基于水化學和同位素示蹤巖溶含水系統的水力聯系
——以宜春市四方井副壩區為例

吳 平， 葛 勤， 張衛民， 李薦華， 劉海燕， 王 洋， 王 振， 陳家鴻

(1.中鐵水利水電規劃設計集團有限公司， 南昌 330029； 2.江西省水工結構工程技術研究中心， 南昌 330029； 3.東華理工大學水資源與環境工程學院， 南昌 330013； 4.放射性地質與勘探技術國防重點學科實驗室， 南昌330013)

巖溶區水庫的建設可實現區域水資源的合理配置，在防洪、興利、發電、生態等多方面發揮作用[1]。中國南方巖溶地下水資源儲量巨大，但分布不均，生態系統較為復雜，巖溶管道的發育和分布特征難以刻畫等一系列問題[2]，增加了水庫建設的難度。因此，研究巖溶地下水的形成、水化學分布，揭示地下水徑流的路徑，對維持研究區水庫建設的生態系統基本功能和居民的生態健康等具有重要的理論和實踐意義。

揭示巖溶含水系統的水力連通特征，是地下水資源調查和水文地質研究的基礎，也是流域水循環模式建立和生態文明建設不可忽視的重要環節。水化學和同位素組分作為地下水的重要組成，記錄了水體的形成、循環和演化的過程[3-5]，在巖溶水系統的發育特征[6]、水力聯通性[7]及演化規律[8]方面應用廣泛。然而，江西巖溶區含水層結構復雜，以隱伏巖溶為主，水文地質條件復雜，水化學特征處于動態變化過程[9-10]，單一的水化學研究方法，難以將地下水化學特征與其所在地區的時空變化所結合，解決復雜的巖溶水力聯系問題[11]。多方法聯合有助于揭示巖溶地下水的運移路徑，查明巖溶通道的連通性[12]，以便為水庫建設工程設計與施工提供理論依據?，F場示蹤試驗作為地下水連通試驗主要方法之一，具有自動化程度高、精度高、成本低、操作方便等優勢，在探尋地下水補給源、地下管網分布和水庫滲漏、巖溶含水層水文參數模擬等方面應用廣泛[13-14]。因此，現場示蹤試驗和水化學、同位素數據結合，有利于深入認識南方巖溶區含水系統的時空分布特征，并為同類項目建設和研究提供技術參考。

宜春市溫湯河四方井水利樞紐工程位于江西省宜春市袁州區境內，水庫壩址位于袁河中游右側支流溫湯河下游的袁州區湖田鄉坪田村境內，是一座以防洪、供水為主，兼顧發電等綜合效益的大(Ⅱ)型水利樞紐工程。經調查，副壩區巖溶發育較好，現場采用連續抽水試驗，均未見水位下降，水量豐富。其下游村莊較多，且存在多處泉水點，常年處于流動狀態，泉流量較大，若村中泉水可能與副壩處地下水存在一定的水力聯系，一旦水庫建成，庫區水位急劇增加，下游村莊泉流量隨之增加，可能對周邊的居民安全產生一定的威脅。為此，采用鉆孔注漿的方式阻斷水庫下游村莊間的水力聯系，現已完成部分注漿工作，為評價帷幕灌漿的效果，現通過分析研究區地下水和地表水的水化學分布特征，結合現場鹽示蹤試驗，查明研究區副壩地下水與其下游村莊泉水點間的水力連通性，為水庫設計和施工的正常進行提供基礎信息和理論指導。

1 研究區概況

宜春市四方井水利樞紐工程位于江西省宜春市袁州區境內，壩址距宜春市市區約7 km，壩址以上控制流域面積約173 km2，工程初擬正常蓄水位152 m(黃海高程，下同)，壩頂高程156.20 m，最大壩高51.70 m，水庫總庫容約1.189 5×108m3。地下水主要有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水及巖溶水三種類型，另在工程區的西南側分布有溫湯地熱田。其中巖溶水是庫區的主要地下含水層，其水量、水位主要受控于巖溶發育程度、連通程度等，透水性一般較強，主要受大氣降水、第四系孔隙潛水及河水補給，多以泉的形式排泄于地勢較低的溝谷。

