香溪河巖溶流域水文地球化學(xué)特征分析

周 彬，羅朝暉，周 宏，劉 建

(1．中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430074; 2．中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北武漢430074)

香溪河巖溶流域水文地球化學(xué)特征分析

周 彬1，羅朝暉1，周 宏2，劉 建2

(1．中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430074; 2．中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北武漢430074)

湖北宜昌香溪河流域碳酸鹽巖分布廣泛，巖溶地下水是當(dāng)?shù)鼐用竦闹匾┧畞碓?，研究地下水水化學(xué)組成的形成及內(nèi)在規(guī)律，對當(dāng)?shù)氐叵滤侠黹_發(fā)利用具有重要意義。以巖溶水為重點研究對象，并結(jié)合與巖溶水聯(lián)系密切的降水、相鄰非碳酸鹽巖地下水、地表水，分析了香溪河流域水文地球化學(xué)特征。結(jié)果表明:研究區(qū)降水屬于礦化度和硬度均低的弱酸性水，具有較強的侵蝕作用;研究區(qū)地表水化學(xué)組成是地層巖性比例的反映，干流受農(nóng)業(yè)影響大而受工業(yè)活動影響小;受山區(qū)地形控制，研究區(qū)地下水礦化度較低，礦化度主要集中在150～300 mg/L，并受地層巖性影響，碳酸鹽巖裂隙水、巖漿巖裂隙水與碎屑巖裂隙水化學(xué)組成有所差異，總體來說水化學(xué)類型以HCO3-Ca型、HCO3-Ca+Mg型和HCO3-Mg+Ca型為主，同時受降水和溫度影響，不同季節(jié)礦物溶解特點不一，地下水水質(zhì)受農(nóng)業(yè)藥物影響程度較低。

香溪河巖溶流域;水化學(xué)特征;時空分布特征;月動態(tài)變化

西南巖溶地區(qū)包括云南、貴州、廣西、湖南、四川、重慶、湖北、廣東8個省(區(qū)、市)，巖溶面積約78萬km2［1］，巖溶地下水是這些地區(qū)生產(chǎn)、生活用水的重要來源。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人類活動對地下水的影響日漸明顯，巖溶區(qū)水資源匱乏、水環(huán)境破壞等生態(tài)問題受到越來越多的關(guān)注［2］。

地下水在循環(huán)過程中不斷與周圍介質(zhì)相互作用，從而形成含有各種組分的溶液。地下水化學(xué)組成既是地下水水質(zhì)評價的重要內(nèi)容，也是研究地下水循環(huán)和演化的重要手段［3］。地下水水化學(xué)特征研究能反映巖溶含水系統(tǒng)的運行機制，并為水動力方法提供輔助［5］。香溪河巖溶流域位于川東鄂西南山區(qū)，降雨時空差異很大，加上碳酸鹽巖分布廣泛，形成巖溶區(qū)“土在樓上，水在樓下”的分布格局［4］。研究流域內(nèi)地下水化學(xué)特征的時空分布特征，揭示地下水水化學(xué)組成的形成及內(nèi)在規(guī)律，對香溪河流域地下水合理開發(fā)利用具有重要意義［6］。

1 香溪河流域概況

1．1 自然地理條件

香溪河流域位于鄂西山區(qū)，是三峽大壩上游長江北岸的第一條大支流，流域全長為97．3 km，流域面積為3 211 km2，由高嵐河、古夫河、南陽河流域組成。研究區(qū)地處我國二級階梯向三級階梯的過渡帶，總體地勢北高南低，地形高低懸殊，小氣候特征明顯。境內(nèi)年均氣溫為15．3℃，多年平均降雨量為1 100 mm，降雨主要集中在5～9月，且夏季雨水豐沛，占全年降水量的41%，春、秋、冬季分別占28%，26%和5%，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。

1．2 地質(zhì)條件

香溪河流域大地構(gòu)造位置屬揚子準(zhǔn)地臺北緣處，西北部為神農(nóng)架斷穹，西南為秭歸向斜，東南為黃陵斷穹。流域內(nèi)地層出露較齊全，自太古界水月寺群變質(zhì)巖至第四系松散巖類，除缺失石炭系、白堊系地層外，其他地層均有出露。前震旦系地層主要分布于流域西北部及東南部，流域東南部分布有少量水月寺群變質(zhì)巖地層;巖漿巖主要為分布于流域東南部的黃陵背斜處，黃陵背斜核部主體為侵入巖體，巖性主要為斜長花崗巖、二長花崗巖、石英閃長巖等;震旦系至三疊系地層是一套濱海-淺海相碳酸鹽巖及碎屑巖地層，主要分布于流域中部及東部，其中奧陶系，二疊—三疊系地層巖性以灰?guī)r為主，震旦系、寒武系地層以白云巖為主;侏羅系地層為內(nèi)陸湖相沉積，巖性為砂巖、礫巖，主要分布于香溪河西岸的秭歸向斜。

