西南某深埋长引水隧洞线路区岩溶水系统特征研究
1，2陈长生，1，2周云，1，2王家祥，1，2李银泉，1，2张海平，1，2史存鹏
（1长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010；2长江三峡勘测研究院有限公司 武汉，湖北武汉 430074）
作者简介：陈长生 （1982—），高级工程师，主要从事水利水电等大中型水利水电枢纽、大中型引调水工程，以及岩土等工程勘察。
摘要：研究区位于金沙江流域和澜沧江流域的分水岭——马耳山脉，可溶岩大面积出露，断裂构造十分发育，岩溶水系统特征极其复杂，岩溶地下水是鹤庆、剑川两盆地工农业用水的主要水源，以及草海湿地、剑湖等风景区的主要补给水源。某深埋长引水隧洞从鹤庆西山和剑川东山的山岭中穿过，隧洞顶板低于两侧盆地约200m，穿越不当，将对研究区地下水环境造成较大影响，为此，研究隧洞穿越区岩溶水系统特征具有重要意义，本文主要从连通试验、地下水均衡、水质类型等方面进行了分析，将研究区划分为6个岩溶水系统，并对其特征进行了分析研究。其研究成果为该工程的选线、施工、地下水环境评价等提供重要的科学依据。
关键词：深埋长引水隧洞 分水岭 岩溶水系统 地下水
1 引言
岩溶水系统是超越于岩溶含水层之上的范畴，是主要分布于岩溶地区，具有稳定的水文地质边界条件，通常穿越（连通）不同性质的岩溶含水层，使不同岩溶含水层之间发生密切的水力联系，包含岩溶水补、径、排在内，可能涵盖地表水及岩溶地下水的完整水文系统。
岩溶水系统按照边界、径流与排泄条件的封闭性可划分为开放型岩溶水系统和相对封闭岩溶水系统两种类型。开放型岩溶水系统多为潜流型岩溶地下河（下降泉），无承压，流域边界以自然分水岭为主，无隔水边界或结构封闭，含水层的导水性强而储（蓄）水条件较差，地下水不均匀性、动态变化大；相对封闭岩溶水系统多受非碳酸盐岩阻隔，流域边界受非碳酸盐岩或结构面（如压扭性断层）控制，含水层之上有非碳酸盐岩盖层覆盖（形成以侧向岩溶水补给为主的覆盖、埋藏型岩溶水系统）或局部管道上的碳酸盐岩岩溶不发育，有较稳定的边界封闭条件，地下水汇流、径流和排泄受特殊的隔水层或阻水构造控制，多具有深部循环而承压，形成上升泉，岩溶地下水储存条件较好。
本文研究区跨越金沙江与澜沧江流域分水岭，可溶岩地层广布，区内断裂发育，新构造运动活跃，地貌演变过程与岩溶水文地质条件非常复杂，开展岩溶水系统特征研究是非常必要的。
2 概述
2.1 工程概况
西南某深埋长引水隧洞起点位于丽江市玉龙县石鼓镇，穿越金沙江与澜沧江流域分水岭——马耳山后，至终点大理白族自治州鹤庆县松桂镇，长约63km，该隧洞初始设计水位为2035～2000m，隧洞埋深一般为600～1200m，最大埋深约1450m，沿线碳酸盐岩地层分布范围较广，岩溶发育较强烈，且穿越多条区域性活动大断裂，地质构造与岩溶水文地质条件极其复杂。
2.2 地质背景
研究区地处云南北西部，属横断山系切割山地峡谷区向滇中盆地山原区之滇中红色高原亚区过渡地带，区内高山、深谷、盆地相间排列。
该隧洞穿越区属马耳山脉，山岭浑厚，东西宽18～25km，南北长约90km，地形陡峻连续，总体呈北高南低，山顶高程一般为2760～3500m，山岭间岩溶洼地、坡立谷分布广泛，山岭东侧为鹤庆盆地，西侧为剑川盆地，两盆地高程约为2200m；北侧及北东侧为拉什海和丽江盆地，前者地面高程为2437～2500m，后者高程约为2400m，上述盆地周缘多有岩溶泉出露，这些泉水是当地居民生活和工农业生产的主要补给水源。
3 研究区岩溶水文地质条件
3.1 可溶岩地层与富水性
3.1.1 可溶岩地层及其分布
研究区可溶岩地层广布，岩溶发育强烈，主要可溶岩地层及分布见表1。
表1 研究区主要可溶岩地层及分布统计表
3.1.2 可溶岩层组的富水性划分
富水性指含水层中地下水的富集程度。可将岩溶含水层（组）划分为强、中等、弱三个定性的等级。本次岩溶含水层的富水性用地下水径流模数来表征，并参考其在地表与地下岩溶发育强度（洼地、漏斗个数）和泉点个数。根据以上指标体系，对研究区内主要岩溶含水层（组）的富水性划分见表2。
