黑龍潭泉域地下水化學特征及補給源識別

覃紹媛　李澤琴　許模

摘 要：以黑龍潭泉域為研究對象，在泉域采取水樣測試分析其水化學特征和氫氧同位素特征，通過Piper三線圖、Gibbs圖、線性回歸分析、因子主成分分析及高程反演方法，探討了黑龍潭泉域水化學組成特征和影響因素，以及各泉群的補給來源，結果表明：研究區地下水化學組分以Ca2+、HCO-3、SO2-4為主，水化學類型為HCO3-Ca型，水化學組分主要受碳酸鹽巖溶濾作用和巖石風化作用影響;水樣點基本落在降水線右下方，研究區以大氣降水補給為主，水樣的補給高程為3 715～4 154 m;水樣均接受九子海地區降水補給，但清溪泉群還接受玉龍雪山地區冰雪融水的補給，清溪泉群地下水子系統屬于“多源同匯”，其他泉群屬于“單源單匯”。

關鍵詞：黑龍潭泉域;水化學特征;氫氧同位素;補給高程

中圖分類號：P641.3?? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.012

Groundwater Chemical Characteristics and Recharge Source Identification of Heilongtan Spring Area

QIN Shaoyuan， LI Zeqin， XU Mo

（State Key Laboratory of Geological Disaster Prevention and Geological Environmental Protection，

Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Abstract：In this paper， the Heilongtan Spring area was taken as a research object， the water samples of springs in the spring area were taken and the conventional water chemical indexes and hydrogen and oxygen isotopes were tested and analyzed. Through the Piper three-line diagram， Gibbs diagram and linear regression analysis， factor principal component analysis and elevation inversion method， the characteristics and influencing factors of the water chemistry in the Heilongtan Spring area， as well as the sources of recharge of each spring were discussed. The results show that the groundwater in the study area is dominated by Ca2+， HCO3- and SO2-4， the water chemical type is HCO3-Ca. The water chemical components are mainly affected by carbonate karst filtration and rock weathering; the water sample point basically falls to the lower right of the precipitation line， indicating that precipitation is the main recharge in the area and the recharge elevation of springs is 3 715-4 154 m; the Qingxi Spring has obvious hydraulic connection with other springs， both of them accept recharge of precipitation of the Jiuzihai area， but it also receives the recharge of snow melt of the Yulong Mountain， indicating that the Qingxi Spring groundwater subsystem belongs to “multi-source sink” and other springs belong to “single source and single sink”.

Key words： Heilongtan Spring area; Hydrochemistry; hydrogen and oxygen isotopes; supply elevation

地下水作為水資源的重要組成部分，在保障我國人民生活用水、社會經濟發展和維持生態平衡等方面具有重要作用和意義[1]。地下水具有信息載體的功能，水化學組分和氫氧同位素為地下水的天然標記，攜帶并記錄著地下水自補給、徑流至排泄過程的信息，是判別地下水補給來源的重要方法，已被廣泛應用于水文水資源領域[2]。通過分析地下水水化學組分和氫氧同位素組成特征可以判別大氣降水、巖石風化、蒸發作用和人類活動等之間的聯系，以及地下水的補給來源，對合理開發利用地下水資源具有積極的指導作用。

云南省麗江市黑龍潭泉域內有三大泉群，分別為清溪泉群、黑龍潭泉群和古城區泉群，其中古城區泉群包括白馬龍潭、甘澤泉和三眼井。泉水不僅是當地居民生產生活用水的主要來源，而且是當地景觀用水和服務業用水的主要來源之一。近年來，雨季降水量減少導致泉群流量減小，對當地社會經濟發展造成一定影響。為分析泉域水化學特征和識別泉群的補給來源，以黑龍潭泉域為研究對象，通過測試分析水樣水化學組分特征和氫氧同位素組成特征，探討泉群水化學組分特征及其主要影響因素，并結合氫氧同位素值對泉群補給高程進行反演，估算泉群主要補給區范圍，進而識別補給源。

1 研究區水文地質概況

研究區位于云南省麗江市城北象山腳下，平均海拔2 500 m。泉域地處高原季風氣候區，干濕季節分明，5—10月為雨季（降水量占年降水量的85%），多年平均蒸發能力為1 950 mm。研究區水源較為豐富，主要河流有金沙江、黑白水河、文化河及三束河，均屬于金沙江水系。

研究區出露地層主要為第三系、第四系和三疊系，其中三疊系地層大面積出露，巖性以灰巖、白云質灰巖和泥質灰巖為主，第三系和第四系地層主要出露于麗江市東部及南部。區內斷裂發育，主要為壓性和扭性斷裂，斷裂呈北東、北西及南北向，主要構造屬金棉文筆山斷裂帶中的麗江—文化斷裂。

