柳林泉域地表水与岩溶地下水的混合作用研究

臧红飞 连泽俭

摘要：研究岩溶水系统中地表水、地下水的混合作用对于岩溶地下水资源的合理开发利用和保护具有重要意义。在野外调查与取样分析的基础上，利用水文地球化学模拟技术和环境同位素示踪技术，研究了柳林泉域地表水与岩溶地下水的混合作用，计算了混合比例，并利用该比例估算了典型补给区的大气降水入渗补给量。结果表明：岩溶地下水由补给区向径流区、由径流区向排泄区流动的过程中，在地表河流渗漏带附近与入渗的地表水发生混合作用，地表水、地下水的混合比例分别约为3：1和2：3;在田家会上游的岩溶水补给区，大气降水多年平均入渗补给流量约为0.07 m3/s。

關键词：岩溶地下水;混合作用;水文地球化学模拟;环境同位素;柳林泉域

中图分类号：P641.3

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379. 2020.01.011

柳林泉岩溶水系统地处中国北方干旱半干旱岩溶区，地表水资源短缺、岩溶地下水相对丰富是当地水资源的主要特征，因此岩溶地下水是当地工业、农业和生活用水的主要水源。伴随着区域经济社会的快速发展，岩溶水的开采量、矿坑排泄岩溶水量逐年增多，导致柳林泉的流量持续减小，为区域水生态安全敲响了警钟[1-3]。岩溶水系统的补给来源主要包括大气降水的入渗补给和地表河流的渗漏补给[2-3]。在水生态文明建设的大背景下，研究岩溶水系统地表水与地下水的混合作用，对于维持区域水生态平衡、保障区域供水安全和经济社会的可持续发展具有重要意义。

前人对柳林泉岩溶水系统的研究主要集中在岩溶水动力场的描述[4-5]及水化学场的演化过程[6-11].并未对地表水与地下水的混合作用展开深入研究。在深入分析区域地形地貌、地质及水文地质条件的基础上，基于野外水化学及同位素取样分析数据，利用水文地球化学模拟技术及环境同位素示踪技术，研究岩溶水系统地表水与地下水的混合作用，计算其混合比例，并反推大气降水的入渗补给量，以期为区域岩溶水资源保护与水生态修复提供参考。

1 研究区概况

柳林泉域地处山西省西部、吕梁山脉与黄土高原的交汇地带，总面积6 080.54 km2。岩溶水系统含水层主要包括下古生界中奥陶统上、下马家沟组及峰峰组含水层和中寒武统张夏组含水层，其中：中奥陶统含水层的岩性主要为质纯灰岩和豹皮灰岩，厚度200 -500 m;中寒武统含水层的岩性主要为鲕状灰岩、中厚层灰岩、生物碎屑灰岩等，厚度50-100 m。泉域总体上为向西倾斜的单斜构造，倾角为20 - 80，在大的单斜构造内发育有次一级规模不等的褶皱和断裂，这些褶皱和断裂构造对岩溶水的运动具有控制作用[8]。

岩溶水系统的补给来源包括降水入渗补给和河道渗漏补给，排泄途径包括泉水出流和岩溶水开采。岩溶地下水的总体径流方向与碳酸盐岩含水层的总体倾向一致，即大体上由东南部、南部的补给山区流向西部滞流区。在部分地段，岩溶水流受阻后产生平行于地层走向的纬向流，流场呈扇形向排泄区汇聚，在碳酸盐岩出露高程较低的三川河河谷中以岩溶大泉的形式集中排泄[8]。在泉域西部分布着大面积岩溶地下水滞流区（见图1）。