副壩區溶洞多充填了粉質黏土或粉質黏土夾碎石、礫石，局部無充填，溶洞及其附近一帶巖體多具中等～強透水性，副壩右壩肩石炭系與震旦系地層不整合接觸部位一帶巖溶發育程度為極強烈，鉆孔線巖溶率達23.7%，鉆孔遇洞率100%。壩區其余部位(左壩肩及壩基一帶)的可溶巖區，據壩軸線鉆孔調查數據統計，鉆孔線巖溶率為1.4%，鉆孔遇洞率40%，巖溶發育程度為弱(圖1)。副壩下游四方井自然村一帶分布有多處上升泉，泉水中Ca2+、Mg2+的含量較高，泉水屬巖溶水，泉水流量與季節變化不大。

2 數據與方法

2.1 采樣與分析

2019年11月，沿地下水的補、徑、排路徑，共采集水樣25件，其中地表水樣14件，地下水樣11件，水樣采集點分布于工程樞紐副壩區、壩體上游和下游居民區(圖2)。為了明確研究區的當地大氣降水線(local meteoric water line，LMWL)，采集了14個不同高度明月山的降水樣品。水化學和氫氧穩定同位素測試樣品分別采用100 mL和10 mL塑料瓶采集，采集前用0.45 μm濾膜過濾。陽離子溶液采用6N HNO3酸化至pH<2，所有樣品均用Parafilm封口膜密封，并置于4～5 ℃保存，以減少微生物的增長。

現場利用水質多參數測試儀(HACH DR2800)現場測定水溫、pH、電導率等項目。

2.2 現場示蹤試驗方法

鑒于在研究區Na+和Cl-本底值很低，且化學性能穩定、易檢測、靈敏度高、成本相對低等優點，本次試驗選擇食鹽為示蹤劑。選取副壩鉆孔ZK465(即采樣點SD-01)作為示蹤劑投放點(圖2)，鉆孔位置資料、投放食鹽及水樣采集深度等相關信息如表1所示?；谘芯繀^水文地質和構造特征，結合本次示蹤試驗目的，選取副壩區下游4個泉點(SD03、SD04、SD05、SD07)作為信號監測點，并進行長期室外監測，監測點信息如表2所示。

表1 示蹤劑投放點相關信息Table 1 Information of launch point for tracer test

表2 信號監測點分布情況Table 2 Distribution of signal monitoring points

本次示蹤試驗時間為2019年11月2日—2019年12月27日，歷時55 d。2019年1月2日下午15：00試驗正式開始，采用水泵攪拌機將示蹤劑注入鉆孔。研究區地下水整體電導率偏低，一旦水中Cl-和Na+增加，電導率也將隨之升高，通過檢測水的電導率變化特征可直觀反映示蹤劑信號強弱，從而判斷工作區含水層的連通性能。

示蹤劑投放前，投放點及所有接收監測點均測定電導率，作為背景參考值。示蹤劑注入后，前期一天檢測2次(早上和晚上)，待示蹤劑信號出現后，檢測頻率加密，改為一天3～4次，當信號強度開始減弱時，檢測頻次改成一天1次，或一周1次，共監測482次，鑒于項目本身和科學研究目的的需要，沒有進行后期示蹤試驗回落曲線的監測。

3 結果

3.1 水化學組成

通過對地表水和地下水的水化學組分測試分析(表3),研究區地表水的TDS分布范圍為41.0～85.5 mg/L(平均值為61.6 mg/L)，淺層地下水(包含泉水，下同)的TDS分布范圍為57～334 mg/L(平均值為165.5 mg/L)，較地表水略大。由于副壩注漿，SD-1的pH為12，呈強堿性，其余地下水pH為6.95～8.93(平均值8.0)，為弱堿性水。

表3 地表水和地下水水化學組分Table 3 Hydrochemical compositions of surface water and groundwater

3.2 同位素特征

副壩區上游泉水(SD-11、SD-10、SD-9)的δD、δ18O值為-34.85～-34.10‰(平均值為-34.57‰)和-6.51～-6.30‰(平均值為-6.41‰)，地表水(SB-1)δD、δ18O值為-34.88‰和-6.29‰。副壩區地下水的δD、δ18O值分別為-34.80～-34.67‰和-6.05～-5.93‰，平均值為-34.74‰和-5.99‰，與四方井村SD-3和SD-4泉水δD(-32.8‰、-33.12‰)、δ18O(-5.90‰、-5.71‰)接近。四方井村中流量較大的泉SD-5氫氧穩定同位素較為貧化，為-33.58‰和-6.49‰。四方井村下游泉水(SD-8、SD-6)較四方井村具有富集的趨勢，δD、δ18O平均值為-32.19‰和-5.4‰，地表水(SB-2、SB-3)δD、δ18O平均值為-33.73‰和-5.15‰。

