南洞地下河水文地球化學特征及徑流量識別

羅書文，黃保健，李成展，鄧亞東，繆雄宜

(中地質科學院巖溶地質研究所/國土資源部、廣西壯族自治區巖溶動力重點實驗室，廣西 桂林 541004)

南洞地下河流域面積約[1,2]1 650 km2。地下河出口位于開遠市南緣, 其多年平均徑流量為2.945億m3。該地下河有相對獨立的兩個子系統(南、北支洞)，見圖1，北支洞因補給面積小,流量相對較??；南支洞因其補給面積大流量較大。兩支地下河在結構復雜的洞內混合后通過多個出水點出漏地表。在內部有千絲萬縷關系存在水力學聯系，目前對南洞研究主要從地貌、洞穴發育規律[3]，水資源[4,5]、水質[6,7]以及流域內石漠化方面較多[8-11]。而在區分、監測各徑流方面研究較少，主要是洞內氧氣稀薄空氣環境惡劣、汛期長、水量大、部分洞腔在汛期被水淹沒可進入性差，對洞內各子系統流量檢測和區分及演化研究十分困難。然而，隨著極端天氣變化頻繁以及地下河上游蒙自盆地社會經濟日益發展，對水資源及水能資源的需求也日益擴大，所以對其地下河的開發利用亟待解決。因此，研究其水文地質化學特征以及區分兩支流對研究各系統和整個地下河系統徑流量演變規律具有重要現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況[1,2]

南洞地下河出口位于云南省開遠市以南約8 km的崇山峻嶺之下，三面環山,流域地面積約1 650 km2，處于紅河與南盤江兩大水系的分水嶺地帶，多年平均遷流量為2.945億m3。該地下河有相對獨立的兩個子系統(圖l), 北支洞補給面積小,流量相對較小；南支洞補給面積大，為南洞地下河系統的主體部分。流域范圍內出露地層有寒武系、泥盆系、二疊系、第三系和第四系。寒武系、泥盆系、石炭系、二疊系主要分布于蒙自東南及大黑山一帶,其中寒武系、泥盆系以紫紅色、灰綠、黃色粉砂質頁巖、頁巖和砂巖為主；泥盆系中、上統至石炭系以厚層塊狀灰巖、角礫狀灰巖和白云巖為主；二疊系以灰巖、硅質灰巖和玄武巖為主。三疊系地層廣布全區，巖性以鈣質、粉砂質頁巖、泥質灰巖、粉細砂巖和中厚層塊狀純灰巖、白云巖、白云質灰巖和泥質灰巖為主。在盆地及山區內的洼地、谷地中分布以角礫巖、砂巖、泥灰巖和碎屑巖沉積為主的第三系，以及以砂、角礫、黏土等松散沖積、湖沉積物為主的第四系地層。流域內主要含水層有巖溶含水層、碎屑巖裂隙含水層和孔隙含水層(見圖1)。

1-巖溶含水層；2-碎屑巖裂隙含水層；3-巖漿巖裂隙含水層；4-泥灰巖裂隙孔隙含水層；5-孔隙含水層；6-流域邊界； 7-地表、地下水分水嶺；8-深部阻水邊界；9-地下河及出口；10-落水洞；11-采樣點圖1 南洞地下河系統水文地質簡圖及采樣圖[5]Fig.1 Schematic hydrogeologic and sampling map in the Nandong underground River

1.2 樣品采集與分析

本次研究分析數據, 于2014年7月29日準備對該洞進行探測，由于處于豐水期水量較大，北支洞口完全被水淹沒無法進入，于是南洞地下河出水口、南支洞、北支洞3處取水樣對其含沙量進行分析。而在9月份對洞穴進一步探測時,發現北支洞水清澈見底而南支洞水混濁洞外水也混濁，于是在9月27日現場測pH值、電導率、及水溫，并在上述三處取樣進一步分析，水樣DW-X取于南洞地下河出水口, 水樣ND-11取于南洞支洞, 水樣BD-12取于北支洞(圖1)；水樣中水化學分析、同位素經由中國地質科學院巖溶地質研究所地質與環境地質實驗室分析測試。對河流泥沙含量的取樣中為了減少誤差分別在3個采樣地點上、下游不同位置取各取6個樣品進行測試取均值。

