湖南湘潭河西地區近20年巖溶水化學時空演變及其影響因素

中圖分類號：P641.3 文獻標志碼：A

Abstract：The Hexi area is the main emergency groundwater source for Xiangtan City，Hunan Province，ensuring the urban water supply safety demand. Identifying the spatio-temporal evolution process of water supply hydrochemical components under the long-term influence of climate change and human activities has important practical guiding significance for the local development and utilization of groundwater resources and pollution control. In order to quantitatively reveal the evolution processes of karst hydrochemistry under long-term controls of precipitation and human activities，as well as the spatio-temporal distribution and evolution patterns of hydrogeochemical characteristics in the karst areas of Southern China， this study applies multivariate statistical analysis， geostatistical analysis， hydrochemical methods，and Piper diagrams，Gibbs models，and major ion ratios to analyze the spatiotemporal variation patterns and influencing factors of karst hydrochemistry in the study area，based on national groundwater quality monitoring data （2002—202l）. The results show that： The karst hydrochemistry in the study area exhibits horizontal zonation in space，which can be divided into Hydrochemical Zone I and Hydrochemical Zone II. Along the overall flow direction of karst water from Zone I to Zone I ，the hydrochemical components show a“positive increase\". The concentration of karst water chemical components has shown a phased change on the annual time scale over the past 20 years，with the overall evolution process being “stationary-rising-declining-stationary\". The key time nodes are 20o7，20ll，and 2O17. The spatial differences in karst hydrochemistry are mainly influenced by human activities. On the one hand，agricultural non-point source polution and urban domestic sewage enter the aquifer through surface infiltration， increasing the concentration of some components in Zone Il;On the other hand，artificial groundwater exploitation alters the local karst water flow field， causing hydrochemical components within the study area to exhibit “reverse change”characteristics along the overallflow direction of karst water. The evolution process of karst hydrochemistry on the anual time scale is influenced by changes in annual precipitation，and the influence time can be traced back to 2-3 years ago. This study comprehensively applied mathematical and chemical methods to quantitatively reveal the evolution process of karst hydrochemistryunder the long-term control of precipitation conditions and human activities，which can provide reference for analyzing the spatio-temporal distribution and evolution law of hydrogeochemistry in karst areas of Southern China.

Key words： emergency groundwater source;karst groundwater;hydrogeochemistry; spatio-temporal evolution;main controlling factors;Xiangtan，Hunan Province

0 引言

沅澧四水”三大戰略格局中重要一環。據2017—2022年《湘潭市水資源公報》①和《湘潭市統計年鑒》②，湘潭市主要供水水源為湘江干流及其支流涓水、漣水等地表水系，水資源總量雖較為豐富，但多

湘潭市人口密度和人均GDP僅次于省會長沙，是省“長株潭城市群、長株潭都市農業圈及湘資年人均水資源量僅 1 250m³ 左右，在長株潭三市中最少[1-2]。自20世紀70年代以來，城區水資源利用規模不斷擴大，水資源供需矛盾凸顯，水資源安全處于較低水平[3]。進入21世紀后，隨著湘江出現不同程度的水質問題[4-6]，巖溶地下水作為湘潭市工農業生產、城市規劃發展及居民生活用水的第二供水水源愈加重要。

