玉溪市安化向斜地下水径流模式剖析

朱海明许模黄勋王玉蕊宋海波汪亚莉肖斌

摘要：安化向斜由于褶皱及断层构造作用，地下水径流和出露特征具有一定规律，且出露泉点多作为附近村庄的生活水源。通过对研究区内水文地质条件、地下水水化学组分、氢氧同位素组成等进行分析，采用水均衡法、水文地球化学反向模拟技术等手段，最终确定研究区内共存在3种不同的地下水径流模式：沿可溶岩条带地下水径流模式、断层导通的地下水绕轴径流模式及沿断层破碎带的地下水径流模式，研究成果探明了该地区地下水的径流和排泄规律，对该地区地下水资源的开发利用和保护具有重要的参考意义。

关键词：安化向斜；径流模式；水化学组分；氢氧同位素；反向模拟；Phreeqc；水均衡

中图分类号：P641 文献标志码：A 文章编号：16721683（2016）05017806

Groundwater runoff mode of Anhua syncline in Yuxi

ZHU Haiming1，XU Mo2，HUANG Xun1，WANG Yurui2，SONG Haibo2，WANG Yali2，XIAO Bin2

（1.Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China；2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract：Due to fold and fault structures of Anhua syncline，groundwater runoff and outcrop characteristics have certain rules，and most of the dew point springs are used as living water in nearby villages.In this paper，hydrogeological conditions，chemical composition of groundwater，and hydrogen and oxygen isotopic data in the study area were analyzed，and the water balance method，hydrogeochemical reverse simulation and other means were adopted.It was found that there were three kinds of groundwater runoff modes coexisting in this area：groundwater runoff patterns along the strip of karst，fault conducting groundwater runoff patterns around the syncline axis and groundwater runoff patterns along the fault fracture zone.The results revealed the rules of runoff and discharge of groundwater in the area，therefore providing significant reference for the development，utilization and protection of groundwater resources there.

Key words：Anhua syncline；runoff mode；water chemical composition；hydrogen and oxygen isotopes；reverse simulation；Phreeqc；water equilibrium

褶皱发育地区，地下水径流往往会受到构造的控制作用，构造在很大程度上决定了地下水补给、径流、排泄条件等[12]。蔡祖煌提出地质构造通过直接和间接两个途径控制着地下水的运移[3]；肖维通过对典型向斜型岩溶蓄水构造的水文地质条件进行研究，总结出四种向斜型岩溶蓄水构造的地下水径流模式[4]；杨会峰等依据构造控水理论对宁南地区地下水赋存规律进行了系统研究，从而指导宁南找水工作[5]。玉溪市安化向斜位于江城盆地与玉溪盆地之间，向斜面积不大，但是，地下水出露丰富、类型多样，向斜北翼完整，主要以冷水的形式出露，南翼被断层切割缺失，在断层带上以热水的形式出露，向斜区出露泉点大多作为附近村庄的生活水源，且在龙马山一带正在规划龙马山旅游区。目前，研究区内地下水径流方面的研究极其缺乏，为了更加有效的利用和保护该地区的地下水资源，本文专门对安化向斜区褶皱及断层控制影响作用下的地下水径流模式的进行剖析，进而查明该地区地下水的径流排泄特征，以期为该地区地下水资源的开发利用和保护提供理论指导。

1 研究区地质背景条件

1.1 研究区地质环境背景

安化向斜位于云南省玉溪市境内，区域上处于扬子准地台，地貌上属于滇中区的昆明、通海高原湖盆小区。区域内向斜轴部西端的地下水最终汇入玉溪大河，向斜轴部东端的地下水最终汇入星云湖。

安化向斜轴向与区域内南北向古构造线垂直，以近东西向延伸，轴长30 km。向斜北翼较为完整，向北强烈突出，南翼因石洞河长岭岗断层的切割影响而缺失，在地貌上形成一个等腰三角形形状。向斜区南北端高程分别为2 391 m和2 045 m左右，东西端高程分别为2 136 m和2 391 m左右，中部高程在1 900 m左右，因四周地形较高，中部地形低缓，在轴部区形成安化构造盆地，研究区地理地形图见图1。

