廣西姚村地下河水化學(xué)特征及其時空變化

林永生，裴建國，杜毓超，盧 麗，樊連杰

(中國地質(zhì)科學(xué)院 a.巖溶地質(zhì)研究所;b.國土資源部/廣西壯族自治區(qū)巖溶動力學(xué)重點實驗室，廣西 桂林 541004)

廣西姚村地下河水化學(xué)特征及其時空變化

林永生a,b，裴建國a,b，杜毓超a,b，盧 麗a,b，樊連杰a,b

(中國地質(zhì)科學(xué)院 a.巖溶地質(zhì)研究所;b.國土資源部/廣西壯族自治區(qū)巖溶動力學(xué)重點實驗室，廣西 桂林 541004)

以廣西黎塘姚村地下河為研究對象，通過對豐水期(6月份)、平水期(9月份)、枯水期(12月份)各采樣點的地下水進行水化學(xué)研究，揭示了姚村地下河的水化學(xué)組成，探討其水化學(xué)性質(zhì)時空變化。結(jié)果表明：在空間上，電導(dǎo)率、Ca2+和Mg2+濃度自地下河上游至下游逐步升高，地下河出口處(3#采樣點)電導(dǎo)率遠高于其他點(豐水期589 μS/cm、平水期634 μS/cm、枯水期614 μS/cm)；在時間分布上，pH值,SO42-,NO3-濃度季節(jié)變化明顯，地下河出口處(3#采樣點)的NO3-濃度在枯水期有明顯升高；研究區(qū)地下水的化學(xué)性質(zhì)受巖溶作用的強弱程度以及農(nóng)業(yè)活動的影響。

巖溶水；地下河系統(tǒng)；水化學(xué)特征；巖溶作用；農(nóng)業(yè)活動；廣西黎塘姚村

我國南方巖溶區(qū)3 066條地下河水資源是我國重要的戰(zhàn)略資源，是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。然而，由于巖溶環(huán)境本身的脆弱性，以及人類活動的影響，巖溶地下河正面臨水質(zhì)退化、水源枯竭等多方面的威脅[1-2]。廣西黎塘鎮(zhèn)的水資源量相對豐富，但開發(fā)利用程度不高，東面姚村地下河長期以來是其生產(chǎn)及生活用水的主要來源。該地下河水量較豐富、水位較淺，現(xiàn)已開發(fā)利用十幾處水源井點。

由于這些年來，人們無計劃地開采，過量取水，造成供需矛盾日益緊張，地下河水位在枯季也逐年下降，局部地區(qū)已出現(xiàn)多處地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象[3-5]。本文主要研究了在孤峰平原區(qū)下的姚村地下河流域內(nèi)，地下水中主要水化學(xué)離子的時空變化特征及污染現(xiàn)狀，為黎塘姚村地下河的開發(fā)利用和保護提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

研究區(qū)位于廣西賓陽縣東部，地處東經(jīng)109°02′～109°18′、北緯23°04′～23°20′；行政區(qū)劃包括賓陽縣的黎塘鎮(zhèn)、黎明鎮(zhèn)、雙橋鄉(xiāng)，和吉鎮(zhèn)的大部分以及來賓縣小平陽鎮(zhèn)和貴港市樟木鄉(xiāng)的一小部分。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)氣候溫和,年平均氣溫20.9 ℃；雨量充沛，多年平均降雨量1 584 mm/a；日照充足，無霜期長，一年四季適宜種植農(nóng)作物。

姚村地下河系匯水面積56 km2，發(fā)源于北東部的內(nèi)閉，經(jīng)凌村、志廣于姚村的白水塘溢出地表，地下河沿區(qū)域構(gòu)造的北東向發(fā)育，全長12.5 km。最大流量1.56 m3/s，最小15 L/s。沿地下河天窗、漏斗發(fā)育。地下水由北東向西南運移，埋藏深度不大，多在1.5～3.5 m，局部地區(qū)見溶潭發(fā)育，地下水在豐水季節(jié)通過溶潭溢出地表，地下水資源豐富。

1.2 地質(zhì)條件

研究區(qū)地層主要由泥盆系、石炭系組成。

(1) 泥盆系(D)，地層由中統(tǒng)、上統(tǒng)組成：中統(tǒng)東崗嶺階(D2d)，碳酸鹽巖沉積，巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、白云巖；上統(tǒng)(D3)，巖性為淺灰色、灰白色厚層狀亮晶粒屑灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r、局部夾白云巖。

