宜賓市巡司場(chǎng)地下水徑流路徑探析

王梅 許模 范辰辰 肖斌 趙瑞

摘要：巡司場(chǎng)位于四川南部宜賓市境內(nèi)，區(qū)域上屬于四川盆地南緣山地與云貴高原過(guò)渡帶，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地下水露頭密集分布。通過(guò)分析水文地質(zhì)條件、各水點(diǎn)的水化學(xué)組分、氫氧同位素組成等資料，初步確定了研究區(qū)地下水徑流模式，進(jìn)而采用水文地球化學(xué)模擬方法（Phreeqc反向模擬技術(shù)）對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析，最終明確了小魚洞暗河、涼風(fēng)洞暗河以及溫泉水的徑流路徑，發(fā)現(xiàn)三者相互獨(dú)立，不存在水力聯(lián)系，模擬結(jié)果與水化學(xué)、氫氧同位素分析結(jié)果基本一致。研究成果對(duì)巡司場(chǎng)地區(qū)的地下水開(kāi)發(fā)利用以及工程建設(shè)具有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：巡司場(chǎng)；涼風(fēng)洞；徑流路徑；水化學(xué)組分；溫泉；Phreeqc；反向模擬

中圖分類號(hào)：P641文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

16721683（2014）02009705

Flow Path of Groundwater in Xunsichang of Yibin

WANG Mei，XU Mo，F(xiàn)AN Chenchen，XIAO Bin，ZHAO Rui

（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment

Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract：Xunsichang is located in Yibin City of south Sichuan，where belongs to the transition zone between the southern margin of Sichuan Basin and YunnanGuizhou Plateau with strongly developed karst and densely distributed groundwater outcrop.In this paper，the hydrogeological conditions，chemical composition of groundwater， and oxygen and hydrogen isotope data were analyzed to identify the groundwater flow path model in this area，and then the hydrogeochemical modeling method （Phreeqc reverse modeling technique） was used to verify the results.The runoff flow paths of Xiaoyudong ground river，Liangfengdong ground river，and hot spring were determined，which suggested there are no hydraulic connection between them.The simulation results were similar to those obtained from the hydrochemical and isotopic analysis.The results are of important significance for the groundwater exploitation and engineering construction in Xunsichang area.

Key words：Xunsichang；Liangfengdong；runoff path；water chemical composition；hot springs；Phreeqc；reverse simulation

地下水徑流路徑的研究不僅對(duì)區(qū)域內(nèi)工程施工安全有非常大的影響，同時(shí)在水資源開(kāi)發(fā)利用、保護(hù)以及溶洞旅游資源開(kāi)發(fā)等方面都顯得十分必要。近年來(lái)，反向模擬技術(shù)在建武向斜地下水系統(tǒng)劃分[1]、重慶南北溫泉間水力聯(lián)系研究[2]、圓梁山隧道巖溶發(fā)育強(qiáng)度研究[3]、向斜型蓄水構(gòu)造地下水徑流模式研究[4]等方面的研究應(yīng)用取得了良好的成效。

在宜賓市巡司場(chǎng)不到1 km2的范圍內(nèi)出露了小魚洞、大魚洞、涼風(fēng)洞、冒水井等水點(diǎn)，以及巡司溫泉、鹽井溫泉等溫?zé)崴c(diǎn)[5]，其中小魚洞和涼風(fēng)洞為暗河出口，且涼風(fēng)洞地下水為當(dāng)?shù)匾患?jí)保護(hù)飲用水源。區(qū)域內(nèi)地下水露頭密集，類型多樣，而巡司場(chǎng)為宜賓市巖溶旅游開(kāi)發(fā)重鎮(zhèn)，擬建的筠連-巡司快速通道線路將從該區(qū)域穿越，所以對(duì)該區(qū)域內(nèi)的地下水研究尤為重要。本文將利用各泉點(diǎn)水化學(xué)組分、同位素等資料進(jìn)行地下水動(dòng)力的初步分析，同時(shí)運(yùn)用水文地球化學(xué)反向模擬技術(shù)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以求準(zhǔn)確查明地下水徑流路徑。

