广西姚村地下河水化学特征及其时空变化

林永生，裴建国，杜毓超，卢 丽，樊连杰

(中国地质科学院 a.岩溶地质研究所;b.国土资源部/广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室，广西 桂林 541004)

广西姚村地下河水化学特征及其时空变化

林永生a,b，裴建国a,b，杜毓超a,b，卢 丽a,b，樊连杰a,b

(中国地质科学院 a.岩溶地质研究所;b.国土资源部/广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室，广西 桂林 541004)

以广西黎塘姚村地下河为研究对象，通过对丰水期(6月份)、平水期(9月份)、枯水期(12月份)各采样点的地下水进行水化学研究，揭示了姚村地下河的水化学组成，探讨其水化学性质时空变化。结果表明：在空间上，电导率、Ca2+和Mg2+浓度自地下河上游至下游逐步升高，地下河出口处(3#采样点)电导率远高于其他点(丰水期589 μS/cm、平水期634 μS/cm、枯水期614 μS/cm)；在时间分布上，pH值,SO42-,NO3-浓度季节变化明显，地下河出口处(3#采样点)的NO3-浓度在枯水期有明显升高；研究区地下水的化学性质受岩溶作用的强弱程度以及农业活动的影响。

岩溶水；地下河系统；水化学特征；岩溶作用；农业活动；广西黎塘姚村

我国南方岩溶区3 066条地下河水资源是我国重要的战略资源，是区域可持续发展的重要支撑。然而，由于岩溶环境本身的脆弱性，以及人类活动的影响，岩溶地下河正面临水质退化、水源枯竭等多方面的威胁[1-2]。广西黎塘镇的水资源量相对丰富，但开发利用程度不高，东面姚村地下河长期以来是其生产及生活用水的主要来源。该地下河水量较丰富、水位较浅，现已开发利用十几处水源井点。

由于这些年来，人们无计划地开采，过量取水，造成供需矛盾日益紧张，地下河水位在枯季也逐年下降，局部地区已出现多处地面塌陷等地质灾害现象[3-5]。本文主要研究了在孤峰平原区下的姚村地下河流域内，地下水中主要水化学离子的时空变化特征及污染现状，为黎塘姚村地下河的开发利用和保护提供依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

研究区位于广西宾阳县东部，地处东经109°02′～109°18′、北纬23°04′～23°20′；行政区划包括宾阳县的黎塘镇、黎明镇、双桥乡，和吉镇的大部分以及来宾县小平阳镇和贵港市樟木乡的一小部分。该区属亚热带季风气候，区内气候温和,年平均气温20.9 ℃；雨量充沛，多年平均降雨量1 584 mm/a；日照充足，无霜期长，一年四季适宜种植农作物。

姚村地下河系汇水面积56 km2，发源于北东部的内闭，经凌村、志广于姚村的白水塘溢出地表，地下河沿区域构造的北东向发育，全长12.5 km。最大流量1.56 m3/s，最小15 L/s。沿地下河天窗、漏斗发育。地下水由北东向西南运移，埋藏深度不大，多在1.5～3.5 m，局部地区见溶潭发育，地下水在丰水季节通过溶潭溢出地表，地下水资源丰富。

1.2 地质条件

研究区地层主要由泥盆系、石炭系组成。

(1) 泥盆系(D)，地层由中统、上统组成：中统东岗岭阶(D2d)，碳酸盐岩沉积，岩性为白云质灰岩、灰岩、白云岩；上统(D3)，岩性为浅灰色、灰白色厚层状亮晶粒屑灰岩、云质灰岩、局部夹白云岩。

(2) 石炭系(C)，地层由下统、中统及上统组成：下石炭统(C1)，岩性为灰、深灰色中厚层状灰岩、白云质灰岩夹白云岩、含燧石结核(团块)灰岩；中石炭统(C2)，岩性为灰白色薄层状白云岩夹白云质灰岩；上石炭统(C3)，岩性为灰岩夹白云质灰岩。