河西地區（湘潭市在湘江西岸的區域）是湘潭城區主要的地下應急水源地。區內地下水資源主要富集于白堊系羅鏡灘組灰礫巖段裂隙巖溶含水層，地下水資源量較為豐富，有一定開采潛力。前人對該含水層的研究主要集中在地下水應急水源地選擇及其資源量評價方面[7-1]，而對巖溶地下水化學特征及其形成演化方面的研究較少。巖溶地下水化學成分的形成演化主要受水動力條件、含水層介質及氣候變化等自然因素控制[12-16]，近年來隨工農業活動的排放加劇，人類活動已成為巖溶地下水化學成分短期變化的重要影響因素[17-22]。已有研究表明，受工業“三廢\"和生活廢水影響，1992—2004年期間湘潭地區地下水中礦化度、氯離子、碳酸氫根及硫酸根呈增加趨勢[7，23]，這將影響巖溶水資源的利用價值。因此，進一步認識湘潭河西地區巖溶水化學特征，分析水化學成分時空演變規律與成因機制是當前區域水文地質工作中的重要研究內容。本文以此研究為背景，綜合運用多元統計分析、地質統計學分析方法及Piper圖、Gibbs圖和離子比值法等水化學分析方法，揭示2002—2021年期間湘潭河西地區巖溶水水化學基本特征、時空演變規律及其影響因素，以期為后續地下應急水源地的合理開發利用工作提供依據。

1 研究區概況

河西地區處于湘潭市湘江以西（圖1a），行政區劃屬于湘潭市雨湖區。北距長沙市約 60km ，東距株洲市約 40km ，總面積約為 110km² 。研究區屬典型的亞熱帶暖濕氣候，據湘潭站氣象資料，2017—2022年年均降雨量為 1 351.2m ；年均蒸發量為1 339.2mm，7 月份最大 （ 220.1mm），1 月份最小0 （41.2mm） 。湘江自南西向北東流經研究區東部，年均徑流量為 663.5×10⁸m³ ，汛期4—9月徑流量占全年的 66.4% ；湘江支流漣水自西向東流經研究區南部，年均徑流量為 233.1×10⁸m³ ，汛期4—9月徑流量占全年的 67.6% 。

區內屬湘江湘潭段左岸的沖洪積平原（圖1b），總體地勢西北高、東南低，海拔在 25～100m 之間。主要出露第四系全新統（ ΔQp ）及上白堊統戴家坪組（K₂dj ）、紅花套組 （K₂hh） 和羅鏡灘組 （K₂lj） ，其中戴家坪組和紅花套組巖性主要為紫紅色泥巖、泥質粉砂巖、砂礫巖，下伏羅鏡灘組巖性主要為紫紅色砂礫巖、灰礫巖。

地下水類型包括第四系松散巖類孔隙水，白堊系砂巖、砂礫巖孔隙裂隙水和白堊系灰礫巖裂隙巖溶水，按埋藏條件可分為覆蓋型巖溶承壓水和埋藏型巖溶承壓水（圖1c）。地下水主要富集于羅鏡灘組灰礫巖段，其為本文研究目標含水層，平均埋深63.36m ，最大、最小埋深分別為385.30 和 9.65m ，平均厚度為 257.27m ，揭露的最大、最小厚度分別為 392.64m 和 156.90m^[9-10] 。地下水補給主要以大氣降水補給為主，在灰礫巖埋藏較淺的區域可通過巖溶“天窗\"或松散堆積物入滲補給；受地形控制，自然條件下巖溶水總體自西和西南方向向東和東北方向湘江河谷地帶徑流排泄，另外在湘潭大學一江麓機械廠一帶以機井開采方式進行人工排泄。

2 數據來源與分析方法

2.1 數據來源及分布

本文采用了研究區在2002—2021年間13個地下水監測點的水質數據（圖1b），包括豐、枯水期的pH 、總硬度（TH）、總溶解性固體（TDS）、 Ca²⁺ 、Mg²⁺ 、 Na⁺ ！ K⁺ 、 Cl^- 、 SO₄^2- ！ HCO₃^- 、 NO₃^- 及化學需氧量（COD）共12項指標、127組樣本。地下水質采樣均由湘潭市監測站負責人員完成，水質測試主要由省勘測設計院檢測中心完成，測試依據《地下水質量標準》 （GB/T14848-2017）^[24] 。地下水位資料來源于研究區2019年國家地下水位監測數據，降水量、地下水用量數據來自湘潭市氣象局（http：//hn.cma.gov.cn）和水利局官網（http：//xtsl.xiangtan.gov.cn/）。

