龙门山冲断带盆山体系地下水循环特征分析

郑童心 漆继红 许模 谭谣 谢杭

摘要：山区与平原区水资源联系密切，探究山区-盆地地下水循环可为水资源开发和合理利用提供科学依据。龙门山冲断带及川西前陆盆地是中国典型的盆山系统代表，结合现场采样及前人研究结果，采用水文地质调查、水化学特征、氢氧同位素和聚类分析等技术方法，阐明了绵竹市境内石亭江流域龙门山冲断推覆体与前陆盆地形成的盆山体系的地下水循环特征。研究认为：大气降水为山区及平原区浅层地下水的主要补给来源，其中J₃l³地层还接受石亭江水的侧向补给；地形对山区浅层地下水径流具有主控作用，主要沿北西、南东方向发生径流，对近平原区的浅层地下水给予少量补给；平原区浅层还接受地表水、河渠水补给，地下水自北西向南东发生运移，在玉泉镇至板桥镇附近以泉的形式进行排泄。NW向断裂构造沟通盆山体系，来源于研究区北西侧更高山区的地下水沿断裂带形成深部径流带，形成具有较高矿化度的热水。研究成果可为类似山区-盆地地下水循环系统研究提供参考。

关 键 词：地下水循环；水化学特征；氢氧同位素；盆山系统；石亭江流域；龙门山冲断带

中图法分类号：P641

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.017

0 引 言

在自然界的水循环过程中，一般认为山区相比较于低海拔地区会接受更多的大气降水补给和更少的蒸散发过程，山区水资源通常是平原或盆地水资源的重要补给来源^［1-2］。在水资源紧缺地区，山区及平原区地下水流系统是维持该地区经济发展和日常生活的重要保障。因此，探究山区-盆地地下水循环系统是实现水资源合理开发的重要前提，对该地区坚持可持续发展理念具有重要意义。

龙门山冲断带及川西前陆盆地是中国中西部陆内盆山系统的典型代表^［3-4］，其形成和发展过程及构造背景一直备受众多地质学家的重视和关注^［5-11］。由于经历了多次构造变革，龙门山盆山体系中山区断裂纵横、构造丰富，从而产生了复杂的水文地质情况；前陆盆地为冲洪积地层，富含大量可利用的浅层地下水资源。目前，针对盆地地下水系统和龙门山区地下水系统，前人已经进行了大量的调查研究。其中，对于盆地地下水系统的研究主要以浅层地下水为主，具有水资源利用价值。张敏^［12］、高东东^［13］等通过水文地质条件、水化学特征等对德阳市浅层地下水进行环境质量评价及可持续发展利用研究；陈盟等^［14］利用矿物风化系统分析、相关性分析、主成分分析和PhreeQC 反向水文地球化学模拟等方法分析了广汉市平原区浅层地下水水化学演化及控制因素，并对饮用水质量进行了评价；唐金平等^［15-16］对湔江冲洪积扇浅层地下水化学及控制因素进行分析，并利用三维数值模拟建立浅层地下水循环模式，揭示地下水循环规律。对于山区地下水系统的研究主要以浅层地下水和深层热水为主，庞练^［17］通过现场水文地质调查，对成兰铁路龙门山段浅层岩溶水文地质条件进行研究并对隧道进行了涌水量评价；颜玉聪^［18］、徐艳秋^［19］等从地质构造及水文地球化学等方面入手，建立温泉水文循环模型，探究深层热水的成因模式。徐进勇^［20］、尚英男^［21］、孙光旭^［22］等依据遥感地质解译、水化学和同位素等方法对麓棠、广济-洛水地区龙门山前缘热水形成机制进行分析，得出该地区热水主要来源于大气降水沿龙门山区的裂隙通道进行深循环至龙门山山前排泄。

