南洞地下河水文地球化学特征及径流量识别

罗书文，黄保健，李成展，邓亚东，缪雄宜

(中地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部、广西壮族自治区岩溶动力重点实验室，广西 桂林 541004)

南洞地下河流域面积约[1,2]1 650 km2。地下河出口位于开远市南缘, 其多年平均径流量为2.945亿m3。该地下河有相对独立的两个子系统(南、北支洞)，见图1，北支洞因补给面积小,流量相对较小；南支洞因其补给面积大流量较大。两支地下河在结构复杂的洞内混合后通过多个出水点出漏地表。在内部有千丝万缕关系存在水力学联系，目前对南洞研究主要从地貌、洞穴发育规律[3]，水资源[4,5]、水质[6,7]以及流域内石漠化方面较多[8-11]。而在区分、监测各径流方面研究较少，主要是洞内氧气稀薄空气环境恶劣、汛期长、水量大、部分洞腔在汛期被水淹没可进入性差，对洞内各子系统流量检测和区分及演化研究十分困难。然而，随着极端天气变化频繁以及地下河上游蒙自盆地社会经济日益发展，对水资源及水能资源的需求也日益扩大，所以对其地下河的开发利用亟待解决。因此，研究其水文地质化学特征以及区分两支流对研究各系统和整个地下河系统径流量演变规律具有重要现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况[1,2]

南洞地下河出口位于云南省开远市以南约8 km的崇山峻岭之下，三面环山,流域地面积约1 650 km2，处于红河与南盘江两大水系的分水岭地带，多年平均迁流量为2.945亿m3。该地下河有相对独立的两个子系统(图l), 北支洞补给面积小,流量相对较小；南支洞补给面积大，为南洞地下河系统的主体部分。流域范围内出露地层有寒武系、泥盆系、二叠系、第三系和第四系。寒武系、泥盆系、石炭系、二叠系主要分布于蒙自东南及大黑山一带,其中寒武系、泥盆系以紫红色、灰绿、黄色粉砂质页岩、页岩和砂岩为主；泥盆系中、上统至石炭系以厚层块状灰岩、角砾状灰岩和白云岩为主；二叠系以灰岩、硅质灰岩和玄武岩为主。三叠系地层广布全区，岩性以钙质、粉砂质页岩、泥质灰岩、粉细砂岩和中厚层块状纯灰岩、白云岩、白云质灰岩和泥质灰岩为主。在盆地及山区内的洼地、谷地中分布以角砾岩、砂岩、泥灰岩和碎屑岩沉积为主的第三系，以及以砂、角砾、黏土等松散冲积、湖沉积物为主的第四系地层。流域内主要含水层有岩溶含水层、碎屑岩裂隙含水层和孔隙含水层(见图1)。

1-岩溶含水层；2-碎屑岩裂隙含水层；3-岩浆岩裂隙含水层；4-泥灰岩裂隙孔隙含水层；5-孔隙含水层；6-流域边界； 7-地表、地下水分水岭；8-深部阻水边界；9-地下河及出口；10-落水洞；11-采样点图1 南洞地下河系统水文地质简图及采样图[5]Fig.1 Schematic hydrogeologic and sampling map in the Nandong underground River

1.2 样品采集与分析

本次研究分析数据, 于2014年7月29日准备对该洞进行探测，由于处于丰水期水量较大，北支洞口完全被水淹没无法进入，于是南洞地下河出水口、南支洞、北支洞3处取水样对其含沙量进行分析。而在9月份对洞穴进一步探测时,发现北支洞水清澈见底而南支洞水混浊洞外水也混浊，于是在9月27日现场测pH值、电导率、及水温，并在上述三处取样进一步分析，水样DW-X取于南洞地下河出水口, 水样ND-11取于南洞支洞, 水样BD-12取于北支洞(图1)；水样中水化学分析、同位素经由中国地质科学院岩溶地质研究所地质与环境地质实验室分析测试。对河流泥沙含量的取样中为了减少误差分别在3个采样地点上、下游不同位置取各取6个样品进行测试取均值。

2 结果与讨论

2.1 阴阳离子组成

研究地下河系统中北支洞pH值为7.34，属中性偏弱碱性水，溶解性总固体(TDS)为324.74 mg/L，永久硬度61.16 mg/L；南支洞pH值为7.2，属中性偏弱碱性水，溶解性总固体(TDS)为274.19 mg/L，永久硬度24.18 mg/L；汇合后pH值为7.36，属中性偏弱碱性水，溶解性总固体(TDS)为277.73 mg/L，永久硬度32.98 mg/L。

