滇池盆地东侧黑龙潭与白龙潭水力关系研究

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(1.招商局生态环保科技有限公司，重庆 400067 ；2.成都理工大学，四川 成都 610059)

呈贡黑龙潭与白龙潭均位于滇池断陷盆地构造带内，两者间相距不到3 km，且均出露于二叠系阳新组(P1y)灰岩中，但两者的地下水动态变化特征以及水化学、氢氧同位素组分特征均有较大差异，呈贡作为昆明市新城开发区，是工程施工建设极为频繁地区，而黑龙潭与白龙潭作为当地重要的供水水源地，各类工程与他们间的相互影响关系不容忽视。王宇在[1]《断陷盆地岩溶水赋存规律》中曾详细介绍了吴家营岩溶水系统，主要分析了该系统内地下水径流模式以及岩溶水单元划分依据，但未对呈贡黑龙潭与白龙潭间具体关系做详细论述。本文将通过对地质构造条件、水化学组分、氢氧同位素等方面的分析，着重研究两者间水力联系。徐子东等[2]人曾利用同位素特征分析了青云山隧道断层带地下水与河水关系；苏小四等[3]根据水化学及同位素特征研究了马莲河河水与地下水间关系；漆继红等[4]利用水化学及同位素特征分析了川东隔挡式构造铜锣山背斜一南温泉背斜温泉水力联系，以上研究均取得了很好的效果。

1 地质概况

呈贡黑龙潭与白龙潭均为地下暗河出口，属于裸露-覆盖型岩溶水系统，即岩溶含水层组由裸露岩溶山区延伸至松散土层覆盖区、由裸露过渡为覆盖型的岩溶水系统[5]。地下水一般出露于可溶岩与覆盖层接触带附近，剩余未出露部分地下水则转为覆盖型岩溶水。呈贡黑龙潭、白龙潭均为此种情况出露。其出露位置平面图见图1。

区主要出露可溶岩地层为上泥盆统宰格组(D3zg)、下石炭统上司组(C1s)、中石炭统威宁组(C2w)、下二叠统阳新组(P1y)，隔水层主要为上二叠统峨眉山组(P2β)、下石炭统万寿山组(C1w)和下二叠统倒石头组(P1d)。其中泥盆系与石炭系地层相似，以白云岩为主，且中间无完整的隔水层出现，故将其统一为C+D地层，P1y以灰岩为主。各地层在两龙潭出露位置以北均为北东向展布。在黑龙潭与白龙潭出露位置沿线，发育南北向大型断裂——白邑村-横冲断裂，断层北段出露明显，断续见于大新册一带南北向褶皱带中，断层面东倾，倾角较缓。而在北东方向P1y与P2β为断层接触，该断层为一朵云-大新册逆断层，断层线与地层走向大体一致。在土瓜塘一带， P1y与C+D地层通过一平移断层切割，为断层接触，P1d缺失。由于断层两侧均为碳酸盐岩，且岩溶发育，可知该平移断层为导水断层，所以北东段P1y成为土瓜塘以南西段的P1y和C+D中地下水共同补给区。

图1 吴家营岩溶水系统平面图

区内岩溶发育强烈，常见石芽、洼地、落水洞等，如三家村C+D地层中发育有一落水洞，经王宇[1]示踪试验，其排泄区为黑龙潭，白龙潭没有检测到示踪粒子存在，证明C+D地层岩溶管道中地下水径流至黑龙潭出露，剩余部分则进入覆盖型岩溶区。黑龙潭与白龙潭出露于P1y地层中，均为HCO3-Ca-Mg型水，雨季两者流量相当，黑龙潭动态不稳定，雨季、枯季水量相差较大，而白龙潭则动态稳定。