1區(qū)域地質(zhì)概況

巡司場(chǎng)位于四川南部宜賓市境內(nèi)，區(qū)域上屬于四川盆地南緣山地與云貴高原過(guò)渡帶。區(qū)域內(nèi)地下水均在巡司場(chǎng)附近匯入巡司河內(nèi)，屬長(zhǎng)江支流南廣河水系。

研究區(qū)屬揚(yáng)子準(zhǔn)臺(tái)地、四川中坳陷區(qū)川東南褶皺束，北東向構(gòu)造帶內(nèi)。發(fā)育有多組大型褶皺及斷層構(gòu)造，其中對(duì)本次研究有重要影響的為沐愛(ài)復(fù)式向斜、巡司場(chǎng)背斜以及巡司-天臺(tái)寺斷層，見(jiàn)圖1。

圖1研究區(qū)構(gòu)造綱要圖

Fig.1Schematic diagram of structure in the study area

區(qū)域內(nèi)出露地層主要為志留系、二疊系、三疊系及第四系地層。其中第四系以全新統(tǒng)沖洪積、殘坡積為主。三疊系地層以雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、砂泥巖等為主；二疊系地層以宣威組砂泥巖夾煤層、峨眉山玄武巖、陽(yáng)新灰?guī)r及梁山組碳質(zhì)頁(yè)巖夾煤線等為主，志留系以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖為主。

區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖地層主要為二疊系下統(tǒng)陽(yáng)新組（P1y）灰?guī)r，以巡司-天臺(tái)寺斷層為界，斷層以北，區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖大面積分布，其中古樓壩及巡司場(chǎng)部分有第四系地層覆蓋；斷層以南，碳酸鹽巖呈南北向條帶狀分布。陽(yáng)新組為質(zhì)純灰?guī)r，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地表一般形成峰叢-洼地、峰叢-谷地、巖溶峽谷，并且洼地?cái)?shù)量多，規(guī)模大，地下多發(fā)育有大型溶洞，并構(gòu)成樹(shù)枝狀、放射狀的地下管道系統(tǒng)。

2研究區(qū)水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)共有巖溶水點(diǎn)14個(gè)，分布于河流、溪溝以及坡腳處陽(yáng)新組（P1y）灰?guī)r條帶內(nèi)，見(jiàn)見(jiàn)圖2。從平均出露高程來(lái)看，南部地下水約500 m；北部則約為470 m，主要出露于古樓壩洼地西側(cè)沿線坡腳地帶；巡司河為區(qū)域地下水排泄基準(zhǔn)面，其平均高程為418 m。

圖2巡司場(chǎng)巖溶水點(diǎn)分布示意圖

Fig.2Distribution of Karst water in Xunsichang area

區(qū)內(nèi)地下水流量差異較大，部分水點(diǎn)隨季節(jié)變化，水溫主要集中在16 ℃～18 ℃，熱水溫度最高52 ℃。黃金壩一帶為區(qū)域地下水集中排泄區(qū)，但各泉點(diǎn)礦化度各不相同，小魚洞礦化度為954 mg/L，涼風(fēng)洞礦化度為175 mg/L，而巡司溫泉和鹽井溫泉的礦化度高達(dá)5 795～6 962 mg/L?？梢?jiàn)地下水礦化度由灰?guī)r條帶南端和西側(cè)向北東方向逐漸增大。

