應(yīng)用氯量平衡法估算娘子關(guān)泉域典型巖溶區(qū)的降水入滲系數(shù)

申豪勇，梁永平，唐春雷，趙春紅，王志恒

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所/自然資源部廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

降水入滲補(bǔ)給是北方巖溶區(qū)巖溶地下水的主要補(bǔ)給源，有時(shí)甚至是唯一的補(bǔ)給源。據(jù)梁永平等的研究成果[1]，在北方巖溶區(qū)已劃分的119個(gè)巖溶地下水系統(tǒng)中，有62個(gè)巖溶地下水系統(tǒng)降水入滲補(bǔ)給是其唯一的補(bǔ)給源。因此，準(zhǔn)確估算巖溶地區(qū)的降水入滲系數(shù)、合理評(píng)價(jià)降水入滲補(bǔ)給量，對(duì)于評(píng)價(jià)巖溶地區(qū)地下水資源量、制定巖溶地下水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用方案、分析北方巖溶地區(qū)巖溶大泉的流量衰減或斷流問(wèn)題[2]具有重要的意義。

估算降水入滲補(bǔ)給量的方法很多，大致可歸納為：直接測(cè)定法、水均衡法、零通面法、地下水位動(dòng)態(tài)法、同位素示蹤法和地下水?dāng)?shù)值模擬法等[3]，但是在干旱-半干旱氣候條件下的北方巖溶地區(qū)，由于特殊的含水介質(zhì)、厚層的包氣帶、強(qiáng)烈的蒸發(fā)或蒸騰作用等，使得一些常規(guī)的估算方法不具有普適性，如直接觀測(cè)法和零通面法由于巖溶介質(zhì)中無(wú)法安裝相應(yīng)的儀器而無(wú)法使用。而由于氯離子的高溶解性和穩(wěn)定性使得氯量平衡法在估算降水入滲補(bǔ)給量方面成為了一種非常方便、有效的方法，目前國(guó)內(nèi)外的很多專家和學(xué)者都用該方法估算降水入滲補(bǔ)給量或包氣帶的水分運(yùn)移[4～7]。本文嘗試?yán)寐攘科胶夥ü浪隳镒雨P(guān)泉域內(nèi)典型巖溶區(qū)的降水入滲系數(shù)，以期用不同的方法估算巖溶地區(qū)的降水入滲系數(shù)，為娘子關(guān)泉域巖溶地下水資源評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)的參數(shù)，為北方巖溶同類地區(qū)氯量平衡法的推廣應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)概況

娘子關(guān)泉出露于山西省陽(yáng)泉市桃河與溫河的匯集地段，泉水由11個(gè)主要的泉組組成，1956—2008年，泉群多年平均流量為10.4 m3/s，泉域的面積約7 436 km2，是我國(guó)北方著名的巖溶大泉。泉域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，1956—2008年平均降水量為533.19 mm，年內(nèi)降水高峰出現(xiàn)在6—9月，年平均氣溫10.9 ℃，多年平均水面蒸發(fā)量1 202 mm[6]。

泉域內(nèi)主要的巖溶含水巖組為早古生代寒武系—奧陶系碳酸鹽巖含水巖組，巖溶地下水的主要補(bǔ)給源為碳酸鹽巖裸露區(qū)和覆蓋區(qū)的降水入滲補(bǔ)給和地表河流在碳酸鹽巖裸露段的滲漏補(bǔ)給[7]。根據(jù)泉域內(nèi)最新的巖溶水資源評(píng)價(jià)結(jié)果[8]，天然補(bǔ)給資源量為3.62×108m3/a，其中，降水入滲補(bǔ)給量為2.94×108m3/a，占總補(bǔ)給資源量的81.2%；河流的滲漏補(bǔ)給量為0.63×108m3/a，占總補(bǔ)給資源量的17.4%。由此可以看出，降水入滲補(bǔ)給是娘子關(guān)泉域巖溶地下水的主要補(bǔ)給源。