2 区域地表水人渗量观测

作为岩溶水的主要补给来源之一，地表水对地下水的补给主要发生在系统内地表河流流经或切割出的碳酸盐岩裸露区，其补给形式属于线状补给。岩溶水系统内三川河及其支流东川河、南川河和北川河上的地表水渗漏段有6段，总长度60.8 km：北川河有一处渗漏段，位于西厢王至大武村之间，长度为9.8 km;东川河有两处渗漏段，分别位于下王营至田家会之间（大东川河）和严村至田家会之间（小东川河）.长度分别为14.7 km和13.8 km;南川河有一处渗漏段，位于陈家湾至中阳县城之间，长度为6.7 km;三川河上有两处渗漏段，分别为李家湾段和下白霜至寨东段，长度分别为6.4 km和9.4 km。20世纪70年代以来，为了定量评价河道渗漏对岩溶水系统的补给量，山西电力设计院、山西省地质调查院、吕梁市水文水资源分局、吕梁水文站、柳林泉域管理站等部门分别在不同年份对三川河及其支流的渗漏段进行了测量，结果统计见表1。区域内实测多年平均河道入渗补给量为0.91 m3/s，约占柳林泉多年平均流量2.20 m3/s的41%。其中：渗漏流量最大的为北川河渗漏段，为0.25 m3/s，单位河段长度的渗漏流量为0.026 m3/（s.km）;最小的为小东川河河段，渗漏流量和单位河段长度渗漏流量分别为0.040 m3/s和0.003 m3/（s.km）。大东川河和小东川河的渗漏段总长度为28.5 km，占总渗漏段长度的47%，而渗漏流量为0.20 m3/S（仅占22%），说明河道径流量对河道渗漏补给量的影响最大，其次为渗漏段长度[5]。自20世纪70年代以来，随着三川河上游水库的兴建，三川河及其主要支流的河川径流量明显减小，河道渗漏流量也呈现出随时间减小的趋势。

3 典型渗漏段地表、地下水混合比例计算

3.1 基于水文地球化学模拟法的混合比例计算

（1）模拟原理。水文地球化学模拟技术是采用化学模型和数学模型对天然水系统及水一岩系统的地球化学过程进行定量模拟，并预测地球化学过程能否进行及进行的程度[12].模拟过程主要依据质量守恒定律和电荷守恒定律来实现。质量守恒定律表达式为

由于质量平衡模型考虑元素的数目往往小于可能矿物相的数目，出现模拟结果的多解性，因此必须对模型进行检验，这也是质量平衡模型的最大缺陷。对模型的检验主要考虑地层的矿物特征、沉积物特征、同位素资料以及热力学的合理性等[12]。水文地球化学模拟过程通常由计算机程序来完成，常用的程序包括MINTEQA2、 WATEQ4F、 PHREEQC、 EQ3/6 及NETPATH等。NETPATH是由美国地质调查局基于Fortran77开发的用于计算水文地球化学逆向模型的交互式计算机程序，可用来解释沿渗流路径的初始水样与终点水样之间的地球化学质量平衡反应[13]。

（2）模拟路径的选择。为了研究岩溶水系统内地表水与地下水的混合作用，依据2011年5月的水化学分析资料（见表2），利用NETPATH软件对岩溶水中矿物的溶解和沉淀过程进行模拟。建立水文地球化学逆向模拟模型，首先必须选取一组沿渗流途径上水化学成分已知的水样点，构成模型的起始点与终点的水样，即选择一个渗流路径[12-13]。在渗流路径的选择过程中应充分体现水化学和矿物相的变化，同时兼顾各离子的空间分布特征。最后确定的渗流路径为：路径1，油坊坪+地表水一田家会;路径2，金罗+地表水一上青龙。渗流路径1主要模拟岩溶水從补给区向径流区运动的过程中，地表水入渗对岩溶水水文地球化学过程的影响;路径2主要模拟岩溶水从径流区向排泄区流动过程中，泉口上游附近地表河水入渗对其水文地球化学过程的影响。

（3）矿物相的选择。矿物相主要依据含水介质的地层岩性、矿物组成以及含水层特征来确定。根据岩溶水系统的水文地质条件、地层岩性特征及矿物饱和指数的分析结果，选取方解石、白云石、石膏和盐岩作为参与水岩作用的主要矿物相。另外，CO2（g）、Ca-Na

