桂林寨底地下河水化学特征及离子来源分析

刘朋雨, 许丹丹, 覃小群

(1.中国地质科学研究院 岩溶地质研究所/国土资源部、广西壮族自治区岩溶动力系重点实验室,广西 桂林　541004;2.北京林业大学 环境科学与工程学院, 北京　100083)



桂林寨底地下河水化学特征及离子来源分析

刘朋雨1, 许丹丹2, 覃小群1

(1.中国地质科学研究院 岩溶地质研究所/国土资源部、广西壮族自治区岩溶动力系重点实验室,广西 桂林541004;2.北京林业大学 环境科学与工程学院, 北京100083)

摘要：水化学特征分析是研究岩溶地下河系统的主要方法之一。选取桂林寨底地下河为研究对象, 研究寨底地下河系统的水化学特征, 包括水化学类型、 水质的矿化度和硬度, 不同区域离子含量的空间分布特征及规律, 运用离子比值法和主成分分析法对离子来源进行分析。结果表明, 寨底地下河大部分属于微硬水, 矿化度与Ca2+、 呈显著相关。水化学类型主要为HCO3-Ca, 从补给区到排泄区离子浓度逐渐升高。寨底地下河系统的离子来源主要有碳酸盐岩和白云岩溶解, 易受到地表污染源和人为污染的影响, 且具有区域分布规律。

关键词：地下水;水化学特征;寨底地下河；桂林

中国西南地区拥有世界上分布最广的岩溶区, 面积53.26万km2, 地下河3 066条, 形成了重要的地下水资源, 为当地居民提供灌溉、生活用水。近年来, 对岩溶地下河研究主要涉及地下河形成分布及水资源特征[1]、 地下河水文动态研究及水文数值模拟[2-3]、 地下河示踪试验[4]、 地下河水文地球化学特征[5]等, 并取得了丰硕的成果。袁道先等从地球系统科学的角度, 全面论述了岩溶地下水与环境问题的关系[6]。近年来的研究发现，地下水质量正日趋恶化, 如：广西环江北山铁矿开采污染地下水； 龙江矿山开采导致地下水重金属超标[7]； 农田化肥、农药的过量使用导致地下水中硝酸盐、硫酸盐浓度升高[8-9]等。因此，越来越多的研究者开始关注岩溶地下水的污染问题：周文亮等[10]研究了桂林硝盐洞滴水的水化学动态变化特征, 从水化学角度探讨洞穴水文过程, 为建立水文数学模型提供基础；叶永红等[11]对江西省鹰潭市的地下水化学分析表明, 近年来的酸雨频发和工业污染物的排放以及酸雨-基岩相互作用的影响导致该地的水化学类型复杂多变；郭芳等[12]研究了广西境内32条地下河近20年来的水质变化, 发现地下河水中的离子浓度普遍升高, 水质有恶化倾向。水化学分析对岩溶地下河的研究得到非常广泛的应用, 然而, 研究者多集中于对面积较小的地下河进行分析[13], 而对于一个整体地下河系统的水化学特征、分布规律和环境关系的分析研究较少。 掌握整体的岩溶地下河系统水化学特征有助于宏观上认识岩溶水化学分布演化规律及影响因素，因此, 本文以桂林寨底地下河为研究对象, 运用主成分分析法对地下河状况进行分析, 探讨该地下河的水化学特征、主要离子来源和分布演化情况, 判断地下河水质的主要影响因素, 为寨底岩溶区地下水的保护和治理提供数据依据。

1研究区概况

1.1地理位置及水文情况

寨底地下河系统流域位于桂林市东部灵川县境内, 地理坐标: 东经110°31′25.71″—110°37′30″,北纬25°13′26.08″—25°19′58.04″, 研究区南部二级公路与寨底地下河总出口直线距离约为150 m。研究区主要受海洋暖湿季风影响, 雨量充沛[14]。根据历史资料, 海洋气象站、 潮田气象站多年平均降水量分别为1 601.1、 1 614.3 mm, 年平均气温17.5 ℃, 降水量年内分配不均匀, 4—8月为丰水期, 占年平均降水量的69.15%, 11月至次年2月为枯水期, 占年平均降水量的13.24%。研究区包括海洋乡海洋、 国清、大庙塘、江尾、九连等5个村,主要集中于研究区北部,人口众多,经济以农业为主,耕地总面积约779 hm2,其中水田603 hm2, 占耕地总面积的75.5%, 旱地196 hm2, 占耕地总面积的24.5%。