此外，氘盈余d作為研究地下水補給來源以及地下水和地表水相互作用的指標，能有效指示地下水的形成和演化過程[15]。研究區地表水和地下水d均為正值，平均值為14.05‰，與全球大氣降水線的d值較為接近。地下水和地表水d值分布區間分別為9.33‰～17.97‰(平均值為14.41‰)和10.32‰～15.45‰(平均值為13.06‰)。

4 討論

4.1 地下水的水化學分布及其成因

宜春屬中亞熱帶季風氣候，降雨量充沛，平均年降雨量為1 600 mm，淺層地下水埋深較淺，與地表水和大氣降水的水力聯系顯著。由圖3(a)可知，研究區大氣降水趨勢線(LMWL)的斜率為7.8，接近全球大氣降水線，δD和δ18O主要分布在LMWL右下方，說明地下水和地表水主要來自大氣降水的補給，且受到了蒸發作用的影響[16]。蒸發作用越強，受空氣相對濕度控制的d越偏負。研究區大氣降雨d約為15.6，地下水和地表水d的平均值分別為14.41‰和13.06‰，說明地表水較地下水受到的蒸發作用強烈。

圖3 水樣中δD和δ18O的分布Fig.3 Distributions of δ2D and δ18O in water samples

HCO3-Ca是地下水主要的水化學類型，由于副壩鉆孔注漿的原因，SD-1的水化學類型為OH-Ca。圖4(a)可知，上游區地表水和地下水的水化學數據點分布于碳酸鹽溶解線附近，主要來自碳酸鹽的溶解，隨著地下水徑流路徑的增加，可能存在少量長石的溶解，促使部分點向下偏移。上游SD-9號泉水點水化學類型為SO4-Mg，位于四方井村水利樞紐附近的半山腰，(Ca+Mg)遠遠高于HCO3的含量，說明存在其他的礦物溶解，導致該水點發生偏移。由圖4(b)可知，SD-9點處，可能存在大量的石膏溶解，SD-7和SD-8的水化學成分也受到了少量石膏溶解的影響。

圖4 地下水和地表水中Ca2+與的相關性Fig.4 Correlations between Ca2+ and and for groundwater and river water samples

針對局部地下水流系統，地下水徑流過程中，可能發生一系列的水巖相互作用，促使地下水TDS增加，因此TDS含量的變化與地下水徑流的過程關系密切。假如四方井村與副壩水利連通性較好，沿著地下水徑流途徑，劃分為5個徑流區，采樣點的分布依次為SD-9、SD-10、SD-11、SB-1、SB-4(上游)→SD-1、SD-2(副壩區)→SD-7(過渡區)→SD-3、SD-4、SD-5(四方井村)→SD-6、SD-8(下游區)。由圖5可知，地表水水化學分布較為集中，地下水的水化學分布呈現明顯的徑流分區模式，且地下水的水化學及TDS分布較地表水略大，說明地下水流動的過程，發生了強烈的水巖相互作用，促使地下水的水化學組分發生了變化。

圖5 水樣中Ca2+與TDS的相關性Fig.5 Correlation between Ca2+ and TDS for water samples

綜上，蒸發和水巖相互作用是地下水水化學成分形成的主要因素，同時造成了地下水的TDS逐漸偏離補給來源。因此，地下水的TDS值可以用來表征地下水參與的循環路徑，即低TDS的地下水，主要參與淺部的循環，徑流路徑相對較短。副壩區鉆孔SD-1進行了部分注漿(水泥)工作，考慮到其對地下水的影響，SD-1和SD-2孔地下水TDS含量較高。泉點SD-7位于副壩和四方井之間，與SD-3、SD-4相比，SD-7徑流途徑相對較短，TDS也略低，符合地下水徑流過程中水化學組分的分布特征。SD-5(高程210 m)位于SD-3(405 m)、SD-4(380 m)的下游，但TDS較低(145 mg/L)，泉流量較大，需要結合同位素結果進一步佐證。

4.2 副壩區巖溶通道水力連通性分析

4.2.1 鹽示蹤試驗對副壩區巖溶連通性的指示

為了查清副壩區巖溶含水系統與下游四方井出露泉水間的水力聯系，在副壩區鉆孔與下游四方井村之間進行現場鹽示蹤試驗。由圖6可知，監測點SD07地下水初始電導率約為355 μs/cm，從第8天開始持續上升，直到第50天達到最高點(436 μs/cm)，隨后濃度出現下降趨勢，表明副壩SD01與監測井SD07連通性較好。監測點SD04地下水的初始電導率為388 μs/cm，從第16天開始出現電導率波動式升高，第40天達到峰值(電導率為413 μs/cm)，隨后濃度逐漸降低，指示SD04與副壩也具有一定的連通性。監測點SD03地下水的初始電導率為415 μs/cm，從第18天開始出現電導率持續波動升高，第38天濃度出現峰值(電導率為425 μs/cm)，示蹤劑濃度上升曲線特征呈多峰，隨后濃度逐漸下降，說明SD03與副壩具有一定的連通性，且SD03泉水還受到其他補給來源的影響。