（5）模拟结果。将各起始点水、终点水、矿物相及其他输入项输入到NETPATH中，即可求解水化学模型。沿渗流路径1，NETPATH求解出4个符合条件的模型（见表3模型1-模型4）。依据文献[3]对岩溶水系统的水文地质及水文地球化学条件的分析，模型4的模拟结果比较符合实际，可作为渗流路径1的模拟结果。因此，岩溶地下水由补给区向径流区渗流的过程中，在地表河流渗漏带附近与入渗的地表水发生了混合作用，混合水中地表水约占73%.地下水约占27%，比例约为3：1。沿渗流路径2，NETPATH求解出3个符合条件的模型（见表3模型5-模型7），依据岩溶水系统的实际情况[3]，模型5比较符合泉域实际，可作为渗流路径2的模拟结果。因此，从径流区到排泄区，岩溶水在泉口上游附近的地表河流渗漏带与入渗的地表水发生了混合作用，混合水中地表水约占42%，地下水约占58%，比例约为2：3。

3.2 基于3H同位素的地表水与地下水混合作用计算

3H是研究地下水循环理想的示踪剂之一，可以用来计算浅层地下水的年龄、示踪地下水的运动、识别地下水的循环等[3]。地下水中的3H浓度越高，径流条件越好，反之越差。沿地下水的总体流向，3H浓度呈降低趋势。在柳林泉岩溶水系统内，受泉口附近三川河河道渗漏补给的影响，泉水的3H浓度为7.1+1.4- 9.0+1.4 TU（见表4），均值为8.2+1.4 TU，大于径流区水样的3H浓度（平均为3.7+1.3 TU）。由于地表水和地下水的混合作用发生在泉口附近，混合后岩溶水3H浓度的自身衰变可以忽略，因此可利用质量守恒定律和同位素守恒定律计算泉水中地表水和地下水的混合比率。

代入式（6）可得Pa/b为3.9。因此，从泉口排泄的岩溶水中，由径流区汇入的水与泉口附近地表水渗流补给水的比例约为4：1，即混合水中地下水约占80%、地表水约占20%。

对比上述结果，渗流路径1的模拟结果（模型4）与同位素计算结果存在较大差异。根据三川河下白霜一寨东桥渗漏段的测量资料，该段多年平均渗漏量为0.24 m3/s，与柳林泉2011年泉流量（1.01m3/s）之比为1：4.2，与同位素计算的结果较为接近。因此，利用3H同位素计算的结果较为可靠，而水文地球化学模拟结果则存在一定的误差，原因可能是水文地球化学模拟过程未考虑水化学组分的水动力弥散效应，且模拟中仅考虑了宏量组分的浓度。

4 典型补给区大气降水人渗补给量估算

在田家会取样点的上游，地表河流的渗漏段主要包括大东川河和小东川河渗漏段，多年平均河流渗漏补给流量为0.2 m3/S。当计算出地表水与地下水的混合比例以后，即可依据式（7）估算岩溶地下水量。

P=S渗/R渗 （7）式中：S渗为地表河流渗漏补给量;R渗为大气降水入渗补给量;P为渗流路径1模拟计算的地表水与地下水混合比例。

可得：R涌=S渗/P=0.07 m3/s。因此，在田家会取样点上游的岩溶水补给区，大气降水多年平均入渗补给流量约为0.07m3/s。该区域以上灰岩裸露区面积约为50 km2，泉域多年平均降水量为507.6 mm.灰岩区降水入渗综合补给系数取0.13[5]，折合成每年的补给流量约为0.10 m3/S，与上述结果较为接近。

5 结论

（1）水文地球化学模拟结果表明，岩溶水从补给区向径流区、从径流区向排泄区流动过程中，在地表河流渗漏带附近与入渗的地表水发生了混合作用，混合水中地表水与地下水的混合比例分别约为3：1和2：3。

（2）3H同位素计算结果表明，岩溶水从径流区流向排泄区的过程中，地表水与地下水的混合比例约为1：4，该结果与实际情况相符。

（3）依据地表水与地下水混合作用计算结果，估算出田家会取样点上游的岩溶水补给区大气降水的多年平均入渗补给流量约为0.07 m3/s。

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【責任编辑张华兴】

收稿日期：2018- 09- 07

基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 41572239）;华北水利水电大学高层次人才科研启动项目（400140495）

作者简介：臧红飞（1987-），男，河南安阳人，讲师，主要从事地下水资源与水环境研究工作