和巖溶泉水的電導(dǎo)率偏低，降水補(bǔ)給后表層巖溶帶以彌散流形式滲透補(bǔ)給[35]。泉水水溫與水位、電導(dǎo)率均呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性由冬季向夏季遞增，至雨季時(shí)突然急劇減小，主要原因是受管道水快速補(bǔ)給，泉水中高度礦化的巖溶水比例減小。水文氣象各參數(shù)的相關(guān)性分析表明，黃龍泉水受土壤、表層巖溶帶、前期裂隙管道儲(chǔ)存水、飽水帶水流的共同補(bǔ)給。

表2 黃龍泉水文氣象各參數(shù)的相關(guān)系數(shù)

根據(jù)相關(guān)氣象資料，2019年黃龍泉域降水量為913.1 mm，最大降水量出現(xiàn)在7月，泉水水位最高值在9月；2016年降水量最大月為8月，泉水水位最高值在9月，不同年份的降水量差異使泉水水位具有年際、年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化特征，表明雨水是黃龍泉的主要補(bǔ)給來(lái)源。計(jì)算得出的2016與2019年黃龍泉水文氣象各參數(shù)的相關(guān)系數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 2016與2019年黃龍泉水文氣象各參數(shù)的相關(guān)系數(shù)

由表3可見(jiàn)，2016與2019年的降水量呈弱相關(guān)，而該兩個(gè)年份的泉水水位、水溫、電導(dǎo)率和氣溫均呈顯著正相關(guān)，泉水水位過(guò)程線比降水穩(wěn)定。由此表明黃龍泉水受基巖裂隙流和管道快速流的共同補(bǔ)給，泉水流量比較穩(wěn)定，表層巖溶系統(tǒng)具有一定的調(diào)蓄功能。

3.2 年內(nèi)Cu、Cr、Cd、Dm等系數(shù)特征

在季風(fēng)氣候區(qū)，降水和氣溫等要素具有明顯的季節(jié)性變化特征，從而導(dǎo)致洞穴滴水、泉水等巖溶水呈季節(jié)性水文波動(dòng)。以2016年為例，計(jì)算老黃龍洞-黃龍泉降水、洞穴滴水及泉水水位等參數(shù)的年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cu、完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr、集中度Cd和集中期Dm，還計(jì)算了2019年降水和泉水水位的集中期Dm作為對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 老黃龍洞-黃龍泉降水、洞穴滴水及泉水水位的年內(nèi)Cu、Cr、Cd和Dm值

由表4可知，2016年各類型洞穴滴水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cu最大為1.02、最小為0.10，平均值為0.42，Cu值排序?yàn)锳>C>B>D，降水和泉水水位的Cu值分別為0.91和0.21。2016年各類型洞穴滴水年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr的最大值為0.47、最小為0.04，平均值為0.19，Cr值排序?yàn)锳>C>B>D，降水和泉水水位的Cr值分別為0.38和0.09。由此可見(jiàn)，在巖溶關(guān)鍵帶水文動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，降水-洞穴滴水-泉水水文過(guò)程的Cu、Cr值均呈垂直遞減趨勢(shì)。2016年各類型洞穴滴水的集中度Cd也有顯著差異，季節(jié)性滴水A的集中度最大，為0.66，遠(yuǎn)大于敏感性滴水B和穩(wěn)定性滴水C、D的集中度，且大于降水和泉水水位的集中度。由于敏感性和穩(wěn)定性滴水年內(nèi)變化較小，故其集中度也較小。黃龍泉域常年降水的集中期Dm在6月初左右，2016年降水的集中期Dm在7月下旬至8月上旬之間，而洞穴滴水、泉水水位的集中期在8月中下旬，表明降水入滲形成洞穴滴水的過(guò)程中受上覆土壤厚度、表層巖溶帶、包氣帶、滴水和補(bǔ)給管道運(yùn)移方式等因素的影響[36]。