黑龍潭泉域含水系統形如倒三角，尖角指向南西，北側以地表分水嶺為邊界，屬透水邊界;南側和東側受可溶巖和非可溶巖界線和阻水斷層圈閉，屬隔水邊界;西側以第四系湖積物覆蓋層為邊界，亦屬隔水邊界（見圖1）。研究區北部為九子海向斜，向斜核部可溶巖呈條帶狀延伸，區內降水豐富，北東—南西走向斷裂構造發育，在地下水作用下該區巖溶強烈發育，地表巖溶以落水洞、漏斗、洼地、溶洞為主，為地表水與地下水的流通創造了條件。研究區地勢整體呈北高南低，北側九子海洼地為主要補給區，降水沿巖溶發育地段補給地下水，受地形切割及構造控制，地下水沿網狀裂隙、溶洞及管道流動，總體向南西流動，通過潛流或小流量泉補給第四系孔隙含水層及碎屑巖類裂隙含水層，或于可溶巖與非可溶巖接觸地帶以泉的形式出露，如黑龍潭泉群、古城區泉群、巖腳泉等，泉域巖溶水系統流動示意見圖2。

2 樣品采集與測試方法

在黑龍潭泉域內共采集地下水水樣12組，采樣點分布見圖1。水樣除HCO-3濃度測定采用雙指示劑滴定法外，其他陰、陽離子分別使用離子色譜儀和電感耦合等離子發射光譜儀測定;TDS質量濃度采用水樣陰、陽離子質量濃度之和減去二分之一HCO-3質量濃度計算得到。根據水樣的常規離子含量，繪制了水樣的Piper三線圖，見圖3。水樣的氫氧同位素測試以相對維也納標準平均海洋水VSMOW的千分偏差值表示，δ18O和δD含量測試精度分別為0.5‰、0.1‰。水樣水化學組分及δ18O、δD見表1。

3 結果與討論

3.1 水化學組成特征

從表1可知，水樣各離子濃度均存在一定差異，水化學類型主要為HCO3-Ca型，水化學組分中陽離子平均質量濃度Ca2+>Mg2+>K++Na+，陰離子平均質量濃度HCO-3>SO2-4>Cl-，其中HCO-3、Ca2+含量占陰、陽離子總量的比例最高，分別為59.12%和61.95%，Cl-、K++Na+含量占陰、陽離子總量的比例較小，分別為6.01%和14.64%。TDS含量變化不大，為304.18～391.57 mg/L。

Piper三線圖不僅可以表征水樣的離子組成特征及不同水化學組成特征，而且可以定性判斷水樣控制端源[3]。在陽離子組成的Piper圖中，地下水受蒸發鹽巖溶解和硅酸鹽風化影響時水樣組分會偏向K++Na+端，受碳酸鹽巖風化影響時水樣組分則偏向Ca2+-Mg2+線[4]。由圖3可以看出，在陽離子組成的Piper圖中水樣點均偏向Ca2+-Mg2+線，說明地下水主要受碳酸鹽巖風化影響，這與研究區內碳酸鹽巖的大面積出露有關;在陰離子組成的Piper圖中，水樣點由SO2-4離子端逐漸向HCO-3離子端變化，亦說明地下水主要受碳酸鹽巖風化影響。白馬龍潭異于其他水樣點的原因是，白馬龍潭位于麗江古城區內，受人類生產生活用水影響較大，K++Na+濃度大。

地下水水化學組分受多種水-巖相互作用影響，根據水樣水化學組分的分析，結合研究區內地層巖性推斷地下水主要經歷水-巖作用為

CaCO3+H2O+CO2→2HCO-3+Ca2+

MgCO3+H2O+CO→2HCO-3+Mg2+

根據水-巖作用可知，隨著地下水與圍巖接觸時間的延長，水中HCO-3濃度呈增大趨勢[5]。清溪泉群HCO-3、TDS濃度相對較高，分別為257.50、380.62 mg/L，說明其與圍巖接觸時間最長，地下水的徑流路徑和徑流時間也相對較長;黑龍潭泉群、古城區泉群和墳地泉等TDS和HCO-3含量相近，且變化范圍較小，說明其地下水徑流路徑及徑流時間相近，推斷其補給來源可能相同;九子海泉、紅水塘泉和臘日光泉TDS和HCO-3含量相對較低，表明其地下水與圍巖接觸時間較短，地下水徑流時間和徑流路徑短且通暢。