2.2 分析方法

利用陰陽離子平衡方法對水質分析數據進行檢驗，選擇相對誤差 lt;±5% 的作為可靠數據[25]，經檢驗127組樣本符合質檢要求。利用描述性統計分析巖溶水水化學基本特征，采用舒卡列夫分類方式[24]分析水化學類型，應用Piper圖解、Gibbs圖解[26]分析水化學類型演變。

圖1研究區地理位置圖（a）、地質簡圖（b）和水文地質剖面圖（c）

Fig.1Geographical location map（a），geological map （b）and hydrogeological profile （c） of the study area

采用多元統計分析中的系統聚類法（hierarchicalclustermethods），通過Q型聚類對127組水樣樣本進行分類[2]，利用ArcGIS中克里金插值、地學統計法[28-31]繪制綜合指標的多年均值分布圖。

為定量分析巖溶水化學成分在年尺度上的變化幅度，引用技術分析方法中的變動率指標（rateofchange， φ）^[32-33] 。本文定義 φ 為連續年度尺度范圍內（記作 T 時段）水化學組分質量濃度的年均變化量與初始年份水化學組分質量濃度的比值，計算公式為

式中： φ 為年均變動率 （%）：ρ…ρ_n 分別為 T 時段內 初始年份和末尾年份水化學組分的質量濃度（ ?mg/

L）; n 為 T 時段的年份數。 φgt;0 表示某段時間內水化學組分呈上升趨勢，反之為下降趨勢； ∣φ∣ 越大代表某段時間內水化學組分變動率越大，變化越不穩定，反之代表變動率越小，變化越穩定。

本文中Piper圖、Gibbs圖、離子箱線圖、離子比值圖、相關性分析及聚類熱圖由Origin2024軟件完成，描述性統計分析、Q型聚類分析由Excel2016和SPSS27配合完成，其余圖件由Arcgis10.3或Coreldraw2018繪制。

3 結果與分析

3.1近20年巖溶水化學基本特征

巖溶水2002—2021年豐、枯水期間水化學離子組分和綜合指標描述性統計結果如表1所示。近20年間 pH 值為 6.80～8.16 （豐、枯水期平均值分別為7.52、7.50），其中 95.3% 樣本為中性水（ 6.5lt; pHlt;8.0）^[24] ： ρ （TDS）為 196.23～910.85mg/L （豐、枯水期平均值分別為 350.51，391.48mg/L） ，TH為 94.20～348.78mg/L （豐、枯水期平均值分別為 223.64，233.66mg/L） ，根據 ρ （TDS）和 TH分類[24]，巖溶水水質主要為微硬-淡水，另有 7.1% 樣本為軟-淡水、硬-淡水； ρ（COD） 為 0.45～12.16mg/ L（豐、枯水期平均值分別為 1.86，1.76mg/L） ，僅2011—2012年的GW05點超過《地下水質量標準》（GB/T14848—2017）[24]中三類水標準限值。

主要陽離子以 Ca²⁺ （質量濃度 （76.14± 12.97） mg/L） 為主，其次從大到小為 Na⁺（（10.25± 15.98） mg/L） ） Mg²⁺ （ （10.09±3.07 ） mg/L ）、 K⁺ （ （2.25±2.17） ） mg/L ）；主要陰離子以 HCO₃^- （ （263.10±44.49） ） mg/L ）為主，其次從大到小為Cl^- （ （16.03±20.31 ） mg/L ）、 SO₄^2- （ （15.39± 14.14）mg/L）、 NO₃^- （ （6.20±4.46） ， mg/L ）。NO₃^- 質量濃度未超過《地下水質量標準》（GB/T14848—2017）[24]中的三類水標準限值。