(2) 石炭系(C)，地層由下統(tǒng)、中統(tǒng)及上統(tǒng)組成：下石炭統(tǒng)(C1)，巖性為灰、深灰色中厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾白云巖、含燧石結(jié)核(團塊)灰?guī)r；中石炭統(tǒng)(C2)，巖性為灰白色薄層狀白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r；上石炭統(tǒng)(C3)，巖性為灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r。

1.3 地貌條件

地下河系統(tǒng)內(nèi)碳酸鹽巖廣為分布，地貌條件主要為：

(1) 殘丘、孤峰平原，主要分布于西南部姚村、帽子、凌村、志廣一帶，巖溶殘丘、孤峰零星分布，拔地而起，平原地面標高一般為85～100 m，孤峰頂面標高為150～200 m，相對標高為65～100 m。平原區(qū)地形較平坦開闊，均為第四系松散層覆蓋，其上部多為亞黏土層，下部為砂礫石層夾黏土，厚0～10 m，局部地區(qū)偶見基巖零星裸露。平原區(qū)下伏地層巖性主要為泥盆系、石炭系的碳酸鹽巖。該區(qū)地表、地下水資源及農(nóng)用土地資源豐富，土壤較肥沃，是賓陽縣重要農(nóng)業(yè)耕作區(qū)。

(2) 峰林谷地，主要分布于研究區(qū)東北部華羅、馬羅、內(nèi)閉、方村、那柳一帶，由多個成排連座的峰林及相間谷地所組成。谷地常呈不規(guī)則狀，有的呈狹長形。其發(fā)育延伸方向明顯受區(qū)域構(gòu)造所控制。谷地地貌較平坦，底面標高一般100～130 m，峰林石峰頂面標高一般250～380 m，相對標高150～250 m。地層為石炭系和泥盆系，以灰?guī)r和白云巖為主。

表1 姚村地下河系統(tǒng)的基本特征及主要離子濃度

Table 1 Basic properties and main ions concentrations of samples from Yaocun underground river system

時期采樣點編號pHT/℃EC/(μS·cm-1)離子濃度/(mg·L-1)K+Na+Ca2+Mg2+HCO3-Cl-NO3-SO42-TDS/(mg·L-1)1#7．4325．504770．563．0880．418．89263．787．1515．0011．82264豐水期2#7．3426．804930．282．3882．2216．03284．0711．226．4523．232903#7．3524．505891．978．6797．0211．72268．8518．8816．1664．273651#7．5125．604490．882．4781．939．70260．807．6715．4511．98264平水期2#7．6726．504920．741．7882．1615．45270．6412．315．7122．172803#7．7227．406342．266．04102．2010．98244．8113．2610．6489．333641#7．7824．704480．662．1878．788．72243．057．7714．4211．21248枯水期2#7．9124．704870．421．4679．1115．64285．6910．465．1221．452803#7．5420．106141．969．0996．4414．18253．7128．8825．3158．22366

注：表中EC為電導(dǎo)率，TDS為溶解性固體總量。

2 研究方法

根據(jù)前人資料可知該地下河系統(tǒng)管道的分布及控制特性，本研究選取該系統(tǒng)內(nèi)的3個控制點：1#采樣點位于華羅溶潭；2#采樣點位于志廣溶潭； 3#采樣點位于姚村地下河出口(圖1)。

圖1 姚村地下河采樣點布置Fig.1 Layout of sampling points at underground river of Yaocun

按照豐水期、平水期、枯水期各采一批樣品進行分析測試。采樣時間分別為2013年6月份、9月份、12月份。現(xiàn)場采樣工作中使用WTW-Muti340i 水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測試水樣的pH、水溫、電導(dǎo)率等各項指標，其中pH值、溫度和電導(dǎo)率測試精度分別為0.01,0.1 ℃和1 μS/cm，待儀器調(diào)試穩(wěn)定之后再采集樣品。檢測工作由中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所測試中心完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水水溫、pH值、電導(dǎo)率的變化