区内地层从震旦系至侏罗系均有出露，地层较完整，北翼可溶岩地层包括震旦系陡山沱组（Zbd）及灯影组（Zbdn）灰质白云岩；泥盆系上统（D3）、石炭系岩关阶及大圹阶（C1）、威宁组（C2w）及二叠系阳新组（P1y）灰岩夹白云岩；可溶岩条带中穿插寒武系筇竹寺组（∈1q）、泥盆系海口组（D2h）粉砂岩夹页岩及二叠系倒石头组（P1d）的铝土岩、页岩隔水地层；向斜轴部以中生界三叠系及侏罗系的粉砂岩、泥岩、页岩等非可溶岩为主。

1.2 研究区水文地质条件

经现场调查发现，区内泥盆系、石炭系、二叠系碳酸盐岩岩溶较发育且均为较质纯的灰岩。其中，以阳新组（P1y）岩溶发育最为强烈，在响水村、下麦冲、玉苗村等附近阳新组灰岩地层中均发现规模较大的岩溶洼地和落水洞，在白龙潭公园、庄科村还发现两处地下暗河出口。

研究区内地下水主要赋存于可溶岩地层中，富水性中等强，地下水径流模数大于5 L/s·m2。非可溶岩地层的地下水类型以基岩裂隙水为主，富水性中等弱，地下水径流模数低于2 L/s·m2。

向斜北翼最北端毡帽山、响水村一带存在一个区域内的地下水分水岭，将大部分地下水分为南东、南西向径流。研究区内出露泉点共10个，主要分布在向斜轴部东西两端碳酸盐岩与第四系松散堆积层的接触带及南翼石洞河长岭岗断裂带上，研究区地层及泉点出露分布见图2。

地下水在轴部两端的平均出露高程基本一致，分别为1 756 m和1 711 m左右，各泉点温度介于15 ℃～18 ℃之间。向斜轴部西端出露东营村龙潭、双林寺龙潭、小龙潭、白龙潭等泉点，这些泉点为玉溪市北城镇东营村、古城村、山头村等多个村庄的生活水源。向斜轴部东端出露黑龙潭和庄科村龙潭等泉点，为江城镇黄营村、庄科村等多个村庄的生活水源。

石洞河长岭岗断裂带上地下水出露以温泉为主，出露高程主要集中在两个高程区间上，断层东端地下水出露高程在1 570 m左右，断层中东部地下水出露高程介于1 850～1 860 m之间，温泉温度介于30 ℃～32 ℃之间，主要作为早谷田村、大龙潭村、温泉村的生产、生活水源。研究区各泉点丰、枯季出露特征表见表1。

1.3 研究区水化学特征

丰水期，区域内各泉点地下水类型以HCO3Ca·[HJ2.25mm]Mg型和HCO3Mg·Ca型为主。枯水期，地下水类型大部分转变变为HCO3SO4CaMg型。各泉点丰枯季矿化度均较为集中，丰水期矿化度介于215.5～3786 mg/L，枯水期矿化度介于3654～4024 mg/L[6]，各泉点水化学组分见表2。

2 研究区地下水径流模式分析

2.1 北翼沿可溶岩条带地下水径流模式

此种类型的地下水径流模式在研究区内最好识别。由于安化向斜的褶皱构造作用，北翼地层以向北凸起的条带状展布，加上可溶岩顶底板隔水层的阻水作用，导致地下水只能由毡帽山响水村分水岭一带沿可溶岩条带分别向南东、南西方向径流。轴部东端主要在S5、S6泉点排泄，轴部西端主要在S1、S2、S3、S4四处泉点排泄。对轴部西端出露的地下水化学组分分析发现，S1、S2、S3丰水期和枯水期流量基本相同，S4丰水期比枯水期流量增加了48%，由区域内岩溶洼地及落水洞调查结果（见图2），可以推测S1、S2、S3主要由R1处补给，S4主要由R2处补给，前者地下水径流路径长、补给面积大，导致前者地下水流量动态比后者稳定[78]，研究区此种模式地下水径流模式示意图见图3。