圖6 各監測點電導率隨時間的分布Fig.6 Distribution of conductivity with time at each monitoring sites

SD-5泉水的初始電導率為211 μs/cm，位于SD-3和SD-4下方。與SD03和SD04相比，地下水的電導率波動較大，規律不明顯，指示SD05地下水來源較為復雜，受到外界的影響相對顯著。結合4.1節中地下水水化學成因的分析，推測可能存在2種可能：①SD-5的流量較大，補給量較多，且離溫湯河較近，受河水影響較大，可能沖淡了SD-5的示蹤信號，造成SD-5處泉水的水化學特征和SD-3、SD-4相差較大，示蹤信號不明顯；②SD-5的徑流量較大，受季節性影響明顯，可能主要來自短距離上游水的徑流補給，副壩區地下水對其的貢獻程度較弱。

4.2.2 地表水與泉水同位素分布對副壩巖溶通道水力聯系的指示

地下水中穩定同位素的組成主要受大氣降水同位素的組成和地下水循環過程的影響，沒有經過同位素交換的地下水其同位素組成與補給來源相同，當地下水與周圍巖石發生水巖交換作用時，地下水同位素的組成就會隨之發生變化。經調查，副壩區地下水溫度在20 ℃左右，同位素水巖交換作用微弱，氫氧同位素具有指示地下水來源的特征。由圖3(b)可知，仙鞏河水δD和δ18O值(SB-1)較為貧化，指示上游補給來源特征。理論上，SB-4位于四方井上游，δD和δ18O值也應富集輕的氫氧穩定同位素，考慮到SB-4位于溫湯鎮溫泉出露區，可能受到大量溫泉水的混入，造成δD和δ18O值相對富集的現象。

由圖3(b)可知，研究區淺層地下水和地表水存在相互作用的關系，SD-5(村內大泉)、SD-9、SD-10、SD-11泉水δD、δ18O和地表水SB-1來源接近，指示4個地下水點的徑流路徑相對較短，徑流速度較快，主要為上游河水補給來源。SD-5為村內的大泉，泉流量較大，徑流快，路徑短，同位素特征也分布于SB-1附近，與溫湯河河水(SB-3)同位素特征不符合，說明SD-5主要來源于上游水的補給，副壩區地下水對其的貢獻較小。SD-1、SD-2為副壩巖溶地下水，與SD-3、SD-4和SD-7的分布區域一致，指示副壩地下水與四方井SD-3、SD-4和SD-7連通性很好。SD-6、SD-8與中下游地表水δD、δ18O分布區相似，較為富集，說明地表水和地下水存在水力聯系。據此可知，副壩地下水與SD-3、SD-4和SD-7泉水點連通性很好，與SD-5的連通性相對較差，同位素分析與現場示蹤試驗和水化學結果吻合，兩者互相佐證進一步說明了副壩區巖溶地下水與下游四方井村SD-3、SD-4泉之間存在連通性，與SD-5大泉的連通性較弱，多方法的結合有助于深入掌握研究區副壩與下游村莊含水層的聯通特性。

5 結論

(1)研究區地下水的氫氧同位素分布在LMWL的右下方，指示大氣降水的補給來源，并受到后期蒸發作用的影響。

(2)由地下水的水化學測試結果可知，研究區地下水主要來自碳酸鹽的溶解，少量長石和石膏的溶解也是促使地下水化學成分形成的關鍵，隨著地下水徑流途徑的增加，TDS呈現增加的趨勢。

(3)現場鹽示蹤試驗結果表明，副壩區地下水與其下游四方井村的泉水點SD-3、SD-4和SD-7連通性較好，SD05地下水來源較為復雜，與副壩區地下水間的聯系不明顯。

(4)通過分析地下水和地表水的水化學和同位素數據，進一步印證了四方井村的泉水點SD-3、SD-4和SD-7與副壩區的水力連通性較好，而SD-5主要來自上游水的補給，副壩區地下水的貢獻不明顯。