黑龙潭泉域地下水化学特征及补给源识别

覃绍媛　李泽琴　许模

摘 要：以黑龙潭泉域为研究对象，在泉域采取水样测试分析其水化学特征和氢氧同位素特征，通过Piper三线图、Gibbs图、线性回归分析、因子主成分分析及高程反演方法，探讨了黑龙潭泉域水化学组成特征和影响因素，以及各泉群的补给来源，结果表明：研究区地下水化学组分以Ca2+、HCO-3、SO2-4为主，水化学类型为HCO3-Ca型，水化学组分主要受碳酸盐岩溶滤作用和岩石风化作用影响;水样点基本落在降水线右下方，研究区以大气降水补给为主，水样的补给高程为3 715～4 154 m;水样均接受九子海地区降水补给，但清溪泉群还接受玉龙雪山地区冰雪融水的补给，清溪泉群地下水子系统属于“多源同汇”，其他泉群属于“单源单汇”。

关键词：黑龙潭泉域;水化学特征;氢氧同位素;补给高程

中图分类号：P641.3   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.012

Groundwater Chemical Characteristics and Recharge Source Identification of Heilongtan Spring Area

QIN Shaoyuan， LI Zeqin， XU Mo

（State Key Laboratory of Geological Disaster Prevention and Geological Environmental Protection，

Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Abstract：In this paper， the Heilongtan Spring area was taken as a research object， the water samples of springs in the spring area were taken and the conventional water chemical indexes and hydrogen and oxygen isotopes were tested and analyzed. Through the Piper three-line diagram， Gibbs diagram and linear regression analysis， factor principal component analysis and elevation inversion method， the characteristics and influencing factors of the water chemistry in the Heilongtan Spring area， as well as the sources of recharge of each spring were discussed. The results show that the groundwater in the study area is dominated by Ca2+， HCO3- and SO2-4， the water chemical type is HCO3-Ca. The water chemical components are mainly affected by carbonate karst filtration and rock weathering; the water sample point basically falls to the lower right of the precipitation line， indicating that precipitation is the main recharge in the area and the recharge elevation of springs is 3 715-4 154 m; the Qingxi Spring has obvious hydraulic connection with other springs， both of them accept recharge of precipitation of the Jiuzihai area， but it also receives the recharge of snow melt of the Yulong Mountain， indicating that the Qingxi Spring groundwater subsystem belongs to “multi-source sink” and other springs belong to “single source and single sink”.

Key words： Heilongtan Spring area; Hydrochemistry; hydrogen and oxygen isotopes; supply elevation

地下水作為水资源的重要组成部分，在保障我国人民生活用水、社会经济发展和维持生态平衡等方面具有重要作用和意义[1]。地下水具有信息载体的功能，水化学组分和氢氧同位素为地下水的天然标记，携带并记录着地下水自补给、径流至排泄过程的信息，是判别地下水补给来源的重要方法，已被广泛应用于水文水资源领域[2]。通过分析地下水水化学组分和氢氧同位素组成特征可以判别大气降水、岩石风化、蒸发作用和人类活动等之间的联系，以及地下水的补给来源，对合理开发利用地下水资源具有积极的指导作用。

云南省丽江市黑龙潭泉域内有三大泉群，分别为清溪泉群、黑龙潭泉群和古城区泉群，其中古城区泉群包括白马龙潭、甘泽泉和三眼井。泉水不仅是当地居民生产生活用水的主要来源，而且是当地景观用水和服务业用水的主要来源之一。近年来，雨季降水量减少导致泉群流量减小，对当地社会经济发展造成一定影响。为分析泉域水化学特征和识别泉群的补给来源，以黑龙潭泉域为研究对象，通过测试分析水样水化学组分特征和氢氧同位素组成特征，探讨泉群水化学组分特征及其主要影响因素，并结合氢氧同位素值对泉群补给高程进行反演，估算泉群主要补给区范围，进而识别补给源。