龙门山冲断带及前陆盆地地下水联系密切，但前人对该地区地下水的研究主要集中于山区或平原区，没有将二者结合进行系统的山区-盆地地下水循环研究。因此，本文在前人研究的基础上，以绵竹市境内石亭江流域龙门山冲断推覆体与前陆盆地交接地带为例，采用水化学和氢氧同位素技术，阐明该区域山区与平原区地下水和地表水循环模式，探讨山区-盆地地下水循环规律，以为类似的山区-盆地地下水循环系统研究提供借鉴。同时，由于山区及平原区不同的地形特征，该地区地下水循环情况复杂，对该地区地下工程建设具有一定的影响，因此对该地区地下水循环的研究，可为当地地下水资源的调查评价、合理开发及地下工程建设提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于四川盆地西北部绵竹市内，地处成都平原与其西北侧山区地段的交接地带，以龙门山四大逆冲断裂之一的关口隐伏断裂为分界线，北西侧为山地，南东侧为平原盆地^［22］，区内发育梅子沟隐伏断层，与关口隐伏断裂正交^［21］。研究区内地表水系发育，其中主要河流石亭江属沱江上游主干支流，是长江的源头之一。河流进入平原后切割砂砾卵石层，与地下水水力联系密切。

研究区内山体大致呈北东-南西走向展布，主要出露侏罗系上统莲花口组地层（J₃l），为一套山前冲洪积相沉积，该地层整体倾向南东，为一单斜岩层，依据岩溶水文地质结构的划分依据，可将研究区内水文地质类型归纳为单斜山型水文地质结构^［23］。依据岩性可将莲花口组地层进一步分为4段，底部莲花口组1段（J₃l¹）和3段（J₃l³）岩性为钙质砾岩；莲花口组2段（J₃l²）地层为钙质砂岩，为相对隔水层；顶部莲花口组4段（J₃l⁴）覆盖于第四系地层之下，出露较少，为长石砂岩、粉砂岩、泥岩互层。依据研究区地层岩性、含水岩组、溶蚀裂隙发育情况以及地下水的赋存形式，可将莲花口组1段和3段划分为含水层，2段和4段为相对隔水层，地下水类型主要为裂隙溶隙水。

山前平原区为第四系地层，主要赋存松散岩类孔隙水，为一套冲积、冲洪积和冰水堆积及冰渍堆积层^［24］，除山前小部分地区分布中、下更新统（Q₁₊₂）的砂质黏土和含砂泥砾外，大部分地区均为全新统冲洪积层（Q₄）地层，其上部为黄色砂土、黏质砂土，下部为砂卵砾石层。

2 样品采集与分析

基于对研究区地形地貌，地下水含水层类型的认识，本次研究于2022年10月对山区、山前、冲洪积扇扇顶、扇中和扇缘方向浅层地下水及地表水进行采样，并参考了前人在该区域对深部钻井S1井的研究^［21］，采样点及参考点的位置见图1。山区地下水样采自泉点或暗河，平原区水样采自泉点、民井及灌溉井，地表水采自水库水和河流，现场采用WTW Multi3410便携式多参数水质检测仪对水样的T（水温）、pH、Eh和TDS进行及时测定。本次研究将部分水样送至实验室进行分析测试，测定的参数包括Na⁺+K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2-、Cl^-、HCO^-₃、pH、TDS和δD、δ¹⁸O值等，检测方法依据DZ/T0064-2021《地下水质检标准》，Na⁺、K⁺使用差减法得出，Ca²⁺、Mg²⁺、HCO^-₃采用滴定法测出，SO₄^2-和Cl^-使用离子色谱法测出，TDS由计算得出，氢氧同位素使用液态水同位素分析仪测出，测定结果以相对于V-SMOW标准的千分差表示。