3.3 時(shí)滯分析

老黃龍洞各類型洞穴滴水及黃龍泉水位的自相關(guān)系數(shù)r(k)變化曲線見(jiàn)圖6。

圖6 老黃龍洞各類型洞穴滴水及黃龍泉水位的自相關(guān)系數(shù)r(k)變化曲線

由圖6可看出， 作為泉域補(bǔ)給區(qū)的洞穴滴水在第1～2周內(nèi)的自相關(guān)系數(shù)r(k)快速減小，之后隨時(shí)間變化趨于緩和，這種自相關(guān)系數(shù)曲線變化解譯了巖溶含水層的三維二元性。穩(wěn)定性滴水(C)自相關(guān)系數(shù)減小緩慢，在第8～9周期間自相關(guān)系數(shù)下降至0.2，故滯后時(shí)間可達(dá)56～63 d；穩(wěn)定性滴水(D)自相關(guān)系數(shù)曲線變化復(fù)雜，在第1、5～6、10周自相關(guān)系數(shù)值均大于0.2，即滯留時(shí)間分別為14、35～42、70 d，降水對(duì)該類滴水的影響持續(xù)時(shí)間為14～70 d，該類滴水對(duì)降水產(chǎn)生多重響應(yīng)，滴水由歷經(jīng)土壤、表層巖溶帶和管道、裂隙的雨水入滲補(bǔ)給。敏感性滴水(B)在開(kāi)始時(shí)自相關(guān)系數(shù)急劇減小，對(duì)降水響應(yīng)迅速，在第1～1.5周時(shí)，自相關(guān)系數(shù)降至0.2，降水滯留時(shí)間約為7～10.5 d。季節(jié)性滴水(A)的自相關(guān)系數(shù)曲線變化相對(duì)和緩，介于穩(wěn)定性滴水C、D的自相關(guān)系數(shù)曲線之間，在第7～8周自相關(guān)系數(shù)降至0.2，表明滯后時(shí)間為49～56 d。黃龍泉水位初期的自相關(guān)系數(shù)變化也相對(duì)和緩，介于穩(wěn)定性滴水C、D的自相關(guān)系數(shù)曲線之間，與季節(jié)性滴水(A)的自相關(guān)系數(shù)變化趨勢(shì)相似，反映了泉水既受裂隙基質(zhì)流補(bǔ)給也受管道流補(bǔ)給。在第7周時(shí)，水位自相關(guān)系數(shù)降至0.2，表明黃龍泉水位滯后時(shí)間為49 d。由于巖溶含水層透水介質(zhì)的不均勻性，加之巖溶管道、裂隙、洞穴發(fā)育復(fù)雜程度的差異[37]以及地下水運(yùn)移路徑的差異，研究區(qū)域植被覆蓋良好致使降水對(duì)洞穴滴水、泉水的持續(xù)影響具有分帶運(yùn)移性。

3.4 響應(yīng)分析

將降水作為巖溶系統(tǒng)的輸入，各類型洞穴滴水、泉水水位作為輸出序列，計(jì)算降水與各類型洞穴滴水、泉水水位的互相關(guān)系數(shù)rxy(k)，其互相關(guān)系數(shù)rxy(k)變化曲線如圖7所示。

圖7 降水與老黃龍洞各類型洞穴滴水及黃龍泉水位的互相關(guān)系數(shù)rxy (k)變化曲線

由圖7(a)可知，季節(jié)性滴水(A)的rxy(k)值在第1～11、14周均大于0.2，在第6周時(shí)rxy(k)出現(xiàn)峰值0.603，表明該滴水點(diǎn)對(duì)降水響應(yīng)的滯后時(shí)間為42 d，且存在7～77 d的最明顯降水響應(yīng)。敏感性滴水(B)的rxy(k) 值在第1周就出現(xiàn)了峰值0.330，表明該滴水點(diǎn)對(duì)降水響應(yīng)迅速且滯后時(shí)間為7 d，其他時(shí)段rxy(k)均未出現(xiàn)大于0.2的情況，說(shuō)明其他時(shí)間未對(duì)降水產(chǎn)生顯著響應(yīng)。穩(wěn)定性滴水(C、D)的互相關(guān)系數(shù)變化曲線走勢(shì)大致相同，表明其對(duì)降水的響應(yīng)基本一致，但滴水D的變化幅度小于滴水C。滴水C的rxy(k)在第30周時(shí)出現(xiàn)峰值0.220，說(shuō)明該點(diǎn)滴水對(duì)降水響應(yīng)的滯后時(shí)間為210 d，其他時(shí)期rxy(k)均小于0.2，表明響應(yīng)不顯著。滴水D的rxy(k)值在第0～45周均小于0.2，表明滴水D在該水文年無(wú)顯著降水響應(yīng)。上述分析表明，各類型洞穴滴水對(duì)降水的響應(yīng)程度排序?yàn)榧竟?jié)性滴水>敏感性滴水>穩(wěn)定性滴水。

