響水溪泉巖溶地下水水化學特征及成因

蔣金沛,馮杰,張強,李威龍,張寧芮

(1.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院,成都 610059; 2.成都理工大學,地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,成都 610059)

地下水作為地質(zhì)環(huán)境的重要組成部分,是可被人類利用的一種重要資源,干凈可靠的水資源對于人類生活十分重要,地下水作為其中的重要組成部分,由于埋藏較深具有水量穩(wěn)定水質(zhì)不易受到污染的特點,是現(xiàn)在居民生活用水的重要來源[1]。由于地下水的循環(huán)路徑復雜,更新周期長,為保障居民生活,實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用,需要查明水源的成因從而進行合理開發(fā)利用。

地下水資源量的計算方法主要有地下水徑流模數(shù)法、基流分割法、大氣降水入滲等方法。施佳會等[2]運用水化學法以及大氣降水入滲法對其宗泉的成因進行研究,確定了其宗泉的補給來源。

除進行水資源計算外,基于水文地質(zhì)條件,穩(wěn)定同位素分析往往用于指示地下水的成因[3-5]。梁永平等[6]基于娘子關(guān)泉泉域的水文地質(zhì)條件,采用同位素方法了解泉水成因以及污染因素。張家文等[7]利用氫氧同位素特征分析云南尼格溫泉的補給來源并計算了其補給高程。

水文地球化學方法是用于識別地下水徑流的主要研究方法[8-11]。章旭等[12]通過鈣華成分、泉水水化學分析以及氫氧同位素相關(guān)性分析,確定了西藏象牙泉的成因以及鈣華景觀形成年代。馮杰等[13]通過水化學統(tǒng)計分析、離子比例系數(shù)等方法對重慶武隆地區(qū)地下水進行分析,確定了該地區(qū)存在不同的循環(huán)模式。

基于此,現(xiàn)以位于雅安天全縣的響水溪泉作為研究對象,該處泉水供給天全縣約50 000人口使用,為當?shù)氐闹饕盟?。在天全地區(qū)的地質(zhì)資料與水文地質(zhì)資料基礎(chǔ)上,采用地表水與地下水的水化學分析方法與水均衡法對天全縣杉木山區(qū)域地下水流動特征進行分析論證,概括出研究區(qū)域的水化學特征類型以及響水溪的泉水來源,并通過同位素分析方法進行驗證,對響水溪泉的成因研究具有重要理論意義,可為后續(xù)工程的施工以及泉水資源的保護提供參考。

1 研究區(qū)概況

響水溪巖溶大泉位于雅安市天全縣響水溪村,緊鄰國道318線,泉點經(jīng)度102°42′41″E,緯度30°05′36″N,泉點出露海拔高程約890 m,位于深切割斷層溝西側(cè)。巖溶泉所處區(qū)域為亞熱帶季風山地氣候,多年氣溫位于5.2～36.0 ℃,年平均值為 15.1 ℃,無霜期241 d,年降水均值為1 603 mm,雨日多達200 d,降水集中于5—9月,占全年降水的70%。

泉域所處地名杉木山,地形總體為中-高山地區(qū),地形上為北西高,南東低,深切溝谷發(fā)育,山頂與河谷最大高差2 400 m,地質(zhì)構(gòu)造主體傾向南東的單斜地層,由于受龍門山斷裂帶的影響,單斜地層局部位置有“波浪”狀起伏。地層分布按照海拔從高到低,環(huán)杉木山出現(xiàn)有二疊系陽新組灰?guī)r(P2y),局部出露少量梁山組黏土巖(P1l);泥盆系養(yǎng)馬壩組、觀霧山組灰?guī)r(D3gw、D2y)、甘溪組、平驛鋪組砂頁巖(D1g、D1p);志留系、奧陶系砂、頁、泥巖(S+O);震旦系燈影組白云巖(Z2C-1d),也是泉點出露的地層;蘇雄組凝灰?guī)r(Z2s)以及侵入成因的花崗巖(ξZγ1)。

區(qū)內(nèi)發(fā)育有多條斷裂,主要分布于研究區(qū)的東南位置,地表特征明顯,可能具有顯著的導水作用。泉域內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富,出產(chǎn)石灰礦、硫鐵礦等礦種。

研究區(qū)內(nèi)地下水主要為巖溶水和基巖裂隙水兩大類,分布如圖1所示,巖溶水主要分布于P2y、D3gw、D2y以及 Z2C-1d地層中,基巖裂隙水分布于奧陶系以及志留系等地層中,主要受區(qū)內(nèi)大氣降水補給,總體排泄基準面為南邊的天全河,部分地下水以泉點的形式分散或集中排泄,流量各異,其中響水溪泉為AS01,出露于 Z2C-1d碳酸鹽地層。