3 结果分析与讨论

3.1 水化学组分特征

研究区采样点水化学分析结果及参考研究结果如表1所列，山区、平原区浅层地下水、地表水和S1井地下热水pH介于6.84～8.82之间，均值7.79，其中弱碱性水占92.6%，弱酸性水占7.4%且均在平原区。山区地下水TDS为204～481 mg/L，平原区地下水TDS介于403～600 mg/L，地表水TDS介于256～424 mg/L，均属于淡水范畴；S1井地下热水TDS高达980.6 mg/L，接近于微咸水。依据地下水特征、存在形式和出露地层，可将水样分为山区地下水、平原区地下水、地表水和地下热水4种类型，山区地下水依据含水层又可分为J₃l¹地下水、J₃l²地下水和J₃l³地下水。

根据水样检测结果，绘制Piper三线图，如图2所示。从图2中可以看出，研究区内从山区到平原冲洪积扇扇缘部位，地下水基本符合一般的演化规律，浅层地下水与S1井地下热水水化学类型呈现明显差异。浅层地下水及地表水阳离子以Ca²⁺和Mg²⁺为主，阴离子以HCO₃^-和SO₄^2-为主，根据舒卡列夫分类方法可分为HCO₃-Ca、HCO₃-Ca·Mg和HCO₃·SO₄-Ca·Mg等类型；而S1井地下热水以Na⁺和HCO₃^-为主，且Na⁺含量较浅层地下水和地表水高出10倍左右，水化学类型为HCO₃-Na型，表明该地区浅层地下水与S1井地下热水的补给和径流属于完全不同的两个系统。S1井地下热水产自1 563.5 m深处的莲花口组砾岩中^［25］，可排除人为污染的影响因素，Cl^-浓度高达40.78 mg/L，水中的高氯化物是地下水通过深部循环发生水岩作用导致的^［21］，所以S1井地下热水的水化学特征可反应该地区深部地下水特征。

平原区浅层地下水、地表水和山区的浅层地下水水化学具有差异性。山区地下水除个别泉点（S12、S13、S14）外均落在图中①区，属于HCO₃-Ca和HCO₃-Ca·Mg型水。而平原区地下水、地表水和泉点（S12、S13、S14）均落在图中②区，水化学类型以HCO₃·SO₄-Ca·Mg为主，与山区地下水相比其差异主要体现在SO₄^2-离子上。Piper三线图的主菱形图上显示研究区水样以碱土金属和弱酸根离子为主^［26］，在阳离子三角图中，山区地下水和平原区地下水离子的分布不存在明显的差异，大都集中在Ca²⁺区域；在阴离子三角图中，平原区地下水的SO₄^2-占比落在18％～40％之间，山区地下水的SO₄^2-占比均小于18％，进一步说明阴离子的浓度差异是影响山区和平原区地下水类型分异的关键因素。山区泉点S12、S13、S14为三箭水泉及其附近泉水，与山区其他泉点相比其补给来源除接受大气降水外，还接受石亭江的侧向补给，从而发生混合作用，其水化学成分不能代表山区浅层地下水化学特征。在Piper三线图中，点S12、S13、S14落在②区，更靠近平原区地表水和地下水，说明其接受石亭江地表水的补给量大于山区地下水的补给量。

为了进一步探讨山区浅层地下水、平原区浅层地下水和地表水的水化学特征和循环关系，对研究区内所取得的26组水样进行聚类分析，用来突出不同水样点之间的空间关系，将样本按照它们在性质上的相似程度进行分类^［27-29］。本次研究选取26组水样样本，7个变量，分别为TDS、Na⁺+K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-和HCO₃^-。聚类分析前通过标准化使得变量的平均值为0，标准离差为1。本次聚类方法选取Ward（离差平方和）法，平方欧式距离，将样本进行逐一归类，具体计算由软件SPSS 21.0进行，聚类结果见图3和表2。由图3可以看出，26组水样分类效果较好，当重心距离为5时，水样可分为4类，同时根据各组内水体样品离子含量的平均值绘制Stiff图。