變異系數體現了數據的復雜程度，在地下水化學特征統計分析中常用其反映離子質量濃度受水文地質背景條件和人類活動的影響情況[12，18-19，34]2002—2021 年間豐、枯水期， ΔpH 、 ρ （TDS）、TH、ρ^（Ca2+）?ρ^（Mg2+）， 和 ρ（HCO₃^- ）的變異系數 lt; 40.00% ，屬于弱一低等變異，說明該組分在時間上呈長期穩定變化，空間上受人類活動影響較小；ρ（Na⁺）_*ρ（K⁺）_*ρ（Cl^-）_*ρ（SO₄^2-）_*ρ（NO₃^-） 和ρ（COD） 的變異系數介于 71.87%～155.91% 之間，屬于中等一強變異，其中 Na⁺ 和 Cl^- 在豐、枯水期均為強變異， K⁺ 、 SO₄^2- 和COD在豐水期為強變異，反映該組分受到外在因素影響較大。

3.2 巖溶水化學類型及演變

近20年間，區內11個水質監測點共115組巖溶水樣本的水化學類型為 HCO₃-Ca 型；另外GW05和GW10監測點共12組巖溶水樣本在不同時段（豐、枯水期）存在多種水化學類型，表現為 HCO₃- Ca+Mg?HCO₃-Ca+Na?HCO₃-Ca+Mg+Na? HCO₃+Cl-Ca+Mg_?HCO₃+Cl-Ca+Na_?HCO₃+ Cl-Ca+Mg+Na 共6種水化學類型（圖2）。

通過Piper圖（圖3）可以看出：巖溶水樣本主要落在5區且豐、枯水期差異不大，陰陽離子分別靠近Ca²⁺，CO₃^2-+HCO₃^- 端，二者為區內巖溶水的主導離子；GW05和GW10監測點共有5組水樣樣本落在9區，其陰、陽離子的毫克當量百分數都沒有超過 50% ，在2007—2016年間表現為由 Ca²⁺ 端向Na⁺ 端、由 HCO₃^- 端向 Cl^- 端演變的趨勢。根據上述情況大致可將水樣樣本分為兩個分區：I區，在Piper圖中落點位置集中（涵蓋 92.1% 的巖溶水樣本），水化學類型為 HCO₃-Ca 或 HCO₃-Ca+Mg 型；Ⅱ區，為GW05和GW10的10組水樣，落點位置分散，水化學類型具有復雜多樣性。

綜合圖2和圖3可知，近20年間研究區內大部分區域巖溶水化學類型以 HCO₃-Ca 型為主，主導離子為 Ca²⁺ 和 HCO₃^- 。GW05和GW10監測點所在的雨湖城區巖溶水化學類型種類較多，經歷了前5年（2002—2006年）簡單、中間10年（2007—2016年）復雜多樣、后5年（2017—2021年）單一的演變過程。該區域為覆蓋型巖溶，且人類活動相對其他區域更復雜，巖溶水在2007—2016年間可能在一定程度上受外部因素的影響，使水化學成分發生變化，具體原因需在后文進一步分析。

3.3 巖溶水化學組分時空變化

3.3.1 巖溶水化學水平空間分帶

研究區巖溶水樣聚類結果如圖4a所示。首先，以類間距8可將樣本大致劃分為Ⅰ區和Ⅱ區，該分類與Piper圖菱形區落點分布一致（圖3）。然后，以類間距3.5將I區細分為Ia和Ib，其中 Ib 主要包括GW06—GW13在2011—2013年枯水期的水樣樣本。最后，以類間距2.5將Ia進一步劃分為Ia₁ 和 Ia₂ ，其中： Ia₁ 主要為GW06—GW13的樣本（占 Ia₁ 的 75% ），其次為GW01—GW04在

聚類計算變量為主要離子組分，其分類結果可以反映區內水化學成分的空間分布差異。其中：I、Ⅱ區樣本中 質量濃度具有顯著性差異， I 區樣本主要離子質量濃度均值為I區的 3.34～7.35 倍（圖4b）； Ia₁ 樣本中主要離子質量濃度均值為 Ia₂ 的 1.05～1.58 倍（圖4c）；Ib樣本中主要離子質量濃度均值為Ia的1.20～2.15 倍（圖4d）。綜合前文分析并依據聚類結果對巖溶水化學分區（表2）。