1．3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水的賦存埋藏條件和分布規(guī)律，香溪河流域地下水類型可劃分松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水和基巖裂隙水三大類。松散巖類孔隙水分布極少，主要出露于河流谷地、巖溶洼地;碳酸鹽巖類巖溶水可細(xì)分為碳酸鹽巖溶洞裂隙水和碳酸鹽巖夾碎屑巖溶洞裂隙水，是區(qū)域內(nèi)分布最廣的地下水類型，水資源總量占比大，具有較大的供水意義;基巖裂隙水可細(xì)分為碎屑巖風(fēng)化裂隙水和巖漿巖、變質(zhì)巖風(fēng)化裂隙水，主要分布于流域東南部、西北部。

圖1 香溪河流域水文地質(zhì)略圖Fig．1 Hydrogeological sketch of Xiangxi River basin

香溪河流域內(nèi)非碳酸鹽巖主要包括碎屑巖和巖漿巖，碳酸鹽巖主要分布于震旦—三疊系地層，由牛蹄塘組和石牌組、志留系地層形成的較為完整連續(xù)的隔水層將該流域劃分為三大巖溶含水系統(tǒng)類型:震旦系巖溶含水系統(tǒng)、寒武—奧陶系巖溶含水系統(tǒng)和二疊—三疊系巖溶含水系統(tǒng)，三大巖溶含水系統(tǒng)的地下水多為溶洞裂隙水，系統(tǒng)之間水力聯(lián)系微弱。圖2為圖1中C-C'所示的典型水文地質(zhì)剖面圖。

圖2 香溪河流域典型水文地質(zhì)剖面圖Fig．2 Typical hydrogeological section of Xiangxi River basin

非碳酸鹽巖中發(fā)育的構(gòu)造裂隙是地下水賦存和徑流的主要介質(zhì)空間，地表數(shù)米風(fēng)化殼內(nèi)孔隙、裂隙也為地下水提供了運移通道，大氣降雨沿斷裂、裂隙及風(fēng)化帶滲入，補給碎屑巖、巖漿巖含水層;另外，與巖溶含水層相鄰的部位也可能存在側(cè)向補給，碎屑巖裂隙水、巖漿巖裂隙水主要賦存于風(fēng)化帶中，多為近源分散排泄，泉點多而流量小，動態(tài)變化受降雨影響明顯，也有部分裂隙水側(cè)向排泄至相鄰碳酸鹽巖含水層。

碳酸鹽巖區(qū)地下水的補給來源主要為大氣降雨，臺原型溶丘洼地地貌區(qū)，雨水直接通過巖溶槽谷、洼地、落水洞形成負(fù)地形灌入式補給地下水，地下水沿溶蝕裂隙、巖溶管道等構(gòu)成的導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)流動，徑流速度快而徑流途徑短，常在排泄區(qū)溶洞、地下暗河出露流量較大的巖溶泉，泉流量對降雨響應(yīng)快、變化幅度較大，雨停后則逐漸恢復(fù)常態(tài);溶蝕侵蝕中山山地地貌區(qū)地形切割強烈，降雨通過溶溝、溶槽及小型巖溶裂隙滲入式補給地下水，地下水主要沿巖溶裂隙流動，在碳酸鹽巖與相對隔水層接觸部位以小泉的形式分散排泄。

2 樣品采集與測試

2．1 樣品采集與保存

2013—2016年期間，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)“湖北宜昌香溪河巖溶流域水文地質(zhì)調(diào)查”項目組系統(tǒng)采集了流域內(nèi)降雨、冰雪融水、泉水以及香溪河支流典型斷面地表水樣品，主要分布于香溪河子流域高嵐河及古夫河流域內(nèi)，采樣點分布詳見圖1。本文共收集305個樣品數(shù)據(jù)，另外為了研究震旦系含水巖組、寒武—奧陶系含水巖組和二疊—三疊系含水巖組地下水化學(xué)動態(tài)變化規(guī)律，2015年3～12月每月采集了峽口附近巖屋泉、仙女泉、屈原泉水樣。