Ⅰ类水包括8个山区泉点，1个山区地表水，石亭江下游水和困牛山水库水。其中，6个出露于J₃l¹和J₃l³的钙质砾岩段泉点均属于此类，地下水直接接受大气降水补给，由于钙质砾岩段易发生溶蚀，落水洞、洼地较为发育，补给条件较好，地下水流动较快，且受地表污染较少，J₃l¹和J₃l³的泉点具有矿化度较低、各种离子含量相差较小等特点。2个出露于J₃l²的泉水也属于此类，主要由于地下水切层流动，径流途径短，水中离子含量较低，所以属于此类。山区地表水补给来源与泉点相似，因此具有相似的水化学性质，也都属于Ⅰ类。困牛山水库拦蓄地表水，其主要来源为石亭江江水，矿化度和各种离子含量也相对较低，都属于Ⅰ类。

Ⅱ类水包括5个山区泉点和1个山区地表水。这些泉点均出露于J₃l²的钙质砂岩段内，相较于1段和3段地下水，由于这类地下水顺层流动，径流途径长或在含水层中滞留时间长，使得水中各种离子含量偏高，且这些泉点都分布于云盖村附近，补径排途径相似，因此具有相似的性质。

Ⅲ类水主要包括石亭江上游和下游水，困牛山水库的引水渠水，S12三箭水泉和井水S26。此类水水化学成分相似，均为HCO₃·SO₄-Ca·Mg型。其中引水渠水来自于石亭江上游，与石亭江上游水具有相同的水化学性质。三箭水泉流量较大，其主要补给来源大部分为石亭江引水，少部分来自于山区地下水，因此三箭水泉与石亭江上游水具有相似的水化学性质。井水S26位于山区与平原的交界地带，且接近困牛山水库，而困牛山水库和三箭水泉的主要补给来源均为石亭江水，因此S26可能接受困牛山水库的渗漏补给和三箭水泉的补给，因此与三箭水泉同属于一类。

Ⅳ类水均为平原区井水和泉点，分布于冲洪积扇扇中和扇缘部位，其地下水水化学性质与前三类水有很大区别。平原区地下水与山区地下水相比较，具有较高的TDS和离子含量，Na⁺+K⁺含量达到22.7～52.4 mg/L，Cl^-也高达14.1 mg/L，SO₄^2-明显高于山区地下水，与地表水相当。除这些易受人为污染干扰的离子外，其Ca²⁺和Mg²⁺含量也与山区地下水不同。

根据聚类结果及上述分析，研究区内山区浅层地下水与部分平原区浅层地下水具有水力联系，山区地下水又可分为J₃l¹和J₃l³的钙质砾岩段含水层和J₃l²的钙质砂岩段含水层。山区浅层地下水主要接受大气降水的补给，J₃l¹和J₃l³的钙质砾岩含水系统水化学特征反映的是补给径流条件好，水循环较快；大部分J₃l²的钙质砂岩段含水系统水化学特征反映的是地下水顺层流动，径流途径较长，径流环境较为开放，多为HCO^-₃型水。平原区地下水系统主要接受降雨入渗补给、河、渠水入渗补给和少量的山区地下水侧向补给，径流途径长，并且存在人为作用对水化学的影响。

3.2 氢氧同位素特征

由于降水在蒸发和凝结过程中会发生同位素分馏，使得大气降水的氢氧同位素之间存在线性关系。受当地降水的二次蒸发、水蒸汽气团的起源等影响，不同地区的大气降水线会存在一定的差异。胡月等^［30］通过对成都地区113场降水样品氢氧同位素的分析，得出成都的大气降水线方程（CDLMWL）：δD=7.83δ¹⁸O+8.79。