巖溶水化學各項綜合指標（圖5）可進一步反映巖溶水化學水平空間分帶性及其演變。沿巖溶水總體流向， ρ（TDS） 和 ρ（COD） 由I區至Ⅱ區表現為正向增加的趨勢，在湘江河岸地帶最高，在響水鄉最低，變化范圍分別為 275～594mg/L 和 1.28～ 6.89mg/L （圖5a、c），變化量約 35（mg/L）/km 和0.56（mg/L）/km ，其中 ρ（COD） 在 GW01GW07 GW05 方向由《地下水質量標準》（GB/T14848—2017）[24]中一、二類水演變為三、四類水；TH和pH 由I區至 I 區無演變趨勢，但由I-1至Ⅰ-2區存在變化，在 GW12GW11GW07GW02 方向分別表現為先增后減與逐漸增加的趨勢（圖5b、d）。

3.3.2 巖溶水化學時間變化

水化學類型演變過程已揭示 I 區水化學時間變化特征，在此不再分析。選擇Ⅰ區 GW02，GW07 、

圖3巖溶水化學Piper圖

Fig.3Piper diagram of karst hydrochemistry

圖4研究區巖溶水樣Q型聚類及主要離子箱線圖

表2研究區巖溶水化學分區及特征

Table2 Karsthydrochemical zoningandcharacteristicsinthestudyarea

按照2002—2021年時間序列繪制水化學組分年時間尺度變化圖（圖7），結合 φ 指標分析巖溶水化學時間變化的階段性。各水質點在相同時段內熱圖色譜分布高度相似，表明研究區各水質點水化學成分在年度時間尺度上變化過程相似，即具有同步演化特征，因此可對各水質點作整合分析。

第一組分 pH 基本保持穩定狀態，4個典型水質點平均有 94.4% 的時段 1φ1lt;5% （表3）。本文提出以 ∣φ∣=5% 為評判標準判斷水化學組分在年度時間尺度上的變化特征，若某時段 1φ1lt;5% 視為穩定期，反之為波動期。據此可進一步分析第二、三、四組分在年度時間尺度上的變化特征。

第二組分以2007年和2017年為關鍵時間節點，可劃分為平穩期（ 1%1lt;5% 時段占比 70% 和波動期。 ρ （ Ca²⁺ ）、 ρ （ HCO₃^- ）、 TH，ρ（Mg²⁺） ）和ρ（TDS） 均表現為平穩期（2002—2007年）—波動期（2007—2017 年）—平穩期（2017—2021 年）的演變過程（圖7a一e）。其中波動期總體表現為先上升（2007—2011年）后下降（2011—2017年）的趨勢，但ρ（Ca²⁺）…ρ（HCO₃^-） 和TH在2015—2017年有次級回升趨勢，而 ρ（Mg²⁺ ）和 ρ（TDS） 可能受其他組分影響，在此時段連續下降后趨于穩定，回升變量不大。

圖6巖溶水化學組分 φ 指標聚類熱圖

Fig.6 φ index clustering heat map of karst hydrochemical components

表3巖溶水化學組分年變化量及 φ 指標統計信息

Table 3Statistical information of annual variation of karst water chemical components and φ index

注： pH 無量綱，其余年均變化量單位為 （mg/L）/a 0

圖7巖溶水化學組分年度時間尺度變化

Fig.7 Annual time-scalevariation of karst hydrochemical components

第三、四組分及次要組分 1φ∣gt;5% 時段超過60% ，整體為波動期。以2011年為時間節點，總體表現為先上升后下降的趨勢，這與第一組分的波動期有一定相似之處。而其他時段內波動范圍較大，可能與本身質量濃度較小且該部分組分易受到人類污染影響有關。