1 研究区水文地质概况

研究区位于云南省丽江市城北象山脚下，平均海拔2 500 m。泉域地处高原季风气候区，干湿季节分明，5—10月为雨季（降水量占年降水量的85%），多年平均蒸发能力为1 950 mm。研究区水源较为丰富，主要河流有金沙江、黑白水河、文化河及三束河，均属于金沙江水系。

研究区出露地层主要为第三系、第四系和三叠系，其中三叠系地层大面积出露，岩性以灰岩、白云质灰岩和泥质灰岩为主，第三系和第四系地层主要出露于丽江市东部及南部。区内断裂发育，主要为压性和扭性断裂，断裂呈北东、北西及南北向，主要构造属金棉文笔山断裂带中的丽江—文化断裂。

黑龙潭泉域含水系统形如倒三角，尖角指向南西，北侧以地表分水岭为边界，属透水边界;南侧和东侧受可溶岩和非可溶岩界线和阻水断层圈闭，属隔水边界;西侧以第四系湖积物覆盖层为边界，亦属隔水边界（见图1）。研究区北部为九子海向斜，向斜核部可溶岩呈条带状延伸，区内降水丰富，北东—南西走向断裂构造发育，在地下水作用下该区岩溶强烈发育，地表岩溶以落水洞、漏斗、洼地、溶洞为主，为地表水与地下水的流通創造了条件。研究区地势整体呈北高南低，北侧九子海洼地为主要补给区，降水沿岩溶发育地段补给地下水，受地形切割及构造控制，地下水沿网状裂隙、溶洞及管道流动，总体向南西流动，通过潜流或小流量泉补给第四系孔隙含水层及碎屑岩类裂隙含水层，或于可溶岩与非可溶岩接触地带以泉的形式出露，如黑龙潭泉群、古城区泉群、岩脚泉等，泉域岩溶水系统流动示意见图2。

2 样品采集与测试方法

在黑龙潭泉域内共采集地下水水样12组，采样点分布见图1。水样除HCO-3浓度测定采用双指示剂滴定法外，其他阴、阳离子分别使用离子色谱仪和电感耦合等离子发射光谱仪测定;TDS质量浓度采用水样阴、阳离子质量浓度之和减去二分之一HCO-3质量浓度计算得到。根据水样的常规离子含量，绘制了水样的Piper三线图，见图3。水样的氢氧同位素测试以相对维也纳标准平均海洋水VSMOW的千分偏差值表示，δ18O和δD含量测试精度分别为0.5‰、0.1‰。水样水化学组分及δ18O、δD见表1。

3 结果与讨论

3.1 水化学组成特征

从表1可知，水样各离子浓度均存在一定差异，水化学类型主要为HCO3-Ca型，水化学组分中阳离子平均质量浓度Ca2+>Mg2+>K++Na+，阴离子平均质量浓度HCO-3>SO2-4>Cl-，其中HCO-3、Ca2+含量占阴、阳离子总量的比例最高，分别为59.12%和61.95%，Cl-、K++Na+含量占阴、阳离子总量的比例较小，分别为6.01%和14.64%。TDS含量变化不大，为304.18～391.57 mg/L。

Piper三线图不仅可以表征水样的离子组成特征及不同水化学组成特征，而且可以定性判断水样控制端源[3]。在阳离子组成的Piper图中，地下水受蒸发盐岩溶解和硅酸盐风化影响时水样组分会偏向K++Na+端，受碳酸盐岩风化影响时水样组分则偏向Ca2+-Mg2+线[4]。由图3可以看出，在阳离子组成的Piper图中水样点均偏向Ca2+-Mg2+线，说明地下水主要受碳酸盐岩风化影响，这与研究区内碳酸盐岩的大面积出露有关;在阴离子组成的Piper图中，水样点由SO2-4离子端逐渐向HCO-3离子端变化，亦说明地下水主要受碳酸盐岩风化影响。白马龙潭异于其他水样点的原因是，白马龙潭位于丽江古城区内，受人类生产生活用水影响较大，K++Na+浓度大。