姚村地下河系統(tǒng)的基本特征及主要離子濃度如表1所示。 由表1可知， 該地下河各點水溫變化比較明顯，變化幅度在0.1～7.3 ℃。 變化最小的是華羅溶潭； 相差最大的是姚村地下河出口的溫度， 平水期比枯水期高了7.3 ℃。 從總體上看，1#， 2#采樣點的pH值隨著豐、平、枯水期的變化基本呈現(xiàn)一致的變化， 豐水期最低， 枯水期最高。 豐水期pH值較低是由于6月份各取樣點周圍種植水稻、玉米等農(nóng)作物， 氣溫高， 土壤中各種生物活動強烈， 分泌較多的有機酸和排泄物， 植物呼吸作用放出的CO2也積極參與巖溶系統(tǒng)中的碳、水、鈣循環(huán)， 造成土壤中CO2濃度增加， 化學(xué)平衡向右移動，H+增加， 巖溶地下水pH值降低[6]。 地下河出口(3#采樣點)pH值可能受水廠供水調(diào)節(jié)影響， 不具規(guī)律性。

電導(dǎo)率越高，說明地下水中的離子越多，離子遷移率越高。由表1可知，姚村地下河出口(3#采樣點)的電導(dǎo)率在豐水期、平水期和枯水期分別為589，634，614 μS/cm，在3次取樣中都是最高的，華羅溶潭(1#采樣點)的電導(dǎo)率最低。礦化度的高低取決于灌溉水的水質(zhì)及灌溉水量的多少[7]。由于姚村地下河處于峰林平原區(qū)，種植大量的農(nóng)作物，農(nóng)業(yè)灌溉遠多于華羅溶潭地區(qū)，因此3#采樣點的電導(dǎo)率高于1#采樣點。

3.2 常見水化學(xué)離子分析

利用水化學(xué)三線圖可以表明水體的主要離子組成變化，體現(xiàn)不同水體的化學(xué)組成特征[8]。系統(tǒng)中各時期的1#,2#采樣點的鈣離子(Ca2+)所占陽離子的百分數(shù)為73.97%～82.45%，其它陽離子的離子含量均<25%；碳酸根離子(HCO3-)所占陰離子的百分數(shù)為79.61%～84.13%，其它陰離子的離子含量均<25%。按舒卡列夫分類法，水化學(xué)類型均為HCO3-Ca型；同樣按舒卡列夫分類法，3#采樣點枯水期水化學(xué)類型為HCO3-Ca型，豐、平水期水化學(xué)類型均為HCO3·SO4-Ca型。水化學(xué)類型見圖2。

圖2 姚村地下河系統(tǒng)水化學(xué)類型Fig.2 Hydrochemical types of Yaocun underground river

控制水體中主元素化學(xué)組成變化的主要因素首先是物質(zhì)來源，其次是不同的化學(xué)反應(yīng)過程。地表水和地下水中的物質(zhì)來源主要有3種：礦物的溶解、大氣沉降物和污染物的輸入[9]。研究區(qū)內(nèi)的含水層以灰?guī)r和白云巖為主，石灰?guī)r和白云巖的造巖礦物主要為方解石(CaCO3)和白云石(CaMg(CO3)2)。方解石溶解可形成HCO3-Ca型水，而白云石溶解主要形成HCO3-Ca-Mg型水。從表1可以看出，2#采樣點Mg2+濃度高于其他采樣點，顯示了地層巖性對水化學(xué)的控制，該采樣點地層為C2，巖性主要為白云巖。從時間上看，K+,Na+,Cl-的濃度在豐、平、枯水期相比，各采樣點表現(xiàn)得不一致。其中，各采樣點K+的濃度均表現(xiàn)出平水期最高，Na+一般在豐水期濃度高，而Cl-沒有明顯的規(guī)律性。從空間分布上，3#采樣點的K+，Na+，Cl-濃度均大于其他采樣點。通常Cl-是水循環(huán)中的保守元素，并不參與化學(xué)風(fēng)化，但可以來自于人類活動，比如農(nóng)業(yè)化合物( K2CO3或KCl) 、含鹽的生活污水、人類和動物排泄物以及經(jīng)過Cl2處理的自來水[10]。從表1中還可以看出，各時期的采樣點從上游到下游Cl-都呈遞增趨勢，表明Cl-主要來源于生活廢水和農(nóng)業(yè)施肥。而各采樣點的Na+濃度均遠大于K+濃度，這也符合自然規(guī)律，主要是因為大部分的K+已被植物吸收。