山区地下水δ¹⁸O变化范围为-9.98‰～-8.59‰，平均值为-9.39‰，δD变化范围为-65.1‰～-58.25‰，平均值为-61.66‰；平原区地下水δ¹⁸O变化范围为-9.81‰～-7.54‰，平均值为-8.63‰，δD变化范围为-66.11‰～-49.59‰，平均值为 -57.06‰。根据研究区氢氧同位素分析测试及前人研究结果，绘制δD-δ¹⁸O关系图（图4）。从图4中可以看出，研究区内大部分水样点分布在成都市大气降水线的左上方，表明研究区地下水来源均为大气降水且受蒸发作用影响微弱^［31］。S1井地下热水位于关系图的左下方，靠近大气降水线，表明其来源主要为大气降水，且与其他水体相比，其δD值要负得多。根据氢氧同位素高程效应原理，地下水的δD值随着补给高程的增加而呈现出更负的趋势，因此可以确定S1井地下热水的补给来源应该是研究区北西侧更高的山区^［20］。

依据在研究区采集到的不同水体的氢氧同位素，分别对山区及平原区的δD和δ¹⁸O进行线性拟合，得到山区线性方程为δD=5.7δ¹⁸O-8.13（R²=0.87），平原区线性方程为δD=7.29δ¹⁸O+5.83（R²=0.99），与大气降水线分布接近，再次表明研究区地下水均来源于大气降水补给^［32］。大部分山区浅层地下水的样品在δD-δ¹⁸O关系图中同位素值接近，表明山区地下水有相似的补给来源^［33］。S12三箭水泉位于δD-δ¹⁸O 关系图的左下方，呈现与其他山区地下水泉点相比较为偏负的现象，更接近于石亭江的δD、δ¹⁸O值，且S12三箭水泉和石亭江水水化学类型均为HCO₃·SO₄-Ca·Mg型，说明S12三箭水泉及其附近地下水大部分补给来源为石亭江的侧向补给。平原区地下水在氢氧同位素散点图上分布比较分散，山前中部平原由北向南地下水的同位素含量差别较大，表明平原区浅层地下水具有多种补给途径，主要表现为北侧井点S24、S25的δD、δ¹⁸O同位素值较大，且水化学类型均为HCO₃-Ca·Na型；南侧井点S23的δD、δ¹⁸O同位素值较小，其水化学类型为HCO₃-Ca· Mg。结合水文地质条件分析，从山区地下水、困牛山水库水到平原区北侧井点S24、S25，δ¹⁸O值越来越高，表明其补给高程相对较低，水库水和近处高程较低的山区地下水存在共同补给S24、S25的可能，同时结合水化学成分及聚类结果分析，S24和S25的Na⁺含量较高，推测该点δD、δ¹⁸O值也可能受到人为因素影响。南侧井点S23在δD-δ¹⁸O关系图中更靠近石亭江水，推测其主要补给来源可能为石亭江的侧向补给。

山区浅层地下水氘盈余值介于10.46‰～14.75‰，平均值为13.46‰，平原区浅层地下水氘盈余值介于10.69‰～12.56‰，平均值为11.94‰（图5），与全国氘盈余（d=8%～12%）^［34-35］接近，各泉点氘盈余变化较小，可能是由于地下水补给源构成稳定。大气降水补给进入到地下后，随着水岩作用的发生，同位素将发生交换。一般情况下，水岩作用不会影响水体的δD值，但可以导致水体相对富含δ¹⁸O，从而使d值降低，且水岩作用越强烈，地下水的d值就越小^［36］。研究区山区浅层地下水氘盈余值略大于平原区浅层地下水，不排除山区地下水及石亭江水对平原区补给作用过程中发生水岩作用导致d值减小的可能。

3.3 山区和平原区地下水循环模式

综合以上分析，研究区地下水循环模式为：大气降水及地表水是研究区山区及平原区浅层地下水的主要补给来源，且蒸发作用微弱。山区浅层地下水受地形地貌、地层岩性、含水岩组空间组合特征的影响，在接受大气降水补给后，分别向北东、南西沿垂向裂隙及层间溶隙发生径流。其中J₃l²段地下水在接受大气降水补给后，少部分切层流动补给J₃l³段地下水，大部分向北东、南西顺层径流形成较高TDS的地下水；J₃l³段在接受大气降水补给的同时，还接受石亭江的侧向补给，沿垂向裂隙及层间溶隙发生径流。山区深层地下水补给源为研究区北西侧更高的山区，在接受大气降水后沿构造带循环至深部，经热储层再经机井开掘，形成温泉井。平原区浅层地下水除接受大气降水外，还接受地表水、渠水、和北西侧山区裂隙溶隙水的少量补给，地下水自北西向南东运移形成地下径流带，在玉泉镇至板桥镇附近的溢出带以泉的形式进行排泄（图6）。