1.3 地貌条件

地下河系统内碳酸盐岩广为分布，地貌条件主要为：

(1) 残丘、孤峰平原，主要分布于西南部姚村、帽子、凌村、志广一带，岩溶残丘、孤峰零星分布，拔地而起，平原地面标高一般为85～100 m，孤峰顶面标高为150～200 m，相对标高为65～100 m。平原区地形较平坦开阔，均为第四系松散层覆盖，其上部多为亚黏土层，下部为砂砾石层夹黏土，厚0～10 m，局部地区偶见基岩零星裸露。平原区下伏地层岩性主要为泥盆系、石炭系的碳酸盐岩。该区地表、地下水资源及农用土地资源丰富，土壤较肥沃，是宾阳县重要农业耕作区。

(2) 峰林谷地，主要分布于研究区东北部华罗、马罗、内闭、方村、那柳一带，由多个成排连座的峰林及相间谷地所组成。谷地常呈不规则状，有的呈狭长形。其发育延伸方向明显受区域构造所控制。谷地地貌较平坦，底面标高一般100～130 m，峰林石峰顶面标高一般250～380 m，相对标高150～250 m。地层为石炭系和泥盆系，以灰岩和白云岩为主。

表1 姚村地下河系统的基本特征及主要离子浓度

Table 1 Basic properties and main ions concentrations of samples from Yaocun underground river system

时期采样点编号pHT/℃EC/(μS·cm-1)离子浓度/(mg·L-1)K+Na+Ca2+Mg2+HCO3-Cl-NO3-SO42-TDS/(mg·L-1)1#7．4325．504770．563．0880．418．89263．787．1515．0011．82264丰水期2#7．3426．804930．282．3882．2216．03284．0711．226．4523．232903#7．3524．505891．978．6797．0211．72268．8518．8816．1664．273651#7．5125．604490．882．4781．939．70260．807．6715．4511．98264平水期2#7．6726．504920．741．7882．1615．45270．6412．315．7122．172803#7．7227．406342．266．04102．2010．98244．8113．2610．6489．333641#7．7824．704480．662．1878．788．72243．057．7714．4211．21248枯水期2#7．9124．704870．421．4679．1115．64285．6910．465．1221．452803#7．5420．106141．969．0996．4414．18253．7128．8825．3158．22366

注：表中EC为电导率，TDS为溶解性固体总量。

2 研究方法

根据前人资料可知该地下河系统管道的分布及控制特性，本研究选取该系统内的3个控制点：1#采样点位于华罗溶潭；2#采样点位于志广溶潭； 3#采样点位于姚村地下河出口(图1)。

图1 姚村地下河采样点布置Fig.1 Layout of sampling points at underground river of Yaocun

按照丰水期、平水期、枯水期各采一批样品进行分析测试。采样时间分别为2013年6月份、9月份、12月份。现场采样工作中使用WTW-Muti340i 水质分析仪现场测试水样的pH、水温、电导率等各项指标，其中pH值、温度和电导率测试精度分别为0.01,0.1 ℃和1 μS/cm，待仪器调试稳定之后再采集样品。检测工作由中国地质科学院岩溶地质研究所测试中心完成。

3 结果与分析

3.1 地下水水温、pH值、电导率的变化

姚村地下河系统的基本特征及主要离子浓度如表1所示。 由表1可知， 该地下河各点水温变化比较明显，变化幅度在0.1～7.3 ℃。 变化最小的是华罗溶潭； 相差最大的是姚村地下河出口的温度， 平水期比枯水期高了7.3 ℃。 从总体上看，1#， 2#采样点的pH值随着丰、平、枯水期的变化基本呈现一致的变化， 丰水期最低， 枯水期最高。 丰水期pH值较低是由于6月份各取样点周围种植水稻、玉米等农作物， 气温高， 土壤中各种生物活动强烈， 分泌较多的有机酸和排泄物， 植物呼吸作用放出的CO2也积极参与岩溶系统中的碳、水、钙循环， 造成土壤中CO2浓度增加， 化学平衡向右移动，H+增加， 岩溶地下水pH值降低[6]。 地下河出口(3#采样点)pH值可能受水厂供水调节影响， 不具规律性。

电导率越高，说明地下水中的离子越多，离子迁移率越高。由表1可知，姚村地下河出口(3#采样点)的电导率在丰水期、平水期和枯水期分别为589，634，614 μS/cm，在3次取样中都是最高的，华罗溶潭(1#采样点)的电导率最低。矿化度的高低取决于灌溉水的水质及灌溉水量的多少[7]。由于姚村地下河处于峰林平原区，种植大量的农作物，农业灌溉远多于华罗溶潭地区，因此3#采样点的电导率高于1#采样点。

