桂林寨底地下河水化學(xué)特征及離子來源分析

劉朋雨, 許丹丹, 覃小群

(1.中國地質(zhì)科學(xué)研究院 巖溶地質(zhì)研究所/國土資源部、廣西壯族自治區(qū)巖溶動力系重點實驗室,廣西 桂林　541004;2.北京林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 北京　100083)

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桂林寨底地下河水化學(xué)特征及離子來源分析

劉朋雨1, 許丹丹2, 覃小群1

(1.中國地質(zhì)科學(xué)研究院 巖溶地質(zhì)研究所/國土資源部、廣西壯族自治區(qū)巖溶動力系重點實驗室,廣西 桂林541004;2.北京林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 北京100083)

摘要：水化學(xué)特征分析是研究巖溶地下河系統(tǒng)的主要方法之一。選取桂林寨底地下河為研究對象, 研究寨底地下河系統(tǒng)的水化學(xué)特征, 包括水化學(xué)類型、 水質(zhì)的礦化度和硬度, 不同區(qū)域離子含量的空間分布特征及規(guī)律, 運用離子比值法和主成分分析法對離子來源進行分析。結(jié)果表明, 寨底地下河大部分屬于微硬水, 礦化度與Ca2+、 呈顯著相關(guān)。水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca, 從補給區(qū)到排泄區(qū)離子濃度逐漸升高。寨底地下河系統(tǒng)的離子來源主要有碳酸鹽巖和白云巖溶解, 易受到地表污染源和人為污染的影響, 且具有區(qū)域分布規(guī)律。

關(guān)鍵詞：地下水;水化學(xué)特征;寨底地下河；桂林

中國西南地區(qū)擁有世界上分布最廣的巖溶區(qū), 面積53.26萬km2, 地下河3 066條, 形成了重要的地下水資源, 為當?shù)鼐用裉峁┕喔取⑸钣盟＝陙? 對巖溶地下河研究主要涉及地下河形成分布及水資源特征[1]、 地下河水文動態(tài)研究及水文數(shù)值模擬[2-3]、 地下河示蹤試驗[4]、 地下河水文地球化學(xué)特征[5]等, 并取得了豐碩的成果。袁道先等從地球系統(tǒng)科學(xué)的角度, 全面論述了巖溶地下水與環(huán)境問題的關(guān)系[6]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，地下水質(zhì)量正日趨惡化, 如：廣西環(huán)江北山鐵礦開采污染地下水； 龍江礦山開采導(dǎo)致地下水重金屬超標[7]； 農(nóng)田化肥、農(nóng)藥的過量使用導(dǎo)致地下水中硝酸鹽、硫酸鹽濃度升高[8-9]等。因此，越來越多的研究者開始關(guān)注巖溶地下水的污染問題：周文亮等[10]研究了桂林硝鹽洞滴水的水化學(xué)動態(tài)變化特征, 從水化學(xué)角度探討洞穴水文過程, 為建立水文數(shù)學(xué)模型提供基礎(chǔ)；葉永紅等[11]對江西省鷹潭市的地下水化學(xué)分析表明, 近年來的酸雨頻發(fā)和工業(yè)污染物的排放以及酸雨-基巖相互作用的影響導(dǎo)致該地的水化學(xué)類型復(fù)雜多變；郭芳等[12]研究了廣西境內(nèi)32條地下河近20年來的水質(zhì)變化, 發(fā)現(xiàn)地下河水中的離子濃度普遍升高, 水質(zhì)有惡化傾向。水化學(xué)分析對巖溶地下河的研究得到非常廣泛的應(yīng)用, 然而, 研究者多集中于對面積較小的地下河進行分析[13], 而對于一個整體地下河系統(tǒng)的水化學(xué)特征、分布規(guī)律和環(huán)境關(guān)系的分析研究較少。 掌握整體的巖溶地下河系統(tǒng)水化學(xué)特征有助于宏觀上認識巖溶水化學(xué)分布演化規(guī)律及影響因素，因此, 本文以桂林寨底地下河為研究對象, 運用主成分分析法對地下河狀況進行分析, 探討該地下河的水化學(xué)特征、主要離子來源和分布演化情況, 判斷地下河水質(zhì)的主要影響因素, 為寨底巖溶區(qū)地下水的保護和治理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

