武隆—廣楊地區(qū)水循環(huán)模式及水化學(xué)特征

馮杰, 張強(qiáng)*, 張金林, 劉洋, 何浩

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院， 成都 610059； 2.天津市政工程設(shè)計研究總院有限公司， 天津 300392)

中國西南片區(qū)川、渝、滇、黔、鄂、湘、桂等省份廣泛分布巖溶。巖溶水是賦存于可溶巖地區(qū)地下溶孔、溶隙中的地下水的統(tǒng)稱，是巖溶生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的部分[1-2]。巖溶發(fā)育的碳酸鹽巖地區(qū)巖石造壤能力極低，可溶巖大部裸露于地面，巖溶含水層通過落水洞、溶隙等巖溶通道與外界聯(lián)通，所以巖溶含水系統(tǒng)更具有開放性，敏感性和脆弱性[3]。

巖溶水的循環(huán)指巖溶含水層中地下水的更新過程，是巖溶區(qū)域水文地質(zhì)循環(huán)中至關(guān)重要的一環(huán)[4-5]。長期以來中外對巖溶地區(qū)巖溶地下水循環(huán)的主要研究方法有水文地球化學(xué)法[6-7]，水文地質(zhì)條件分析法[8-9]等方法。如袁建飛等[10]通過對水化學(xué)指標(biāo)和同位素信息對四川省西昌市仙人洞巖溶地下水系統(tǒng)進(jìn)行研究，確定了地下水的循環(huán)模式。針對典型巖溶區(qū)的地下水開展了水化學(xué)溶質(zhì)組分、溶質(zhì)來源、地下水動態(tài)變化及時空演化的研究。周忠發(fā)等[11]對貴州省雙河洞穴系統(tǒng)巖溶水的水化學(xué)組分進(jìn)行了針對性研究；袁偉等[12]對貴州省三股水巖溶泉的水文地質(zhì)條件進(jìn)行了深入分析。

重慶武隆區(qū)域的巖溶地形地貌，暗河發(fā)育情況以及巖溶山區(qū)滑坡情況已有充分研究[13]，但對于該地區(qū)的巖溶水系統(tǒng)和水循環(huán)的水化學(xué)研究還未深入。因此，基于已有的地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，采用水文地質(zhì)條件分析和水化學(xué)分析并重的方法，從水文地質(zhì)條件出發(fā)概括了四種地下水循環(huán)模式，通過后續(xù)水化學(xué)數(shù)理統(tǒng)計、圖示分析以及定量計算等驗證分析武隆—廣楊地區(qū)的地下水循環(huán)模式及其水化學(xué)特征與差異，并對地下水中溶質(zhì)組分的來源進(jìn)行探究。開展該地區(qū)的水文地球化學(xué)的研究具有重要的理論價值，還可以后續(xù)的工程建設(shè)以及區(qū)域水質(zhì)評估提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

武隆—廣楊地區(qū)地處重慶市南部渝黔交界地帶，區(qū)域內(nèi)包括巷口鎮(zhèn)、江口鎮(zhèn)、廣楊鄉(xiāng)、中嘴鄉(xiāng)、石橋鄉(xiāng)和黃鶯鄉(xiāng)等部分區(qū)域。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫18.6 ℃，區(qū)內(nèi)年平均氣溫17.2 ℃。年均降雨量為1 190.7 mm，蒸發(fā)量為541 mm，降水集中于5—9月。區(qū)內(nèi)黃鶯—磨盤石一帶最高，平均海拔在1 300 m以上，北西角武隆縣城烏江河面最低，海拔163 m。出露的地層由老至新依次為分布于木堰溝一帶的奧陶系地層(O1m、O2+3)，為碳酸鹽巖；研究區(qū)東南部的志留系下統(tǒng)地層(S1l、 S1x)，為砂頁巖；研究區(qū)北部的志留系中統(tǒng)地層(S2h)，二疊系地層(P1、P2)，三疊系地層(T1f、T1j、T2l、T3x)，中生界侏羅系地層(J1z)，為碳酸鹽巖。

按含水介質(zhì)可將地下水分為4大類，區(qū)域分布情況如圖1所示。碳酸鹽巖裂隙溶洞水(P1、P2、T1f、T1j)，分布于研究區(qū)楠木林-張家坪-譚家村一帶，其徑流模數(shù)為2～5 L/(s·km2)；基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水(S1、S2)，分布于研究區(qū)三河村一帶，泉流量約0.03 L/s；碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙溶洞水(T2l、O2+3)，分布于研究區(qū)武隆區(qū)-中嘴鄉(xiāng)一帶，徑流模數(shù)約為0.5 L/(s·km2)；碎屑巖裂隙層間水(T3x)分布于研究區(qū)最北端和木堰溝附近，單井涌水量為500～1 000 t/d。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)及取樣點簡圖Fig.1 Simplified hydrogeologic map of the study area and location of the sampling points

