土地利用對刁江流域巖溶水水質的影響

黃晨暉+時堅+吳華英

摘要：利用刁江流域內最新土地利用現狀圖，結合采集38個巖溶水水樣所做的全分析加微量元素測定結果，對研究區內的巖溶水水質進行了質量綜合評價，分析了土地利用對巖溶水水質的影響。結果表明，刁江流域內巖溶水質量綜合評價總體良好，較差水質級別主要集中在中下游的鄉鎮、人口密集區和耕地附近；巖溶水中8項不同組分主要集中分布于中下游地區大面積的耕地和林地內，說明農藥化肥的使用、密集的人口狀況易于對巖溶水水質產生影響；由于人類活動干擾程度的不同，不同土地利用類型對巖溶水水質變化的影響不同。

關鍵詞：土地利用；刁江流域；巖溶水；水質評價

中圖分類號：P641.134；X824 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）03-0522-05

我國巖溶面積344萬km2，約占我國國土面積的36%，主要分布在長江中游、珠江上游及黃河中游地區[1]。巖溶水是巖溶區居民生產和生活的重要水源，賦存巖溶水的碳酸鹽巖含水層系統屬于高度開放的脆弱天然水文系統，正是由于這種高度的開放性和脆弱性，使得巖溶水文系統很容易受到人類不合理活動的影響[2]。

隨著人類活動的日益加強，天然巖溶生態環境遭到極大破壞，其中關于巖溶地下水水質的問題十分突出。土地利用作為地球表層系統最突出的景觀標志，能夠集中地反映人類活動對生態環境的影響[3，4]，人類通過對土地利用的改變從而對脆弱敏感的巖溶水文系統產生重大的影響。

為找到影響研究區內巖溶水水質變化的主要土地利用類型，并了解其影響途徑和影響程度，以廣西刁江流域為典型研究對象，開展了刁江流域土地利用的時空變化對區內巖溶水水質影響的研究，以期合理規劃土地利用方式、保護寶貴的巖溶地下水資源，從而實現該流域巖溶生態系統的良性循環、資源和環境的保護以及當地經濟的可持續發展。

1 研究區概況

1.1 研究區基本情況

刁江是紅水河中游段左岸的一條支流，其流域的地理坐標為東經107°30′00″—108°30′00″，北緯24°00′00″—25°00′00″，包括廣西壯族自治區南丹縣、都安縣和宜州市及河池市轄的金城江區；地勢西北高東南低，上游區發育有較多支流，中下游區發育較多地下河，特別是左岸地段；流域內出露的地層從新到老有第四系、三疊系、二疊系、石炭系和泥盆系，巖性有砂巖、頁巖、泥質灰巖、石灰巖和白云巖等，以石灰巖為主；流域屬亞熱帶季風氣候區，每年11、12月到次年1、2、3月是少雨期，每年5、6、7、8月是多雨期。

1.2 研究區巖溶水文環境特征

由于地層巖性的差異性和地質構造條件的制約造成巖溶發育程度不同，形成了多姿多彩的巖溶地貌組合形態：刁江上游地段為中山峽谷地形，中游地段則為峰叢洼地、峰叢—峰林谷地地形，下游地段是丘陵區及大面積連片的峰叢洼地。

刁江流域屬于典型的裸露型巖溶區，在巖溶洼地底部或谷地地面雖有紅色黏土覆蓋，但覆蓋層厚度只有0～5 m，局部地段5～10 m，其間發育有各種形式的地下河天窗、落水洞、豎井、天然井、溶井、漏斗、塌陷等多種地表巖溶形態，與碎屑巖組成互層的石灰巖常構成溶帽山、溶蝕陡崖、溶洞、滴石、石幔等巖溶現象；流域內地表水系發育不完善，占流域面積39.7%的碳酸鹽巖與碎屑巖互層組成的侵蝕溶蝕山地、丘陵區發育有短小的地表支流，而占流域面積60.3%的純碳酸鹽巖巖溶區則沒有地表支流，但這里卻發育有13條地下河，成為刁江的重要支流。

2 研究方法

利用最新的廣西1∶500 000土地利用現狀圖，經MapGIS軟件拼接裁剪，提取出刁江流域內的土地利用現狀圖，根據研究目的合并相關類別，共劃分出7種土地利用類型。先后兩次對刁江流域內巖溶水進行取樣分析，共采集巖溶水水樣38個，做全分析加微量元素測定（所有樣品均由中國地質科學院巖溶地質研究所巖溶地質與資源環境測試中心測定）。