采集水樣容器為600 mL純凈水瓶，現(xiàn)場用水樣涮洗3次后裝滿。當(dāng)日采回的水樣用孔徑0．45 μm的醋酸纖維膜過濾后，分裝于2個處理過的50 mL PET瓶中，其中用于陽離子測試分析的樣品用純HNO3酸化至pH＜2，而用于陰離子測試分析的樣品不予處理。

2．2 樣品測試

水化學(xué)樣品的測定在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)分析測試中心完成。其中等陰離子采用戴安離子色譜儀(ICS1100或ICS2100)測試，采用酸堿滴定法測試;等陽離子采用賽默飛電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES，ICAP6300)測試。

3 結(jié)果與分析

3．1 大氣降水化學(xué)組成及其來源

大氣降水是香溪河流域地下水的主要補給來源，其組成直接影響地下水的成分及侵蝕能力。2013—2015年對香溪河流域降水經(jīng)過數(shù)次采樣，經(jīng)分析測試結(jié)果表明:大氣降水pH值為5～6，電導(dǎo)率值為40～78 μS/cm，屬于礦化度和硬度均低的弱酸性水，對碳酸鹽巖的溶解能力較強。此外，測得雨雪中主要離子含量見表1。

表1 香溪河流域多次降水各離子含量均值(mg/L)Table 1 Average concentrations of the ions in wet precipitation of Xiangxi River basin(mg/L)

3．2 典型地表水?dāng)嗝婊瘜W(xué)特征和控制因素

地表水與地下水間存在物質(zhì)和能量的交換，研究其化學(xué)特征對了解地表水與地下水的補排關(guān)系具有重要意義。2015年3～12月每月對香溪河典型河流斷面高家坪、涼傘河、孔子峽、石家壩進行采樣測試。典型地表水?dāng)嗝鎱R水區(qū)內(nèi)不同巖類占比見表2。因變質(zhì)巖在所選取的地表水?dāng)嗝鎱R水區(qū)內(nèi)面積占比較小，且少有泉點出露，因此未對其進行深入分析。

Na+主要來源于肥料、硅酸鹽溶解主要來源于灰?guī)r、白云巖等礦物的溶解，用Ca2+/關(guān)系圖可以較好地反映地表水中物質(zhì)來源(見圖3)。由圖3可以看出:以碳酸鹽巖地層為主的涼傘溝落于左上方，以巖漿巖地層為主的高家坪、魯家河地表水則落在左下角區(qū)域，分別靠近碳酸鹽巖和硅酸鹽巖兩個端元;石家壩、孔子峽斷面地表水則處于中部，存在硅酸鹽地表水和碳酸鹽地表水混合，并且隨著巖漿巖在流域不同斷面比例升高，相應(yīng)地表水?dāng)嗝骐x子組成在圖上投點越靠近硅酸鹽巖水端元。香溪河河水中主離子濃度十分接近匯水范圍內(nèi)地下水中離子濃度各采樣點，可見香溪河地表水化學(xué)組成是流域內(nèi)不同巖性面積比例的反映，不同斷面地表水的補給來源不同，其化學(xué)組成也不相同。

表2 典型地表水?dāng)嗝鎱R水區(qū)內(nèi)不同巖類面積占比(%)Table 2 Proportion of different kinds of rock in typical surface water catchment areas(%)

3．3 不同類別地下水化學(xué)組成和分類

采用地下水舒卡列夫分類與TDS關(guān)系圖能很好地反映香溪河流域地下水的基本特點，見圖4。

由圖4可見，研究區(qū)地下水礦化度(TDS)均在500 mg/L以下，主要集中在150～300 mg/L，不同TDS地下水化學(xué)組成也略有差異;地下水主要水化學(xué)類型為HCO3-Ca型、HCO3-Ca+Mg型、HCO3-Mg +Ca型，少量為HCO3+SO4-Ca型、HCO3+SO4-Ca +Mg型、HCO3+SO4-Na型等其他水型?？傮w來說，研究區(qū)地下水中離子含量普遍較低，地下水化學(xué)類型簡單，顯示以溶濾作用為主的潛水特征;山區(qū)由于地形起伏，地下水無論垂向入滲還是水平運動均比較快，相應(yīng)水-巖相互接觸的時間短，因此進入地下水中的物質(zhì)數(shù)量相應(yīng)較少，流域內(nèi)碳酸鹽巖分布廣，巖溶水比例高。

