黑龍?zhí)度虻叵滤瘜W(xué)特征及補(bǔ)給源識(shí)別

覃紹媛　李澤琴　許模

摘 要：以黑龍?zhí)度驗(yàn)檠芯繉?duì)象，在泉域采取水樣測(cè)試分析其水化學(xué)特征和氫氧同位素特征，通過Piper三線圖、Gibbs圖、線性回歸分析、因子主成分分析及高程反演方法，探討了黑龍?zhí)度蛩瘜W(xué)組成特征和影響因素，以及各泉群的補(bǔ)給來源，結(jié)果表明：研究區(qū)地下水化學(xué)組分以Ca2+、HCO-3、SO2-4為主，水化學(xué)類型為HCO3-Ca型，水化學(xué)組分主要受碳酸鹽巖溶濾作用和巖石風(fēng)化作用影響;水樣點(diǎn)基本落在降水線右下方，研究區(qū)以大氣降水補(bǔ)給為主，水樣的補(bǔ)給高程為3 715～4 154 m;水樣均接受九子海地區(qū)降水補(bǔ)給，但清溪泉群還接受玉龍雪山地區(qū)冰雪融水的補(bǔ)給，清溪泉群地下水子系統(tǒng)屬于“多源同匯”，其他泉群屬于“單源單匯”。

關(guān)鍵詞：黑龍?zhí)度?水化學(xué)特征;氫氧同位素;補(bǔ)給高程

中圖分類號(hào)：P641.3?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.012

Groundwater Chemical Characteristics and Recharge Source Identification of Heilongtan Spring Area

QIN Shaoyuan， LI Zeqin， XU Mo

（State Key Laboratory of Geological Disaster Prevention and Geological Environmental Protection，

Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Abstract：In this paper， the Heilongtan Spring area was taken as a research object， the water samples of springs in the spring area were taken and the conventional water chemical indexes and hydrogen and oxygen isotopes were tested and analyzed. Through the Piper three-line diagram， Gibbs diagram and linear regression analysis， factor principal component analysis and elevation inversion method， the characteristics and influencing factors of the water chemistry in the Heilongtan Spring area， as well as the sources of recharge of each spring were discussed. The results show that the groundwater in the study area is dominated by Ca2+， HCO3- and SO2-4， the water chemical type is HCO3-Ca. The water chemical components are mainly affected by carbonate karst filtration and rock weathering; the water sample point basically falls to the lower right of the precipitation line， indicating that precipitation is the main recharge in the area and the recharge elevation of springs is 3 715-4 154 m; the Qingxi Spring has obvious hydraulic connection with other springs， both of them accept recharge of precipitation of the Jiuzihai area， but it also receives the recharge of snow melt of the Yulong Mountain， indicating that the Qingxi Spring groundwater subsystem belongs to “multi-source sink” and other springs belong to “single source and single sink”.

Key words： Heilongtan Spring area; Hydrochemistry; hydrogen and oxygen isotopes; supply elevation

地下水作為水資源的重要組成部分，在保障我國人民生活用水、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和維持生態(tài)平衡等方面具有重要作用和意義[1]。地下水具有信息載體的功能，水化學(xué)組分和氫氧同位素為地下水的天然標(biāo)記，攜帶并記錄著地下水自補(bǔ)給、徑流至排泄過程的信息，是判別地下水補(bǔ)給來源的重要方法，已被廣泛應(yīng)用于水文水資源領(lǐng)域[2]。通過分析地下水水化學(xué)組分和氫氧同位素組成特征可以判別大氣降水、巖石風(fēng)化、蒸發(fā)作用和人類活動(dòng)等之間的聯(lián)系，以及地下水的補(bǔ)給來源，對(duì)合理開發(fā)利用地下水資源具有積極的指導(dǎo)作用。