2 水文地球化學特征

2.1 樣品采集與測試

課題組于2022年2—5月對響水溪泉域地表沖溝以及地下水進行測流和采樣。針對地表沖溝,分別對其沖溝上游和溝口進行測流與取樣,由于地形地貌影響,地下水多取自較低海拔的排泄區(qū)的泉點,其分布位置見圖1,共采集地下水5組,地表水7組。樣品采集后滴定保存液,進行完全封閉保存,送至具有監(jiān)測資質(zhì)的成都華測檢測有限公司檢測,指標為水化學簡分析指標。

如表1所示,響水溪區(qū)域內(nèi)采樣點pH范圍為7.56～8.21,平均值為7.97,整體呈弱堿性水;地下水水點總?cè)芙夤腆w(total dissolved solids,TDS)范圍為57～237.26 mg/L,平均值為117.5 mg/L,變化較大,地表所取水點的TDS較地下水更小。其中AS02的TDS最大,原因為該水點為溶洞所取水點,與碳酸鹽巖水巖交互作用強烈,AS05的TDS最小,該位置為花崗巖出露位置所取水樣,為基巖裂隙水。

表1 研究區(qū)水化學組分表

2.2 Piper三線圖

圖2 研究區(qū)地表水水樣Piper圖

鑒于地下水水化學特征能更好地體現(xiàn)響水溪區(qū)域內(nèi)的水巖作用,區(qū)域內(nèi)的地下水Piper圖如圖3所示,整個區(qū)域的地下水水化學呈現(xiàn)出明顯的差異性。AS04點表現(xiàn)出較高的巖溶水特征,這與其出露于陽新組灰?guī)r地層(P2y)的地質(zhì)特征相匹配。龍門村北部水點(AS02、AS03)與響水溪泉(AS01)表現(xiàn)出相同的水化學組分特性,此三個點位的地下水均與震旦系燈影組白云巖(Z2C-1d)具有較大聯(lián)系,響水溪泉點(AS01)相較于龍門村北部點位泉水(AS02、AS03)表現(xiàn)出更高的氯離子(Cl-)含量,推測受到了淺層第四系松散巖類孔隙水的補給。

2.3 溶質(zhì)組分來源分析

為研究各水點水化學的受控影響因素,繪制了Gibbs 圖,如圖4所示。響水溪各水點TDS 范圍為57.97～237.26 mg/L,(Na++K+)/(Na++K++Ca2+)范圍為0.130～0.340。

圖4 研究區(qū)水化學Gibbs圖

響水溪地區(qū)各采樣水點普遍落在巖石風化區(qū)域,部分點向大氣降雨位置靠近,表明區(qū)域內(nèi)各水點陰陽離子主要受到巖石風化控制,部分受到大氣降雨作用的影響。AS05由于出露于花崗巖中,巖石風化作用不如其他地下水水點強烈,受到大氣降雨的情況較為顯著。這也說明基巖裂隙水賦存的裂隙帶較碳酸巖類裂隙溶洞水發(fā)育更淺,地下水化學成分更易受到降雨的影響。

據(jù)圖5所示,AS01、AS02、AS03、AS04均較為靠近碳酸鹽巖端,這與推測其源于灰?guī)r、白云巖地層的猜想一致;AS03為泥盆系出露的地下水,故其具有靠近硅酸鹽端的特點,但結(jié)合之前其具有的巖溶水特性,其出露的地下水與陽新組灰?guī)r具有一定聯(lián)系;AS05取自花崗巖地區(qū),較為靠近硅酸鹽巖端。

圖6 陽離子交替吸附作用比例

圖7 地下水氯堿指數(shù)圖

圖7表明了區(qū)域內(nèi)各地下水的鹽離子交替吸附作用強度的大小以及進行的方向,其中負值表明水體中Ca2+、Mg2+與土體中Na+、K+交換,正值則相反;絕對值越大,交替吸附作用越強。區(qū)域內(nèi)AS04為純度較高的巖溶水,故其地下水中的Ca、Mg更易置換土體中的K、Na;而AS01點作為出露的響水溪泉,CAI-1值顯示出了區(qū)域內(nèi)采樣點唯一的正值,推測可能與其出露于松散層的性質(zhì)相關(guān),并且由于其長時間、長距離的流動途徑,其絕對值最小,陽離子交替吸附作用趨近于穩(wěn)定。