2 結果與討論

2.1 陰陽離子組成

研究地下河系統中北支洞pH值為7.34，屬中性偏弱堿性水，溶解性總固體(TDS)為324.74 mg/L，永久硬度61.16 mg/L；南支洞pH值為7.2，屬中性偏弱堿性水，溶解性總固體(TDS)為274.19 mg/L，永久硬度24.18 mg/L；匯合后pH值為7.36，屬中性偏弱堿性水，溶解性總固體(TDS)為277.73 mg/L，永久硬度32.98 mg/L。

北支洞地下河主要陽離子含量順序：Ca2+>Mg2+>Na+>K+，主要陰離子平均含量順序為: HCO-3> SO2-4>NO-3>Cl->F-；南支洞地下河主要陽離子含量順序：Ca2+> Mg2+>Na+>K+，主要陰離子平均含量順序為: HCO-3>SO2-4>NO-3>Cl->F-；匯合后河流主要陽離子含量順序：Ca2+>Mg2+>Na+>K+，主要陰離子平均含量順序為: HCO-3> SO2-4>NO-3>Cl->F-，其各自含量如表1所示。

表1 水樣化驗結果Tab.1 The test result of water samples

地表、地下水的離子成分主要是水與周圍介質(巖石圈、生物圈、大氣圈)在長期歷史進程中相互作用的結果。不同的介質環境其化學成分也大相徑庭，所以在研究其離子成分和成因,不能脫離周圍介質和環境條件[12]。研究區內兩個子系統中地質條件基本一致，主要是灰巖、白云巖、白云質灰巖和泥質灰巖為主，但其主要的陽離子Ca2+、Mg2+北支洞明顯高于南支洞，這主要是由于南支洞流域面積大，北支洞流域面積小，雨季結束后北洞受到洪水影響的延遲時間短，而南支洞受到影響延遲時間較長，因此對其離子濃度具有稀釋作用[13]導致其主要陽離子濃度較低。而相反Na+、Cl-濃度南支洞比北支洞高，主要是因為南支洞上游流經了許多城市和村莊受到人類活動影響所致。

2.2 水化學特征

通過繪制Piper圖,可客觀地反映地下水的水化學特征。如圖2,南洞系統3個水樣水化學離子的Piper三線位置基本相同。根據Piper三線圖解分區, 總共劃分為9個區,落在菱形中的不同區域的水樣具有不同的化學特性[12]。從Piper圖可以直觀的看出,水樣為碳酸硬度(次生硬度)超過50%，且地下水化學性質以堿土金屬和弱酸為主的5區，水樣總體上碳酸鹽硬度超過50%, 屬HCO3-Ca·Mg型水。

由上述所示水中的可溶性離子主要來源于周圍環境，即土壤分解、巖石的風化和大氣輸入或沉降[12]。為了更直觀地比較南洞地下河系統中各支洞河水的化學組成、形成原因以及彼此間的相互關系，將其運用Gibbs R. J設計的半對數坐標圖[14]即Gibbs圖(圖3)進行分析。該圖的縱坐標為對數坐標，代表河水中溶解性總固體； 橫坐標為普通直線坐標，代表河水中陽離子比值(Na+)/(Na++Ca2+)。Gibbs圖能夠較清晰地反映出河水主要成分趨于[15]“降水控制類型”、“巖石風化類型”或“蒸發-濃縮類型”。運用Gibbs 圖解的方法分析離子起源問題除了河水外，也可以分析地下水。將區內地下水和河水的水化學數據投繪于Gibbs 圖中，可以看出，南洞支洞水樣點，(Na+)/ (Na++Ca2+)的比值為0.023，(Cl-)/ (Cl-+ HCO-3)比值為0.015；北洞支洞水樣點，(Na+)/(Na++Ca2+)的比值為0.015，(Cl-)/( Cl-+ HCO-3) 比值為0.005；其兩支洞的地

圖2 南洞地下河水化學Piper三線圖Fig.2 Piper diagram showing hydrochemistry in the NaDong Underground River

圖3 南洞地下河水體Gibbs圖Fig.3 The Gibbs diagram of NanDong Underground River

下河水主要是“巖石風化類型”。

2.3 穩定同位素

在自然界中, 穩定同位素組成的變化很微小,用同位素豐度和同位素比值不能明顯地顯示出這種微小差別, 所以一般用18δ值來表示元素的同位素含量。δ值指樣品中某元素的同位素比值(R樣品)相對于標準樣的同位素比值(R標準)的千分偏差, 即：