云南省麗江市黑龍?zhí)度騼?nèi)有三大泉群，分別為清溪泉群、黑龍?zhí)度汉凸懦菂^(qū)泉群，其中古城區(qū)泉群包括白馬龍?zhí)?、甘澤泉和三眼井。泉水不僅是當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活用水的主要來源，而且是當(dāng)?shù)鼐坝^用水和服務(wù)業(yè)用水的主要來源之一。近年來，雨季降水量減少導(dǎo)致泉群流量減小，對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成一定影響。為分析泉域水化學(xué)特征和識(shí)別泉群的補(bǔ)給來源，以黑龍?zhí)度驗(yàn)檠芯繉?duì)象，通過測(cè)試分析水樣水化學(xué)組分特征和氫氧同位素組成特征，探討泉群水化學(xué)組分特征及其主要影響因素，并結(jié)合氫氧同位素值對(duì)泉群補(bǔ)給高程進(jìn)行反演，估算泉群主要補(bǔ)給區(qū)范圍，進(jìn)而識(shí)別補(bǔ)給源。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

研究區(qū)位于云南省麗江市城北象山腳下，平均海拔2 500 m。泉域地處高原季風(fēng)氣候區(qū)，干濕季節(jié)分明，5—10月為雨季（降水量占年降水量的85%），多年平均蒸發(fā)能力為1 950 mm。研究區(qū)水源較為豐富，主要河流有金沙江、黑白水河、文化河及三束河，均屬于金沙江水系。

研究區(qū)出露地層主要為第三系、第四系和三疊系，其中三疊系地層大面積出露，巖性以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r為主，第三系和第四系地層主要出露于麗江市東部及南部。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，主要為壓性和扭性斷裂，斷裂呈北東、北西及南北向，主要構(gòu)造屬金棉文筆山斷裂帶中的麗江—文化斷裂。

黑龍?zhí)度蚝到y(tǒng)形如倒三角，尖角指向南西，北側(cè)以地表分水嶺為邊界，屬透水邊界;南側(cè)和東側(cè)受可溶巖和非可溶巖界線和阻水?dāng)鄬尤﹂]，屬隔水邊界;西側(cè)以第四系湖積物覆蓋層為邊界，亦屬隔水邊界（見圖1）。研究區(qū)北部為九子海向斜，向斜核部可溶巖呈條帶狀延伸，區(qū)內(nèi)降水豐富，北東—南西走向斷裂構(gòu)造發(fā)育，在地下水作用下該區(qū)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地表巖溶以落水洞、漏斗、洼地、溶洞為主，為地表水與地下水的流通創(chuàng)造了條件。研究區(qū)地勢(shì)整體呈北高南低，北側(cè)九子海洼地為主要補(bǔ)給區(qū)，降水沿巖溶發(fā)育地段補(bǔ)給地下水，受地形切割及構(gòu)造控制，地下水沿網(wǎng)狀裂隙、溶洞及管道流動(dòng)，總體向南西流動(dòng)，通過潛流或小流量泉補(bǔ)給第四系孔隙含水層及碎屑巖類裂隙含水層，或于可溶巖與非可溶巖接觸地帶以泉的形式出露，如黑龍?zhí)度?、古城區(qū)泉群、巖腳泉等，泉域巖溶水系統(tǒng)流動(dòng)示意見圖2。

2 樣品采集與測(cè)試方法

在黑龍?zhí)度騼?nèi)共采集地下水水樣12組，采樣點(diǎn)分布見圖1。水樣除HCO-3濃度測(cè)定采用雙指示劑滴定法外，其他陰、陽離子分別使用離子色譜儀和電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測(cè)定;TDS質(zhì)量濃度采用水樣陰、陽離子質(zhì)量濃度之和減去二分之一HCO-3質(zhì)量濃度計(jì)算得到。根據(jù)水樣的常規(guī)離子含量，繪制了水樣的Piper三線圖，見圖3。水樣的氫氧同位素測(cè)試以相對(duì)維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水VSMOW的千分偏差值表示，δ18O和δD含量測(cè)試精度分別為0.5‰、0.1‰。水樣水化學(xué)組分及δ18O、δD見表1。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)組成特征