圖3 地表水中Ca2+/Na+與/Na+和/Na+與/Na+的關(guān)系圖Fig．3 Ca2+/Na+vs．/Na+and/Na+vs/Na+in surface water

圖4 地下水舒卡列夫分類與TDS的關(guān)系圖Fig．4 Chemical classification of Shukalief vs．TDS of the groundwater

地下水Piper三線圖可以揭示地下水中主要離子相對豐度和分布特征，在了解水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，將一個地區(qū)的不同類型的地下水水樣標(biāo)在圖上，可以分析不同類別地下水化學(xué)特征、控制因素、演變規(guī)律等一系列問題［12］。研究區(qū)不同類型地下水Piper三線圖見圖5。由圖5可以看出，研究區(qū)不同類型的地下水樣品落在圖上的區(qū)域不同，具有如下特點:

圖5 不同類型地下水Piper三線圖Fig．5 Piper diagram of groundwater samples of different aquifers

(1)流域內(nèi)巖漿巖地下水化學(xué)組成相對比較復(fù)雜，水化學(xué)類型為HCO3-Ca型、HCO3-Ca+Na+Mg型、HCO3·SO4-Ca+Mg型，地下水礦化度普遍較小，多在100 mg/L以下，且地下水中K+和Na+所占比例多在20%～40%，明顯高于巖溶水和碎屑巖裂隙水，陰離子中仍為陰離子的主要組成，但其所占的百分比較巖溶水明顯下降，這是由于巖漿巖含鉀鹽、鈉鹽礦物較多，經(jīng)水-巖相互作用后，地下水中的毫克當(dāng)量百分比明顯增加。

(2)流域內(nèi)碎屑巖裂隙水水化學(xué)類型多變，主要離子以Ca2+、Mg2+為主，地下水化學(xué)類型以HCO3-Ca+Mg型，HCO3-Ca+Mg型為主，相對于巖溶水K+、Na+及Cl－所占比例更高，這是因為侏羅系地層巖性以砂巖、泥巖為主，賦存于巖層中的水溶解長石類礦物:

但地下水中Ca2+、Mg2+仍占有較高的比例，顯示出碎屑巖鈣質(zhì)膠結(jié)的特點，而含有較高含量的Cl－與土地利用類型有關(guān)，在碎屑巖形成的緩坡地區(qū)常種有大量柑橘、蔬菜等農(nóng)作物，加上地下水埋深較淺，產(chǎn)生的氯鹽易進入地下水中。

(3)巖溶地下水為流域內(nèi)分布最廣的地下水類型，巖溶水主要水化學(xué)類型為HCO3-Ca+Mg型、HCO3-Ca型、HCO3+SO4-Ca+Mg型，流域內(nèi)碳酸鹽巖質(zhì)地較純，Ca2+、Mg2+為巖溶水中的主要陽離子，少量的Na+和K+主要來源于雨水以及局部夾雜的泥頁巖陽離子替換作用，絕大多數(shù)巖溶水中陰離子以為主，毫克當(dāng)量百分比達陰離子的80%以上，少量水點中含較高濃度的

3．4 巖溶地下水化學(xué)組成月動態(tài)變化規(guī)律

巖溶含水介質(zhì)具有高度非均質(zhì)性，地下孔、隙、縫、管、洞并存［13-14］，決定了地下水動態(tài)變化大，對水化學(xué)組成也有很大的影響。利用地下水化學(xué)曲線的變化可以了解地下水化學(xué)組成變化規(guī)律、判斷物質(zhì)來源、反映含水系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)等［15-18］。

屈原泉出露于二疊—三疊系巖溶含水巖組，仙女泉出露于寒武—奧陶系巖溶含水巖組，巖屋泉出露于震旦系巖溶含水巖組，分別為各自所處含水系統(tǒng)中的主要排泄點，豐水期流量分別為140 L/s、80 L/s、20 L/s。圖6為2015年3月至12月期間3個泉中主要離子指標(biāo)月動態(tài)變化曲線。由圖6可以看出:

圖6 巖溶地下水化學(xué)組成月動態(tài)變化圖Fig．6 Monthly dynamic changes of hydrochemical composition of karst groundwater

(2)地下水中K+、Na+主要來源于長石、鹽巖等礦物的溶解。屈原泉中K+、Na+明顯高于其他泉，這是由于二疊系含水層中可能存在相鄰志留系表層崩坡積物中的外源水匯入，志留系地層內(nèi)碎屑巖中受鉀長石、鈉長石溶解作用的影響，使地下水中含較高K+、Na+;巖屋泉與仙女泉中的K+、Na+含量相近，分別為1 mg/L、2 mg/L左右;3個泉中K+、Na+變化趨勢相近，在5～9月較低，平枯期其含量略高于豐水期，反映出冬季鉀鈉鹽巖的溶解作用較強，與冬季降水較少稀釋作用弱且地下水徑流時間較長有關(guān)。