(1)

式中：R為同位素豐度比值，即某一元素的重同位素豐度與輕同位素豐度之比, 比如，R(D)=D/H,R(18O)=18O/16O，所以18O的豐度為：

(2)

人們在利用穩定同位素對徑流量的劃分時，常常將17O忽略不計，其同位素濃度可以推導出為19δ[16-18]。本研究中為了減少誤差將繼續考慮17O的存在，并由穩定同位“約半數定理”得到：

(3)

研究區內北支洞地下河水δD(V-SMOW)%為-7.96，δ18O(V-SMOW)%為-1.07；南支洞地下河水δD(V-SMOW)%為-7.77，δ18O(V-SMOW)%為-1.04；匯合后的河水δD(V-SMOW)%為-7.72，δ18O(V-SMOW)%為-1.046。

2.4 泥沙含量

根據上述樣品測試結果表1所示：①9月份樣品測得河口泥沙含量0.033 39 kg/m3,北支洞地下水泥沙含量0.003 135 kg/m3,南支洞地下水泥沙含量0.038 033 kg/m3。由此可以看出南支洞的泥沙含量是北支洞泥沙含量12倍之多。 ②7月份采的水樣中口泥沙含量0.040 408 kg/m3,北支洞地下水泥沙含量0.040 19 kg/m3,南支洞地下水泥沙含量0.042 025 kg/m3，南、北支洞泥沙含量相差不大。

由此，可見北支洞波動較大，而南支洞波動相對較小，說明北洞流域匯水面積小受降雨影響強烈，降雨時漲渾水雨停后河水迅速清澈；而南洞匯水面積大受降雨影響延遲時間長，所以在降雨后很長一段時間內河水泥沙含量一直高居不下。

2.5 地下河系統徑流分析

根據物質守恒和端-源法，建立關系式(4)、(5)對徑流量進行識別。為了減少誤差從采取的3個樣品中選取其水化學陰、陽離子，氫、氧同位素和水中的泥沙含量來進行探討，最后通過擬合計算其徑流量的比例關系式作為劃分兩個系統徑流量依據。

根據質量守恒及物質濃度關系式：

Qtpt=Qnpn+Qsps

(4)

式中：Qt表示出水口河水流量；pt表示出水口河水溶質含量；Qn表示北洞河水流量；pn表示北洞河水溶質含量；Qs表示南洞河水流量；ps表示南洞河水溶質含量。

因為Qt=Qn+Qs，所以代入式(1)得：

(5)

計算兩洞穴子系統河水流量比例關系。

從理論上講端-源法和質量守恒理論只需要上述其中一個指標的比值就可以將兩個系統河水流量比例關系弄清楚，但現實中受到諸多因素的影響，所以單用一種指標來識別導致的誤差較大甚至錯誤。如，河流泥沙含量受到水流湍急、流經地的介質有相當大的關系；化學離子濃度隨著水與圍巖接觸而進行離子交換或與濃度不同的水混合產生沉淀，以及人類活動等影響，導致離子增減；同位素在其他水源匯入的條件下也會發生變化。所以本研究為了減少誤差取了多個指標進行綜合分析。在指標的選擇中根據濃度稀釋規律和離子、物質在水中存在的形態的穩定性等特性，從樣品分析結果(表1)中選取了相對穩定的離子和物質(表2)作為分析指標。

表2 指標及其比值表Tab.2 The indexes and specific values of them

氧同位素在兩支流的匯合前和匯合后的數字存在一定的規律性δ18O(南)‰>δ18O(匯合后)‰>δ18O(北)‰，體現出不同濃度溶質混合后的濃度變化。而氫同位素則為δD(匯合后)‰>δD(南)‰>δD(北)‰，沒有體現出不同濃度的溶質混合后的規律。盡管如此，但不論從氫同位素還是從氧同位素的δ值來看匯合后水中的數值始終與南支流數值靠近說明混合后的水流大多數是來自南支流，所以在運用同位素討論各支流比例時，運用氧同位素代入式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)得到比值如表2所示。