從表1可知，水樣各離子濃度均存在一定差異，水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca型，水化學(xué)組分中陽離子平均質(zhì)量濃度Ca2+>Mg2+>K++Na+，陰離子平均質(zhì)量濃度HCO-3>SO2-4>Cl-，其中HCO-3、Ca2+含量占陰、陽離子總量的比例最高，分別為59.12%和61.95%，Cl-、K++Na+含量占陰、陽離子總量的比例較小，分別為6.01%和14.64%。TDS含量變化不大，為304.18～391.57 mg/L。

Piper三線圖不僅可以表征水樣的離子組成特征及不同水化學(xué)組成特征，而且可以定性判斷水樣控制端源[3]。在陽離子組成的Piper圖中，地下水受蒸發(fā)鹽巖溶解和硅酸鹽風(fēng)化影響時(shí)水樣組分會(huì)偏向K++Na+端，受碳酸鹽巖風(fēng)化影響時(shí)水樣組分則偏向Ca2+-Mg2+線[4]。由圖3可以看出，在陽離子組成的Piper圖中水樣點(diǎn)均偏向Ca2+-Mg2+線，說明地下水主要受碳酸鹽巖風(fēng)化影響，這與研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖的大面積出露有關(guān);在陰離子組成的Piper圖中，水樣點(diǎn)由SO2-4離子端逐漸向HCO-3離子端變化，亦說明地下水主要受碳酸鹽巖風(fēng)化影響。白馬龍?zhí)懂愑谄渌畼狱c(diǎn)的原因是，白馬龍?zhí)段挥邴惤懦菂^(qū)內(nèi)，受人類生產(chǎn)生活用水影響較大，K++Na+濃度大。

地下水水化學(xué)組分受多種水-巖相互作用影響，根據(jù)水樣水化學(xué)組分的分析，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)地層巖性推斷地下水主要經(jīng)歷水-巖作用為

CaCO3+H2O+CO2→2HCO-3+Ca2+

MgCO3+H2O+CO→2HCO-3+Mg2+

根據(jù)水-巖作用可知，隨著地下水與圍巖接觸時(shí)間的延長，水中HCO-3濃度呈增大趨勢(shì)[5]。清溪泉群HCO-3、TDS濃度相對(duì)較高，分別為257.50、380.62 mg/L，說明其與圍巖接觸時(shí)間最長，地下水的徑流路徑和徑流時(shí)間也相對(duì)較長;黑龍?zhí)度?、古城區(qū)泉群和墳地泉等TDS和HCO-3含量相近，且變化范圍較小，說明其地下水徑流路徑及徑流時(shí)間相近，推斷其補(bǔ)給來源可能相同;九子海泉、紅水塘泉和臘日光泉TDS和HCO-3含量相對(duì)較低，表明其地下水與圍巖接觸時(shí)間較短，地下水徑流時(shí)間和徑流路徑短且通暢。

水樣的Gibbs圖可以直觀反映研究區(qū)地下水主要離子的控制因素，反映地下水水化學(xué)組分的蒸發(fā)-沉淀、大氣降水或巖石風(fēng)化等類型[6-7]。從圖4可以看出，水樣的離子含量比ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）、ρ（Cl-）/ρ（Cl-+HCO-3）分別為0.03～0.60、0.07～0.12，其平均值分別為0.13、0.09。水樣點(diǎn)基本集中在Gibbs圖中部，并略向“蒸發(fā)作用”端偏移，說明地下水離子組分主要來源于巖石風(fēng)化作用，并受一定程度蒸發(fā)作用影響。

在水化學(xué)數(shù)據(jù)處理中多元統(tǒng)計(jì)分析方法得到了廣泛應(yīng)用，其中因子分析和主成分分析方法有助于找出數(shù)據(jù)參數(shù)的變化規(guī)律，揭示水文地球化學(xué)過程。對(duì)水樣常規(guī)離子含量進(jìn)行主成分分析，首先根據(jù)每組水樣的離子含量，對(duì)九子海泉與其他水樣的相關(guān)性進(jìn)行分析;然后對(duì)水樣離子變量的相關(guān)性矩陣進(jìn)行KMO檢驗(yàn)，并對(duì)檢驗(yàn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，提取特征值大于1的兩個(gè)主成分m1、m2;最后得出水樣的載荷矩陣和貢獻(xiàn)率，見表2。