研究區(qū)內(nèi)主要巖溶水點(diǎn)出露特征以及各泉點(diǎn)水化學(xué)組分和礦物飽和指數(shù)情況見(jiàn)表1，表2。

3地下水徑流路徑分析

3.1水化學(xué)組分分析

由表2分析可知，排泄區(qū)各巖溶泉點(diǎn)水化學(xué)組分差異較大：S08、S10為熱水，其水化學(xué)組分與其余泉點(diǎn)水化學(xué)組分具有明顯差異，為一單獨(dú)水化學(xué)系統(tǒng)；S14、S05水化學(xué)組分近乎一致，推測(cè)兩者屬于同一地下水系統(tǒng)；S04中各項(xiàng)水化學(xué)組分含量均介于以上2個(gè)地下水系統(tǒng)之間，獨(dú)立成為一個(gè)地下水系統(tǒng)?？梢?jiàn)，雖然黃金壩地區(qū)為研究區(qū)內(nèi)地下水集中排泄區(qū)，但各排泄點(diǎn)屬不同地下水系統(tǒng)。

3.1.1溫泉水系統(tǒng)分析

黃金壩地區(qū)溫泉水主要來(lái)自于其南東面陽(yáng)新組灰?guī)r中的巖溶水，通過(guò)沐愛(ài)向斜軸部向北運(yùn)移形成，受控于沐愛(ài)復(fù)式向斜承壓的古巖溶水蓄水構(gòu)造，為深循環(huán)水[6]。從表2可知，溫泉水S08、S10中 SIC、SID值>0，SIG值<0，表明水中方解石和白云石過(guò)飽和，但還可以繼續(xù)溶解石膏，說(shuō)明地下水徑流作用時(shí)間較長(zhǎng)，循環(huán)條件較弱，交替緩慢，地下水與巖石相對(duì)作用時(shí)間較長(zhǎng)，并混有深部鹵水，這也是其礦化度表現(xiàn)較高的原因[7]。巡司場(chǎng)溫泉水文地質(zhì)剖面示意圖見(jiàn)圖3[8]。

圖3巡司場(chǎng)溫泉水文地質(zhì)剖面示意圖

Fig.3Crosssectional hydrogeology of hot springs in Xunsichang area

3.1.2冷水系統(tǒng)水化學(xué)分析

研究區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給區(qū)主要為可溶巖條帶南部以及古樓壩洼地，即地下水來(lái)自于排泄區(qū)以南和以西兩個(gè)方向。根據(jù)其他各泉點(diǎn)水化學(xué)組分含量資料，S02、S06中各水化學(xué)組分含量普遍高于S15、S09，分別與小魚洞暗河出口S04和涼風(fēng)洞暗河出口S05間水化學(xué)組分含量關(guān)系相同，所以S02、S06屬于小魚洞暗河，S15、S09屬于涼風(fēng)洞暗河。由此可推測(cè)小魚洞暗河走向?yàn)榻鼥|西向，其徑流路徑為：自S03進(jìn)入地下，經(jīng)S06到達(dá)S04排泄轉(zhuǎn)為地表水，匯入巡司河；涼風(fēng)洞暗河走向?yàn)榻媳毕?，其徑流路徑為：自S15進(jìn)入地下，經(jīng)S09到達(dá)S05、S14排泄轉(zhuǎn)為地表水，匯入巡司河。

3.2同位素分析

大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素組成隨海拔高程的變化而有規(guī)律的變化，此即高程效應(yīng)[9]。高程越高，δD、δ18O值則越低，而且高程與δD、δ18O之間存在很好的線性關(guān)系。利用這一特點(diǎn)，可計(jì)算地下水系統(tǒng)的平均入滲補(bǔ)給高程[10]。根據(jù)研究區(qū)巖溶水點(diǎn)18O的高度效應(yīng)，推算其補(bǔ)給高程見(jiàn)表3。