另外，總時段 T₁₀ （2002—2021年）內 1φ∣lt;1% 的樣本占 72.2% ， 1φ∣lt;2% 的樣本占 91.7% ，這說明巖溶水化學主要離子組分和綜合指標在經歷“上升一下降\"波動后基本恢復至20年前的值。在近20年間水化學成分雖經歷了一定的變化過程，但期間可能受到外界因素不同程度的影響，但現今水化學成分與20年前并無太大差異，該演變過程體現了研究區內巖溶水化學受影響后具有一定的“恢復韌性”。

4討論

4.1 巖溶水化學形成控制作用

4.1.1 水-巖作用

Gibbs模型可以揭示水化學成分形成演化過程中受蒸發濃縮、巖石風化及大氣降水的控制作用[12，14，17-21，34-35]。分別以 Na⁺/（Na⁺+Ca²⁺ ）和Cl^-/（Cl^-+HCO₃^- ）質量濃度比值為橫坐標，以ρ（TDS） 的對數值為縱坐標繪制Gibbs圖（圖8）。區內巖溶水樣本主要集中落在巖石風化控制范圍內， Na⁺/（Na⁺+Ca²⁺） 和 Cl^-/（Cl^-+HCO₃^-） 值多數介于 0～0.2 之間。據前文（3.2.2節）可知，第二組分中 ρ（Ca²⁺ ） .ρ（HCO₃^- ）和 ρ（Mg²⁺ ）波動范圍較小，大部分時間變化穩定，結合含水層巖性可以判斷出該組分主要來源于方解石、白云巖等碳酸鹽巖溶解；第三、四組分的 Na⁺+K⁺ ！ Cl^- 和 SO₄^2- 來源于虛線圈內為 I 區GW05、GW10監測點樣本數據，圈外為I區監測點樣本數據。

圖8研究區巖溶水化學Gibbs圖

Fig.8 Gibbs map of karst hydrochemistry in the study area

其他鹽巖類礦物溶解，并不起主導作用；Ⅱ區GW05、GW10落在巖石風化與蒸發濃縮控制范圍之間（Ⅱ區），這解釋了Ⅱ區與I區水化學差異的主控因素，原因可能是城區地面降水入滲率低且地下水埋藏較淺受到蒸發濃縮作用影響，也可能受到覆蓋層第四系松散堆積物孔隙水的人滲補給使兩種地下水發生混合作用。

4.1.2 人類活動影響

人類活動影響地下水化學成分的方式可分為兩種情況：一是生活或工農業生產活動產生的污染物進入含水層使部分地下水化學成分增加，可將ρ（Cl^-）_?ρ（NO₃^-）_?ρ（SO₄^2-） 和 ρ（COD） 作為特征指標來分析人為輸入污染的影響[17-18.29.36-37]；另外一種是人為改變地下水補、徑、排過程，影響地下水循環過程使地下水化學成分改變，可通過地下水流場的變化進行分析[38]

根據研究區巖溶水化學成分描述性統計和時空變化特征， ρ（Cl^-）_?ρ（NO₃^-）_?ρ（SO₄^2-） 和 ρ（COD） （2號變異系數強，離散程度大，表明已受到人類活動影響[39-40]； I 區 ρ（Na⁺+K⁺），ρ（Cl^-），ρ（SO₄^2-） 顯著高于I區且 ρ （COD）超過《地下水質量標準》（GB/T14848—2017）[24]三類標準限值，說明Ⅱ區受到人類活動影響更大。研究區 NO₃^-/Cl^- 1c（Cl^- ）散點圖（圖9）可以用來判別人類生活和工農業生產活動對地下水污染的影響[17，41-42]。從圖9結合計算可知，研究區內 74.0% 的樣本受到化肥輸入、土壤有機氮輸入、污水輸入和糞便輸入污染影響，其中I區 74.4% 樣本指示為農業活動過程中殘留化肥或土壤中有機質經降水淋濾形成面源污染進入含水層，主要影響巖溶水 ），使該離子組分表現為中等—強變異；Ⅱ區 75.0% 樣本指示為城區生活過程中排污廢水經地表入滲進人含水層，主要影響巖溶水中的 ρ （Na⁺+K⁺ ）＼` ρ （ Cl^- ）、 ρ （ SO₄^2-） ，ρ（TDS） 和 ρ（COD） （表2），使這部分組分積累增加顯著高于I區。這解釋了I、Ⅱ區巖溶水化學成分的空間差異，也進一步證明 I 區巖溶水樣本介于巖石風化與蒸發濃縮控制范圍之間，有可能是地表污水經第四系松散堆積物入滲補給巖溶含水層，使兩種地下水發生了混合作用。

