左江中游岩溶峰林区河流交互带水化学特征与控制因素

黄奇波，覃小群，程瑞瑞, 李腾芳

(1.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西 桂林 541004；2.自然资源部广西岩溶动力学重点实验室，广西 桂林 541004;3.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074)

河水与地下水交互带(Hyporheic zone)，又称潜流带或交错带，是指位于河床下并延伸至河岸两侧含有河水和地下水并形成交互流(Hyporheic flow)的水分饱和的混合区域[1-2]，地表水质量分数为10%～98%是交互带水组成的阈值[3]。交互带具有重要的水文调蓄、环境缓冲等功能，对河流和地下水水质具有重要的保护作用[4]。岩溶交互带(Karst Hyporheic zone)是由美国著名水文学家John L Wilson提出的[5-6]，其定义为：岩溶地下水与周边岩溶基质(含沉积物、基岩)水之间物质能量活跃交替的地带。它在岩溶管道形成、发育过程，岩溶生物地球化学作用过程，微尺度岩溶水循环过程，污染质迁移、吸附、转换，微生物作用，地下生态系统演化方面发挥了重要的作用[7]。虽然“岩溶交互带”概念的提出及开展研究工作的时间并不长，但其在岩溶水生物地球化学研究中的重要作用已经受到了美国岩溶学界的高度重视和广泛认可[8]。

由于岩溶交互带以碳酸盐岩含水层为主，广泛发育溶隙、溶孔、溶洞和地下河[9-10]，地表水容易通过溶洞和地下河管道等快速倒灌进入岩溶交互带补给地下水，造成岩溶交互带的防污性能减弱，缓冲作用降低[11]。若地表水被污染，岩溶地下水很快就会受到影响[12]。因此，对岩溶交互带的研究十分重要但非常复杂。但我国对于岩溶交互带的研究迄今鲜有报道，尚处于起步状态[8]。2016年中国地质调查局启动了西江中下游岩溶峰林区1∶5万水文地质环境地质调查二级项目，项目在左江中游的崇左地区一带开展了大量的调查工作。本研究通过对左江中游岩溶峰林区的河流交互带中取得的水化学资料进行分析，并结合地下水流动系统理论探讨两岸岩溶交互带空间分布特征和控制因素。本研究有助于左江沿岸地下水的开发利用和水质保护；同时，可为我国西南地区进一步开展岩溶交互带发育过程和机理研究提供参考，对于如何有效解决目前在岩溶生态恢复、岩溶水污染治理工作中面临的重要科学问题具有指导意义。

1 研究区概况

研究区位于广西崇左市龙州县内，属于西江中下游的左江流域，位于左江流域中部。左江是珠江流域西江水系郁江的主要支流，干流全长539 km，流域面积32 068 km2，全流域多年平均径流量为205.4×108m3[13]。本区处于北回归线以南，属亚热带季风气候区，气候温和，雨量充沛。年日照时数1 600多小时，1月平均气温13.8 ℃，7月平均气温28.1 ℃，年平均气温21.6 ℃，年无霜期长达340多天，年平均降雨量1 350 mm。6—9月为雨季，集中了年降雨量80%左右。枯季一般在12月—次年3月。左江径流量在时间上的分配与降雨一致，即每年12月—次年4月径流量很小，6—9月集中了年径流量的80%左右。

研究区内地势较平缓，西北部、北部和南部相对较高，中部为岩溶平原，地势略有起伏。左江在研究区的西南部自南向北流入，在研究区内形成一个U型河湾后在东部转为由西向东流出该区(图1)。区内出露的地层主要有石炭系马平组(C2p1)厚层白云岩、灰质白云岩，二叠系栖霞组(P2q)、茅口组(P2m)厚层灰岩，合山组(P3h)砂页岩，及第四系桂平组(Qhg)砂砾石层(图1)。栖霞组(P2q)、茅口组(P2m)灰岩分布面积大于80%，为研究区的主要含水层；第四系桂平组(Qhg)砂砾石层分布于中部定从—荷村一带，厚度约2～3 m，面积约5 km2，下覆为栖霞组(P2q)灰岩岩溶含水层；马平组(C2p1)和合山组(P3h)地层零星出露，两者面积约0.3 km2。

左江构成当地地下水最低排泄基准面，沿岸地表高程高出左江水面5～8 m。地下水分别由南、北、西三个方向向中部的左江排泄。但在汛期(5—9月)，左江水位迅速上升，河水通过地下岩溶管道和地表低洼处倒灌补给地下水，造成两岸洪涝灾害较为频繁[14]。位于河床边的地下河出口成为地表污水进入地下水的主要渠道。研究区左岸流域面积大，但地表水系不发育，大气降水通过地表岩溶洼地、漏斗快速渗入地下，在左江沿岸排泄，造成左岸岩溶地下水点较多，不仅发育岩溶泉(图1中的D3)，还有2条地下河管道(图1中的D1和D2)。右岸为左江包围形成的河间地块，面积约6 km2，地表除发育有一条小溪流外，沿岸未见岩溶地下水点(图1)。河流两侧的岩溶交互带发育普遍，其具有丰富的水资源，是沿岸居民打井取水重要地段。