3.2 常见水化学离子分析

利用水化学三线图可以表明水体的主要离子组成变化，体现不同水体的化学组成特征[8]。系统中各时期的1#,2#采样点的钙离子(Ca2+)所占阳离子的百分数为73.97%～82.45%，其它阳离子的离子含量均<25%；碳酸根离子(HCO3-)所占阴离子的百分数为79.61%～84.13%，其它阴离子的离子含量均<25%。按舒卡列夫分类法，水化学类型均为HCO3-Ca型；同样按舒卡列夫分类法，3#采样点枯水期水化学类型为HCO3-Ca型，丰、平水期水化学类型均为HCO3·SO4-Ca型。水化学类型见图2。

图2 姚村地下河系统水化学类型Fig.2 Hydrochemical types of Yaocun underground river

控制水体中主元素化学组成变化的主要因素首先是物质来源，其次是不同的化学反应过程。地表水和地下水中的物质来源主要有3种：矿物的溶解、大气沉降物和污染物的输入[9]。研究区内的含水层以灰岩和白云岩为主，石灰岩和白云岩的造岩矿物主要为方解石(CaCO3)和白云石(CaMg(CO3)2)。方解石溶解可形成HCO3-Ca型水，而白云石溶解主要形成HCO3-Ca-Mg型水。从表1可以看出，2#采样点Mg2+浓度高于其他采样点，显示了地层岩性对水化学的控制，该采样点地层为C2，岩性主要为白云岩。从时间上看，K+,Na+,Cl-的浓度在丰、平、枯水期相比，各采样点表现得不一致。其中，各采样点K+的浓度均表现出平水期最高，Na+一般在丰水期浓度高，而Cl-没有明显的规律性。从空间分布上，3#采样点的K+，Na+，Cl-浓度均大于其他采样点。通常Cl-是水循环中的保守元素，并不参与化学风化，但可以来自于人类活动，比如农业化合物( K2CO3或KCl) 、含盐的生活污水、人类和动物排泄物以及经过Cl2处理的自来水[10]。从表1中还可以看出，各时期的采样点从上游到下游Cl-都呈递增趋势，表明Cl-主要来源于生活废水和农业施肥。而各采样点的Na+浓度均远大于K+浓度，这也符合自然规律，主要是因为大部分的K+已被植物吸收。

图3为各采样点不同时期NO3-，SO42-变化图。研究表明，地下水中的NO3-主要来源于人为活动的输入，例如农业施肥、大气输入、人类和动物排泄物、“三废”以及土壤有机氮矿化和硝化作用转化而来[11-14]。从图3可以看出，在丰水期、平水期时各点的NO3-浓度呈较好的分异性。基本上，都是丰水期大于平水期。在枯水期时，3#采样点的NO3-浓度明显增大，这可能与降雨有关。虽然在枯水期取样，但是在3#采样点取样的当天清晨下了一场暴雨，在通往3#采样点的桥下和农田中都明显积水。且NO3-含量受农业和人类活动影响很大。3#采样点出口就在人口密集和农田广阔的地区。村中生活污水及农业废水，随雨水直接排入地下，由于地下河管道较短，减少了NO3-在运移过程中可能存在的自净作用，使得NO3-浓度明显增大。

图3 各采样点不同时期NO3-，SO42-浓度变化Fig.3 Variations of concentrations of NO3-,SO42-at different sampling points in different periods

地下水中的SO42-主要来源于各种沉积岩中的石膏、硬石膏及其它硫酸盐的沉积物。另一个重要来源是人类在土地利用中对土壤施加的农药中含硫化合物；还有人类在开矿、冶金和金属加工过程中产生大量的含酸废水，也导致地下水中的SO42-浓度增加[6]。姚村附近人口密集、农业活动强烈，分布少量的工业厂矿。从图3中可以看出，姚村出口的SO42-浓度明显高于其它2个采样点，且在平水期浓度最高，达89.33 mg/L。