對(duì)水樣的相關(guān)性進(jìn)行分析得出，水樣之間的相關(guān)系數(shù)均大于0.9，表明水樣高度相關(guān)，泉域內(nèi)水樣均存在明顯水力聯(lián)系，結(jié)合研究區(qū)泉水出露的水文地質(zhì)特征，九子海泉與其他泉群存在補(bǔ)給關(guān)系。

由表2可知，提取的主成分m1的貢獻(xiàn)率為38.287%，主要與Ca2+、Mg2+、SO2-4的相關(guān)性較高，說明主成分m1與碳酸鹽巖類及石膏類巖石溶解有關(guān);主成分m2的貢獻(xiàn)率為35.460%，主要與Cl-、HCO-3的相關(guān)性較高，亦說明地下水主要受碳酸鹽巖風(fēng)化影響及一定程度蒸發(fā)影響。

根據(jù)水化學(xué)分析結(jié)果，地下水水巖作用時(shí)間及徑流路徑相對(duì)較長的為清溪泉群，較短的為九子海泉、紅水塘泉和臘日光泉;九子海泉與泉域內(nèi)各泉具有顯著水力聯(lián)系，說明其對(duì)其他泉存在補(bǔ)給關(guān)系。由補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)，地下水化學(xué)組分形成過程主要受水-巖相互作用影響（碳酸鹽巖類的溶濾作用）及當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)活動(dòng)影響。

3.2 氫氧同位素組成特征分析

隨著同位素在水文地質(zhì)研究中的應(yīng)用，氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地下水補(bǔ)給來源、補(bǔ)給高程及地下水徑流方向等方面的研究[8]。將水樣的同位素測(cè)試結(jié)果與西南地區(qū)降水線[9]（δD=7.96δ18O+9.52）和全球降水線[10]（δD=8δ18O +10）進(jìn)行線性擬合，繪制出水樣的δ18O—δD關(guān)系，見圖5。從圖5可以看出，水樣的δ18O與δD存在明顯線性關(guān)系，δD值為-100.0‰～-110.0‰，δ18O值為-13.5‰～-15.0‰，水樣點(diǎn)基本落在降水線附近或右下方，表明地下水總體以大氣降水集中補(bǔ)給為主，補(bǔ)給來源相對(duì)穩(wěn)定。

自然環(huán)境中，水中18O含量低于巖石中18O的含量，地下水在徑流過程中與圍巖相互作用，地下水與圍巖發(fā)生同位素交換，使得水中18O逐漸富集。圖5中水樣點(diǎn)δ18O—δD關(guān)系曲線的斜率略小于降水線的斜率，說明水樣受到一定程度的蒸發(fā)作用，且受水-巖作用影響水樣發(fā)生氧同位素漂移，地下水中18O富集。水樣的氫氧同位素分析結(jié)果與水化學(xué)Gibbs圖分析結(jié)果基本吻合。

水樣的δ18O—Cl-關(guān)系（見圖6）可以進(jìn)一步說明地下水的補(bǔ)給來源，其分析結(jié)果與水化學(xué)特征分析結(jié)果基本一致，即清溪泉群受水-巖作用影響較其他泉群明顯，其δ18O、δD和Cl-含量與其他泉群存在明顯差異，可推測(cè)清溪泉群與其他泉群存在不同的補(bǔ)給來源。