4.2 巖溶水化學時空演變影響因素

4.2.1 巖溶水空間差異影響因素

巖溶水化學時空變化表明離子組分和綜合指標在空間具有水平分帶性。前文（4.1.2節）已經提到，人類活動是I、Ⅱ區巖溶水化學成分空間差異的主要影響因素。根據Tóth的地下水流系統理論[43]，一般來說，地下水的總體流向受地形條件控制，呈現自高向低的流動特征。在水循環過程中，地下水的化學特征會發生相應變化，表現為 ρ （TDS）隨離子成分增加而升高的變化規律。而I區巖溶水化學主要離子質量濃度與流程呈反向變化特征，具體表現為除 pH 外，I-2區的 ρ （TDS）、TH 和 ρ（COD） （2整體高于Ⅰ-1區（圖5、表2），該水化學空間差異說明區內巖溶水流場局部存在變化。為進一步驗證此推測，選擇降水量較為穩定的2019年繪制巖溶水流場（圖10），分析其對水化學空間變化的影響因素。

圖9研究區 NO₃^-/Cl^- 與 c 0 Cl^- ）的關系

Fig.9Relationship between NO₃^-/Cl^- and c （Cl^- ）in the study area

由圖10可以看出，研究區內巖溶水位呈北高南低、中部凹陷格局：北部響水鄉（水位 40～47m） 一科技大學（水位 30～36m （I-1區）較高，湘潭大學—江麓機械廠一帶（I-2區）最低（水位 24～ 29m） ，形成明顯降落漏斗。巖溶水自南北向中部徑流匯聚。從含水層埋藏條件來看，I-1區主要分布在覆蓋型巖溶區，I-2區主要分布在埋藏型巖溶區（圖1c），前者更容易接受大氣降水或地表水補給。人工開采也加劇了I-2區水位下降及漏斗發育。I-1區巖溶含水層更容易得到外界補給，低礦化度水源使離子質量濃度稀釋[44]；而在人類開采影響下巖溶水局部流場發生改變，驅動I-1區巖溶水流向I-2區，引發離子在I-2區積聚。

綜上可以判斷，I-1區受大氣降水或地表水補給條件好，離子質量濃度較低；I-2區為埋藏型巖溶，受人工地下水開采影響，主要接受I-1區徑流補給，使離子質量濃度聚積升高。

4.2.2 巖溶水時段性變化影響因素

巖溶水化學組分在長時間尺度上表現階段性變化規律，這在很大程度上受到降水條件影響[36，45]降水入滲補給巖溶含水層后，對巖溶水化學組分的影響主要包括兩方面：一方面通過補充低礦化度水源稀釋水化學組分質量濃度降低，另一方面水循環交替能力增強，促進水巖作用過程，巖溶水化學組分得到補充后使其升高。根據水文地質條件，區內徑流與蒸發排泄較弱，地下水動態類型屬于入滲-弱徑流型，短期內地下水位變幅小，溶濾作用穩定，因此降水對研究區巖溶水化學組分影響機制主要以前者為主。pH值同樣證實了這一點，其長期變動較小，說明 CaCO₃-H₂O-CO₂ 溶解體系穩定，受降水影響較小。