北支洞地下河主要阳离子含量顺序：Ca2+>Mg2+>Na+>K+，主要阴离子平均含量顺序为: HCO-3> SO2-4>NO-3>Cl->F-；南支洞地下河主要阳离子含量顺序：Ca2+> Mg2+>Na+>K+，主要阴离子平均含量顺序为: HCO-3>SO2-4>NO-3>Cl->F-；汇合后河流主要阳离子含量顺序：Ca2+>Mg2+>Na+>K+，主要阴离子平均含量顺序为: HCO-3> SO2-4>NO-3>Cl->F-，其各自含量如表1所示。

表1 水样化验结果Tab.1 The test result of water samples

地表、地下水的离子成分主要是水与周围介质(岩石圈、生物圈、大气圈)在长期历史进程中相互作用的结果。不同的介质环境其化学成分也大相径庭，所以在研究其离子成分和成因,不能脱离周围介质和环境条件[12]。研究区内两个子系统中地质条件基本一致，主要是灰岩、白云岩、白云质灰岩和泥质灰岩为主，但其主要的阳离子Ca2+、Mg2+北支洞明显高于南支洞，这主要是由于南支洞流域面积大，北支洞流域面积小，雨季结束后北洞受到洪水影响的延迟时间短，而南支洞受到影响延迟时间较长，因此对其离子浓度具有稀释作用[13]导致其主要阳离子浓度较低。而相反Na+、Cl-浓度南支洞比北支洞高，主要是因为南支洞上游流经了许多城市和村庄受到人类活动影响所致。

2.2 水化学特征

通过绘制Piper图,可客观地反映地下水的水化学特征。如图2,南洞系统3个水样水化学离子的Piper三线位置基本相同。根据Piper三线图解分区, 总共划分为9个区,落在菱形中的不同区域的水样具有不同的化学特性[12]。从Piper图可以直观的看出,水样为碳酸硬度(次生硬度)超过50%，且地下水化学性质以碱土金属和弱酸为主的5区，水样总体上碳酸盐硬度超过50%, 属HCO3-Ca·Mg型水。

由上述所示水中的可溶性离子主要来源于周围环境，即土壤分解、岩石的风化和大气输入或沉降[12]。为了更直观地比较南洞地下河系统中各支洞河水的化学组成、形成原因以及彼此间的相互关系，将其运用Gibbs R. J设计的半对数坐标图[14]即Gibbs图(图3)进行分析。该图的纵坐标为对数坐标，代表河水中溶解性总固体； 横坐标为普通直线坐标，代表河水中阳离子比值(Na+)/(Na++Ca2+)。Gibbs图能够较清晰地反映出河水主要成分趋于[15]“降水控制类型”、“岩石风化类型”或“蒸发-浓缩类型”。运用Gibbs 图解的方法分析离子起源问题除了河水外，也可以分析地下水。将区内地下水和河水的水化学数据投绘于Gibbs 图中，可以看出，南洞支洞水样点，(Na+)/ (Na++Ca2+)的比值为0.023，(Cl-)/ (Cl-+ HCO-3)比值为0.015；北洞支洞水样点，(Na+)/(Na++Ca2+)的比值为0.015，(Cl-)/( Cl-+ HCO-3) 比值为0.005；其两支洞的地

图2 南洞地下河水化学Piper三线图Fig.2 Piper diagram showing hydrochemistry in the NaDong Underground River

图3 南洞地下河水体Gibbs图Fig.3 The Gibbs diagram of NanDong Underground River

下河水主要是“岩石风化类型”。

2.3 稳定同位素

在自然界中, 稳定同位素组成的变化很微小,用同位素丰度和同位素比值不能明显地显示出这种微小差别, 所以一般用18δ值来表示元素的同位素含量。δ值指样品中某元素的同位素比值(R样品)相对于标准样的同位素比值(R标准)的千分偏差, 即：

(1)

式中：R为同位素丰度比值，即某一元素的重同位素丰度与轻同位素丰度之比, 比如，R(D)=D/H,R(18O)=18O/16O，所以18O的丰度为：

(2)

人们在利用稳定同位素对径流量的划分时，常常将17O忽略不计，其同位素浓度可以推导出为19δ[16-18]。本研究中为了减少误差将继续考虑17O的存在，并由稳定同位“约半数定理”得到：