水樣的Gibbs圖可以直觀反映研究區地下水主要離子的控制因素，反映地下水水化學組分的蒸發-沉淀、大氣降水或巖石風化等類型[6-7]。從圖4可以看出，水樣的離子含量比ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）、ρ（Cl-）/ρ（Cl-+HCO-3）分別為0.03～0.60、0.07～0.12，其平均值分別為0.13、0.09。水樣點基本集中在Gibbs圖中部，并略向“蒸發作用”端偏移，說明地下水離子組分主要來源于巖石風化作用，并受一定程度蒸發作用影響。

在水化學數據處理中多元統計分析方法得到了廣泛應用，其中因子分析和主成分分析方法有助于找出數據參數的變化規律，揭示水文地球化學過程。對水樣常規離子含量進行主成分分析，首先根據每組水樣的離子含量，對九子海泉與其他水樣的相關性進行分析;然后對水樣離子變量的相關性矩陣進行KMO檢驗，并對檢驗后的數據進行主成分分析，提取特征值大于1的兩個主成分m1、m2;最后得出水樣的載荷矩陣和貢獻率，見表2。

對水樣的相關性進行分析得出，水樣之間的相關系數均大于0.9，表明水樣高度相關，泉域內水樣均存在明顯水力聯系，結合研究區泉水出露的水文地質特征，九子海泉與其他泉群存在補給關系。

由表2可知，提取的主成分m1的貢獻率為38.287%，主要與Ca2+、Mg2+、SO2-4的相關性較高，說明主成分m1與碳酸鹽巖類及石膏類巖石溶解有關;主成分m2的貢獻率為35.460%，主要與Cl-、HCO-3的相關性較高，亦說明地下水主要受碳酸鹽巖風化影響及一定程度蒸發影響。

根據水化學分析結果，地下水水巖作用時間及徑流路徑相對較長的為清溪泉群，較短的為九子海泉、紅水塘泉和臘日光泉;九子海泉與泉域內各泉具有顯著水力聯系，說明其對其他泉存在補給關系。由補給區到排泄區，地下水化學組分形成過程主要受水-巖相互作用影響（碳酸鹽巖類的溶濾作用）及當地居民生產活動影響。

3.2 氫氧同位素組成特征分析

隨著同位素在水文地質研究中的應用，氫氧穩定同位素技術被廣泛應用于地下水補給來源、補給高程及地下水徑流方向等方面的研究[8]。將水樣的同位素測試結果與西南地區降水線[9]（δD=7.96δ18O+9.52）和全球降水線[10]（δD=8δ18O +10）進行線性擬合，繪制出水樣的δ18O—δD關系，見圖5。從圖5可以看出，水樣的δ18O與δD存在明顯線性關系，δD值為-100.0‰～-110.0‰，δ18O值為-13.5‰～-15.0‰，水樣點基本落在降水線附近或右下方，表明地下水總體以大氣降水集中補給為主，補給來源相對穩定。

自然環境中，水中18O含量低于巖石中18O的含量，地下水在徑流過程中與圍巖相互作用，地下水與圍巖發生同位素交換，使得水中18O逐漸富集。圖5中水樣點δ18O—δD關系曲線的斜率略小于降水線的斜率，說明水樣受到一定程度的蒸發作用，且受水-巖作用影響水樣發生氧同位素漂移，地下水中18O富集。水樣的氫氧同位素分析結果與水化學Gibbs圖分析結果基本吻合。

水樣的δ18O—Cl-關系（見圖6）可以進一步說明地下水的補給來源，其分析結果與水化學特征分析結果基本一致，即清溪泉群受水-巖作用影響較其他泉群明顯，其δ18O、δD和Cl-含量與其他泉群存在明顯差異，可推測清溪泉群與其他泉群存在不同的補給來源。

3.3 補給高程反演

氫氧穩定同位素組成具有高程效應，即高程越高，δD和δ18O值越低，高程與δD和δ18O之間存在良好的線性關系[11]，因此可以利用水樣的δD和δ18O值對研究區地下水水樣的補給高程進行反演。根據于津生等[12]的研究結果，δ18O與高程H的相關關系式為-δ18O=0.002 6H+7.7，水樣的補給高程可通過下式來確定：

H=δs-δpk+h

式中：H為估算的水樣補給高程;δs為泉點的同位素值;δp為大氣降水中的同位素值;k為同位素梯度;h為取樣點高程。

高程分別利用δD、δ18O值進行估算，兩者估算的補給高程相差不大，對比后采用δ18O值估算的高程值，為3 715～4 154 m，見圖7。結合研究區地形地貌及水文地質條件，認為清溪泉群補給區為研究區西北側高海拔地區，即玉龍雪山一帶，其余泉水補給高程相近，補給來源主要為九子海地區大氣降水。