地下水水化学组分受多种水-岩相互作用影响，根据水样水化学组分的分析，结合研究区内地层岩性推断地下水主要经历水-岩作用为

CaCO3+H2O+CO2→2HCO-3+Ca2+

MgCO3+H2O+CO→2HCO-3+Mg2+

根据水-岩作用可知，随着地下水与围岩接触时间的延长，水中HCO-3浓度呈增大趋势[5]。清溪泉群HCO-3、TDS浓度相对较高，分别为257.50、380.62 mg/L，说明其与围岩接触时间最长，地下水的径流路径和径流时间也相对较长;黑龙潭泉群、古城区泉群和坟地泉等TDS和HCO-3含量相近，且变化范围较小，说明其地下水径流路径及径流时间相近，推断其补给来源可能相同;九子海泉、红水塘泉和腊日光泉TDS和HCO-3含量相对较低，表明其地下水与围岩接触时间较短，地下水径流时间和径流路径短且通畅。

水样的Gibbs图可以直观反映研究区地下水主要离子的控制因素，反映地下水水化学组分的蒸发-沉淀、大气降水或岩石风化等类型[6-7]。从图4可以看出，水样的离子含量比ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）、ρ（Cl-）/ρ（Cl-+HCO-3）分别为0.03～0.60、0.07～0.12，其平均值分别为0.13、0.09。水样点基本集中在Gibbs图中部，并略向“蒸发作用”端偏移，说明地下水离子组分主要来源于岩石风化作用，并受一定程度蒸发作用影响。

在水化学数据处理中多元统计分析方法得到了广泛应用，其中因子分析和主成分分析方法有助于找出数据参数的变化规律，揭示水文地球化学过程。对水样常规离子含量进行主成分分析，首先根据每组水样的离子含量，对九子海泉与其他水样的相关性进行分析;然后对水样离子变量的相关性矩阵进行KMO检验，并对检验后的数据进行主成分分析，提取特征值大于1的两个主成分m1、m2;最后得出水样的载荷矩阵和贡献率，见表2。

对水样的相关性进行分析得出，水样之间的相关系数均大于0.9，表明水样高度相关，泉域内水样均存在明显水力联系，结合研究区泉水出露的水文地质特征，九子海泉与其他泉群存在补给关系。

由表2可知，提取的主成分m1的贡献率为38.287%，主要与Ca2+、Mg2+、SO2-4的相关性较高，说明主成分m1与碳酸盐岩类及石膏类岩石溶解有关;主成分m2的贡献率为35.460%，主要与Cl-、HCO-3的相关性较高，亦说明地下水主要受碳酸盐岩风化影响及一定程度蒸发影响。

根据水化学分析结果，地下水水岩作用时间及径流路径相对较长的为清溪泉群，较短的为九子海泉、红水塘泉和腊日光泉;九子海泉与泉域内各泉具有显著水力联系，说明其对其他泉存在补给关系。由补给区到排泄区，地下水化学组分形成过程主要受水-岩相互作用影响（碳酸盐岩类的溶滤作用）及当地居民生产活动影响。

3.2 氢氧同位素组成特征分析

随着同位素在水文地质研究中的应用，氢氧稳定同位素技术被广泛应用于地下水补给来源、补给高程及地下水径流方向等方面的研究[8]。将水样的同位素测试结果与西南地区降水线[9]（δD=7.96δ18O+9.52）和全球降水线[10]（δD=8δ18O +10）进行线性拟合，绘制出水样的δ18O—δD关系，见图5。从图5可以看出，水样的δ18O与δD存在明显线性关系，δD值为-100.0‰～-110.0‰，δ18O值为-13.5‰～-15.0‰，水样点基本落在降水线附近或右下方，表明地下水总体以大气降水集中补给为主，补给来源相对稳定。