3 響水溪泉成因分析

杉木山-響水溪地區(qū)總體而言的補給來自杉木山范圍的大氣降水,區(qū)域內(nèi)地下水的排泄基準為天全河。此外,泉點排泄也是區(qū)域地下水的重要排泄方式,區(qū)域內(nèi)的主要大泉為響水溪泉以及龍門村泉。其中響水溪泉出露于小河鎮(zhèn)響水溪村斜坡中下部,表層被第四系殘坡積物覆蓋,泉口比東側(cè)溪溝高約10 m,比天全河高約95 m。其枯期流量 20 000 m3/d,豐水期60 000 m3/d,為天全縣的主要用水來源。

3.1 地下水均衡計算

在天然條件下,區(qū)域內(nèi)的多年平均降雨量與多年平均排泄量處于一個動態(tài)平衡的狀態(tài)。對響水溪泉進行水均衡法計算驗證其來源,首先應對響水溪泉區(qū)域進行劃分水文地質(zhì)單元,依據(jù)該單元進行水量均衡計算。

其中水文地質(zhì)單元的劃分分為兩級,一級以區(qū)域地表分水嶺劃分;二級水文地質(zhì)單元以小型支流流域及構(gòu)成地下水重要排泄基準面的河流、綜合構(gòu)造因素作為劃分依據(jù)。按上述原則劃分出響水溪區(qū)域的水文地質(zhì)單元見圖1。

響水溪泉位于Ⅵ-3區(qū),該區(qū)域的淺層地下水在受到大氣降雨補給后,其徑流主要受到地形控制,整體流向為由北向南,最后排泄至天全河。在該區(qū)域上游位置,受到象鼻子溝切割分散排泄進入地表水,途徑河床位置與碳酸鹽巖位置時以潛流方式進入地下。

由于不同巖性具有不同的入滲系數(shù),進行分區(qū)計算,公式為

Q降=αAF×1 000/365

(1)

式(1)中:Q降為降雨補給量,m3/d;α為降雨入滲系數(shù),依據(jù)經(jīng)驗并結(jié)合《康定-寶興地區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)普查報告》所得;A為多年平均降雨量,mm;F為分布面積,km2。表2為入滲補給量結(jié)果。

表2 降雨入滲補給結(jié)果

響水溪泉所在的水文地質(zhì)單元Ⅵ-3的大氣降雨入滲補給量約為48.8 L/s,這與實測所得泉流量289 L/s相差較大,因此響水溪泉的地下水補給還有其他來源,推測具有跨流域補給的特點。

為解釋響水溪泉成因,分別繪制A-A＇剖面(北部小河-龍門村-曙光村大墳上-響水溪泉點)以及B-B＇剖面(火夾溝-月亮灣-象鼻子溝-響水溪泉點)。由圖8及圖9可見,響水溪出露位置為鉀長花崗巖(ξγZ1)與二疊系灰?guī)r(P2y)斷層界線靠近斷層下盤界線處。

圖8 A-A′剖面示意圖

圖9 B-B′剖面示意圖

從圖8、圖9可見,響水溪泉最直接的地下水補給為區(qū)域內(nèi)環(huán)山燈影組(Z2C-1d)巖溶含水層,燈影組環(huán)山分布于南北條帶中,面積為15.1 km2。巖層產(chǎn)狀傾向南東,下伏花崗巖(ξZγ1)或蘇雄組凝灰?guī)r(Z2s)。從地形高程上為北西高、南東低,并且下伏地層為相對弱透水層,因此燈影組露頭區(qū)在接受降雨補給順傾向南東徑流至響水溪泉。

除此之外,其補給更多的來源于區(qū)域北側(cè)二疊系陽新組(P2y)灰?guī)r緩坡地帶,該處巖溶發(fā)育,使得地下水能較好入滲,其面積約為8.4 km2。下伏地層為一系列志留系、奧陶系砂、頁、泥巖(S+O),為相對隔水層,使得陽新組(P2y)灰?guī)r巖溶水無法透過中部碎屑巖區(qū)域向下補給燈影組(Z2C-1d)巖溶水。但在斷層的切割作用下,上部的巖溶水沿導水斷裂進入燈影組含水層,順巖層響水溪泉進行補給。

燈影組在響水溪區(qū)域內(nèi)環(huán)山分布,地形切割強烈,由圖9可見區(qū)域內(nèi)的月亮灣與象鼻子溪溝的地表水與地下水聯(lián)系緊密。由于震旦系的燈影組是響水溪泉的直接出露地層,該地層的白云巖對響水溪區(qū)域地下水水化學類型有著最直接的影響。山頂位置的陽新組灰?guī)r也是地下水徑流的重要區(qū)域,對應的水-巖作用反應分別為