表2 研究区主要岩溶含水层（组）富水性划分表
3.2 主要岩溶现象
研究区地处滇西北青藏高原东南部，属高原温湿气候区，气候条件适宜岩溶发育。构造极为发育，新构造和地震活动强烈，地形地貌复杂，类型多样，这些都给该区岩溶的发育带来随机影响，并控制岩溶的空间分布、形态、规模和发育强度。研究区主要岩溶形态类型有石峰（丘）、石林、石牙、溶蚀洼地、溶沟、溶槽、漏斗和槽谷等地表岩溶形态以及落水洞、溶洞、地下管道系统等地下岩溶形态。特别是强岩溶化地层北衙组灰岩中该类岩溶形态发育较为齐全。
3.3 主要排泄泉
研究区地表水系主要有冲江河、黑惠江、漾弓江、文笔海、剑湖等多个较大河流和湖泊，另外鹤庆盆地和剑川盆地周缘还分布较多岩溶大泉，这些大泉主要通过岩溶地下管道、导水断层沿本区的最低侵蚀基准面排泄。①鹤庆盆地：本区岩溶大泉最密集分布地区，沿鹤庆西山边缘分布一系列岩溶泉，排泄高程2210～2250m，其中泉水流量一般100～300L/s，最大流量约1500L/s，总流量6280L/s，泉水最终排入漾弓江；②剑川盆地：该盆地东山山脚分布一系列岩溶泉和地下暗河，排泄高程2200m左右，总流量2983L/s。
3.4 岩溶地下水动力学特征
岩溶水循环包括岩溶地下水的补给、径流、赋存和排泄的整个过程，又称岩溶水“三水转换”。研究区地表岩溶主要以大型溶蚀洼地、漏斗、落水洞为主，岩溶地下水的补给方式以集中补给为主，地下水在空间上分布不均匀，并主要沿构造面（断层或破碎带、褶皱轴部或转折端）运移，在盆地边缘或沟谷中出露地表，泉水的水文动态变化大。
4 岩溶水系统划分与特征
4.1 岩溶水系统划分原则
本次对研究区岩溶水系统在野外水文地质调查和填图的基础上，参照区域水文地质钻探、水文地质物探、岩溶水文地质场研究和岩溶水示踪试验的基础上，根据以下原则划分：
（1）具有明确的水文地质边界。通过分析岩溶水文地质结构，能够确定系统岩溶化地层（含水层或含水介质）和相对封闭、稳定的地下水系统的边界条件。地下水系统边界包括：
隔水岩层：岩层空间上连续稳定、没有被错断；
阻水断层：断层以压扭性为主，岩溶不发育，隔水性能良好、稳定；
地下水分水岭：对空间上发育于同一连续岩溶含水层组中的多个岩溶地下水点（地下水系统）之间的边界，应从地下水动力条件、岩溶水文地质场特征分析认定，或通过岩溶地下水示踪或地下水试验验证的地下水分水岭。对具有统一地下水位、分水岭可变的两个或多个岩溶泉，归为统一岩溶水系统。
（2）岩溶水动力条件——岩溶水系统的完整性。系统内岩溶地下水的补、径、排条件明确和具有唯一性，即具有明确的地下水补给区、径流区和排泄区（即排泄基准面和溢出部位，具有明确的代表性岩溶泉，基本明确的岩溶管道），具体通过对地下水位、水力坡度等的综合分析来识别和论证，包括对岩溶水示踪试验数据的分析。
（3）水文地质特征的相似性和差异性。即同一岩溶水系统具有相似的水文地质特征，包括含水介质特征，地下水赋存与运移方式，地下水水化学、同位素、水温度场特征等，而不同岩溶水系统上述水文地质特征有较大差异。
4.2 岩溶水系统划分
根据上述划分原则，将研究区划分为6个相对独立的岩溶水系统（表3）。其中，有些岩溶地下水系统之间的划分还需要进一步证实（包括岩溶水示踪试验、水文地质钻探试验等），或有些系统尚可进一步细分。
表3 研究区岩溶水系统划分统计表
4.3 岩溶水系统特征
经过大量的野外水文地质调查和分析研究，本文对上述划分的6个相对独立的岩溶水系统特征进行了研究。特别重点研究了对工程影响较大的鹤庆西山岩溶水系统和清水江—剑川岩溶水系统。各岩溶水系统特征见表4。
表4 研究区岩溶水系统特征表
续表
5 岩溶水系统范围与边界验证
对研究区划分的岩溶水系统通过示踪连通试验、汇水面积与岩溶排泄泉的匹配关系、水质成果分析等一系列有效方法对划分的隔水边界和地下分水岭不十分明显的主要岩溶水系统范围和边界进行了验证。
5.1 示踪连通试验
鹤庆西山和剑川—清水江岩溶水系统的地下分水岭为金沙江和澜沧江流域分水岭，其分水岭位于沙子坪以西、安乐坝、汝南哨以东，马厂西山一线。通过大量水文地质调查和分析研究以及示踪试验得以证实。