根據(jù)表3可知，S10補(bǔ)給高程約為990 m，高于巡司河左岸可溶巖出露高程100～150 m，所以溫泉水補(bǔ)給區(qū)位于巡司河右岸，再次驗(yàn)證了溫泉水來(lái)自于南東面沐愛(ài)向斜的深部循環(huán)水的觀點(diǎn)。S05、S14補(bǔ)給高程為570～600 m，S04、S06補(bǔ)給高程為480～530 m，前者補(bǔ)給高程范圍明顯高于后者，說(shuō)明兩者補(bǔ)給來(lái)源不同，分別屬于不同暗河系統(tǒng)，與水化學(xué)組份分析結(jié)果一致。同時(shí)根據(jù)同位素富集程度δD、δ18O值的變化，S06至S04以及S05至S14過(guò)程中δ值均在減小，這與地下水徑流路徑一致。S04為小魚洞暗河水出口，由于其位置靠近溫泉水排泄位置，在出口處混合有溫泉水，故其δD、δ18O值在從S06徑流至該位置過(guò)程中發(fā)生較大變化。

4水文地球化學(xué)模擬

根據(jù)巡司場(chǎng)各巖溶水點(diǎn)水化學(xué)特征，本次研究采用了美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開(kāi)放式軟件Phreeqc（Interactive 2.8）分別對(duì)小魚洞暗河、涼風(fēng)洞暗河地下水系統(tǒng)進(jìn)行地球化學(xué)反向模擬，同時(shí)對(duì)巡司場(chǎng)溫泉水系統(tǒng)與兩暗河水間關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，從而確定各地下水系統(tǒng)徑流路徑。

4.1模擬路徑選擇

如前文分析，涼風(fēng)洞暗河、小魚洞暗河分別屬于不同地下水系統(tǒng)，各自獨(dú)立。模擬過(guò)程選取了小魚洞暗河系統(tǒng)中S02、S06、S04，和涼風(fēng)洞暗河系統(tǒng)中S15、S09、S05、S14，以及溫泉水S08、S10作為此次模擬的代表性泉點(diǎn)。其中小魚洞暗河地下水系統(tǒng)模擬路徑為：S02→S06、S02→S04、S06→S04，涼風(fēng)洞暗河地下水系統(tǒng)模擬路徑為：S15→S09、S09→S05、S15→S05、S15→S014、S09→S14，溫泉水系統(tǒng)模擬路徑為：S06→S08、S06→S10、S09→S08、S09→S10、S02→S08、S02→S10、S15→S08、S15→S10[11]。

4.2模擬參數(shù)選擇

根據(jù)研究區(qū)地層特征和不斷調(diào)試，最終選取的可能發(fā)生的礦物相有：石鹽、石膏、白云石、方解石、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、高嶺石和蒙脫石。由于陽(yáng)新組碳酸鹽巖直接裸露于地表，為開(kāi)放一半開(kāi)放體系，地下水中有游離CO2存在，故將CO2（g）作為一個(gè)可用礦物相[12]。模擬的初始水溫和終止水溫以及pH值、水化學(xué)常量組分均以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)，不確定度設(shè)置為0.08[4]。

4.3模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果顯示，在設(shè)定的礦物相和不確定度條件下，小魚洞暗河地下水系統(tǒng)和涼風(fēng)洞暗河地下水系統(tǒng)初始溶液及終止溶液的混合比為1∶1，說(shuō)明其路徑成立。在涼風(fēng)洞暗河路徑上，初始溶液中方解石未達(dá)到飽和狀態(tài)，在地下水流動(dòng)過(guò)程中，溶解了CO2，使方解石繼續(xù)溶解，在涼風(fēng)洞暗河出口處地下水中達(dá)到飽和[13]。小魚洞暗河系統(tǒng)和涼風(fēng)的暗河系統(tǒng)各模擬路徑礦物轉(zhuǎn)化量見(jiàn)表4。（表中“+”表示溶解，“-”表示沉淀）：

由模擬結(jié)果可知，沿小魚洞暗河地下水系統(tǒng)路徑，方解石、鈉長(zhǎng)石和蒙脫石發(fā)生了沉淀，石鹽、石膏、白云石和CO2發(fā)生了溶解。而涼風(fēng)洞暗河地下水系統(tǒng)中，沿水流路徑S15→S09和S15→S05，發(fā)生了蒙脫石的沉淀，同時(shí)發(fā)生了方解石、石膏、CO2等的溶解；沿水流路徑S15→S14和S09→S14，發(fā)生了方解石、鈉長(zhǎng)石、高嶺石和CO2的沉淀，同時(shí)發(fā)生了白云石和蒙脫石的溶解；沿路徑S09→S05發(fā)生了高嶺石的溶解[14]。