2 水力联系探析

2.1 基于构造条件分析

据图1可知，白龙潭系统主要接受北东侧裸露的P1y的灰岩的补给，范围比较广，且地表和地下岩溶均相当发育，岩溶形态为水平洞隙系统，发育不均，主要储水空间为旁侧溶隙网络。经统计，该区内洼地、落水洞密度为4个/km2，而岩溶率38%～63.8%，均为岩溶强发育带，所以补给资源相当丰富，水量较大(图2)。

图2 白龙潭径流剖面示意图

黑龙潭与白龙潭间由于有稳定隔水层P1d的存在，黑龙潭主要接受C+D地层中白云岩的补给，其岩溶发育程度相对P1y地层较弱，但有三家村落水洞地表水补给，故动态变化与地表水情况息息相关。

通过黑龙潭与白龙潭间地形可知，黑龙潭与白龙潭间的C+D地层在靠近白龙潭的位置有一小型分水岭存在，这使得该地层中大部分地下水主要为由南向北径流至黑龙潭出露，仅有少部分地下水为由北向南，穿过断层至白龙潭排泄。

2.2 基于动态演化分析

黑龙潭暗河出口排泄高程1 920 m，目前主要吴家营及呈贡县居民生活用水重要水源；白龙潭暗河出口排泄高程1 935 m，目前主要为农业用水和池塘用水。白龙潭的排泄高程较黑龙潭的排泄高程高，从水均衡的角度来考虑，如果两个系统为同一地下水系统，在旱季流量明显减少的应该是白龙潭。然而从雨季和旱季两次现场的野外调查结果来看，黑龙潭泉流量两次相差比较大，水量变化3～4倍；而白龙潭泉的流量在雨季和枯季均比较稳定，且黑龙潭有在雨后变浑浊的现象，而白龙潭则没有这种情况。证明白龙潭的补给稳定，水源来源比较稳定和充足，径流途径长，补给范围较大，而黑龙潭的补给则变化较大，再次说明两个系统是独立的，具相对独立的补给来源。

表1 黑龙潭与白龙潭地下水动态特征表 L/s

注：表中雨季和旱季分别为2012.08和2013.04现场实测

2.3 基于水化学特征分析

地下水水化学特征是岩土体中的矿物成分和地下水流之间相互作用的结果，它决定于地下水运动时接触的围岩成分、水文地质条件和氧化还原环境等。水文地球化学方法是研究一个地区含水层水文地质条件的重要手段。黑龙潭与白龙潭水化学组分特征见表2。

从水化学分析的结果来看，黑龙潭与白龙潭间各离子组分含量均有较大差距。黑龙潭泉具有一定含量的Cl-(3.47 mg/L)和相对较高的NO3-和矿化度，证明黑龙潭通过落水洞(例如三家村落水洞)接收地表水的补给，带入特定的Cl-，而白龙潭则没有这样的补给特征。这一现象可以作为说明两个系统是相对独立佐证之一。

2.4 基于氢氧同位素特征分析

大气降水氢氧稳定同位素组成随海拔高程的变化而有规律的变化，即高程效应[6]。根据降水中18O的高度效应，对于现代渗入成因的地下水，其补给区的海拔高程(H)可由下式计算：

(1)

式中：H为取样点地下水补给区的高程(m)；h为参考取样点(井、泉)的补给高程(m)；δs为取样点的18O同位素成分(‰)；δp为参考取样点(井、泉)的同位素成分(‰)；k为同位素高度梯度(‰/m)。

根据中国科学院贵阳地球化学研究所于津生等人(1980)对西南地区δ18O高程效应的研究，其梯度值为-0.26‰/100m，即高程每增加100 m，δ18O减少0.26‰。再选取研究区附近一补给、排泄高程均较为明确的一泉点作为参考取样点，最终根据黑龙潭和白龙潭氢氧同位素特征可以推算其补给高程[7]，结果见表3。