1.1地理位置及水文情況

寨底地下河系統(tǒng)流域位于桂林市東部靈川縣境內(nèi), 地理坐標: 東經(jīng)110°31′25.71″—110°37′30″,北緯25°13′26.08″—25°19′58.04″, 研究區(qū)南部二級公路與寨底地下河總出口直線距離約為150 m。研究區(qū)主要受海洋暖濕季風影響, 雨量充沛[14]。根據(jù)歷史資料, 海洋氣象站、 潮田氣象站多年平均降水量分別為1 601.1、 1 614.3 mm, 年平均氣溫17.5 ℃, 降水量年內(nèi)分配不均勻, 4—8月為豐水期, 占年平均降水量的69.15%, 11月至次年2月為枯水期, 占年平均降水量的13.24%。研究區(qū)包括海洋鄉(xiāng)海洋、 國清、大廟塘、江尾、九連等5個村,主要集中于研究區(qū)北部,人口眾多,經(jīng)濟以農(nóng)業(yè)為主,耕地總面積約779 hm2,其中水田603 hm2, 占耕地總面積的75.5%, 旱地196 hm2, 占耕地總面積的24.5%。

1.2地層巖性

研究區(qū)內(nèi)地形主要受構(gòu)造和地層巖性控制, 分為4種類型: 侵蝕構(gòu)造低山、 侵蝕溶蝕低丘、 孤峰平原和峰叢洼地。研究區(qū)大部分屬于峰叢洼地[15]。研究區(qū)內(nèi)主要出露地層有泥盆系、下石炭統(tǒng)及第四系。大部分屬于上泥盆統(tǒng)融縣組(D3r), 巖性較純, 寨底地下河總出口、 東究地下河出口、 水牛厄泉等大型地下水排泄點均發(fā)育于該地層, 面積約31 km2。該巖層組以中—厚層狀淺灰-灰白色灰?guī)r、 白云質(zhì)灰?guī)r、 白云巖為主, 屬典型巖溶區(qū)。

1.3研究區(qū)補徑排特征

寨底地下河系統(tǒng)主要的補給源為大氣降水, 此外還有來源于巖溶區(qū)以外形成的地表徑流, 側(cè)向徑流和巖溶水排出地表后的二次補給。補給方式主要有3種:一是大氣降水通過裸露巖溶區(qū)裂隙或淺覆蓋區(qū)孔隙, 以垂直入滲方式補給巖溶地下水[16], 這種方式普遍存在于研究區(qū)內(nèi);二是地表水和沿坡立谷兩側(cè)出露的地下河, 通過坡立谷底部巖溶裂隙發(fā)育帶以滲漏的形式補給巖溶地下水, 這種方式主要存在于水牛厄-響水巖坡立谷;三是大氣降水地表徑流, 地表徑流通過消水洞、地下河入口等補給巖溶地下水, 這種方式主要存在于洼地和坡立谷底部[17]。豐水期降水較多, 一次降水過程, 在滿足植物截留、包氣帶持水后，產(chǎn)生重力下滲, 當降雨強度過大時, 則形成坡面流, 坡面流通過巖溶洼地內(nèi)消水洞集中快速補給地下河系統(tǒng), 并很快在出口排出地表。地下水的排泄方式主要有泉、溶潭天窗和地下河出口。上層滯水以泉點的形式排出地表, 泉點發(fā)育地形較高, 多呈季節(jié)性泉。天窗或溶潭多出現(xiàn)在地下水位埋深淺的地方, 雨水季節(jié)受強降水補給, 地下水位高于地表形成溢流。研究區(qū)地勢北高南低, 地下河出水口為地下水主要的排泄方式, 水流集中匯集到寨底的地下河總出口G047點(圖1)。

1.4地下河子系統(tǒng)分布

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)地下水的徑流和分布特征, 寨底地下河系統(tǒng)主要分為6個子系統(tǒng)(圖1)，即：釣巖地下河子系統(tǒng)(Ⅰ)、 水牛厄地下河子系統(tǒng)(Ⅱ)、 東究西側(cè)地下河子系統(tǒng)(Ⅲ)、 豪豬巖-東究地下河子系統(tǒng)(Ⅳ)、 大浮地下河子系統(tǒng)(Ⅴ)、 響水巖-寨底地下河子系統(tǒng)(Ⅵ)。各系統(tǒng)之間既有獨立的補徑排特性, 又相互聯(lián)系和影響。

2研究方法

2.1采樣點布設(shè)

地下水采樣點按裸露型巖溶區(qū)地下河系統(tǒng)徑流網(wǎng)的形狀和規(guī)模布設(shè)，要求所選采樣點具有代表性，在子系統(tǒng)的補、徑、排區(qū)分別取點，保證采樣點的類型多樣。由于取樣期間大浮地下河子系統(tǒng)和東究西側(cè)地下河子系統(tǒng)部分采樣點干涸，因此本次研究僅針對釣巖地下河子系統(tǒng)、水牛厄地下河子系統(tǒng)、豪豬巖-東究地下河子系統(tǒng)(下稱東究子系統(tǒng))和響水巖-寨底地下河子系統(tǒng)。