小魚洞暗河地下水系統(tǒng)路徑的水-巖反應(yīng)模型可以寫為：

Ca2+ + HCO3-=CaCO3+H+

CO2+H2O=H2CO3

H2CO3= H++ HCO3-

CaSO4=Ca2++ SO42-

CaMg（CO3）2+2H+=Ca2++Mg2++2HCO3-

方解石的沉淀和CO2的溶解產(chǎn)生H+，雖然白云石溶解消耗了一部分的H+，但其消耗量小于產(chǎn)生的H+，故體系中H+總量在增加，pH值降低[15]，同時(shí)石膏和白云石的溶解使得系統(tǒng)中Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42- 含量在增加，模擬結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果（表2）一致。

涼風(fēng)洞暗河地下水系統(tǒng)路徑的水-巖反應(yīng)模型可以簡(jiǎn)單寫為：

CO2+H2O=H2CO3

H2CO3=H++HCO3-

CaSO4=Ca2++SO42-

CaCO3+H+=Ca2++ HCO3-

CO2的溶解產(chǎn)生H+，方解石的溶解雖然消耗了一部分的H+，但通過(guò)表4可知，方解石的溶解量小于CO2的溶解量，故整個(gè)系統(tǒng)中H+總量在增加，PH值降低，同時(shí)方解石、石膏的溶解使得系統(tǒng)中Ca2+、HCO3-、SO42- 含量在增加，模擬結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果（表2）一致。

在巡司場(chǎng)溫泉地下水系統(tǒng)的路徑模擬中，在給定的“可能礦物相”和不確定度條件下，經(jīng)過(guò)Phreeqc模擬計(jì)算，各路徑混合比平均約為0.9∶1，顯示其路徑成立。但根據(jù)水化學(xué)組分以及同位素分析，巡司場(chǎng)溫泉水主要來(lái)自于其南東面威信大背斜北翼鎮(zhèn)州一帶之陽(yáng)新組灰?guī)r中的巖溶水，通過(guò)沐愛(ài)向斜軸部向北運(yùn)移形成，所以溫泉水與兩暗河系統(tǒng)互為獨(dú)立系統(tǒng)。通過(guò)Phreeqc模擬的結(jié)果顯示其路徑成立，是由于溫泉水的補(bǔ)給源來(lái)自于陽(yáng)新組灰?guī)r中，其初始水化學(xué)成分與模型中所給出的初始溶液類似。因此，雖然能夠計(jì)算出成立的模擬路徑，但實(shí)際上溫泉水與兩暗河間不存在直接聯(lián)系。

5結(jié)論

（1）根據(jù)研究區(qū)內(nèi)各巖溶水點(diǎn)水化學(xué)組分資料，可以初步確定研究區(qū)內(nèi)地下水徑流路徑，分別為：小魚洞暗河起點(diǎn)為古樓壩大洞灣，徑流路徑為自西向東；涼風(fēng)洞暗河起點(diǎn)為龍碗消洞，徑流路徑為自南向北；而溫泉水補(bǔ)給區(qū)位于巡司河右岸東南面鎮(zhèn)州一帶，沿沐愛(ài)向斜徑流至巡司河順斷層出露。

（2）利用地下水的化學(xué)反應(yīng)路徑模擬方法，對(duì)巡司場(chǎng)暗河路徑進(jìn)行了驗(yàn)證，模擬結(jié)果與利用水化學(xué)以及同位素資料分析所得結(jié)果近乎一致，表明涼風(fēng)洞暗河系統(tǒng)與小魚洞暗河系統(tǒng)路徑成立。

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