(3)

研究区内北支洞地下河水δD(V-SMOW)%为-7.96，δ18O(V-SMOW)%为-1.07；南支洞地下河水δD(V-SMOW)%为-7.77，δ18O(V-SMOW)%为-1.04；汇合后的河水δD(V-SMOW)%为-7.72，δ18O(V-SMOW)%为-1.046。

2.4 泥沙含量

根据上述样品测试结果表1所示：①9月份样品测得河口泥沙含量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月份采的水样中口泥沙含量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，可见北支洞波动较大，而南支洞波动相对较小，说明北洞流域汇水面积小受降雨影响强烈，降雨时涨浑水雨停后河水迅速清澈；而南洞汇水面积大受降雨影响延迟时间长，所以在降雨后很长一段时间内河水泥沙含量一直高居不下。

2.5 地下河系统径流分析

根据物质守恒和端-源法，建立关系式(4)、(5)对径流量进行识别。为了减少误差从采取的3个样品中选取其水化学阴、阳离子，氢、氧同位素和水中的泥沙含量来进行探讨，最后通过拟合计算其径流量的比例关系式作为划分两个系统径流量依据。

根据质量守恒及物质浓度关系式：

Qtpt=Qnpn+Qsps

(4)

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

因为Qt=Qn+Qs，所以代入式(1)得：

(5)

计算两洞穴子系统河水流量比例关系。

从理论上讲端-源法和质量守恒理论只需要上述其中一个指标的比值就可以将两个系统河水流量比例关系弄清楚，但现实中受到诸多因素的影响，所以单用一种指标来识别导致的误差较大甚至错误。如，河流泥沙含量受到水流湍急、流经地的介质有相当大的关系；化学离子浓度随着水与围岩接触而进行离子交换或与浓度不同的水混合产生沉淀，以及人类活动等影响，导致离子增减；同位素在其他水源汇入的条件下也会发生变化。所以本研究为了减少误差取了多个指标进行综合分析。在指标的选择中根据浓度稀释规律和离子、物质在水中存在的形态的稳定性等特性，从样品分析结果(表1)中选取了相对稳定的离子和物质(表2)作为分析指标。

表2 指标及其比值表Tab.2 The indexes and specific values of them

氧同位素在两支流的汇合前和汇合后的数字存在一定的规律性δ18O(南)‰>δ18O(汇合后)‰>δ18O(北)‰，体现出不同浓度溶质混合后的浓度变化。而氢同位素则为δD(汇合后)‰>δD(南)‰>δD(北)‰，没有体现出不同浓度的溶质混合后的规律。尽管如此，但不论从氢同位素还是从氧同位素的δ值来看汇合后水中的数值始终与南支流数值靠近说明混合后的水流大多数是来自南支流，所以在运用同位素讨论各支流比例时，运用氧同位素代入式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)得到比值如表2所示。

同时，将所选择的离子和其他物质指标代入公式(5)计算Qn与Qs的比例值如表2，并绘制各指标值在Qn、Qs坐标系中的散点图4,运用线性回归分析方法进行拟合分析，获得斜率为4.372 2且R2=0.808 1的直线(图4)，在指标比值坐标系中其斜率为两子系统径流量比值即Qn∶Qs=4.372 2∶1，所以在南洞出水口主要是由南支洞流量为主其占总流量的81.48%。

图4 南、北支洞主要水质指标比值拟合图Fig.4 The fit for index ratio of water quality in NanDong and BaiDong

3 结 论

(1) 南洞地下河水体阳离子以Ca2+、Mg2+为主，阴离子以HCO-3、SO2-4为主，总体上属于碳酸盐硬度超过50%的HCO3-Ca·Mg低矿化度水。对可溶性离子主要来源于分析结果表明其主要受到岩石风化作用控制。

(2)南、北支洞的径流量比为4.372 2∶1，即南支流占南洞总径流量的81.48%为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响：北支洞含沙量在降雨结束后延迟时间较短即骤涨骤降；而南支洞泥沙含量在降雨结束后其含沙量降低的延迟时间较长，对南洞地表河泥沙含量演变具有决定性作用。

(3)氢同位素δD显示汇合后的值均大于汇合前两支流的δD，至于为什么会产生这种情况还得有待于进一步研究分析。

(4)运用端源法和水离子质量守恒理论，在岩溶地区内探讨无法进行现场测量和监测的地下河系统中的各个子系统径流量，具有一定实用价值和科学意义。

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