4 结 论

（1）基于水化学成分及聚类结果对研究区不同水体地下水进行分析，深层地下水和浅层地下水水化学组成呈现出显著的差异，浅层地下水表现为北西侧山区至南东侧平原，地下水由HCO₃-Ca和HCO₃-Ca·Mg 型过渡为HCO₃·SO₄-Ca·Mg型；深层地下水主要为HCO₃-Na型。三箭水泉（S12）及其附近泉点水化学类型呈现与石亭江地表水水化学类型相似，表明石亭江对三箭水泉具有一定的侧向补给。

（2）山区和平原区浅层地下水的氢氧同位素组成表明地下水接受大气降水的补给，蒸发作用微弱；深层地下水主要为北西侧龙门山脉更高的山区接受大气降水并沿断裂带入渗循环至此。山区浅层地下水氢氧同位素值较为集中，其补给来源相似，其中三箭水泉的δD、δ¹⁸O值与其他山区浅层地下水相比，更靠近石亭江水，再次证明石亭江水对山区地下水存在侧向补给；平原区浅层地下水δD、δ¹⁸O值较为分散，推测由于主要补给来源不同造成，证明平原区浅层地下水具有多种补给来源。同时山区与平原区的氘盈余值证明山区地下水对平原区地下水具有补给作用。

（3）研究区山区地下水与平原区地下水补给过程受地质条件、地形地貌等多种因素控制，仅通过水文地球化学及同位素技术难以定量化识别地下水循环模式，后期可结合数值模拟等方法建立概念模型，可进一步深入认识地下水循环规律。

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（编辑：刘 媛）

Characteristics of groundwater circulation in basin-mountain system of Longmenshan

alluvial belt：case of Mianzhu section of Shiting River Basin

ZHENG Tongxin，QI Jihong，XU Mo，TAN Yao，XIE Hang

（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract：The water resources of mountainous and plain areas are closely connected，and the investigation on the mountain-basin groundwater cycle can provide a scientific basis for the development and rational utilization of water resources.The Longmenshan alluvial belt and the western Sichuan foreland basin are typical representatives of the basin-mountain system in China.Combined with the field sampling and the results of previous studies，the groundwater circulation characteristics of the basin-mountain system formed by the Longmenshan alluvial overburden and the foreland basin in the Shiting River Basin in the territory of Mianzhu section were clarified by using hydrogeological investigation，hydrochemical characterization，hydrogen and oxygen isotopes，and cluster analysis methods.The study concludes that atmospheric precipitation is the main recharge source of shallow groundwater in the mountainous areas and plains，in which the J₃l³stratum also receives lateral recharge from the Shiting River.Topography has a dominant role in controlling the shallow groundwater runoff in the mountainous areas，which mainly occurs along the north-west and south-east directions，and has a small amount of recharge of the shallow groundwater in the near-plain areas.The shallow layer in the plains also receives recharge from surface water and river and canal water，and the groundwater moves from northwest to southeast，finally it discharges in the form of springs along Yuquan Town to Banqiao Town.As the NW fracture structure connects with the basin-mountain system，the groundwater from the higher mountainous areas in the NW side of the study area forms a deep runoff zone along the fracture zone，forming hot water with high mineralization.The study results can be used as a reference for similar studies of mountain-basin groundwater circulation systems.

Key words：groundwater circulation；hydrochemical characteristics；hydrogen and oxygen isotopes；basin-mountain system；Shiting River Basin；Longmenshan alluvial belt