1.2地层岩性

研究区内地形主要受构造和地层岩性控制, 分为4种类型: 侵蚀构造低山、 侵蚀溶蚀低丘、 孤峰平原和峰丛洼地。研究区大部分属于峰丛洼地[15]。研究区内主要出露地层有泥盆系、下石炭统及第四系。大部分属于上泥盆统融县组(D3r), 岩性较纯, 寨底地下河总出口、 东究地下河出口、 水牛厄泉等大型地下水排泄点均发育于该地层, 面积约31 km2。该岩层组以中—厚层状浅灰-灰白色灰岩、 白云质灰岩、 白云岩为主, 属典型岩溶区。

1.3研究区补径排特征

寨底地下河系统主要的补给源为大气降水, 此外还有来源于岩溶区以外形成的地表径流, 侧向径流和岩溶水排出地表后的二次补给。补给方式主要有3种:一是大气降水通过裸露岩溶区裂隙或浅覆盖区孔隙, 以垂直入渗方式补给岩溶地下水[16], 这种方式普遍存在于研究区内;二是地表水和沿坡立谷两侧出露的地下河, 通过坡立谷底部岩溶裂隙发育带以渗漏的形式补给岩溶地下水, 这种方式主要存在于水牛厄-响水岩坡立谷;三是大气降水地表径流, 地表径流通过消水洞、地下河入口等补给岩溶地下水, 这种方式主要存在于洼地和坡立谷底部[17]。丰水期降水较多, 一次降水过程, 在满足植物截留、包气带持水后，产生重力下渗, 当降雨强度过大时, 则形成坡面流, 坡面流通过岩溶洼地内消水洞集中快速补给地下河系统, 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。上层滞水以泉点的形式排出地表, 泉点发育地形较高, 多呈季节性泉。天窗或溶潭多出现在地下水位埋深浅的地方, 雨水季节受强降水补给, 地下水位高于地表形成溢流。研究区地势北高南低, 地下河出水口为地下水主要的排泄方式, 水流集中汇集到寨底的地下河总出口G047点(图1)。

1.4地下河子系统分布

根据系统内地下水的径流和分布特征, 寨底地下河系统主要分为6个子系统(图1)，即：钓岩地下河子系统(Ⅰ)、 水牛厄地下河子系统(Ⅱ)、 东究西侧地下河子系统(Ⅲ)、 豪猪岩-东究地下河子系统(Ⅳ)、 大浮地下河子系统(Ⅴ)、 响水岩-寨底地下河子系统(Ⅵ)。各系统之间既有独立的补径排特性, 又相互联系和影响。

2研究方法

2.1采样点布设

地下水采样点按裸露型岩溶区地下河系统径流网的形状和规模布设，要求所选采样点具有代表性，在子系统的补、径、排区分别取点，保证采样点的类型多样。由于取样期间大浮地下河子系统和东究西侧地下河子系统部分采样点干涸，因此本次研究仅针对钓岩地下河子系统、水牛厄地下河子系统、豪猪岩-东究地下河子系统(下称东究子系统)和响水岩-寨底地下河子系统。

图1　寨底地下河水文地质简图Fig.1　Hydrogeological diagram of Zhaidi underground river 1—寨底地下河系统边界； 2—地下河子系统边界； 3—地下河/地表河; 4—泉点; 5—落水洞; 6—溶潭; 7—地下河入口; 8—地下河出口; Q—第四系; C1y—下石炭统岩关阶， 以中厚层状灰岩、 白云岩为主， 局部为泥质灰岩、 硅质岩; D3l—上泥盆统榴江组， 下部主要为硅质岩， 上部主要为扁豆状灰岩和泥质灰岩; D3r—上泥盆统融县组， 中上部为厚层鲕状灰岩， 下部主要为扁豆状灰岩和泥质灰岩; D2d—中泥盆统东岗岭组， 底部为含铁泥质生物碎屑灰岩， 中下部为角砾状白云岩、 灰质白云岩夹灰岩, 上部为灰岩及灰岩与白云岩互层; —中泥盆统下部， 灰白、 灰绿及紫红色砂岩、 粉砂岩夹页岩

2.2水样采集及分析测试

图2　寨底地下河采样点示意图Fig.2　Sampling location from Zhaidi underground river

样点类型样点类型G006落水洞G025溶潭G007民井G026溶潭G011天窗G027泉点G013泉点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泉点G020溶潭G047地下河出口G021泉点G070地下河出口

3水文地球化学特征

3.1寨底水化学类型

图3　寨底地下河水化学Piper图Fig.3　Water chemistry Piper map of Zhaidi underground river

3.2硬度和矿化度

水的硬度主要是指水中Ca2+、Mg2+的含量, Ca2+、Mg2+的主要来源是石灰岩、白云岩等岩石的风化产物。本区的主要岩性为中厚层灰岩、白云岩、页岩,地下水中的钙镁含量也取决于地下水流经的土壤、 地质以及气候等条件；其次,含钙镁污水的排放也是使地下水硬度增高的原因。所测得的总硬度数据结合总硬度分类指标：大部分采样点的水属于微硬水；G021点总硬度仅19.67 mg/L,为极软水。在厚层块状灰岩区或附近为居民区的点,其总硬度较高。

