云南鹤庆县蝙蝠洞泉流量衰减分析

茅伟绩，王锦国

(河海大学地球科学与工程学院，南京 211100)

0 引言

我国南方岩溶地区地表岩溶发育，大量的大气降水和地表水通过这些岩溶渗入地下转化为地下水，在由孔洞、裂隙、管道等组成的地下岩溶结构中储存、排泄[1-2]。然而由于岩溶系统的复杂性，我们对地下水系统的内部结构缺少直观了解，泉流量衰减曲线分析可能是目前认识岩溶含水层内部水文地质特征的一种较为行之有效的方法，被广泛应用于推求岩溶含水层水文地质参数的工作中。但是该方法依然还存在着一定的问题：例如，建立在等效多孔介质含水层解析解基础之上的岩溶泉流量衰减曲线模型所获取的水文地质参数可靠性不强、不能有效排除岩溶含水层上部垂直入渗带及其顶部表层岩溶带溢流对岩溶泉流量衰减曲线的影响等[3-4]。

1 泉水特征

蝙蝠洞岩溶泉位于云南省丽江市鹤庆县西南部。海拔约为2 343m。该地区年平均气温13.5℃，年温差较小，但昼夜温差较大，干湿季分明，年降水量约1 000mm，其中雨季降水量约占年降水量的90%～95%，属于典型的典型的低纬度高原季风气候。

蝙蝠洞岩溶泉位于鹤庆西山岩溶水系统的VI子系统。鹤庆西山岩溶水系统位于鹤庆西山东侧，控制边界大致以鹤庆西山的地形分水岭为边界。该区构造以断裂为主，近东西向的断裂将区内岩溶化岩层分隔成众多条块状，断层及侵入岩与不可岩溶化砂泥岩将各条块间分隔，使得岩溶子系统之间的水力联系变弱，岩溶呈十分明显的方向性发育，发育方向均为近西东方向。

VI子系统位于鹤庆西山岩溶水系统的最南端(图1)。西北侧的隔水边界为由非岩溶化的松桂组、中俄组砂泥岩组成的北北东轴向斜的东翼。东南侧边界为鹤庆-洱源断裂，断裂东部为非岩溶化的松桂组以及第四系黏土、砂砾石。子系统的隔水边界相对清晰，系统内的水循环相对独立。

图1 研究区地质Figure 1 Geological map of study area

区域内海拔2 280～2 850m,整体为西高东低。主要出露中三叠统北衙组，上段岩性为灰岩、白云质灰岩、白云岩，下段岩性为泥质条带灰岩及泥质灰岩。系统内岩溶洼地及落水洞等发育，可以推测：系统内岩溶含水介质中存在大量的岩溶管道及岩溶裂隙储存、运移、排泄地下水。

蝙蝠洞泉水出露点位于子系统内北衙组灰岩与系统外第四系的交界处，是鹤庆-洱源断裂造成的隔水边界处的断层型下降泉。观测到的排泄点位于海拔2 243m的水平岩溶洞穴中，流量变化巨大，雨季流量可达125L/s,旱季流量几乎为零；降雨后泉流量响应迅速，暴降雨后平均流量响应滞后不超过12h，按照流量动态及泉口形态划分应属于季节性的溶洞泉。可以推测泉域内的降水通过岩溶洼地、落水洞等发育的地表岩溶入渗，经由岩溶管道、裂隙等向地势较低的方向运移，在鹤庆-洱源断裂处被第四系隔水层阻隔溢出形成蝙蝠洞泉。

2 研究方法

2.1 降雨及泉流量的测量

水文气象观测装置为便携式自动气象站，雨量分辨率为0.2mm，校准精度±1.0%。蝙蝠洞岩溶泉排泄口测量点位于蝙蝠洞溶洞的出口处，量水堰的下游是公路下的排水口：该处天然具有量水堰设计所需要的沉砂池和引水池。在天然的两池之间修建有三角堰，通过无线通讯传输数据。

经测量计算堰上水头的初始流量Q初始=1.287L/s。

2.2 岩溶泉流量衰减分析

由于相对清晰的隔水边界，蝙蝠洞对应的岩溶子系统可视为补给仅受大气降水影响的封闭岩溶含水体。滇中短时间集中降雨的水文气象特征导致易出现暴雨事件后一定时间内无有效降雨：在这种情况下，岩溶地下水排泄动态(这里主要表征为泉流量的衰减曲线)可以较为直观地反映出岩溶含水介质的储水空间结构特征。

指数衰减分析方法认为泉流量的衰减曲线服从指数衰减过程，该指数衰减过程与简单线性水箱的退水过程一致，泉流量衰减曲线可用以下公式形式表示{5-6}：

Q(t)=Q0e-αt

(1)