結合水樣水化學特征和氫氧同位素特征分析結果，以及補給高程反演結果，泉域內泉水均接受九子海地區大氣降水補給;清溪泉群雖接受九子海地區降水補給，但其還存在另一補給來源，即清溪泉群與其他泉群之間既相互聯系又相互獨立。因此，可認為清溪泉群所屬地下水子系統與其他泉群不同，清溪泉群屬于“多源同匯”，其他泉群屬于“單源單匯”。

4 結 論

（1）黑龍潭泉域地下水化學組分以Ca2+、HCO-3為主，水化學類型為HCO3-Ca型。根據Piper三線圖和Gibbs圖以及離子數據分析結果，水樣中陽離子均接近Ca2+-Mg2+線，陰離子中SO2-4逐漸向HCO-3變化，水樣的ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）與ρ（Cl-）/ρ（Cl-+HCO-3）分別為0.10～0.50、0.07～0.10，且水樣點均集中在Gibbs圖中部，說明地下水主要受水-巖相互作用影響和一定程度的蒸發作用影響。

（2）水樣的δD值為-100.0‰～-110.0‰，δ18O值為-13.5‰～-15.0‰，水樣點基本落在降水線右下方，且水樣點δ18O—δD關系曲線的斜率小于降水線的斜率，表明水樣以大氣降水集中補給為主，補給來源相對穩定，且受到一定程度蒸發作用的影響。

（3）水樣補給高程反演結果顯示補給高程為3 715～4 154 m，清溪泉群以研究區西北側玉龍雪山地區的冰雪融水為主要補給來源，黑龍潭泉群、古城區泉群和巖腳泉等補給高程及范圍相近，主要以九子海地區降水為補給來源。清溪泉群除接受九子海地區補給外，還存在另一補給來源，表明清溪泉群與其他泉群之間既相互聯系又相互獨立。因此，可認為清溪泉群所屬地下水子系統與其他泉群不同，清溪泉群屬于“多源同匯”，其他泉群屬于“單源單匯”。

參考文獻：

[1] 王大純，張人權，史毅虹，等.水文地質學基礎[M].北京：地質出版社，2005：4-12.

[2] KATSANOU K， LAMBRAKIS N， DALESSSANDRO W， et al. Chemical Parameters as Natural Tracers in Hydrogeology： a Case Study of Louros Karst System， Greece[J]. Hydrogeolgy Journal， 2017（25）： 487-499.

[3] 侯昭華，徐海，安芷生.青海湖流域水化學主離子特征及控制因素初探[J].地球與環境，2009，37（1）：11-19.

[4] 張亞男，甘義群，李小倩，等.2013年長江豐水期河水化學特征及控制因素[J].長江流域資源與環境，2016（4）：645-654.

[5] 董建楠，劉淑芬，蘇銳，等.西南某地區地下水化學及同位素特征研究[J].鈾礦地質，2014，30（4）：230-235.

[6] 焦艷軍，王廣才，崔霖峰，等.濟源盆地地表水和地下水的水化學及氫、氧同位素特征[J].環境化學，2014（6）：962-968.

[7] KORTATSI B K. Hydrochemical Framework of Groundwater in the Ankobra Basin， Ghana[J]. Aquatic Geochemistry， 2007， 13（1）： 41-74.

[8] 王文祥，安永會，李文鵬，等.基于環境同位素技術的張掖盆地地下水流動系統分析[J].水文地質工程地質，2016，43（2）：25-30.

[9] 曹云.重慶市北溫泉景區溫泉和鈣華的地球化學研究[D].重慶：西南大學，2007：28-30.

[10] CRAIG H. Isotopic Variation in Meteoric Waters[J]. Science， 1961， 133： 1702-1703.

[11] 羅云菊，劉東燕，許模.重慶地下熱水徑流特征研究[J].地球與環境，2006，34（1）：49-54.

[12] 于津生，張鴻斌，虞福基，等.西藏東部大氣降水氧同位素組成特征[J].地球化學，1980，6（2）：113-121.

【責任編輯 呂艷梅】

收稿日期：2019-07-10

基金項目：國家自然科學基金資助項目（41402223）

作者簡介：覃紹媛（1993—），女（壯族），廣西來賓人，碩士研究生，研究方向為工程與環境水文地質

E-mail：shaoyuan-qin@qq.com