參照國家《地下水質量標準》（GB/T 14848-1993），選取地下水質量分類指標中的pH、總硬度（以CaCO3計）、硫酸鹽、氯化物、鐵、錳、銅、鋅、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、砷、鎘、鉻（Cr6+）、鉛、鎳共16項指標對取樣水點的單項組分進行了質量分類，并以0、1、3、6、10分打分的方式對各單項組分的類別進行評分，各指標分類標準值見表1。利用各單項組分評分Fi，依據公式（1）計算出各水樣的綜合評分F，最后根據F和地下水質量分級標準[表2，參照《地下水質量標準》（GB/T 14848-1993）]，確定出各水樣的水質量級別[5]。

式中，F為綜合評分值；Fi為各單項組分評分值；F為各單項組分評分值的平均值；Fmax為各單項組分評分值中的最大值；n為項數。

3 結果與分析

3.1 刁江流域土地利用現狀

刁江流域土地利用現狀可以劃分出7種土地利用類型，分別為：①耕地（包括灌溉水田、望天田、旱地）；②園地（包括菜地、果園、茶園及其他園地）；③有林地及灌木林地（包括有林地、灌木林地、疏林地、未成林造林地、跡地）；④草地（包括天然草地、人工草地、荒草地）；⑤居民用地（城鎮、農村）、獨立工礦用地和特殊用地；⑥難利用地（包括裸土地及裸巖、石礫地）；⑦水域（包括水庫、湖泊、地表水面積）。各類型統計情況如表3所示。

3.2 巖溶水水質評價

各巖溶水取樣點水質級別及評價結果見表4、表5，各級別水樣點分布如圖1所示。由表4、表5、圖1可知，巖溶水中超過Ⅲ類標準的單項組分有pH、亞硝酸鹽、砷、鉛，Ⅳ類有3項共8個水樣點，Ⅴ類有兩項共4個水樣點，刁江流域巖溶水水質評價總體良好，較差水質級別占26.32%，主要集中在中下游的鄉鎮、人口密集區和耕地附近，例如北牙中學下降泉、龍頭鄉建立村水泡屯地下河天窗。

3.3 巖溶水離子濃度空間分布特征

以最新刁江流域土地利用現狀圖為底圖，將38個巖溶水取樣點中的K+、Na+、Ca2+、HCO3-、TFe（總鐵）、Cl-、SO42-、NO3- 8項組分濃度（mg/L）在不同土地利用類型上做空間比較，各單項組分先按升序排列，并參照GB/T 14848-1993中的地下水質量分類指標，對各單項組分進行了等組距和不等組距的濃度分組，目的是為了能對離子濃度的空間分布有一個更清晰直觀的認識，以K+的空間分布為例，“★”代表第一組K+濃度的范圍為0.0～0.4 mg/L，所有K+單項組分濃度在此范圍內的水點都以“★”表示，以下各幾何符號的含義依此類推，各離子空間分布情況如圖2所示。從圖2中可以看出：

1）K+、Na+的空間分布有很好的一致性，分別在0.0～0.4 mg/L和0.0～1.1 mg/L的低濃度范圍內變化，其集中分布在刁江流域的上游和中下游的右岸，主要是有林地和耕地，下游左側有零星分布；Ca2+、HCO3-濃度分別以70.0～82.0 mg/L和220.0～265.0 mg/L的高濃度集中分布在刁江流域中下游廣大的碳酸巖地區，以灌木林地、疏林地、裸巖和石礫地為主，某些地區石漠化嚴重。

2）0.000 1～0.010 0 mg/L TFe（總鐵）低濃度集中在車河鎮至長老鄉、板嶺鄉至龍頭鄉一帶，0.010 0～0.100 0 mg/L的較高范圍則集中在下坳鄉一帶，下坳鄉壩牙村平峒屯東南的有水溶洞濃度最高，為0.181 1 mg/L，但未超過Ⅱ類水標準；而Cl-濃度中下游地區的板嶺鄉至龍頭鄉一帶要高于上游長老鄉附近，而低于中下游左岸的加泵、塘立隘、龍尾；SO42-低濃度集中在以耕地為主的下坳鄉壩牙村、吉隆村峰叢谷地地帶和拉利—北牙旱片地區，而九渡水廠地下河天窗和拉么屯充水溶井的濃度分別為72.08 mg/L和137.34 mg/L，濃度較高；NO3-小于5.0 mg/L的濃度分布于長老鄉、下坳鄉、板嶺鄉和拉仁鄉附近，中下游的塘立隘濃度最高，達到18.8 mg/L，說明在該地區農藥化肥的使用對巖溶水質的影響作用明顯。

