鄱陽湖流域贛南地區(qū)巖溶地下水特征及影響因素

鄭文曉，郭曉娟，趙蘭芝，王 健

（1.中鐵水利水電規(guī)劃設計集團有限公司，江西 南昌 330029；2.東華理工大學水資源與環(huán)境工程學院，江西南昌 330013）

碳酸鹽巖為可溶性巖石，經(jīng)歷化學侵蝕、流水沖蝕、潛蝕、重力崩塌等作用形成巖溶。巖溶含水層儲存豐富的地下水資源，開采利用量占世界用水25%左右[1］。我國巖溶水資源量約占地下水資源總量23.4%，其中重慶市占73.7%，貴州省占80%，為居民生活和經(jīng)濟發(fā)展提供了重要保障[2-4］。但由于巖溶作用和特殊的地質(zhì)背景，在人類活動作用下存在不同的水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)問題，如水土流失、洪澇或干旱及石漠化等[5］。且近年來農(nóng)業(yè)、工業(yè)及城市化等加速了脆弱的巖溶地下水系統(tǒng)演變和水化學演化[6-7］。市政和工業(yè)等污水通過巖溶裂隙、管道等滲入地下含水層，極容造成地下水污染[7-8］。Jiang 等（2013）[9］報道了人為硫酸和硝酸對碳酸鹽巖的溶解，改變了溶蝕進程和水化學類型。楊秀麗等（2010）[10］發(fā)現(xiàn)都市化過程中，巖溶地下水NO3-、HN4+和SO42-等污染日趨嚴重。贛南興國縣碳酸鹽巖地區(qū)巖溶發(fā)育，為典型的長江流域喀斯特地貌[11］。該巖溶地下水為居民的主要利用水源，近年來由于礦產(chǎn)開發(fā)和城鎮(zhèn)化水質(zhì)受到不同程度影響，因此，查明研究區(qū)巖溶地下水水文地質(zhì)條件和影響因素，有利于地下水資源污染防治和科學利用。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于贛南興國縣梅窖鎮(zhèn)，區(qū)內(nèi)屬侵蝕巖溶地貌，呈東北向條帶狀展布，基巖出露，植被不發(fā)育。海拔最高高程為439.6 m，最低高程為282.8 m。區(qū)內(nèi)為一向斜構(gòu)造，兩翼分別出露震旦系、石炭系地層。向斜核部被第四系覆蓋，以北東向零星出露石炭系上統(tǒng)地層。巖溶水主要賦存于石炭系上統(tǒng)黃龍組（C2h）與船山組（C2c），黃龍組以白云巖為主，船山組以石灰?guī)r為主。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育北北東、北西向兩組斷層，其中F1 走向近北東東傾向南東，傾角約為68°，破碎帶寬20 m 左右；F2 走向北北西傾向南西，傾角為40°～56°，破碎帶寬9.0 m 左右，斷層F1 被F2 錯斷（圖1）。

圖1 研究區(qū)鉆孔位置及構(gòu)造分布圖

研究區(qū)屬亞熱帶東南季風氣候區(qū)，濕潤溫和，日照充足。夏季溫度高而冬季溫度低。冬季多偏北風，夏季多偏南風。降水主要分布于4 月～ 9 月，年平均降水量為1522.3 mm。區(qū)域水系發(fā)育，溝塘密布，研究區(qū)主要河道為平江，注入贛江。

2 巖溶分布特征及影響因素

2.1 巖溶空間分布特征

研究區(qū)大氣降水豐富，長期溶蝕作用下碳酸鹽巖逐漸形成溶孔、溶槽、溶溝及溶洞（圖2）。如圖3 所示，野外15個勘探鉆孔揭露了溶洞空間分布，結(jié)果表明淺部溶洞較為發(fā)育，一般隱伏于地表10 m 以內(nèi)，主要集中在高程296 m～265 m（圖3）。其中，大石嶺北部高程388.52 m 處和東部高程295.30 m 處發(fā)育兩個大型溶洞。大石嶺北部為北東及北西向溶洞，最高處達10 m（圖2）。大石嶺東部溶洞水平長度大于10 m，垂向發(fā)育高度變化大，最低高度大于1.5 m。據(jù)野外鉆探數(shù)據(jù)統(tǒng)計，勘探鉆孔揭示遇洞率為 87%。