(2)

(3)

泥盆系(D2-3)與部分二疊系陽新組(P2y)所處地形較陡,該處的巖溶發(fā)育程度較緩坡區(qū)更弱,入滲系數(shù)較小,但由于該區(qū)域的露頭面積較大,約為22.95 km2,因此該區(qū)域地下水也是響水溪泉的重要補給來源。降雨入滲補給量計算見表3。

表3 入滲補給結(jié)果

山頂陽新組(P2y)+泥盆系(D2-3)區(qū)域在受到大氣降雨補給后,部分位置以地下水泉點進行排泄,約74.4 L/s。

除上述大氣降雨入滲對響水溪泉進行補給外,北側(cè)龍門電站位置的小河子地表水與響水溪泉也具有一定聯(lián)系,示意可見A-A′剖面,其補給量采用達西斷面流量計算公式進行計算,其公式為

Q側(cè)=KJLM

(4)

式(4)中:K為滲透系數(shù),m/d,取為0.5 m/d;J為水力梯度,依據(jù)剖面A-A′測量為0.82%;L為補給斷面長度,m,取3 120 m;M為補給斷面厚度,考慮到燈影組地層剝蝕情況取其厚度一半,即230 m,計算結(jié)果為34 L/s。

在大氣降水補給與側(cè)向補給下,各區(qū)域的地下水補給量達到595.2 L/s,響水溪泉的主要補給來源位于杉木山頂處的P2y+D2-3巖溶含水層。除去山頂陽新組(P2y)+泥盆系(D2-3)區(qū)域內(nèi)已知的泉點排泄量合計74.4 L/s,所得響水溪泉流量在 486.8 L/s。由于響水溪泉點的流量測量為2月,降雨較少為枯期季節(jié),并且其中一部分地下水會以泉、地表溪溝的形式交互作用,而后進行排泄,因此該量值總體位于響水溪泉流量的動態(tài)范圍內(nèi)的。

3.2 同位素特征

同位素分析可以較為準確的確定地下水補給來源與高程。響水溪區(qū)域同位素分析取樣點與簡分析水樣相同,為驗證響水溪泉點的補給高程,根據(jù)北京松盛華嘉檢測技術(shù)有限公司所測試氫氧同位素結(jié)果,繪制了不同水點δD和δ18O同位素關(guān)系圖(圖10),大氣降水線引用全球大氣降水線(δD=8δ18O+10)作為本次研究的參考。

圖10 δD和δ18O關(guān)系圖

調(diào)查所取的地表水、地下水水樣的δD和δ18O總體上呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系,并且水樣擬合線與全球降水線近乎平行,水樣點均位于全球大氣降水線(global meteoric water line,GMWL)之上,說明響水溪區(qū)域主要受到大氣降水的集中補給。取樣點的δD和δ18O分別介于-62‰～-53.7‰與-9.9‰～-8.7‰,均值分別為-57.6‰、-9.2‰。

按照H、O穩(wěn)定同位素的高程效應原理,對響水溪泉的補給高程進行計算。計算公式為

H=h+(δs-δp)/k

(5)

式(5)中:H為地下水的補給區(qū)域高程,m;h為響水溪泉高程,為890 m;δs為地下水的δ18O值,取值為-9.09‰;δp為泉水周邊位置的大氣降雨δ18O值;k為大氣降雨δ18O的高度梯度,參考川西藏東地區(qū)的高程效應值-0.26‰/100 m[14]。

計算所得響水溪泉的補給高程為1 851 m,該補給高程與杉木山位置所處的陽新組灰?guī)r地層出露高程較接近,側(cè)向證明響水溪泉主要受到杉木山山頂巖溶裸露區(qū)的大氣降雨補給。

4 結(jié)論

(3)基于水文地質(zhì)和條件,通過水均衡原理,進行水單元劃分并進行計算。響水溪泉最直接的補給含水層為環(huán)山震旦系燈影組(Z2C-1d)巖溶含水層,其補給同時也受到北側(cè)二疊系陽新組(P2y)、泥盆系(D2-3)碳酸鹽巖裂隙溶洞水影響。并通過同位素計算,響水溪巖溶大泉的補給高程與其北側(cè)所廣泛出露的碳酸鹽巖位置高程相接近,符合補給區(qū)的高程分布。因此在后續(xù)過程中,應對杉木山位置處的陽新組(P2y)區(qū)域進行著重保護,減少對該處的污染排放,以免影響響水溪泉的水質(zhì)。