2.2 核部东端沿断层破碎带的地下水径流模式

2013年8月对研究区的泉点出露情况调查时发现一个奇怪的现象，庄科村北面的黄营村出露一处大型岩溶泉点（黄营村黑龙潭S6），流量为132 L/s，该泉点比庄科村泉点（S5）流量大27 L/s。但是，据现场野外调查，出露S5的二叠系阳新组灰岩比出露S6的泥盆系灰岩岩溶更为发育，地下水的补给区前者也比后者更大，S5和S6[HJ2.2mm]出露地层的岩溶发育情况与泉点流量相矛盾。对比S5与S6的水化学分析结果，两者的水化学组分含量基本相同，由于S5比S6的出露高程更高且在两个泉点之间发育一个断层，推测S5与S6之间由于断层的导通作用存在一个沿断层破碎带的地下暗河，庄科村处汇[CM（22]集的地下水在S5排泄一部分后，其余部分由于断为了验证S5→S6地下水径流路径的存在，本次研究使用美国地质调查局开放式软件Phreeqc对S5→S6路径进行水文地球化学反向模拟。

根据研究区实际的地层岩性和对模型参数的调试，最终选取可能发生的矿物相有：石盐、石膏、白云石、方解石，由于径流路径所穿越的可溶岩层组均裸露地表，为半开放体系，因此CO2（g）也应作为一个可用的相态[910]。

模拟的初始水温、终止水温、pH值均以实测值为准，S6、S5的不确定度分别设为0.08和0.07[11]。需要指出的是由于枯水期水样检测结果受附近其它水体的影响较小，更能反映真实的地下水径流路径，因此，模拟的地下水化学组分以2014年4月的检测结果为准。由表3对模拟计算矿物饱和指数的计算结果可知，石盐、石膏、白云石的矿物饱和指数均<0，方解石的矿物饱和指数>0，表明地下水还可以继续溶解石盐、石膏和白云石，但水中方解石处于过饱和状态。

将S5与S6泉点的矿化度对比发现，虽然模拟结果证明S5→S6径流路径成立，但是因为S5泉点的矿化度比S6泉点的稍大，说明S6泉点出露的地下水虽然大部分来自S5，但是同时也存在较短路径的地下水补给且补给量处于模型设定的不确定度之内。

2.3 断层导通的地下水绕轴径流模式

研究区向斜南翼轴部附近发育贯穿安化向斜东西两端的石洞河长岭岗断层，断层在区域内以近东西向展布。由于断层的逆错影响，断层南面的向斜部分已经缺失，出露向斜底部的大片Zac砂岩地层。断裂带上发现两处断层导通的上升泉（S7、S8）和一处温泉群（S9），本次研究选取了S7和S9中的泉点做了水化学简分析（分析结果列于表2）。根据现场调查和分析结果可知，S7、S9泉点的水化学组分、泉水温度、出露形态都极其相似，推断石洞河长岭岗断层带上出露的温泉均为同一成因[13]。现以S7泉点为例，研究向斜和断层两种构造的共同影响作用下，温泉的地下水径流模式。

根据研究区的构造及可溶岩分布情况（见图2），S7泉水的来源可能有3种情况：（1）断层东西两端可溶岩地层中的地下水沿断裂带向中间汇集而来；（2）S7西面出露的小面积可溶岩在S7处排泄；（3）向斜北翼的岩溶地下水通过绕轴径流及断层的导通作用在此处出露地表。现在，对S7泉点的三种可能成因模式详细分析如下。

（1）假设S7东西两端可溶岩中的地下水沿断裂带向S7处汇流，因为断裂的导通作用，地下水由东西两端向S7处汇流时不具备承压性，因此，不会形成上升性质的温泉。据现场调查，S4和S8泉点的出露高程均比S7低，可以断定S7东西两端可溶岩地层中的地下水已经通过S4和S8排泄至地表。因此，S7泉点的地下水不可能来自东西端的可溶岩[HJ2.2mm]地层[13]。

（2）S7泉点西面出露一小面积威宁组灰岩区域（见图2），现通过水均衡法对此可溶岩区和S7泉点流量进行水均衡匹配。通过计算和调查资料，均衡区面积为219 852 m2，均衡期设为1年，研究区江川县的年降水量为850 mm，假设全年降水全部补给地下水，降水入渗系数取1，且没有蒸发，S7泉点流量取枯季流量59.5 L/s。降水入渗的补给量由下式计算[14]：