娘子關(guān)泉作為北方著名的巖溶大泉，其研究程度較高，從20世紀(jì)70年代到現(xiàn)在，一直有科研機(jī)構(gòu)或?qū)＜覍W(xué)者從不同的角度或不同的時(shí)間段對(duì)其進(jìn)行科學(xué)研究。以娘子關(guān)泉域巖溶地下水系統(tǒng)和碳酸鹽巖地區(qū)降水入滲系數(shù)的研究為例，從表1可以看出，1975—2017年，不同時(shí)期和不同學(xué)者所圈閉的娘子關(guān)泉域巖溶地下水系統(tǒng)面積差別較大，最早的泉域面積為2 600 km2，到目前圈定的泉域面積已達(dá)7 436 km2，面積擴(kuò)大了2.86倍。隨著資料的積累和水文地質(zhì)調(diào)查精度的提高，對(duì)娘子關(guān)泉域巖溶地下水系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)更接近于實(shí)際的水文地質(zhì)條件。綜合分析已有的研究成果，造成不同時(shí)期巖溶地下水系統(tǒng)面積不一致的原因主要有兩個(gè)：一是隨著水文地質(zhì)調(diào)查精度的提高，對(duì)以往不確定的泉域邊界進(jìn)行了重新的厘定；二是強(qiáng)烈的人為活動(dòng)改變了原有的泉域邊界，如娘子關(guān)泉域南部與辛安泉域的地下水分水嶺邊界會(huì)隨著兩個(gè)泉域巖溶地下水開(kāi)采量的變化而移動(dòng)。在研究碳酸鹽巖地區(qū)降水入滲系數(shù)時(shí)，目前基本上都采用水均衡的方法研究，不同時(shí)期估算的降水入滲系數(shù)隨著時(shí)間的推移逐漸變小(表1)。究其原因，利用地下水均衡原理估算地下水入滲補(bǔ)給量時(shí)，在娘子關(guān)泉域面積不斷擴(kuò)大尤其是碳酸鹽巖裸露區(qū)面積擴(kuò)大的條件下，通過(guò)入滲補(bǔ)給面積反推得到的降水入滲補(bǔ)給系數(shù)會(huì)不斷變小。因此，在泉域巖溶水文地質(zhì)條件沒(méi)有研究清楚的情況下，采用地下水均衡法估算降水入滲系數(shù)會(huì)存在明顯的不確定性，采用不同的方法估算降水入滲系數(shù)，并進(jìn)行互相驗(yàn)證就顯得尤為必要。

表1 不同時(shí)期娘子關(guān)泉域巖溶地下水系統(tǒng)的面積及降水入滲系數(shù)

2 研究方法

氯量平衡法(CMB)是基于降水在轉(zhuǎn)化為包氣帶水或地下水的過(guò)程中，利用氯離子的質(zhì)量守恒原理來(lái)估算降水入滲補(bǔ)給量的方法。1969年Eriksson和Khunakasem[15]用地下水中氯離子濃度估算了以色列海岸平原的降水入滲補(bǔ)給量，但該方法在此后并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，主要是由于Eriksson沒(méi)有給出明確的氯量平衡法估算降水入滲補(bǔ)給量的物理方程式；1978年，Allison和Hughes[16]將該方法應(yīng)用于非飽和帶土壤水的運(yùn)移補(bǔ)給規(guī)律研究中，并提出了非飽和帶中氯量平衡法估算入滲補(bǔ)給量的公式；Wood和Sanford[17]假設(shè)地下水中獲得的氯離子通量在長(zhǎng)期條件下是穩(wěn)定的等條件下，提出了飽和帶氯量平衡法估算降水入滲補(bǔ)給量的物理方程式(式1)，該方程式簡(jiǎn)便、適用，在此之后，氯量平衡法得到了廣泛的應(yīng)用[18]。

(1)

式中：R——降水入滲補(bǔ)給量/mm；

P——多年平均降水量/mm；

Clp——降水中氯離子濃度/(mg·L-1)；

Clgw——地下水中氯離子濃度/(mg·L-1)。

應(yīng)用式(1)估算降水入滲補(bǔ)給量的假設(shè)條件為：(1)降水和大氣干沉降是地下水中氯離子的唯一來(lái)源；(2)在降水入滲補(bǔ)給過(guò)程和地下水的循環(huán)過(guò)程中，氯離子是穩(wěn)定的，不被植被吸收或巖土吸附，不參與水巖作用；(3)長(zhǎng)期條件下研究區(qū)內(nèi)的降水量和其中的氯離子濃度是比較穩(wěn)定的，不發(fā)生劇烈的變化?；谝陨霞僭O(shè)條件，可使用該方法，但該方法的應(yīng)用條件比較苛刻。