式中：α为指数衰减系数;Q0为初始流量，L/s。

当将衰减曲线绘制于图上时，衰减曲线呈一条直线，该直线的斜率即为指数衰减系数α。该衰减系数与泉流量和衰减时间无关，仅取决于含水层的内部性质，因此可用于认识或比对不同的岩溶含水层内部特征。

然而，这种单一的线性水箱模型仅适用于解释一些简单泉流量衰减曲线，而很多实际的岩溶泉流量衰减曲线可能包含若干个指数衰减部分[7-9]。即在流量的衰减过程中，含水介质中不同级次尺寸储水空间中水流的排泄具有不同的衰减系数，并且亚动态具有叠加性[10-12]。目前应用较多的是由三段指数方程曲线组成的含水层衰减方程：

(2)

式中Qi为每个不同级次尺寸储水空间的初始衰减流量，L/s;αi为每个储水空间的指数衰减系数。

一般认为模型中衰减系数最大的指数衰减段为岩溶含水层中管道的排水过程，衰减系数最小的指数衰减段代表微小裂隙的排水过程。而衰减系数居中的指数衰减段代表居于管道和微小裂隙之间的岩溶裂隙的排水过程。

3 结果与分析

3.1 降水特征

检测装置自2017年5月18日起开始对日降雨量进行监测(图2)。结果显示研究区的降水在时间上的分布非常集中。据统计2017年的实测降雨量为826mm。6-9月为雨季，降水量约为全年的92%，10月-次年5月为干季仅有一次较为有效的降雨。雨季内有5次大雨和暴雨事件，分别2017年的7月9日、8月1日、8月15 日、8月29 日和9月28日发生。这五次强降雨事件降雨总量为316.5mm，降雨量占比为全年的38.3%。

图2 降雨时段泉流量响应Figure 2 Rainfall period spring flow respondence

3.2 蝙蝠洞泉流量对降雨事件的响应

蝙蝠洞泉流量对降雨事件特别是强降雨时间响应非常迅速，泉流量曲线随着暴雨事件的发生突然上涨而后又迅速下落，呈显著不对称尖峰形；而在干季泉流量则非常地低，并且随着干旱时间的持续缓慢降低：这是典型的南方岩溶水动态特征。依据岩溶地下水动态曲线线型分析方法，可以推断蝙蝠洞泉地下水系统岩溶非常发育、岩溶裂隙管道相对于地下水位高程偏高。

3.3 暴雨事件后的流量衰减曲线

2017年9月18日，研究区发生强降雨，这是该年雨季最后一次强降雨。这次强降雨时间后研究区进入旱季，并在接下来的120d内都未能形成有效的降雨时间。因此我们选取该流量过程作为雨季时的指数函数泉流量衰减分析,将相关参数代入(2)，可得出图3a。

图3 泉流量衰减曲线拟合Figure 3 Spring flow attenuation curves fitting

从图3a可以得到：α1=0.411 8;α2=0.088 91;α3=0.007 42 ;Q1=79.52;Q2=15.01;Q3=6.397；R2=0.997 1。其中α1，Q1；α2，Q2；α3，Q3分别代表了岩溶含水层中管道、裂隙、微小裂隙的排水过程的衰减系数和初始流量。R2为拟合程度。

同理，为了对比旱季与雨季的泉流量衰减曲线的不同，我们选取2018年最后一次有效降雨事件后流量进行拟合(图3b)：该降雨事件为2018年干季唯一一次有效降雨，降雨事件前后30d内均无降雨干扰。

从图3b可以得到：α1=0.125 3;α2=0.017 02;α3=0.001 82 ;Q1=41;Q2=11.74;Q3=0.660 3；R2=0.993 9。可以发现：拟合中的三个亚动态的渗透系数相差较大，且两次拟合的渗透系数结果相似，说明岩溶系统中具有管道、裂隙、微小裂隙三种不同岩溶程度的结构。其中代表岩溶管道的渗透系数α1所代表的的初始流量Q1最大，说明系统内的岩溶管道发育且通过管道排泄的地下水最多。当雨水丰度不同时，各个级别的岩溶介质参与的程度也不同，相较于雨季在旱季时岩溶管道在地下水排泄过程中参与较少。

4 结论

通过对蝙蝠洞岩溶子系统一年的水文气象观测发现：蝙蝠洞泉流量峰值与降雨量关系密切，强烈降雨后通常会有较短时间的峰值滞后并且泉流量下降迅速。强降雨后，蝙蝠洞泉流量衰减符合三段指数衰减叠加的衰减过程，且衰减系数的差异较大，可分为三个“水箱结构”——岩溶管道、岩溶裂隙、微小岩溶裂隙网。泉域内含水介质以管道及岩溶裂隙为主，且分布不均匀，与实地勘察的地质结构相符。旱季和雨季不同含水介质参与的程度不同，在雨季的强降雨中岩溶管道与较大的岩溶裂隙更多地参与到地下水的排泄当中。