通过计算，全年的降水入渗量为186 874 m3，泉点流量为18 763 920 m3，由计算结果可以看到，即使全年的降雨全部补给地下水，总补给量也只达到S7泉点枯季全年流量的十分之一，因此，S7泉水的第二种来源的可能性也被排除。

（3）将S7和S5简分析结果对比发现，两个泉点的水化学组分几乎一致，S7总矿化度仅比S5低37 mg/L，推测两者应该具有相似的补给源和径流路径。利用大气降水氢氧稳定同位素的高程效应（高程越高，δD、δ18O值越低，高程与δD和δ18O之间存在的线性关系）。

根据表5，S7、S5的δD、δ18O监测结果和推测的补给高程很接近，S7的推测补给高程仅比S5低34 m，进一步佐证了S7与S5的补给区相似。造成S7比S5矿化度和推测补给高程稍低的原因可能是：虽然泉点西面出露的小面积灰岩不是S7泉点的主要补给区，但是仍有小部分的岩溶地下水对S7就近补给[1617]。

通过以上分析，可以确定S7泉水的来源基本为向斜北翼的岩溶地下水，只有极小部分来源于西面小面积威宁组灰岩中岩溶水的就近补给。因为安化向斜的褶皱构造作用，可溶岩层面在南北向被挤压成一个“U”型面，由于向斜北翼的可溶岩出露高程比南翼高，加上石洞河长岭岗断裂将下覆可溶岩地层与地表沟通，可溶岩地层中的承压岩溶水就会顺断层破碎带向上出露地表，在断层带上形成上升的温泉，S7泉点地下水径流排泄示意剖面见图4，剖面线方向为图2中AB方向。

3 结论

（1）通过研究发现，安化向斜区由于褶皱和断层的影响，区域内共存在3种地下水径流模式：沿可溶岩条带地下水径流模式；核部东端沿断层破碎带的地下水径流模式；断层导通的地下水绕轴径流模式。

（2）通过采用Phreeqc对S5→S6径流路径的反向模拟，证明了S5、S6之间断层对地下水的导通作用，使庄科村处汇集的地下水在S5排泄一部分后，其余部分沿断层破碎带转而向北径流，最终在黄营村S6泉点出露地表。

（3）通过水化学简分析结果、水均衡法及依据同位素推测补给高程最终证明：处于石洞河长岭岗断层带上的S7、S8、S9三处温泉地下水径流模式均为断层导通的地下水绕轴径流模式，出露地下水大部分来自于向斜北翼可溶岩地层中的岩溶水，S7泉点出露的地下水有小部分为西面威宁组灰岩中岩溶水的就近补给。

参考文献（References）：

[1] 孙一博，王文科，张春潮.关中盆地浅层高氟水形成演化机制[J].水文地质工程地质，2013，40（6）：117122.（SUN Yibo，WANG Wenke，ZHANG Chunchao.Evolution mechanism of shallow high fluoride groundwater in the Guanzhong basin[J].Hydrogeology & Engineering Geology，2013，40（6）：117122.（in Chinese））

[2] 成龙.渭北石炭二叠纪煤田地质构造发育特征对地下水的控制作用[D].西安：西安科技大学，2013.（CHENG Long.Weibei PC Coalfield geological tectonic development control characteristics of groundwater[D]Xi′an：Xian University of Science and Technology，2013.（in Chinese））

[3] 蔡祖煌.构造水文地质学[J].地球科学进展，1991，6（3）：9697.（CAI Zuhuang.Constructure hydrogeology[J].Advances in Earth Science，1991，6（3）：9697.（in Chinese ））

[4] 肖维.向斜型岩溶蓄水构造地下水径流模式及地球化学模拟研究[D].成都：成都理工大学，2010.（XIAO Wei.Study on the runoff model of karst synclinal waterstoring structure and geochmical simulation[D].Chengdu：Chengdu University of Technology，2010.（in Chinese））

[5] 杨会峰，张发旺，王贵铃，等.构造对宁南地下水系统控制作用研究[J].南水北调与水利科技，2008，6（5）：4549.（YANG Huifeng，ZHANG Fawang，WANG Guiling，et al.Structure on controlling groundwater system in Sounthern Ningxia[J].South to North Water Transfers and Water Science & Technology，2008，6（5）：4549.（in Chinese））