自然环境中，水中18O含量低于岩石中18O的含量，地下水在径流过程中与围岩相互作用，地下水与围岩发生同位素交换，使得水中18O逐渐富集。图5中水样点δ18O—δD关系曲线的斜率略小于降水线的斜率，说明水样受到一定程度的蒸发作用，且受水-岩作用影响水样发生氧同位素漂移，地下水中18O富集。水样的氢氧同位素分析结果与水化学Gibbs图分析结果基本吻合。

水样的δ18O—Cl-关系（见图6）可以进一步说明地下水的补给来源，其分析结果与水化学特征分析结果基本一致，即清溪泉群受水-岩作用影响较其他泉群明显，其δ18O、δD和Cl-含量与其他泉群存在明显差异，可推测清溪泉群与其他泉群存在不同的补给来源。

3.3 补给高程反演

氢氧稳定同位素组成具有高程效应，即高程越高，δD和δ18O值越低，高程与δD和δ18O之间存在良好的线性关系[11]，因此可以利用水样的δD和δ18O值对研究区地下水水样的补给高程进行反演。根据于津生等[12]的研究结果，δ18O与高程H的相关关系式为-δ18O=0.002 6H+7.7，水样的补给高程可通过下式来确定：

H=δs-δpk+h

式中：H为估算的水样补给高程;δs为泉点的同位素值;δp为大气降水中的同位素值;k为同位素梯度;h为取样点高程。

高程分别利用δD、δ18O值进行估算，两者估算的补给高程相差不大，对比后采用δ18O值估算的高程值，为3 715～4 154 m，见图7。结合研究区地形地貌及水文地质条件，认为清溪泉群补给区为研究区西北侧高海拔地区，即玉龙雪山一带，其余泉水补给高程相近，补给来源主要为九子海地区大气降水。

结合水样水化学特征和氢氧同位素特征分析结果，以及补给高程反演结果，泉域内泉水均接受九子海地区大气降水补给;清溪泉群虽接受九子海地区降水补给，但其还存在另一补给来源，即清溪泉群与其他泉群之间既相互联系又相互独立。因此，可认为清溪泉群所属地下水子系统与其他泉群不同，清溪泉群属于“多源同汇”，其他泉群属于“单源单汇”。

4 结 论

（1）黑龙潭泉域地下水化学组分以Ca2+、HCO-3为主，水化学类型为HCO3-Ca型。根据Piper三线图和Gibbs图以及离子数据分析结果，水样中阳离子均接近Ca2+-Mg2+线，阴离子中SO2-4逐渐向HCO-3变化，水样的ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）与ρ（Cl-）/ρ（Cl-+HCO-3）分别为0.10～0.50、0.07～0.10，且水样点均集中在Gibbs图中部，说明地下水主要受水-岩相互作用影响和一定程度的蒸发作用影响。

（2）水样的δD值为-100.0‰～-110.0‰，δ18O值为-13.5‰～-15.0‰，水样点基本落在降水线右下方，且水样点δ18O—δD关系曲线的斜率小于降水线的斜率，表明水样以大气降水集中补给为主，补给来源相对稳定，且受到一定程度蒸发作用的影响。

（3）水样补给高程反演结果显示补给高程為3 715～4 154 m，清溪泉群以研究区西北侧玉龙雪山地区的冰雪融水为主要补给来源，黑龙潭泉群、古城区泉群和岩脚泉等补给高程及范围相近，主要以九子海地区降水为补给来源。清溪泉群除接受九子海地区补给外，还存在另一补给来源，表明清溪泉群与其他泉群之间既相互联系又相互独立。因此，可认为清溪泉群所属地下水子系统与其他泉群不同，清溪泉群属于“多源同汇”，其他泉群属于“单源单汇”。

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【责任编辑 吕艳梅】

收稿日期：2019-07-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目（41402223）

作者简介：覃绍媛（1993—），女（壮族），广西来宾人，硕士研究生，研究方向为工程与环境水文地质

E-mail：shaoyuan-qin@qq.com