根据鹤庆西山水文地质调查成果，选取了小马厂、东甸、大塘子进行了大型示踪连通试验。①小马厂、东甸示踪试验结果显示，马厂洼地的水流向鹤庆盆地，东甸洼地的水在丰水期（水量较大时）既有流向鹤庆盆地、也有流向剑川盆地，在丰水期（水量较小时）流向鹤庆盆地，因此地下分水岭位于马厂洼地的西侧、东甸洼地附近；初步判断地下分水岭与地表分水岭基本一致。②大塘子连通试验显示，安乐岩溶洼地的落水洞与清水江村泉连通，且清水江村泉水及江水出现明显的双峰，说明安乐岩溶洼地至清水江有多个岩溶通道，地下岩溶可能较发育；这也证明鹤庆西山岩溶系统与清水江—剑川岩溶水系统地下分水岭位于安乐岩溶洼地东侧，其地下分水岭与地表分水岭基本一致。
5.2 地下水均衡分析
研究区地形地质条件复杂，岩溶地下水分析影响因素较多，根据各岩溶水系统地表汇水面积与排泄泉总流量的比值进行均衡分析，简要分析了研究区主要岩溶水系统地下水补、排配套关系（表5）。
从表5可以看出，除鹤庆西山Ⅳ-4岩溶水子系统与拉什海岩溶水系统排泄流量(m3)/汇水面积(100km2)比值分别为0.67、0.76偏低外，其他系统比值大多在1.11～2.18，高者达3.44。总体情况是各系统排汇流量与汇水面积比值较一般岩溶区规律值偏大，主要与近期观测为降雨期有关。鹤庆西山Ⅳ-4岩溶水子系统比值偏小，分析认为该系统内及两侧沟谷深切，地表水很快从地面排泄，导致入渗地下水较小相关；拉什海岩溶水系统比值偏小，主要因为金沙江边部分岩溶大泉已经干枯（可能被袭夺），或可能位于江中，流量无法统计。
表5 研究区主要岩溶水系统地下水补、排配套关系表
5.3 水质类型差异
根据研究区水质分析成果，简要分析如下：
（1） 研究区地表水及泉水的pH值一般为7～8.5，属弱碱性水。
（2） 岩溶泉的矿化度为100～120mg/L，流动河水的矿化度为70～80mg/L，非流动的蒸发型为主的塘（库）水矿化度较高，一般为200～400mg/L。一般来说，泉水矿化度大于河水。
（3） 鹤庆西山岩溶泉水化学类型主要为HCO3—Ca·Mg，剑川东山岩溶泉水化学类型主要为HCO3—Ca，显示两个岩溶水系统中可溶岩的差异。鹤庆西山可溶岩主要为北衙组白云岩、白云质灰岩等，因此Mg2+的含量要多；剑川的岩溶区可溶岩主要为青山组灰岩，Mg2+的含量较低。靠近松桂组 （T3sn）、黑泥哨组 （P2h）等煤系地层分布区，其
离子含量较高，水化学类型为SO4·HCO3—Ca·Mg或 HCO3·SO4—Ca·Mg型水。
6 结语
本文对西南某深埋长引水隧洞区岩溶水系统特征开展研究，是在查明研究区岩溶发育规律和水文地质结构的基础上，合理选择隧洞线路、规避重大岩溶与水文地质缺陷，对采取科学合理的防治对策和工程措施，保证隧洞施工安全和工程顺利进行，避免可能的重大地下水环境影响，具有重要的工程价值和社会意义。
（1）研究区岩溶发育遵从岩溶发育的普遍性规律，岩性、构造、水动力条件等都是制约岩溶发育强度和岩溶分布的控制因素。
（2）经过大量的野外水文地质调查和分析研究，将研究区划分为6个相对独立的岩溶水系统，各岩溶水系统边界稳定，岩溶水补、径、排关系明确，地下水主要赋存在岩溶管道、较大的岩溶裂隙中，以浅部循环方式运移，在地形低洼的盆地边缘和河谷地带以非承压的地下河、岩溶大泉方式出露地表。
（3）通过钻孔水位观测、示踪连通试验等验证了研究区地下分水岭的位置，分水岭地带具有垂向上岩溶不甚发育，且随埋深增加岩溶减弱趋势明显的规律，这对工程选线具有重要的指导意义。
参考文献
［1］ 叶咸.昆明盆地北东侧岩溶水系统探析［D］.成都：成都理工大学，2014.
［2］ 陈长生,王家祥,张海平,等.示踪试验在复杂岩溶区工程中的应用［J］.水电与新能源，2015（127）:22-25.
［3］ 瞿霜菊,黄辉,曹正浩.云南省滇中引水工程规划研究 ［J］.人民长江,2013，44(10):80-83.
［4］ 吴孔军,朱玉娟,周斌.六盘山东麓岩溶水系统分析［J］.人民黄河,2011.33(8):78-79.
［5］ 梁永平,王维泰.中国北方岩溶水系统划分与系统特征 ［J］.地球学报,2010,31(6):860-868.