图1 研究区水文地质图Fig.1 Hydrogological map of the study area

2 样品采集与分析测试

本研究于2016年8月下旬和10月下旬对左江水(5个)、机井(13个)及2个地下河出口和1个岩溶泉进行了取样和现场测试分析。左江取样点和机井主要位于人口较集中的村庄，形成3个断面(图1)，断面1在上游阮村和板农村一带，取得水样8个，左岸机井5个(A3-A7)，右岸机井2个(A1、A2)，左江水样1个(ZJ1)；断面2在中下游勤江村、定从村一带，取得水样4个，左岸机井2个(B2、B3)，右岸机井1个(B1)，左江水样1个(ZJ1)；断面3位于下游进民村、荷村一带，取得水样4个，左岸机井2个(C2、C3)，右岸机井1个(C1)，左江水样1个(ZJ3)。另外2个左江水样(ZJ4、ZJ5)取样位置位于3个断面下游；1个岩溶泉和2个地下河出口主要取自左岸。样点分布位置见图1。

机井离左江100～1 000 m范围内，基本位于河流交互带影响范围内；本次水样主要通过村民水泵抽水取得，水泵放置在地表以下10～15 m的深度(水位以下5～10 m)，机井均是每天抽一次水，每次抽3～5 h，本次水样是在机井抽水1～2 h后采集的，水样基本能反映地下水特征。

由于10月下旬取得的样点水化学指标差异不明显，在本文中不与讨论，主要讨论8月下旬样品的水化学特征。8月下旬水样主要离子浓度数据见表1。

表1 丰水期不同类型水物理化学指标

3 结果

8月下旬为丰水期，左江水位抬升，河水通过地下岩溶管道和地表低洼处倒灌补给地下水，在左江沿岸形成地表水与地下水相混合的交互带。10月下旬为平水期，左江水位较低，地下水均向左江排泄，河流交互带受左江潜流交互作用影响较小，造成交互带中的机井水化学差异并不明显。

表1显示机井的pH值变化范围6.978～7.489，平均7.208，岩溶地下水(泉和地下河)的pH值变化范围7.233～7.363，平均7.290，左江水的pH值变化范围7.510～7.802，平均7.674，大多数样品的pH值高于7.0，具有岩溶水的特征，这主要受控于碳酸盐岩的溶解。与机井和岩溶地下水(泉和地下河)相比，左江水的pH偏高。

机井的溶解氧(DO)和水温变化范围分别为1.70～7.16 mg/L和24.4～30.3 ℃，平均值为5.35 mg/L和27.9 ℃，岩溶地下水(泉和地下河)的范围分别为4.95～5.96 mg/L和23.9～24.6 ℃，平均值为5.44 mg/L和24.3 ℃，左江水的范围分别为7.51～7.88 mg/L和30.6～31.7 ℃，平均值为7.77 mg/L和31.12 ℃。可见，机井的DO变化范围大，但平均值较小，其水温位于岩溶地下水和左江之间。岩溶地下水和左江的水温和DO相对稳定。

4 讨论

4.1 交互带内机井水化学差异原因

左江为一开放的地表水体，其水化学指标易受外部环境的影响，取样期(8月下旬)为崇左地区气温最高的丰水期，气温高达40 ℃，受气温影响，左江水的平均水温高达31.12 ℃。机井、岩溶泉和地下河均属于地下水，地下水对外部气温具有一定的调节作用，一般具有相对稳定的水化学指标，其温度接近于所处地区的多年平均温度，且变化幅度较小[15]。岩溶地下水(泉和地下河)的水温差异不大，基本与当地平均气温一致。但位于河岸带中的机井，水温表现出较大的变化范围，其平均值(27.9 ℃)界于岩溶地下水与左江水之间。从表1可发现，有的机井(如A3)水温与左江水基本相同，有的机井(如A1)与岩溶地下水接近，且水温与距左江的距离的大小有很大关系，距左江距离小，机井水温高(如A3)，距左江距离大，机井水温低(如A7)。这表明离左江近的机井更易受到具有较高温度左江水潜流交互作用的影响；而离左江远的机井由于左江水倒灌补给的范围有限，受左江水潜流交互作影响小，水温主要受地下水的控制。