2 水循環(huán)類型劃分

根據(jù)研究區(qū)地形地貌，氣象水文，水文地質(zhì)條件等對淺層地下水循環(huán)模式進(jìn)行分類，將其循環(huán)模式概括為巖溶水I型循環(huán)、巖溶水II型循環(huán)、裂隙水III型循環(huán)、裂隙水IV型循環(huán)四種類型。

巖溶水I型循環(huán)模式(圖2)，補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)的相對高差達(dá)1 000～1 200 m。其循環(huán)涵蓋整個碳酸鹽巖分布區(qū)，地下水埋深，徑流長度長、補(bǔ)給源于大型洼地落水洞的集中補(bǔ)給和分散的坡面入滲補(bǔ)給，以巖溶暗河管道的形式集中排泄。流量和降雨中等程度相關(guān)可能存在一定的相對滯后性。

圖2 巖溶水I型循環(huán)示意Fig.2 Circulation of karst water type I

巖溶水II型循環(huán)模式(圖3)，補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)高差一般不會超過200 m，地下水動態(tài)隨降水明顯，水文響應(yīng)快，地下水埋深小，巖溶水循環(huán)深度淺，補(bǔ)給源于地表分散型補(bǔ)給，排泄為就近分散排泄，各泉點的補(bǔ)徑排相對獨立不會形成統(tǒng)一的地下水位。

圖3 巖溶水II型循環(huán)示意Fig.3 Circulation of karst water type II

裂隙水III型循環(huán)模式(圖4)，接受巖溶水的補(bǔ)給也接受大氣降雨補(bǔ)給，導(dǎo)致地下水流量小，動態(tài)穩(wěn)定。地下水在該模式受到地表裂隙入滲的分散補(bǔ)給并以泉的形式分散排泄。

圖4 裂隙水III型循環(huán)示意Fig.4 Circulation of fissure water type III

裂隙水IV型循環(huán)模式(圖5)，地層在構(gòu)造運動侵蝕以及大氣降水的作用下，可溶巖被剝蝕，頁巖淺層裂隙發(fā)育，但由于裂隙帶含水層厚度有限，緩慢流動，補(bǔ)給分散，排泄集中，泉流量受降雨變化較III型明顯。

圖5 裂隙水IV型循環(huán)示意Fig.5 Circulation of fissure water type IV

3 水文地球化學(xué)特征

3.1 樣品采集和測試

表1 研究區(qū)地下水水化學(xué)組分表Table 1 Hydrochemical compositions of water samples in the study area

3.2 水化學(xué)特征

對研究區(qū)水化學(xué)組分參數(shù)含量統(tǒng)計表分析，巖溶水所對應(yīng)的pH大于裂隙水，都介于7.2～8.5；巖溶水的TDS處于217.2～731.5 mg/L，HB為總硬度，平均值為210.2 mg/L,均高于風(fēng)化裂隙水的TDS水平106.3～656.6 mg/L，HB平均值為153.2 mg/L,這表明巖溶水循環(huán)路徑長，因此擁有較高的TDS值；巖溶水中的I型循環(huán)模式下TDS為456.8～731.5 mg/L,II型循環(huán)為242.2～432.4 mg/L。

3.3 Piper三線圖

圖6 研究區(qū)水樣Piper三線圖Fig.6 Piper diagram of water samples in the study area

碎屑巖區(qū)III型循環(huán)全部為HCO3-Ca Na+K型水。IV型循環(huán)地下水點位分布分散，水化學(xué)類型組成復(fù)雜，HCO3-Ca型水、HCO3-Ca Na+K型水為主，HCO3-SO4Mg Ca，HCO3SO4-Mg Na+K Ca和HCO3-Na+K Ca各占9.1%。裂隙水III型、IV型循環(huán)水化學(xué)類型表明該區(qū)域的地下水不僅與碳酸鹽巖有關(guān)，也與區(qū)域內(nèi)裂隙對大氣降水的溝通作用以及與碎屑巖離子交替吸附存在關(guān)聯(lián)，說明這兩種循環(huán)擁有復(fù)雜的水化學(xué)反應(yīng)過程。

3.4 地下水溶質(zhì)組分的水化學(xué)過程

3.4.1 地下水組分所受控制作用定性分析

Gibbs圖來可分析天然水溶質(zhì)組分受到的水巖作用，大氣降水，蒸發(fā)濃縮作用，常以TDS的對數(shù)作為縱坐標(biāo)，以(Na++K+)/(Na++K++Ca2+)濃度比值為橫坐標(biāo)繪制成圖(圖7)[14]。