3.3 補(bǔ)給高程反演

氫氧穩(wěn)定同位素組成具有高程效應(yīng)，即高程越高，δD和δ18O值越低，高程與δD和δ18O之間存在良好的線性關(guān)系[11]，因此可以利用水樣的δD和δ18O值對(duì)研究區(qū)地下水水樣的補(bǔ)給高程進(jìn)行反演。根據(jù)于津生等[12]的研究結(jié)果，δ18O與高程H的相關(guān)關(guān)系式為-δ18O=0.002 6H+7.7，水樣的補(bǔ)給高程可通過下式來確定：

H=δs-δpk+h

式中：H為估算的水樣補(bǔ)給高程;δs為泉點(diǎn)的同位素值;δp為大氣降水中的同位素值;k為同位素梯度;h為取樣點(diǎn)高程。

高程分別利用δD、δ18O值進(jìn)行估算，兩者估算的補(bǔ)給高程相差不大，對(duì)比后采用δ18O值估算的高程值，為3 715～4 154 m，見圖7。結(jié)合研究區(qū)地形地貌及水文地質(zhì)條件，認(rèn)為清溪泉群補(bǔ)給區(qū)為研究區(qū)西北側(cè)高海拔地區(qū)，即玉龍雪山一帶，其余泉水補(bǔ)給高程相近，補(bǔ)給來源主要為九子海地區(qū)大氣降水。

結(jié)合水樣水化學(xué)特征和氫氧同位素特征分析結(jié)果，以及補(bǔ)給高程反演結(jié)果，泉域內(nèi)泉水均接受九子海地區(qū)大氣降水補(bǔ)給;清溪泉群雖接受九子海地區(qū)降水補(bǔ)給，但其還存在另一補(bǔ)給來源，即清溪泉群與其他泉群之間既相互聯(lián)系又相互獨(dú)立。因此，可認(rèn)為清溪泉群所屬地下水子系統(tǒng)與其他泉群不同，清溪泉群屬于“多源同匯”，其他泉群屬于“單源單匯”。

4 結(jié) 論

（1）黑龍?zhí)度虻叵滤瘜W(xué)組分以Ca2+、HCO-3為主，水化學(xué)類型為HCO3-Ca型。根據(jù)Piper三線圖和Gibbs圖以及離子數(shù)據(jù)分析結(jié)果，水樣中陽離子均接近Ca2+-Mg2+線，陰離子中SO2-4逐漸向HCO-3變化，水樣的ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）與ρ（Cl-）/ρ（Cl-+HCO-3）分別為0.10～0.50、0.07～0.10，且水樣點(diǎn)均集中在Gibbs圖中部，說明地下水主要受水-巖相互作用影響和一定程度的蒸發(fā)作用影響。

（2）水樣的δD值為-100.0‰～-110.0‰，δ18O值為-13.5‰～-15.0‰，水樣點(diǎn)基本落在降水線右下方，且水樣點(diǎn)δ18O—δD關(guān)系曲線的斜率小于降水線的斜率，表明水樣以大氣降水集中補(bǔ)給為主，補(bǔ)給來源相對(duì)穩(wěn)定，且受到一定程度蒸發(fā)作用的影響。

（3）水樣補(bǔ)給高程反演結(jié)果顯示補(bǔ)給高程為3 715～4 154 m，清溪泉群以研究區(qū)西北側(cè)玉龍雪山地區(qū)的冰雪融水為主要補(bǔ)給來源，黑龍?zhí)度?、古城區(qū)泉群和巖腳泉等補(bǔ)給高程及范圍相近，主要以九子海地區(qū)降水為補(bǔ)給來源。清溪泉群除接受九子海地區(qū)補(bǔ)給外，還存在另一補(bǔ)給來源，表明清溪泉群與其他泉群之間既相互聯(lián)系又相互獨(dú)立。因此，可認(rèn)為清溪泉群所屬地下水子系統(tǒng)與其他泉群不同，清溪泉群屬于“多源同匯”，其他泉群屬于“單源單匯”。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】

收稿日期：2019-07-10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41402223）

作者簡介：覃紹媛（1993—），女（壯族），廣西來賓人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ膛c環(huán)境水文地質(zhì)

E-mail：shaoyuan-qin@qq.com