圖2 研究區(qū)巖溶發(fā)育特征

圖3 鉆探揭露溶洞發(fā)育高程規(guī)律

2.2 構(gòu)造影響

巖溶發(fā)育及巖溶地下水運動一般受到構(gòu)造控制[12-14］。研究區(qū)主要發(fā)育走向北東向和北西向斷層。其中北東向斷層與向斜軸發(fā)育方向相近，為同期次構(gòu)造應力下形成。北西向斷層切割北東東向斷層，為相對晚期形成的[15］。

如圖4（a）所示，野外示蹤試驗表明，研究區(qū)暗河出口北東向BZK9 鉆孔和北東東向BZK14 鉆孔地下水電導率變化規(guī)律一致，揭示了溶洞與暗河連通性較好。另外，現(xiàn)場觀測到北東向暗河流量大于北東東向，且BZK9 鉆孔至暗河出口的水流速率大于BZK14 鉆孔，因此北東向F1 斷層為導水斷層。如圖4（b）所示，第一次注水試驗后，鉆孔內(nèi)高水位持續(xù)下降至穩(wěn)定水位附近，此時投放示蹤劑，第二次注水試驗后，水位迅速上升，之后幾天未能回落至穩(wěn)定水位，此時檢測暗河出口水流未發(fā)現(xiàn)示蹤劑。北西向BZK5 鉆孔連通試驗表明，該鉆孔處的溶洞與暗河連通性較差，與勘探現(xiàn)場觀測到溶洞被充填一致。此外，據(jù)現(xiàn)場觀測，北西向斷層F2 兩側(cè)水位相差約15 m，說明斷層與溶洞連通性差。因此研究區(qū)溶洞發(fā)育和巖溶水運動主要受北東、北東東向構(gòu)造控制，且北東向優(yōu)于北東東向。而北西向構(gòu)造溶洞發(fā)育，但受松散物充填，地下水運動易受阻。

圖4 連通試驗

3 巖溶水地下水化學特征及影響因素

3.1 巖溶水地下水化學特征

2021 年9 月至10 月，研究區(qū)收集了49 個地下水樣品和8個地表水樣品。地下水EC 值范圍為30.0 μS／cm～535.0 μS／cm，平均值為235.6 μS／cm，低于地表水EC 值平均值271.3 μS／cm。主要陽離子和陰離子濃度大小排序依次為Ca2+＆gt;Na+＆gt;Mg2+＆gt;K+，HCO3-＆gt;NO3-＆gt;Cl-＆gt;SO42-。地下水pH 和TDS 范圍分別為5.72～8.71 和52.02 mg／L～360.75 mg／L，平均值分別為7.21和177.75 mg／L，地下水呈弱堿性。地下水pH 低于地表水平均值7.82，與贛江河水pH 類似[16］，低于重慶和貴州的巖溶地下水[17］。地下水TDS 低于地表水平均值201.6 mg／L，遠高于贛江河水，低于重慶和貴州的巖溶地下水[17］。

如圖5 所示，研究區(qū)地下水HCO3-毫克當量占陰離子總和的75.4%～99.8%，平均值為91.9%。Ca2+毫克當量占陽離子總和的60.4%～90.5%，平均值為74.1%。與研究區(qū)地表水相比，地下水HCO3-和Ca2+毫克當量占比要低，贛江Na++ K+和Cl-+SO42-毫克當量占比相對地下水明顯偏高。與重慶和貴州巖溶地下水一致，地下水化學為HCO3-Ca 型[17］。

圖5 贛南巖溶地下水Piper 三線圖

3.2 自然風化及人類活動影響

海洋水汽可以通過季風運輸?shù)絻?nèi)陸，經(jīng)歷降水入滲補給地下水[18］。然而海鹽滯留在大氣平均時間僅為3 天，其輸入量隨離海洋距離的增加而減少[19］。本次研究降水樣品Cl-溶度為0.04 mg／L，鄰近區(qū)域廣州和南昌分別為0.75 mg／L 和0.56 mg／L，假設降水中Cl-全部來自海洋，也遠低于地下水平均值5.11 mg／L，因為海鹽對地下水的補給量很小[20］。