3.4 巖溶水離子濃度差異分析

為了更好地說明不同土地利用類型對離子濃度分布的影響程度，根據受干擾程度不同，對不同土地利用類型進行了合并歸類，共分為三大類：一類為受人類活動干擾程度大的城鄉居民點、獨立工礦用地和特殊用地類型；二類為受人類活動干擾程度中等，有噴灑農藥、施肥等行為的耕地；三類為受人類活動干擾程度小的林、草地及其與石漠的組合類型。

計算出一、二、三類土地利用類型中巖溶水不同離子濃度的平均值進行比較（表6），K+、Na+、SO42-的平均濃度依次升高，表明土地利用類型的不同對巖溶水水質有顯著的影響，而Cl-、NO3-的平均濃度雖然沒有依次變化，但都顯示一、三類的平均濃度大于二類，對水質的作用明顯。

4 結論

刁江是沿河群眾祖祖輩輩賴以生存的“生命之河”，而巖溶水資源又是流域中下游地區居民重要的生產生活用水來源，從土地利用的角度研究自然和人類活動對巖溶水水質的影響，將對改善人民生產生活用水質量和保證當地經濟的可持續發展有重要的現實意義。

1）刁江流域內巖溶水質量綜合評價總體良好，較差水質級別主要集中在中下游的鄉鎮、人口密集區和耕地附近。

2）分析流域內巖溶水中K+、Na+、Ca2+、HCO3-、TFe（總鐵）、Cl-、SO42-、NO3- 8項組分濃度在不同土地利用類型上的空間分布，K+、Na+以較低濃度集中分布在流域上游和中下游右岸的有林地和耕地內；Ca2+、HCO3-受碳酸鹽地質條件的制約[6]，以較高的濃度集中分布在流域中下游碳酸鹽區的灌木林地、疏林地、裸巖和石礫地中；TFe（總鐵）濃度的較高范圍則集中在遠離刁江干流、地勢平緩、以峰叢谷地為主、耕地面積大的下坳鄉一帶；而Cl-、SO42-、NO3-各自以相對較高的濃度集中于長老鄉、下坳鄉、板嶺鄉、拉仁鄉一帶具開闊連片耕地分布的峰叢谷地中，說明農耕化肥的使用、密集的人口狀況，易于對水質產生影響。

3）對K+、Na+、Cl-、SO42-、NO3- 5種離子濃度的平均值作分析，受不同程度的人類活動干擾，不同的土地利用類型對巖溶水水質的影響不同。

參考文獻：

[1] 袁道先.巖溶地區的地質環境和水文生態問題[J].南方國土資源，2003（1）：21-25.

[2] 袁道先，蔡桂鴻.巖溶環境學[M].重慶：重慶出版社，1988.

[3] 陳泮勤，孫成權.國際全球變化研究核心計劃[M].北京：氣象出版社，1994.

[4] 安芷生，符淙斌.全球變化科學的進展[J].地球科學進展，2001， 16（5）：671-680.

[5] 丁桑嵐.環境評價概論[M].北京：化學工業出版社，2001.

[6] 沈照理，朱苑華，鐘佐燊.水文地球化學基礎[M].北京：地質出版社，1993.

以最新刁江流域土地利用現狀圖為底圖，將38個巖溶水取樣點中的K+、Na+、Ca2+、HCO3-、TFe（總鐵）、Cl-、SO42-、NO3- 8項組分濃度（mg/L）在不同土地利用類型上做空間比較，各單項組分先按升序排列，并參照GB/T 14848-1993中的地下水質量分類指標，對各單項組分進行了等組距和不等組距的濃度分組，目的是為了能對離子濃度的空間分布有一個更清晰直觀的認識，以K+的空間分布為例，“★”代表第一組K+濃度的范圍為0.0～0.4 mg/L，所有K+單項組分濃度在此范圍內的水點都以“★”表示，以下各幾何符號的含義依此類推，各離子空間分布情況如圖2所示。從圖2中可以看出：

1）K+、Na+的空間分布有很好的一致性，分別在0.0～0.4 mg/L和0.0～1.1 mg/L的低濃度范圍內變化，其集中分布在刁江流域的上游和中下游的右岸，主要是有林地和耕地，下游左側有零星分布；Ca2+、HCO3-濃度分別以70.0～82.0 mg/L和220.0～265.0 mg/L的高濃度集中分布在刁江流域中下游廣大的碳酸巖地區，以灌木林地、疏林地、裸巖和石礫地為主，某些地區石漠化嚴重。