[6] 杨在文，李晓，付梅，等.基于图表及统计方法的水化学综合分析[J].地下水，2012，34（6）：2931.（YANG Zaiwen，LI Xiao，FU Mei，et al.Comprehensive analysis of the hydrochemistry based on graphical and statistical methodsn[J].Ground water，2012，34（6）：2931.（in Chinese））

[7] 方俊波.圆梁山隧道向斜地段岩溶水循环特征及隧道施工对策[J].现代隧道技术，2003，40（4）：5358 （FANG Junbo.Karst water cycling features in the syncline section of Yuanliangshan tunnel and countermeasures in construction[J].Modern Tunnelling Technology，2003，40（4）：5358.（in Chinese））

[8] 应用水文地质学[M].孙晋玉译.北京：高等教育出版社，2011.（Applied Hydrogeology[M].Translated by SUN Jinyu.Beijing：Press of Higher Education，2011.（in Chinese））

[9] 李义连，杨玉环，卢学实.水岩相互作用模拟的研究进展[J].水文地质工程地质，2003（3）：9599.（LI YIlian，YANG Yuhuan，LU Xueshi.Research advance on modeling study of waterrock interaction[J].Hydrogeology&Engineering Geology，2003（3）：9599.（in Chinese ））[ZK）]

[10] 漆继红，许模，杨华云，等.川东铜锣山背斜南温泉背斜温泉水利联系分析[J].人民长江，2011，42（11）：59.（QI Jihong，XU Mo，YANG Huayun，et al.Analysis on Hydraulic connection of hot springs of Tongluo mountain anticline to south hot spring anticline in Eastern Sichuan Province[J].Yangtze River，2011，42（11）；59.（in Chinese ））

[11] Parkhurst D L，Appelo C A J.User′s guide to PHREEQC （wersion2）a computer program for speciation，batchreaction，onedimensional transport，and inverse geochemical calculations[R].2002.

[12] 王梅，许模，范辰辰，等.宜宾市巡司场地下水径流路径探析[J].南水北调与水利科技，2014，12（12）：2226.（WANG Mei，XU Mo FAN Chenchen，et al.Flow path of groundwater in Xunsichang of Yibin[J].South to North Water Transfers and Water Science & Technology，2014，12（12）：2226.（in Chinese））

[13] 周慧芳，谭红兵，张西营，等.江苏南通地下水补给源、水化学特征及形成机理[J].地球化学，2011，40（6）：566576.（ZHOU Huifang，TAN Hongbing，ZHANG Xiying，et al[J].Geochimica，2011，40（6）：566576.（in Chinese））

[14] 屈科，许模，毛邦燕，等.圆梁山隧道毛坝向斜段岩溶水均衡研究[J].成都理工学院学报，2001，28（2）：135138.（QU Ke，XU Mo，MAO Bangyan，et al.A research into the karst water balance of Yuanliangshan tunnel in Maoba syncline[J].Journal of Chengdu University of Technology，2001，28（2）：135138.（in Chinese））

[15] 于津生，张鸿斌，虞福基，等.西藏东部大气降水氧同位素组成特征[J].地球化学，1980（2）：113121.（YU Jinsheng，ZHANG Hongbin，WANG Tao，et al.Oxygen isotopic composition of meteoric water in the Eastern Part of Xizang[J].Geochimica，1980（2）：113121.（in Chinese））

[16] 胡海英，包为民，王涛，等.氢氧同位素在水文学领域中的应用[J].中国农村水利水电，2007（5）：48.（HU Haiying，BAO Weimin，WANG Tao，et al.Application of hydrogen and oxygen isotopes in hydrology[J].China Rural Water and Hydropower，2007（5）：48.（in Chinese））

[17] 李云峰，田春声，吴耀国.利用氢氧同位素研究本钢郑家水源地地下水的形成[J].勘察科学技术，1994（3）：3840.（LI Yunfeng，TIAN Chunshen WU Yaoguo.Study of the formation of groundwater at Zhengjia water resource station of benxi iron and steel company using hydrogen oxygen isotopes.[J].Site Investigation Science and Technology，1994（3）：3840.