圖1　寨底地下河水文地質(zhì)簡圖Fig.1　Hydrogeological diagram of Zhaidi underground river 1—寨底地下河系統(tǒng)邊界； 2—地下河子系統(tǒng)邊界； 3—地下河/地表河; 4—泉點; 5—落水洞; 6—溶潭; 7—地下河入口; 8—地下河出口; Q—第四系; C1y—下石炭統(tǒng)巖關(guān)階， 以中厚層狀灰?guī)r、 白云巖為主， 局部為泥質(zhì)灰?guī)r、 硅質(zhì)巖; D3l—上泥盆統(tǒng)榴江組， 下部主要為硅質(zhì)巖， 上部主要為扁豆狀灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r; D3r—上泥盆統(tǒng)融縣組， 中上部為厚層鮞狀灰?guī)r， 下部主要為扁豆狀灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r; D2d—中泥盆統(tǒng)東崗嶺組， 底部為含鐵泥質(zhì)生物碎屑灰?guī)r， 中下部為角礫狀白云巖、 灰質(zhì)白云巖夾灰?guī)r, 上部為灰?guī)r及灰?guī)r與白云巖互層; —中泥盆統(tǒng)下部， 灰白、 灰綠及紫紅色砂巖、 粉砂巖夾頁巖

2.2水樣采集及分析測試

圖2　寨底地下河采樣點示意圖Fig.2　Sampling location from Zhaidi underground river

樣點類型樣點類型G006落水洞G025溶潭G007民井G026溶潭G011天窗G027泉點G013泉點G029溶潭G014落水洞G030地下河出口G015溶潭G032地下河出口G016地下河出口G037天窗G017落水洞G041溶潭G019溶潭G043泉點G020溶潭G047地下河出口G021泉點G070地下河出口

3水文地球化學(xué)特征

3.1寨底水化學(xué)類型

圖3　寨底地下河水化學(xué)Piper圖Fig.3　Water chemistry Piper map of Zhaidi underground river

3.2硬度和礦化度

水的硬度主要是指水中Ca2+、Mg2+的含量, Ca2+、Mg2+的主要來源是石灰?guī)r、白云巖等巖石的風化產(chǎn)物。本區(qū)的主要巖性為中厚層灰?guī)r、白云巖、頁巖,地下水中的鈣鎂含量也取決于地下水流經(jīng)的土壤、 地質(zhì)以及氣候等條件；其次,含鈣鎂污水的排放也是使地下水硬度增高的原因。所測得的總硬度數(shù)據(jù)結(jié)合總硬度分類指標：大部分采樣點的水屬于微硬水；G021點總硬度僅19.67 mg/L,為極軟水。在厚層塊狀灰?guī)r區(qū)或附近為居民區(qū)的點,其總硬度較高。

3.3礦物飽和指數(shù)

本區(qū)構(gòu)成主要含水層的地層為碳酸鹽巖,方解石(CaCO3)和白云石 (CaMg(CO3)2)兩種礦物對地下水影響較大。運用PHREEQC軟件分析計算寨底地下河方解石飽和指數(shù)(SI)，豐水期大部分樣點為0.12～0.52, 地下水處于過飽和狀態(tài)；而G021位于第四系松散覆蓋層區(qū)，為外源水點,補給方式為大氣降水,因此方解石飽和指數(shù)小于零,屬于未飽和狀態(tài)。研究區(qū)北高南低,從補給區(qū)到排泄區(qū),4個子系統(tǒng)方解石飽和指數(shù)整體上呈現(xiàn)增大的趨勢,也說明溶解在不斷進行(圖5)。豐水期,響水巖-寨底地下河子系統(tǒng)方解石飽和指數(shù)呈降低趨勢,這是由于雨量大,且多處水流均匯集于此,導(dǎo)致水的稀釋作用增強，因此飽和指數(shù)降低。水牛厄子系統(tǒng)出水口的G030號水點,出現(xiàn)異常低值,上游水點均有上升趨勢,說明此處可能存在采樣或者測樣時導(dǎo)致的誤差。東究子系統(tǒng)對外源水點沒有進行檢測,而外源水點對此子系統(tǒng)的補給影響較大,外源水飽和指數(shù)小于零,因此導(dǎo)致G032地下河出口處飽和指數(shù)較小。

圖與TDS的相關(guān)關(guān)系Fig.4　Correlation between , Mg2+, , Ca2+ and TDS

圖5　4個子系統(tǒng)的補徑排區(qū)方解石飽和指數(shù)變化Fig.5　Change of calcite saturation index for recharge, runoff and discharge area

3.4離子含量變化特征

圖補徑排變化特征Fig.for recharge, runoff and discharge area

3.5離子來源判斷

圖與Ca2++Mg2+濃度關(guān)系Fig.7　Concentration relationship between HCO-3 and Ca2++Mg2+