4 結(jié) 論

(1)香溪河流域降水pH值為5～6，電導(dǎo)率值為40～78 μS/cm，屬于礦化度和硬度均低的弱酸性水，對碳酸鹽巖的溶解能力較強。大氣降水中主要化學(xué)成分為酸性離子占一定比例，降水成分是海洋、自然因素和人類活動影響的結(jié)果。地表水化學(xué)特征是流域內(nèi)巖性分布、人類活動的綜合反映，香溪河及其支流不同河段、不同季節(jié)河水的補給來源不同，其河水的化學(xué)組成也不相同，地表水主要受硅酸鹽和碳酸鹽溶解控制，高嵐河干流受農(nóng)業(yè)活動影響，支流相對受人類活動影響小。

(2)研究區(qū)地下水礦化度較低，均在500 mg/L以下，主要集中在150～300 mg/L之間，不同礦化度地下水化學(xué)組成也略有差異;地下水主要水化學(xué)類型為HCO3-Ca型、HCO3-Ca+Mg型、HCO3-Mg+Ca型;受山區(qū)地形及相對隔水層控制，地下水多近源排泄，且徑流速度快，水-巖相互作用時間短，地下水多為低礦化度溶濾水。碳酸鹽巖區(qū)水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg型、HCO3-Ca型，巖漿巖區(qū)裂隙水和侏羅系碎屑巖裂隙水相對于巖溶水具有較高含量的

(3)從研究區(qū)地下水類型差異可以看出，二疊—三疊系巖溶含水巖組主要受方解石溶解的影響，震旦—寒武系巖溶含水巖組則存在方解石和白云石的溶解，硫酸鹽的濃度呈現(xiàn)出枯水期相對豐水期不降反升的特點，這是因為枯水期灰?guī)r的溶解作用減弱，而白云巖及石膏溶解作用加強。總的來說，研究區(qū)不同含水巖組中地下水質(zhì)較穩(wěn)定，受人類活動影響較小，顯示出裂隙網(wǎng)絡(luò)較發(fā)達、蓄水能力較強的特點。

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Analysis of Hydrogeochemical Characteristics of Karst Basin in Xiangxi River

ZHOU Bin1，LUO Zhaohui1，ZHOU Hong2，LIU Jian2
(1．School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan430074，China; 2．Institute of Geological Survey，China University of Geosciences，Wuhan430074，China)

Carbonate rock is widely distributed in Xiangxi River basin of Yichang，Western Hubei．The karst groundwater is an extremely important water source for the local residents．To research the hydrochemical composition and internal rules of groundwater has great significance to the rational development and utilization of the groundwater．Focused on the karst groundwater，this paper analyzes the hydrogeochemical characteristics of karst basin in Xiangxi River in combination with precipitation，groundwater in non-carbonaceous rock and surface water，which are closely linked to karst groundwater．The results show that the precipitation of the study area is weak acid water with low salinity and hardness and of strong erosion．The chemical composition of surface water reflects the lithological distribution，as the main stream is more influenced by agricultural activities than industrial activities．Under the control of the steep terrain，total dissolved solids of the groundwater is low，mainly ranging from 150 to 300 mg/L．Under the control of lithology，there is a sensible difference in hydrochemical composition between water samples collected in carbonate rock，magmatic rock and clastic rock and the Shukalief classification of which are mainly HCO3-Ca type，HCO3-Ca+Mg type and HCO3-Mg+Ca type．Influenced by the precipitation and temperature，seasonal characteristics of the mineral solubility vary．Agricultural activities have little effect on the quality of groundwater．

karst basin of Xiangxi River;hydrochemical characteristics;spatial and temporal distribution characteristics;monthly dynamic change

X142;P641．4

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．002

1671-1556(2016)05-0007-06

羅朝暉(1971—)，男，副教授，主要從事環(huán)境影響評價、水巖相互作用與水化學(xué)方面的研究。E-mail:zhhluo@cug．edu．cn

2016-05-09

2016-07-06

中國地質(zhì)調(diào)查局項目(12120113103800)

周 彬(1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向為巖溶地下水化學(xué)。E-mail:zhoubincug@163．com