2）0.000 1～0.010 0 mg/L TFe（總鐵）低濃度集中在車河鎮至長老鄉、板嶺鄉至龍頭鄉一帶，0.010 0～0.100 0 mg/L的較高范圍則集中在下坳鄉一帶，下坳鄉壩牙村平峒屯東南的有水溶洞濃度最高，為0.181 1 mg/L，但未超過Ⅱ類水標準；而Cl-濃度中下游地區的板嶺鄉至龍頭鄉一帶要高于上游長老鄉附近，而低于中下游左岸的加泵、塘立隘、龍尾；SO42-低濃度集中在以耕地為主的下坳鄉壩牙村、吉隆村峰叢谷地地帶和拉利—北牙旱片地區，而九渡水廠地下河天窗和拉么屯充水溶井的濃度分別為72.08 mg/L和137.34 mg/L，濃度較高；NO3-小于5.0 mg/L的濃度分布于長老鄉、下坳鄉、板嶺鄉和拉仁鄉附近，中下游的塘立隘濃度最高，達到18.8 mg/L，說明在該地區農藥化肥的使用對巖溶水質的影響作用明顯。

3.4 巖溶水離子濃度差異分析

為了更好地說明不同土地利用類型對離子濃度分布的影響程度，根據受干擾程度不同，對不同土地利用類型進行了合并歸類，共分為三大類：一類為受人類活動干擾程度大的城鄉居民點、獨立工礦用地和特殊用地類型；二類為受人類活動干擾程度中等，有噴灑農藥、施肥等行為的耕地；三類為受人類活動干擾程度小的林、草地及其與石漠的組合類型。

計算出一、二、三類土地利用類型中巖溶水不同離子濃度的平均值進行比較（表6），K+、Na+、SO42-的平均濃度依次升高，表明土地利用類型的不同對巖溶水水質有顯著的影響，而Cl-、NO3-的平均濃度雖然沒有依次變化，但都顯示一、三類的平均濃度大于二類，對水質的作用明顯。

4 結論

刁江是沿河群眾祖祖輩輩賴以生存的“生命之河”，而巖溶水資源又是流域中下游地區居民重要的生產生活用水來源，從土地利用的角度研究自然和人類活動對巖溶水水質的影響，將對改善人民生產生活用水質量和保證當地經濟的可持續發展有重要的現實意義。

1）刁江流域內巖溶水質量綜合評價總體良好，較差水質級別主要集中在中下游的鄉鎮、人口密集區和耕地附近。

2）分析流域內巖溶水中K+、Na+、Ca2+、HCO3-、TFe（總鐵）、Cl-、SO42-、NO3- 8項組分濃度在不同土地利用類型上的空間分布，K+、Na+以較低濃度集中分布在流域上游和中下游右岸的有林地和耕地內；Ca2+、HCO3-受碳酸鹽地質條件的制約[6]，以較高的濃度集中分布在流域中下游碳酸鹽區的灌木林地、疏林地、裸巖和石礫地中；TFe（總鐵）濃度的較高范圍則集中在遠離刁江干流、地勢平緩、以峰叢谷地為主、耕地面積大的下坳鄉一帶；而Cl-、SO42-、NO3-各自以相對較高的濃度集中于長老鄉、下坳鄉、板嶺鄉、拉仁鄉一帶具開闊連片耕地分布的峰叢谷地中，說明農耕化肥的使用、密集的人口狀況，易于對水質產生影響。

3）對K+、Na+、Cl-、SO42-、NO3- 5種離子濃度的平均值作分析，受不同程度的人類活動干擾，不同的土地利用類型對巖溶水水質的影響不同。

參考文獻：

[1] 袁道先.巖溶地區的地質環境和水文生態問題[J].南方國土資源，2003（1）：21-25.

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[6] 沈照理，朱苑華，鐘佐燊.水文地球化學基礎[M].北京：地質出版社，1993.