圖7 研究區(qū)水化學(xué)Gibbs圖Fig.7 Gibbs diagram of water samples in the study area

如圖7所示，巖溶水I型、II型循環(huán)落點大部分位于巖石風(fēng)化區(qū)間，少量II型循環(huán)陽離子向大氣降水側(cè)靠近，這表明區(qū)域內(nèi)的巖石組分的風(fēng)化作用是區(qū)域地下水中離子的主控因素，但部分會受到大氣降水的影響。

裂隙水III和IV型循環(huán)點樣分布于巖石風(fēng)化和大氣降雨的兩側(cè)，這說明這兩種循環(huán)模式同時受到兩種作用的影響。

圖8中四種循環(huán)的地下水分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，巖溶水I型循環(huán)與巖溶水II型循環(huán)點位靠近碳酸鹽巖端，裂隙水III、IV型循環(huán)則靠近硅酸鹽端。巖溶水I、II型循環(huán)落點表明這一過程中碳酸鹽巖占主導(dǎo)，巖溶水II型循環(huán)較偏離的點則說明相應(yīng)位置的離子組分來源可能有非純可溶巖參與；裂隙水III、IV型循環(huán)靠近硅酸鹽巖端，其所循環(huán)的途徑中硅酸鹽巖對其水化學(xué)成分有影響，表明其循環(huán)途徑中存在有頁巖或者泥灰?guī)r。

圖8 研究區(qū)離子來源關(guān)系Fig.8 Study area ion source relationship

3.4.2 地下水組分所受控制作用定量分析

硫酸參與風(fēng)化反應(yīng)為

(1)

CaxMg1-xAl2Si2O8(硅酸鹽巖)+H2SO4+

(2)

碳酸參與風(fēng)化反應(yīng)為

(3)

CaxMg1-xAl2Si2O8(硅酸鹽巖)+2H2SO4+

(4)

圖9 Ca2++Mg2+與關(guān)系Fig.9 Relationship of Ca2++Mg2+ and

圖10陰離子的相互關(guān)系說明，巖溶水I型循環(huán)與巖溶水II型循環(huán)水點分布進(jìn)行對比，硫酸在II型循環(huán)中的貢獻(xiàn)大于I型循環(huán)，其來源除大氣組分水化作用外僅有深部環(huán)境巖體中的硫酸鹽組分，這說明II型循環(huán)深度小于I型循環(huán)；裂隙水III型和IV型循環(huán)，IV型循環(huán)點位落點顯集中于硫酸根一側(cè)，說明在這樣循環(huán)過程中，易受到大氣SO2或碎屑巖地層中的硫酸鹽影響。

圖與關(guān)系Fig.10 Relationship of and

3.4.3 水巖離子交換過程

(5)

同時也可以采用氯堿指數(shù)反應(yīng)該作用的強(qiáng)度和方向[18]。

圖11 陽離子交替吸附作用比例圖Fig.11 Proportional diagram of cation exchange and adsorpti

碳酸鹽巖溶解進(jìn)入地下水的過程中，以CaCO3的石灰石和以CaMg(CO3)2的白云石會對水中陽離子組分產(chǎn)生影響，尤其是Mg2+和Ca2+。當(dāng)?shù)叵滤兄挥惺沂芙鈺rMg2+/Ca2+=0，只有白云石溶解時Mg2+/Ca2+=1，兩者同時溶解Mg2+/Ca2+=0.5[19]。

總體來看，碳酸鹽巖風(fēng)化是地下水化學(xué)成分的主要來源，但是在巖溶水I型循環(huán)中，由于長距離和大埋深，可能存在著個別循環(huán)路徑上的白云石溶解，導(dǎo)致該地下水Mg2+/Ca2+比值較高(圖12)。IV型循環(huán)的異常點則說明碎屑巖裂隙水相比巖溶水有更復(fù)雜的水化學(xué)反應(yīng)過程。

圖12 Mg2+/Ca2+與關(guān)系Fig.12 Relationship of Mg2+/Ca2+ and

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)域共有四種地下水循環(huán)模式。巖溶水I型深-長循環(huán)，補(bǔ)給源廣泛，排泄集中；巖溶水II型淺-短循環(huán)，補(bǔ)給分散，排泄分散；碎屑巖III型緩循環(huán)補(bǔ)給分散，排泄也較為分散；碎屑巖IV型淺-緩循環(huán)，補(bǔ)給分散，排泄集中。

(3)巖溶水I、II型循環(huán)主要受控于碳酸鹽巖巖石風(fēng)化作用，裂隙水III、IV型循環(huán)除受碳酸鹽巖風(fēng)化作用控制外，還受到大氣降水的影響。石灰石礦物的溶解、離子交換過程是地下水化學(xué)離子的主要來源，但在巖溶水I型循環(huán)、裂隙水IV型循環(huán)中，會受到白云石溶解的影響。