3 典型區(qū)選擇

娘子關(guān)泉域巖溶地下水的降水入滲補(bǔ)給主要發(fā)生在碳酸鹽巖裸露區(qū)和覆蓋區(qū)，根據(jù)氯量平衡法估算降水入滲補(bǔ)給量的假設(shè)條件，在典型區(qū)的選取過(guò)程中，考慮了研究區(qū)地層中不能有巖鹽等礦物存在、研究區(qū)盡量不受人畜生活活動(dòng)和耕地活動(dòng)(特別是農(nóng)家肥的使用)等的影響，經(jīng)過(guò)大量的野外調(diào)查，在娘子關(guān)泉域的東部選擇了兩個(gè)典型區(qū)，平定縣柏井鎮(zhèn)多樂(lè)溝村，屬于碳酸鹽巖裸露區(qū)；平定縣東回鎮(zhèn)東回村，屬于碳酸鹽巖覆蓋區(qū)。

多樂(lè)溝典型研究區(qū)位于一個(gè)局部山峰的一側(cè)，該山峰為局部的地表分水嶺，地表出露的地層為中奧陶統(tǒng)的峰峰組和上馬家溝組，受峰峰組底部厚層泥灰?guī)r的隔水，在半山腰處出露有上層滯水泉，在泉水的下游當(dāng)?shù)卮迕襁€利用泥灰?guī)r的阻水作用施工有兩眼大口井，用來(lái)蓄積泉水，研究區(qū)的地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1(a)。該泉水主要接受大氣降水補(bǔ)給，由于補(bǔ)給范圍較小，包氣帶的調(diào)蓄作用有限，一般在5月—翌年1月有泉水、當(dāng)年2—4月干涸，雨季泉水的流量0.01～0.12 L/s。特殊的地貌使得山上幾乎沒(méi)有人類活動(dòng)，特別是近年來(lái)國(guó)家實(shí)施退耕還林政策，研究區(qū)及周?chē)蠖继幱谧匀粻顟B(tài)，研究區(qū)地層內(nèi)也沒(méi)有鹽巖礦物存在，因此，該研究區(qū)是應(yīng)用氯量均衡法的理想場(chǎng)地，選擇泉水作為取樣點(diǎn)，并部署了HOBO自計(jì)式雨量站，同時(shí)配合雨水取樣。

圖1 多樂(lè)溝村和東回典型研究區(qū)水文地質(zhì)剖面略圖Fig.1 Simplified hydrogeologic profiles of the Duolegou and Donghui research areas

東回典型區(qū)位于平定縣東回村南側(cè)，處于嶺南河殘留的二級(jí)階地上，地面出露的地層為第四系中更新統(tǒng)坡、洪積相淺黃色黃土，之下為下更新統(tǒng)的紅色黏土層，再下為下馬家溝組碳酸鹽巖，屬于碳酸鹽巖覆蓋區(qū)(圖1b)。研究區(qū)第四系松散巖類的孔隙水主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給，受下部下更新統(tǒng)紅色黏土層的阻隔，構(gòu)成含水層，村民挖井取水，水位埋深一般11～12 m，幾乎每家都有取水井，地下水受地形控制，整體由南向北運(yùn)移，為避免人類生活的污染，選擇研究區(qū)最南側(cè)的水井作為取樣點(diǎn)，并部署了HOBO自計(jì)式雨量站，同時(shí)配合雨水取樣。