Factor1Factor2Factor3K+-0.0930.785-0.137Na+-0.0650.905-0.110Ca2+0.963-0.151-0.088Mg2+-0.0200.3120.832Cl--0.0260.880-0.162SO2-40.5420.592-0.205HCO-30.946-0.2610.001Ec0.9650.124-0.074pH0.3750.3010.692方差貢獻率/%35.57531.70014.272累積貢獻率/%35.57567.27581.547

(2)寨底地下河采樣點分類情況。分別以Factor 1-Factor 2、 Factor 1-Factor 3為X軸和Y軸作主成分分析圖，分析22個點受Factor 1、 Factor 2影響的情況。 從圖8可以看出, 不同的采樣點受到的因素影響不同, 這種情況與地域和水點類型有一定的關(guān)系, 主要分為3類。

①G014、G015、 G019、 G020、 G026、 G027、 G029、 G030、 G007、 G017組, 其主要的水點類型為溶潭, 少數(shù)有地下河出口和泉。主要分布在寨底地下河系統(tǒng)的北部, 包括釣巖地下河子系統(tǒng)、 水牛厄地下河子系統(tǒng)及豪豬巖-東究地下河子系統(tǒng), 此類水點的Factor 1和Factor 2得分較高(圖8a), 說明這一類既受水巖相互作用的影響，又受人類活動等污染源的影響。

圖8　理化指標的主成分分析圖Fig.8　Principal component analysis map of physicochemical index

②G016、 G047、 G037、 G006、 G032、 G011、 G021組, 該部分水點類型主要為地下河出口, 此類水點的Factor 1和Factor 2得分較低, 由于地下河出口出水量較大, 污染較少, 所以該類水點受水巖作用和人為污染的影響均較小。

③G070、 G043、 G025、 G013、 G041組。主要分布在鳳凰坪、 小浮、 大稅及東究, 該組受Factor 1或Factor 3影響大、受Factor 2影響小, 說明該地區(qū)主要受水巖作用的影響。

G021號水點表現(xiàn)出顯著差異, 因為該點位于研究區(qū)上方, 屬于第四系松散層覆蓋區(qū), 獨特的地理位置及地層地貌造成了G021號點的差異。

4結(jié)論

(3)影響地下河離子成分的3個主要因素: Factor 1為含有鈣的碳酸鹽巖和水的相互作用； Factor 2主要代表與人類活動相關(guān)的污染源； Factor 3指示白云巖基巖的水巖相互作用起主要作用。

(4)寨底地下河離子來源呈現(xiàn)一定的區(qū)域性分布。該區(qū)域北部的離子主要來源于碳酸鹽巖的溶解和人為污染;大部分地下河出口處的離子受碳酸鹽巖的溶解和人為活動的影響較小;研究區(qū)域南部和西南部的離子主要受水巖作用的影響。此外，特殊點G021號水點, 因為該水點處于第四系松散層, 屬于非碳酸鹽巖地區(qū), 與其余點不同, 呈現(xiàn)出較大的差異性。

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文章編號:1674-9057(2016)02-0234-08

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.006

收稿日期：2015-09-18

基金項目：中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(1212011087121; 121237131300201)；中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)費項目(2014010)

作者簡介：劉朋雨(1987—), 男, 碩士, 研究實習員, 研究方向：巖溶水文地質(zhì), 574136870@qq.com。

中圖分類號：P641.134;P641.3

文獻標志碼：A

Analysis of hydro-chemical characteristics and ion resource from Zhaidi underground river in Guilin

LIU Peng-yu1, XU Dan-dan2, QIN Xiao-qun1

(1. Institute of Karst Geology, CAGS / Karst Dynamics Laboratory, MLR & GZAR, Guilin 541004, China; 2. College of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Abstract:Hydro-chemical analysis is one of the main methods of underground river research.From Zhaidi underground river, the water samples were analyzed in August 2012 in wet season in addition to on-site measurement.Chemical analysis shows groundwater chemical type and salinity and hardness. It elaborates the characters of content distribution of K+, Na+, Ca2+, Mg2+, , , Cl- and the ion source.Two hydration analysis methods that include ion ratio methods and principal component analysis study the ion source.The result indicates that ion sources come from carbonate dissolution and water rock interaction. The result shows Zhaidi underground river belongs to micro hardness,related to Ca2+, .Water chemistry type is HCO3-Ca, ion mainly comes from dissolution of carbonate rock,dolomite and human activity,with regularities of distribution.

Key words:underground water；hydrochemical characteristics; Zhaidi underground river;Guilin

引文格式：劉朋雨, 許丹丹, 覃小群.桂林寨底地下河水化學(xué)特征及離子來源分析[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報，2016, 36(2):234-241.