从表3可知，黑龙潭与白龙潭虽然出露高程接近，但经计算后推测出的补给高程却相差近200 m,说明两者补给条件不同。但两者补给区均为北东方向的裸露可溶岩条带，其补给高程不同则说明两者间由于隔水层P1d的阻挡作用，两者互相独立。再者黑龙潭中地下水由于在三家村落水洞处混入地表水的补给，使得地下水中各组分特征发生变化，其补给高程推算结果还需结合其他条件确定。

表2 黑龙潭与白龙潭水化学组分特征表 mg/L

表3 黑龙潭与白龙潭补给高程推算表

2.5 基于地球化学作用过程分析

Phreeqc是通过地下水水化学组分特征，结合实测温度、pH值等实际条件，对地下水的径流路径进行反向模拟，是通过水-岩作用认识地下水径流路径的有效方法。

2.5.1 模型建立

通过上文分析，将当地大气降水作为源，黑龙潭、白龙潭作为汇，分别对黑龙潭、白龙潭进行反向模拟。为有效分析黑龙潭与白龙潭间水力联系，分别对4条路径进行模拟：源→黑龙潭(C+D)、源→黑龙潭(P1y)、源→白龙潭(P1y)、源→白龙潭(C+D)，即分别模拟黑龙潭、白龙潭的地下水通过通过P1d两侧条带径流排泄的过程[8]。鉴于两侧碳酸盐岩分别以灰岩和白云岩为主，在矿物相选择过程中将方解石、白云石作为其主要差异矿物，其余矿物相则为碳酸盐岩中常见矿物：石膏、重晶石、天青石、萤石、岩盐、钾镁盐矿物。由于区内岩溶发育强烈，地下水与地表水交换强烈，故选取CO2(g)作为矿物相之一[9]。模拟过程中的温度、pH值等条件按照实测值设置，不确定度为0.07[10]。

2.5.2 模拟结果分析

模拟结果显示，在设定的模拟条件下，其中3条路径：源→黑龙潭(C+D)、源→黑龙潭(P1y)、源→白龙潭(P1y) 初始溶液及终止溶液的混合比为1:1，说明其路径成立，其矿物转化量见表4(表中“+”表示溶解，“-”表示沉淀)。而源→白龙潭(C+D)显示其混合比为0:1，表示路径不成立。

表4 模拟计算矿物转化量表 mol

通过模拟结果可知，区内地下水通过大气降水补给，分别通过P1d两侧的C+D地层和P1y地层径流至黑龙潭、白龙潭排泄，该过程中方解石、白云石、CO2均发生了溶解，其反应式为：

CaCO3+H+=Ca2++HCO3-

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

CO2+H2O=H2CO3

H2CO3=H++HCO3-

即整个地下水系统中Ca2+、Mg2+、HCO3-等离子的含量均在增加。而路径源→黑龙潭(P1y)之所以成立，是由于在黑龙潭排泄区出露有P1y地层，致使水中含有方解石矿物。而源→白龙潭(C+D)不成立，则是由于白龙潭几乎完全为P1y地层中地下水补给，白云石含量极少，模型中以白云石作为主要矿物相，模拟其径流路径则不可能成立，这与事实吻合。

3 结语

通过对黑龙潭与白龙潭构造特征、动态演化、水化学组分以及同位素的分析可知：黑龙潭与白龙潭在北东侧土瓜塘以上为同一补给源，而在顺岩层走向向西南延伸的区域，被稳定出露的隔水层P1d隔开，分别在P1y、C+D地层中径流，因此在区域的西南面成为相对独立的两个地下水系统。最后通过Phreeqc反向模拟技术进一步得到验证，其结果可作为工程建设中的可靠依据。

5种分析方法结果一致，其中地质构造与动态演化的分析是研究的基础，而通过对水化学和同位素特征的分析，可进一步确定地下水径流路径及补给高程，以达到确定其补给范围的目的。根据地下水地球化学作用过程所采用的模拟技术则是基于以上分析，对其结果进行验证，以确保其可信。5种分析方法相辅相成，使整个分析过程完善，结论合理。

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