由圖7(b)可知，黃龍泉水位的rxy(k)值在第1～51、58～61 d均大于0.2，說(shuō)明泉水水位對(duì)降水的響應(yīng)滯后時(shí)間平均約為41 d，其中出現(xiàn)了4個(gè)依次遞減的峰值(0.370、0.363、0.358和0.220)，分別為4、9、22和59 d，第4、9 d可能為豎井、落水洞等點(diǎn)狀快速流補(bǔ)給泉水；第22、59 d可能受線狀裂隙流、網(wǎng)狀滲透流等中慢速?gòu)浬⒘餮a(bǔ)給泉水，各補(bǔ)給通道及洞穴滴水類型對(duì)泉水的補(bǔ)給影響程度排序分別為點(diǎn)狀>線狀>面狀、季節(jié)性滴水≥敏感性滴水>穩(wěn)定性滴水，體現(xiàn)了巖溶介質(zhì)空隙水流和儲(chǔ)存的雙重性，表明巖溶含水介質(zhì)的孔隙度、滲透率和導(dǎo)水率空間分布極不均勻[38]，泉水受裂隙介質(zhì)控制的慢速?gòu)浬⒘严读髋c集中補(bǔ)給的管道流的共同補(bǔ)給，其中表層巖溶帶對(duì)巖溶水起到了入滲補(bǔ)給和調(diào)蓄的雙重作用，延長(zhǎng)了巖溶系統(tǒng)對(duì)雨水入滲的滯時(shí)。

4 結(jié) 論

(1)1951-2020年昆明市嵩明縣呈暖干化趨勢(shì)，黃龍泉域洞穴滴水、泉水水文動(dòng)態(tài)變化具有季節(jié)性和垂直分異性，黃龍泉水位動(dòng)態(tài)變化特征與季節(jié)性滴水最為相似。年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cu、年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr和集中度Cd在降水-洞穴滴水-泉水過(guò)程中總體呈垂直遞減趨勢(shì)，其中敏感性滴水≤穩(wěn)定性滴水<泉水水位<季節(jié)性滴水。黃龍泉域常年降水集中期Dm在6月初左右，2016年洞穴滴水、泉水水位的集中期在8月中下旬。

(2)黃龍泉域洞穴滴水和泉水水位均對(duì)降水產(chǎn)生滯后響應(yīng)，其滯后時(shí)間排序?yàn)槊舾行缘嗡?泉水水位≤季節(jié)性滴水<穩(wěn)定性滴水；對(duì)降水的響應(yīng)程度由弱到強(qiáng)排序?yàn)榉€(wěn)定性滴水、敏感性滴水、季節(jié)性滴水。穩(wěn)定性滴水的補(bǔ)給為彌散滲透流，對(duì)降水響應(yīng)的滯后時(shí)間約為210 d；季節(jié)性滴水的補(bǔ)給為管道流，對(duì)降水響應(yīng)的滯后時(shí)間為42 d；敏感性滴水為包氣帶底部補(bǔ)給，對(duì)降水響應(yīng)迅速，滯后時(shí)間約為7 d。泉水水位響應(yīng)滯后時(shí)間與季節(jié)性滴水最為接近，約為41 d。泉水水位對(duì)洞穴滴水類型的響應(yīng)程度排序?yàn)榉€(wěn)定性<敏感性<季節(jié)性。

(3)黃龍泉域巖溶含水層中裂隙流與管道流并存、層流與紊流并行，泉水由流經(jīng)巖溶區(qū)的風(fēng)化裂隙水和降雨入滲補(bǔ)給，補(bǔ)給方式包括點(diǎn)狀集中、線狀慢速、面狀入滲等，加之土壤水、表層巖溶帶水、包氣帶水的調(diào)蓄作用，形成常流性暗河泉。

本研究進(jìn)一步揭示了巖溶關(guān)鍵帶地下水水文動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以期為巖溶地區(qū)水資源管理、調(diào)控提供一定的科學(xué)參考。