由1992—2021年湘潭年降水量變化曲線（圖11）可知：研究區年降水量在2000年以前年變化幅度較小，整體表現穩定狀態；2000年以后變化幅度增大，變化周期“變亂”，特別在2002—2021年期間，明顯與巖溶水年度時間尺度演化過程不一致。這說明巖溶水變化并非在短期內對降水產生響應，需要擴大時間尺度來分析二者之間的關系。

通過不同影響區間年降水量變化率與 φ 指標Pearson相關性分析可知，兩者呈負相關關系，在0.01水平上顯著（表4）。結合對多年時間尺度的降

圖10研究區豐（a）、枯（b）水期巖溶水流場 Fig.10Karst groundwater flow field in wet （a） and dry （b）period in the study area

圖11研究區1992一2021年降水量與地下用水量

Fig.11Precipitation and groundwater consumption in the study area from 1992 to 2021

表4年降水量變化率與 φ 相關系數矩陣

Table 4 Correlation coefficient matrix between the change rate of average annual precipitation and index

注：在0.01水平（雙側）上顯著相關。

水量變化趨勢分析（圖11），發現年降水量影響巖溶水化學組分變化的時間需追溯到2一3年前，具體為：1999—2004年（或1999年以前）、2017—2021年時段內降水量整體上呈穩定變化趨勢，分別控制2002—2007、2017—2021年平穩期；2004—2009、2009—2017年時段降水量整體上分別呈下降、上升趨勢，影響2007—2011年、2011—2017年變動期。

5 結論

1）近20年間研究區巖溶水主要陰陽離子質量濃度從大到小為 Ca²⁺ 、 Na⁺ 、 Mg²⁺ 、 K⁺ 和 HCO₃^- ！Cl^- 、 SO₄^2- 、 NO₃^- ， 90.6% 樣本為 HCO₃ —Ca型水，豐、枯期無明顯差異。

2）研究區依據水化學空間分布特征分為I和Ⅱ水化學區， I 區至 I 區的空間演變過程與巖溶水總體流向一致，水化學類型由單一的 HCO₃ 一 Ca 型演變為復雜多樣性， ρ （TDS）、 ρ （COD）和 ρ（Na⁺） ）ρ（SO₄^2- ） ?ρ^γ（Cl^- ）呈增加趨勢；I區又分為I-1和I-2次級水化學區，除 pH 外I-2區的 ρ（TDS） ！

TH和 ρ（COD） 整體高于I-1區。

3）各水質點具有統一的水化學演化史，水化學組分在年度時間尺度上總體表現為平穩一上升一下降一平穩演變過程，且經歷波動后基本恢復至20 年前質量濃度，確定關鍵時間節點為2007、2011和2017年。提出以 1%1=5% 來評判水化學組分在年度時間尺度上的波動性并分組，其中第一組分 pH 常年穩定，第二組分 ρ （TDS）、TH、 ρ （ Ca²⁺ ）、ρ^（Mg2+ ）和 ρ（HCO₃^- 在 70% 時段內穩定，第三、四組分 及次要組分 ρ（NO₃^-） 超過 60% 時段波動。

4）I、Ⅱ區巖溶水化學的形成分別受巖石風化控制和巖石風化與蒸發濃縮共同控制。 Ca²⁺ ）Mg²⁺ 、 HCO₃^- 來源于碳酸鹽巖溶解， Na⁺ 、 SO₄^2- 、Cl^- 及 NO₃^- 受到來自人類活動的化肥、土壤有機氮、生活污水和糞便影響，經地表溶濾進入含水層發生混合作用，其中I區主要受農業面源污染，Ⅱ區受城區生活污水影響。水化學在年度時間尺度上演變過程與年降水量呈負相關，在0.01水平上顯著，影響機制為受低礦化度大氣降水補充稀釋使水化學成分質量濃度降低，影響時間可追溯2一3年前。

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