4 結(jié)果與分析

兩個(gè)典型研究區(qū)的取樣時(shí)間段都為2015年4月—11月，在多樂(lè)溝研究區(qū)，共獲得水樣17組，其中雨水樣品9組、泉水樣品8組，氯離子含量分別為0.94～2.87 mg/L和7.51～11.3 mg/L，均值分別為1.89 mg/L和8.92 mg/L，具體見(jiàn)表2；在東回研究區(qū)，共獲得水樣12組，其中雨水樣品5組、井水樣品7組，氯離子含量分別為0.96～4.79 mg/L、19.1～23 mg/L，均值分別為2.29 mg/L和20.71 mg/L，具體見(jiàn)表3。

表2 多樂(lè)溝研究區(qū)降水和地下水氯離子含量匯總表

表3 東回研究區(qū)降水和地下水氯離子含量匯總表

根據(jù)式(1)，計(jì)算得到了多樂(lè)溝典型碳酸鹽巖裸露區(qū)的降水入滲系數(shù)為0.21，與該地區(qū)目前巖溶地下水資源評(píng)價(jià)使用的中等巖溶區(qū)降水入滲系數(shù)(0.28)相比，得到的結(jié)果偏小；計(jì)算得到東回研究區(qū)的降水入滲系數(shù)為0.11，與張之淦[9]在同類型地區(qū)使用氚同位素得到的0.097的入滲補(bǔ)給系數(shù)相近。對(duì)比該方法的適用條件，兩個(gè)研究區(qū)地層中沒(méi)有巖鹽、人類活動(dòng)造成氯離子的額外輸入在選點(diǎn)時(shí)已經(jīng)考慮，但在研究過(guò)程中未考慮大氣中氯離子干沉降的問(wèn)題，由此可能會(huì)使得到的結(jié)果偏小。由于氯量平衡法適用的特殊條件，目前只選擇了兩個(gè)典型區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，多樂(lè)溝典型區(qū)的估算結(jié)果適用于泉域內(nèi)中等發(fā)育巖溶區(qū)(中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖裸露區(qū))，可以將該結(jié)果應(yīng)用于泉域內(nèi)同類地區(qū)降水入滲補(bǔ)給量的估算；東回典型區(qū)的估算結(jié)果適用于碳酸鹽巖覆蓋區(qū)，由于該研究區(qū)在第四系松散層的下部還分布有新近系紅土層，該地層為區(qū)域上的相對(duì)隔水層，因此，目前得到的結(jié)果只代表了大氣降水補(bǔ)給到上部松散層的入滲系數(shù)，下部巖溶含水層的降水入滲補(bǔ)給系數(shù)還需要進(jìn)一步研究。另外，在一般巖溶發(fā)育區(qū)(下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖裸露區(qū)和寒武系碳酸鹽巖裸露區(qū))還沒(méi)有應(yīng)用該方法，降水量及氯離子濕沉降的空間變異性也暫未考慮，下一步還需要在泉域內(nèi)不同的地區(qū)建立氯量均衡試驗(yàn)站，并開(kāi)展氯干沉降的觀測(cè)，以進(jìn)一步完善和修正不同巖溶發(fā)育程度和不同降水量地區(qū)的降水入滲系數(shù)系列值，達(dá)到控制整個(gè)泉域的目的。

5 結(jié)論

(1)在滿足氯量平衡法應(yīng)用條件的基礎(chǔ)上，在娘子關(guān)泉域碳酸鹽巖裸露區(qū)和覆蓋區(qū)各選了一個(gè)典型區(qū)，運(yùn)用氯量平衡法對(duì)研究區(qū)的降水入滲系數(shù)進(jìn)行了估算，碳酸鹽巖中等巖溶發(fā)育區(qū)的降水入滲系數(shù)為0.21、碳酸鹽巖覆蓋區(qū)的降水入滲系數(shù)為0.11，并對(duì)取得的結(jié)果進(jìn)行了分析。

(2)氯量平衡法應(yīng)用的一個(gè)假設(shè)條件是地下水中氯離子全部來(lái)自降水，但在實(shí)際條件下，人類的強(qiáng)烈活動(dòng)給地下水中的氯離子帶來(lái)了很多額外的輸入，如大量農(nóng)藥和化肥的使用、城市生活廢水和工業(yè)廢水的排放、各種垃圾淋濾等，因此，在選擇研究區(qū)要排除人類活動(dòng)的干擾。