左江为宽约200～400 m的流动地表水体，处于不断与外部空气交换的氧化环境条件，因此，DO浓度较高且较稳定。岩溶地下水(泉和地下河)为一开放的流动岩溶地下水系统，也具有较为稳定的DO浓度。相反，机井为一封闭的还原环境，一般DO浓度相对较低[5]。本研究中机井的DO浓度具有较大变化范围，这缘于机井受到了地下水和左江水的双重影响。位于左江同一侧距左江不同距离的机井DO浓度具有一定差异，如断面1中左岸距左江100 m的机井A3，其DO浓度高达7.12 mg/L，800 m的机井A7的DO浓度仅为3.22 mg/L，前者是后者的2倍；另一方面，位于不同岸但与左江距离相同的机井，其DO也具有较大差异，如断面1中距左江均为200 m的机井，左岸A4的DO浓度为7.00 mg/L，而右岸A2仅为2.42 mg/L，前者是后者的3倍。

图2 溶解氧(DO)与水温(a)、Ca2+(b)和的变化关系Fig.2 Relationships between dissolved oxygen and temperature(a)，Ca2+(b)and different types of water

4.2 河流交互带范围

断面2左岸1000 m处机井B3的pH、温度、DO浓度分别为7.140、28.1 ℃、7.16 mg/L，与左江水差异不大。左岸2个机井与左江水ZJ2相比有所下降，但下降的幅度并不大。右岸200 m处机井B1的pH、温度、DO明显小于左江水，其DO浓度、水温位于岩溶地下水(泉和地下河)范围内，说明受到左江水潜流交互影响。因此，断面2中左岸河流交互带范围大于1 000 m，右岸范围大约200 m。

断面3左岸500 m处机井C2和1 000 m处的机井C3的pH、温度、DO与左江水ZJ3差异并不明显，其受到左江水潜流交互影响。右岸100 m处的机井DO和水温小于左江水，但又大于岩溶地下水，说明该机井也受到左江水潜流交互影响。因此，断面3左岸河流交互带范围大于1 000 m，右岸范围大于100 m。

综合以上分析，河流交互带在左岸的范围大于1 000 m，右岸的范围在200 m以内，左岸是右岸的5倍以上。

图3 断面中机井水化指标与距左江距离的变化趋势Fig.3 Trends of physical and chemical index of the wells with the distance in the section of the motor-pumped wells

4.3 岩溶交互带发育控制因素

大气降水通过土壤层后渗入地下，储存和运移于岩层的空隙之中, 并对岩石进行不断的溶蚀[16]，地下水的径流条件是控制岩溶发育最关键的因素[17]。封闭体系岩溶作用非常缓慢甚至停止,只有在开放体系中通过地下水的不断入渗补给及循环交替, 岩溶化作用才能得以持续进行[18-19]。王增银等[20]的研究表明，有均匀大气降水入渗补给的裸露碳酸盐岩河间地块，地下水流动系统是自河间地块向两侧河流径流排泄，由分水岭向河谷流线由疏变密，流量逐渐增大，地下径流逐渐增强，到河谷岸边地带流线最密集，流量也最大，地下径流也最强。

图4 研究区流网图Fig.4 Flow-net map of the study area

研究区左岸为大面积的裸露岩溶区，岩溶水流动系统补给径流范围大，以左江为最低排泄基准面进行排泄，造成左岸一带地下水流线密集，岩溶发育，不仅延伸范围宽，且发育深度大(图4)，如左岸不仅形成了较多的岩溶大泉，还发育有2条岩溶地下河管道系统；而右岸为左江包围形成的河间地块，中间岩溶孤峰地带地势稍高，形成了地表分水岭，地下水分水岭与地表水分水岭基本一致，分水岭两侧地下水排向东西两侧的左江，形成两个不同的地下水子系统。由于河间地块东西宽约2 km，南北长约7 km，两个地下水流动子系统范围小，大气降雨补给面积有限，地下水流线稀疏，岩溶发育深度和强度受到限制。因此，左江两岸不同规模的地下水流动系统导致两岸岩溶发育强度明显不同，进而造成河流交互带范围的巨大差异，左岸的范围大于1 000 m，而右岸的范围在200 m以内，左岸是右岸的5倍以上。

5 结论

(2)河流交互带在左岸的范围大于1 000 m，右岸的范围在200 m以内，左岸是右岸的5倍以上。左右两岸不同的地下水流动系统规模是造成其差异的主要原因。左岸岩溶区补给径流面积大，地下水流动系统范围大，流线密集，岩溶十分发育，延伸范围宽，且发育深度大，地表水与地下水交互作用影响范围大；右岸为左江包围的河间地块，中间岩溶山体形成了地表分水岭，形成两个不同的岩溶地下水子系统。地下水流动系统范围小，补给面积有限，地下水流线稀疏，岩溶发育深度和强度受到限制，地表水与地下水交互作用影响范围小。