3.3 重金属离子分析

本次研究同时对Fe,Mn,Zn,As,Pb,Al,Cd重金属离子进行分析测试，分析测试结果见表2。从时间上看，金属离子大致体现出在枯水期的值高于其他采样时期。在丰水期和平水期Al,Cd值都低于检出限值，只在枯水期有检测且值很小。Fe,Mn离子含量随时间变化而增大，3#采样点枯水期Fe浓度最大值达0.22 mg/L，较为接近地下水质量标准(征求意见稿)Ⅲ类水质Fe限值(0.3 mg/L)。在平水期，3#采样点Pb超出了Ⅲ类水质Pb限值(0.01 mg/L)，值得关注。从空间上，各时期采样点，Zn都呈现出从上游往下游递增的趋势。其余金属未见明显的空间分布特征。

表2 姚村地下河系统部分重金属离子浓度

Table 2 Some heavy metal ion concentrations at Yaocun underground river system

时期采样点编号离子浓度/(10-2mg·L-1)FeMnZnAsPbAlCd1#0．80—0．22————丰水期2#0．790．140．32————3#0．76—3．40————1#2．900．31—————平水期2#4．602．100．220．23———3#3．000．7129．00—3．70——1#21．001．453．260．070．196．190．016枯水期2#20．001．863．360．080．174．810．0173#22．001．276．380．090．134．840．026

注：表中“—”表示该值低于检出限值。

4 结 语

姚村地下河系统流域岩溶水化学类型主要为HCO3-Ca型，部分点为HCO3·SO4-Ca型。其水化学特征随径流的丰枯变化及空间地貌结构的不同而变化。初步认为该地下河出口在平水期受重金属Pb污染。对研究区的3个时期(丰水期、平水期、枯水期)水样的水化学指标进行统计、分析得出以下规律：

(1) 姚村地下河的pH平均值为7.58，丰水期、平水期和枯水期的变化呈现一致的变化，平水期最低，枯水期最高；电导率平均值为504 μS/cm，受农业灌溉的影响，地下河出口的值均高于其他点。

(2) 地下河中Ca2+,HCO3-和Mg2+来源于基岩的溶蚀。随着岩溶作用增强，丰水期、平水期、枯水期水样中的K++Na+,Ca2+,HCO3-,SO42-的浓度呈现先降低后升高的特点，Mg2+呈现逐渐升高的特点，其水质变化主要受到了水-岩作用。

(3) 地下河系统中NO3-的变化主要受农业施肥的影响。由于6月份丰水期正值农业施肥阶段，使得丰水期NO3-高于其他时期。对于枯水期，地下河出口NO3-远高于其他2个测点的数值，主要由于降雨使得土壤中的肥料流失进入地下河中所致。

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(编辑：占学军)

Temporal and Spatial Distribution of the Hydrochemical Characteristicsof Yaocun Underground River in Guangxi Province

LIN Yong-sheng1,2，PEI Jian-guo1,2,DU YU-chao1,2,LU Li1,2,FAN Lian-jie1,2

(1.Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, China; 2. Guangxi Karst Dynamics Laboratory under Ministry of Land and Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, China)

With the underground river at Litang county of Guangxi province as a research object, we revealed thehydrochemical compositions of Yaocun underground river and discussed its temporal and spatial distribution by analyzing groundwater samples collected in wet season (June), normal flow season (September), and dry season (December). Results showed that 1) in space scale, the conductivity and the concentrations of Ca2+and Mg2+gradually increased from the upstream to the downstream, and in particular, the conductivity of the underground river’s outlet (point No.3) was higher than that of other positions, reaching 589 μS/cm in wet season, 634 μS/cm in normal flow season, and 614 μS/cm in dry season; 2) while in time scale, the concentrations of pH, SO42-, NO3-varied with season, and NO3-concentration at underground river’s outlet in dry season was higher than that in other seasons; 3) the hydrochemical characteristics of the research area are influenced by karst degree and agricultural activities.

karst water; underground river system; hydrochemistry characteristics; karstification; agriculture activities；Yaocun at Litang county of Guangxi Province

2015-12-14；

2016-03-01

国家自然科学基金项目(40772164)；中国地质调查局地质调查项目(1212011121164)；环境保护公益性行业科研专项(2013A035)；中国地质科学院岩溶地质研究所基本科研业务项目(2015008)

林永生(1985-)，男，福建龙岩人,助理研究员，硕士，主要从事岩溶水文地质及岩溶地下水化学研究,(电话)0773-5837349(电子信箱)linyongsheng@karst.ac.cn。

10.11988/ckyyb.20151049

2016,33(12):6-9，16

P641.12

A

1001-5485(2016)12-0006-04