利用地下水化學Mg2+／Na+-Ca2+／Na+、HCO3-／Na+-Ca2+／Na+相關(guān)性可以對地下水自然風化以及水化學組分的影響進行判別[21］。如圖6 所示，長江河水位于硅酸鹽和碳酸鹽之間，主要受兩者的共同控制[11］。黃河Mg2+／Na+-Ca2+／Na+系點落在硅酸鹽附近，HCO3-／Na+-Ca2+／Na+落在硅酸鹽和蒸發(fā)-巖鹽之間，流域含有大量的方解石和巖鹽，主要受巖石風化和巖鹽共同作用[22］。贛南巖溶地下水與貴州和重慶類似，接近碳酸鹽溶解區(qū)域，主要為碳酸鹽溶解，少部分與贛江接近，受硅酸鹽風化影響[16］。

圖6 贛南巖溶地下水Mg2+／Na+-Ca2+／Na+和HCO3-／Na+-Ca2+／Na+關(guān)系[20]

SO42-、NO3-和Cl-是人類活動影響地下水的主要污染離子，來源于市政和工業(yè)活動[23］。根據(jù)WHO（2011）[24］飲用水標準值，贛南巖溶地下水SO42-、NO3-Cl-濃度都沒有超過準值，但是，寧然受到區(qū)域不同程度人為活動影響（圖7）。如圖7（a）所示，地下水SO42-／Na+- NO3-／Na+部分樣品位于農(nóng)業(yè)活動和生活污水范圍，少部分接近工業(yè)活動。特別是部分地表水SO42-／Na+和NO3-／Na+比值較高，可能受到當?shù)氐V產(chǎn)業(yè)開采或加工污水影響。如圖7（b）所示，地下水NO3-／Na+與Cl-／Na+少部分地下水樣品接近工業(yè)廢水或生活污水，大部分樣品在接近農(nóng)業(yè)活動的路途中。N和Cl-是農(nóng)業(yè)化肥NH4NO3、KCl 等的主要成分，并且NO3-／Na+與Cl-／Na+相關(guān)性較好（y = 0.53x+ 0.33，R2=0.62），反映了農(nóng)業(yè)活動對地下水的強烈影響。

圖7 贛南巖溶地下水SO42-／Na+-NO3-／Na+以及NO3-／Na+-Cl-／Na+關(guān)系

綜上所述，贛南巖溶水水質(zhì)較好，陽離子主要來自碳酸鹽溶解，但當?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)達，陰離子主要受到當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)活動影響，工業(yè)活動和生活污水影響較小。

4 結(jié)論

（1）贛南碳酸鹽地區(qū)巖溶發(fā)育，主要受走向北東向和北西向斷層構(gòu)造作用控制。然而地下水運動還受巖溶充填程度的影響。走向北東向構(gòu)造形成的巖溶充填較弱，連通性較好，是地下水主要導水通道。而北西向構(gòu)造形成的巖溶充填較好，連通性較弱，不利于地下水徑流。

（2）地下水pH 和TDS 平均值分別為7.21 和177.75 mg／L，地下水呈弱堿性。地下水TDS 低于當?shù)氐乇硭h高于贛江河水，低于重慶和貴州的巖溶地下水。地下水HCO3-毫克當量占陰離子總和的平均值為91.9%，Ca2+毫克當量占陽離子總和的平均值為74.1%，地下水化學為HCO3-Ca 型。

（3）海鹽對贛南巖溶水化學補給量很小，陽離子主要為碳酸鹽溶解，局部受硅酸鹽風化影響。陰離子SO42-、NO3-和Cl-主要受當?shù)剞r(nóng)業(yè)活動影響，局部受到生活污水或地礦產(chǎn)業(yè)開采或加工污水影響。

（4）贛南巖溶水是當?shù)氐闹饕嬘盟?，隨著城鎮(zhèn)化和礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展，地下水質(zhì)面臨著重大挑戰(zhàn)。巖溶裂隙和管道發(fā)育，地下水極容易受人類活動干擾，造成飲用水源污染，建議建立巖溶地下水資源保護區(qū)域。