同時，將所選擇的離子和其他物質指標代入公式(5)計算Qn與Qs的比例值如表2，并繪制各指標值在Qn、Qs坐標系中的散點圖4,運用線性回歸分析方法進行擬合分析，獲得斜率為4.372 2且R2=0.808 1的直線(圖4)，在指標比值坐標系中其斜率為兩子系統徑流量比值即Qn∶Qs=4.372 2∶1，所以在南洞出水口主要是由南支洞流量為主其占總流量的81.48%。

圖4 南、北支洞主要水質指標比值擬合圖Fig.4 The fit for index ratio of water quality in NanDong and BaiDong

3 結 論

(1) 南洞地下河水體陽離子以Ca2+、Mg2+為主，陰離子以HCO-3、SO2-4為主，總體上屬于碳酸鹽硬度超過50%的HCO3-Ca·Mg低礦化度水。對可溶性離子主要來源于分析結果表明其主要受到巖石風化作用控制。

(2)南、北支洞的徑流量比為4.372 2∶1，即南支流占南洞總徑流量的81.48%為南洞地下河主要部分。南、北支洞泥沙含量主要受到降雨的影響：北支洞含沙量在降雨結束后延遲時間較短即驟漲驟降；而南支洞泥沙含量在降雨結束后其含沙量降低的延遲時間較長，對南洞地表河泥沙含量演變具有決定性作用。

(3)氫同位素δD顯示匯合后的值均大于匯合前兩支流的δD，至于為什么會產生這種情況還得有待于進一步研究分析。

(4)運用端源法和水離子質量守恒理論，在巖溶地區內探討無法進行現場測量和監測的地下河系統中的各個子系統徑流量，具有一定實用價值和科學意義。

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[1] 地質礦產部巖溶地質研究所.云南南洞地下河系統的形成演化及水資源開發研究[R].1991.

[2] 馬祖陸.云南南洞地下河流域地貌特征及地下河發育演化的初步研究[J].中國巖溶，1993，12(3): 273-283.

[3] 張 任. 云南省開遠南洞地下河流域洞穴研究[J].中國巖溶，1992,11(4)：366-381.

[4] 康彥仁，梁 彬.云南南洞地下河系統的水文地質特征[J].水文地質工程地質，1996，(4):28-30.

[5] 高明剛.云南南洞巖溶地下水溫度場時空變化規律研究[J].中國巖溶，1995，14(1): 19-29.

[6] 地質礦產部巖溶地質研究所.南洞巖溶地下水資源評價及合理開發利用方案論證[R].1995.

[7] 張 貴，周翠瓊，康曉波.云南開遠南洞地下河水質演變特征[J]．中國巖溶.2008，27(4):366-370.

[8] 段喬文，周翠瓊，李焱.云南開遠南洞暗河系統生態環境地質管理保護區劃分[J].地質災害與環境保護，2004，15(2):57-62.

[9] 夏日元，莫源富，唐健生.云南蒙自盆地巖溶石漠化動態演變特征研究[C]∥ 中國地質調查局.中國巖溶地下水與石漠化研究.南寧:廣西科學技術出版社，2003:20-25.

[10] 王 宇，張 貴.滇東巖溶石山地區石漠化特征及成因[J]．地球科學進展，2003，18(6):933-938.

[11] 覃星銘，蔣忠誠，何丙輝，等. 南洞流域東部重點區的石漠化現狀及治理對策分析[J].中國巖溶.2014，33(4):456-463.

[12] 沈照理, 朱宛華, 鐘佐燊.水文地球化學基礎[M].北京:地質出版社, 1993.

[13] 劉再華,Chris GROVES, 袁道先,等. 水-巖-氣相互作用引起的水化學動態變化研究——以桂林巖溶試驗場為例[J]. 水文地質工程地質, 2003,(4):13-18.

[14] Gibbs R J．Mechanisms controlling world water chemistry[J]．Science，1970，170(3962):1 088-1 090.

[15] Kortatsi B K．Hydrochemical framework of groundwater in the Ankobra Basin，Ghana[J]．Aquatic Geochemistry，2007,13(1):41-74.

[16] 顧慰祖.集水區降雨徑流響應的環境同位素實驗研究[J].水科學進展, 1992,3(4):246-254.

[17] 顧慰祖,謝 民.同位素示蹤劃分藤橋流域流量過程線的試驗研究[J].水文,1997,(1):29-32.

[18] 鄭淑蕙, 侯發高, 倪葆齡. 我國大氣降水的氫氧穩定同位素研究[J]. 科學通報, 1983,13:801-806.