以最新刁江流域土地利用現狀圖為底圖，將38個巖溶水取樣點中的K+、Na+、Ca2+、HCO3-、TFe（總鐵）、Cl-、SO42-、NO3- 8項組分濃度（mg/L）在不同土地利用類型上做空間比較，各單項組分先按升序排列，并參照GB/T 14848-1993中的地下水質量分類指標，對各單項組分進行了等組距和不等組距的濃度分組，目的是為了能對離子濃度的空間分布有一個更清晰直觀的認識，以K+的空間分布為例，“★”代表第一組K+濃度的范圍為0.0～0.4 mg/L，所有K+單項組分濃度在此范圍內的水點都以“★”表示，以下各幾何符號的含義依此類推，各離子空間分布情況如圖2所示。從圖2中可以看出：

1）K+、Na+的空間分布有很好的一致性，分別在0.0～0.4 mg/L和0.0～1.1 mg/L的低濃度范圍內變化，其集中分布在刁江流域的上游和中下游的右岸，主要是有林地和耕地，下游左側有零星分布；Ca2+、HCO3-濃度分別以70.0～82.0 mg/L和220.0～265.0 mg/L的高濃度集中分布在刁江流域中下游廣大的碳酸巖地區，以灌木林地、疏林地、裸巖和石礫地為主，某些地區石漠化嚴重。

2）0.000 1～0.010 0 mg/L TFe（總鐵）低濃度集中在車河鎮至長老鄉、板嶺鄉至龍頭鄉一帶，0.010 0～0.100 0 mg/L的較高范圍則集中在下坳鄉一帶，下坳鄉壩牙村平峒屯東南的有水溶洞濃度最高，為0.181 1 mg/L，但未超過Ⅱ類水標準；而Cl-濃度中下游地區的板嶺鄉至龍頭鄉一帶要高于上游長老鄉附近，而低于中下游左岸的加泵、塘立隘、龍尾；SO42-低濃度集中在以耕地為主的下坳鄉壩牙村、吉隆村峰叢谷地地帶和拉利—北牙旱片地區，而九渡水廠地下河天窗和拉么屯充水溶井的濃度分別為72.08 mg/L和137.34 mg/L，濃度較高；NO3-小于5.0 mg/L的濃度分布于長老鄉、下坳鄉、板嶺鄉和拉仁鄉附近，中下游的塘立隘濃度最高，達到18.8 mg/L，說明在該地區農藥化肥的使用對巖溶水質的影響作用明顯。

3.4 巖溶水離子濃度差異分析

為了更好地說明不同土地利用類型對離子濃度分布的影響程度，根據受干擾程度不同，對不同土地利用類型進行了合并歸類，共分為三大類：一類為受人類活動干擾程度大的城鄉居民點、獨立工礦用地和特殊用地類型；二類為受人類活動干擾程度中等，有噴灑農藥、施肥等行為的耕地；三類為受人類活動干擾程度小的林、草地及其與石漠的組合類型。

計算出一、二、三類土地利用類型中巖溶水不同離子濃度的平均值進行比較（表6），K+、Na+、SO42-的平均濃度依次升高，表明土地利用類型的不同對巖溶水水質有顯著的影響，而Cl-、NO3-的平均濃度雖然沒有依次變化，但都顯示一、三類的平均濃度大于二類，對水質的作用明顯。

4 結論

刁江是沿河群眾祖祖輩輩賴以生存的“生命之河”，而巖溶水資源又是流域中下游地區居民重要的生產生活用水來源，從土地利用的角度研究自然和人類活動對巖溶水水質的影響，將對改善人民生產生活用水質量和保證當地經濟的可持續發展有重要的現實意義。

1）刁江流域內巖溶水質量綜合評價總體良好，較差水質級別主要集中在中下游的鄉鎮、人口密集區和耕地附近。

2）分析流域內巖溶水中K+、Na+、Ca2+、HCO3-、TFe（總鐵）、Cl-、SO42-、NO3- 8項組分濃度在不同土地利用類型上的空間分布，K+、Na+以較低濃度集中分布在流域上游和中下游右岸的有林地和耕地內；Ca2+、HCO3-受碳酸鹽地質條件的制約[6]，以較高的濃度集中分布在流域中下游碳酸鹽區的灌木林地、疏林地、裸巖和石礫地中；TFe（總鐵）濃度的較高范圍則集中在遠離刁江干流、地勢平緩、以峰叢谷地為主、耕地面積大的下坳鄉一帶；而Cl-、SO42-、NO3-各自以相對較高的濃度集中于長老鄉、下坳鄉、板嶺鄉、拉仁鄉一帶具開闊連片耕地分布的峰叢谷地中，說明農耕化肥的使用、密集的人口狀況，易于對水質產生影響。

3）對K+、Na+、Cl-、SO42-、NO3- 5種離子濃度的平均值作分析，受不同程度的人類活動干擾，不同的土地利用類型對巖溶水水質的影響不同。

參考文獻：

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