3.3矿物饱和指数

本区构成主要含水层的地层为碳酸盐岩,方解石(CaCO3)和白云石 (CaMg(CO3)2)两种矿物对地下水影响较大。运用PHREEQC软件分析计算寨底地下河方解石饱和指数(SI)，丰水期大部分样点为0.12～0.52, 地下水处于过饱和状态；而G021位于第四系松散覆盖层区，为外源水点,补给方式为大气降水,因此方解石饱和指数小于零,属于未饱和状态。研究区北高南低,从补给区到排泄区,4个子系统方解石饱和指数整体上呈现增大的趋势,也说明溶解在不断进行(图5)。丰水期,响水岩-寨底地下河子系统方解石饱和指数呈降低趋势,这是由于雨量大,且多处水流均汇集于此,导致水的稀释作用增强，因此饱和指数降低。水牛厄子系统出水口的G030号水点,出现异常低值,上游水点均有上升趋势,说明此处可能存在采样或者测样时导致的误差。东究子系统对外源水点没有进行检测,而外源水点对此子系统的补给影响较大,外源水饱和指数小于零,因此导致G032地下河出口处饱和指数较小。

图与TDS的相关关系Fig.4　Correlation between , Mg2+, , Ca2+ and TDS

图5　4个子系统的补径排区方解石饱和指数变化Fig.5　Change of calcite saturation index for recharge, runoff and discharge area

3.4离子含量变化特征

图补径排变化特征Fig.for recharge, runoff and discharge area

3.5离子来源判断

图与Ca2++Mg2+浓度关系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方差贡献率/%35.57531.70014.272累积贡献率/%35.57567.27581.547

(2)寨底地下河采样点分类情况。分别以Factor 1-Factor 2、 Factor 1-Factor 3为X轴和Y轴作主成分分析图，分析22个点受Factor 1、 Factor 2影响的情况。 从图8可以看出, 不同的采样点受到的因素影响不同, 这种情况与地域和水点类型有一定的关系, 主要分为3类。

①G014、G015、 G019、 G020、 G026、 G027、 G029、 G030、 G007、 G017组, 其主要的水点类型为溶潭, 少数有地下河出口和泉。主要分布在寨底地下河系统的北部, 包括钓岩地下河子系统、 水牛厄地下河子系统及豪猪岩-东究地下河子系统, 此类水点的Factor 1和Factor 2得分较高(图8a), 说明这一类既受水岩相互作用的影响，又受人类活动等污染源的影响。

图8　理化指标的主成分分析图Fig.8　Principal component analysis map of physicochemical index

②G016、 G047、 G037、 G006、 G032、 G011、 G021组, 该部分水点类型主要为地下河出口, 此类水点的Factor 1和Factor 2得分较低, 由于地下河出口出水量较大, 污染较少, 所以该类水点受水岩作用和人为污染的影响均较小。

③G070、 G043、 G025、 G013、 G041组。主要分布在凤凰坪、 小浮、 大税及东究, 该组受Factor 1或Factor 3影响大、受Factor 2影响小, 说明该地区主要受水岩作用的影响。

G021号水点表现出显著差异, 因为该点位于研究区上方, 属于第四系松散层覆盖区, 独特的地理位置及地层地貌造成了G021号点的差异。

4结论

(3)影响地下河离子成分的3个主要因素: Factor 1为含有钙的碳酸盐岩和水的相互作用； Factor 2主要代表与人类活动相关的污染源； Factor 3指示白云岩基岩的水岩相互作用起主要作用。

(4)寨底地下河离子来源呈现一定的区域性分布。该区域北部的离子主要来源于碳酸盐岩的溶解和人为污染;大部分地下河出口处的离子受碳酸盐岩的溶解和人为活动的影响较小;研究区域南部和西南部的离子主要受水岩作用的影响。此外，特殊点G021号水点, 因为该水点处于第四系松散层, 属于非碳酸盐岩地区, 与其余点不同, 呈现出较大的差异性。

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文章编号:1674-9057(2016)02-0234-08

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.006

收稿日期：2015-09-18

基金项目：中国地质调查局地质调查项目(1212011087121; 121237131300201)；中国地质科学院岩溶地质研究所基本科研业务费项目(2014010)

作者简介：刘朋雨(1987—), 男, 硕士, 研究实习员, 研究方向：岩溶水文地质, 574136870@qq.com。

中图分类号：P641.134;P641.3

文献标志码：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：刘朋雨, 许丹丹, 覃小群.桂林寨底地下河水化学特征及离子来源分析[J].桂林理工大学学报，2016, 36(2):234-241.