圖3為各采樣點不同時期NO3-，SO42-變化圖。研究表明，地下水中的NO3-主要來源于人為活動的輸入，例如農(nóng)業(yè)施肥、大氣輸入、人類和動物排泄物、“三廢”以及土壤有機氮礦化和硝化作用轉(zhuǎn)化而來[11-14]。從圖3可以看出，在豐水期、平水期時各點的NO3-濃度呈較好的分異性?；旧?，都是豐水期大于平水期。在枯水期時，3#采樣點的NO3-濃度明顯增大，這可能與降雨有關(guān)。雖然在枯水期取樣，但是在3#采樣點取樣的當天清晨下了一場暴雨，在通往3#采樣點的橋下和農(nóng)田中都明顯積水。且NO3-含量受農(nóng)業(yè)和人類活動影響很大。3#采樣點出口就在人口密集和農(nóng)田廣闊的地區(qū)。村中生活污水及農(nóng)業(yè)廢水，隨雨水直接排入地下，由于地下河管道較短，減少了NO3-在運移過程中可能存在的自凈作用，使得NO3-濃度明顯增大。

圖3 各采樣點不同時期NO3-，SO42-濃度變化Fig.3 Variations of concentrations of NO3-,SO42-at different sampling points in different periods

地下水中的SO42-主要來源于各種沉積巖中的石膏、硬石膏及其它硫酸鹽的沉積物。另一個重要來源是人類在土地利用中對土壤施加的農(nóng)藥中含硫化合物；還有人類在開礦、冶金和金屬加工過程中產(chǎn)生大量的含酸廢水，也導(dǎo)致地下水中的SO42-濃度增加[6]。姚村附近人口密集、農(nóng)業(yè)活動強烈，分布少量的工業(yè)廠礦。從圖3中可以看出，姚村出口的SO42-濃度明顯高于其它2個采樣點，且在平水期濃度最高，達89.33 mg/L。

3.3 重金屬離子分析

本次研究同時對Fe,Mn,Zn,As,Pb,Al,Cd重金屬離子進行分析測試，分析測試結(jié)果見表2。從時間上看，金屬離子大致體現(xiàn)出在枯水期的值高于其他采樣時期。在豐水期和平水期Al,Cd值都低于檢出限值，只在枯水期有檢測且值很小。Fe,Mn離子含量隨時間變化而增大，3#采樣點枯水期Fe濃度最大值達0.22 mg/L，較為接近地下水質(zhì)量標準(征求意見稿)Ⅲ類水質(zhì)Fe限值(0.3 mg/L)。在平水期，3#采樣點Pb超出了Ⅲ類水質(zhì)Pb限值(0.01 mg/L)，值得關(guān)注。從空間上，各時期采樣點，Zn都呈現(xiàn)出從上游往下游遞增的趨勢。其余金屬未見明顯的空間分布特征。

表2 姚村地下河系統(tǒng)部分重金屬離子濃度

Table 2 Some heavy metal ion concentrations at Yaocun underground river system

時期采樣點編號離子濃度/(10-2mg·L-1)FeMnZnAsPbAlCd1#0．80—0．22————豐水期2#0．790．140．32————3#0．76—3．40————1#2．900．31—————平水期2#4．602．100．220．23———3#3．000．7129．00—3．70——1#21．001．453．260．070．196．190．016枯水期2#20．001．863．360．080．174．810．0173#22．001．276．380．090．134．840．026

注：表中“—”表示該值低于檢出限值。

4 結(jié) 語

姚村地下河系統(tǒng)流域巖溶水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca型，部分點為HCO3·SO4-Ca型。其水化學(xué)特征隨徑流的豐枯變化及空間地貌結(jié)構(gòu)的不同而變化。初步認為該地下河出口在平水期受重金屬Pb污染。對研究區(qū)的3個時期(豐水期、平水期、枯水期)水樣的水化學(xué)指標進行統(tǒng)計、分析得出以下規(guī)律：

(1) 姚村地下河的pH平均值為7.58，豐水期、平水期和枯水期的變化呈現(xiàn)一致的變化，平水期最低，枯水期最高；電導(dǎo)率平均值為504 μS/cm，受農(nóng)業(yè)灌溉的影響，地下河出口的值均高于其他點。

(2) 地下河中Ca2+,HCO3-和Mg2+來源于基巖的溶蝕。隨著巖溶作用增強，豐水期、平水期、枯水期水樣中的K++Na+,Ca2+,HCO3-,SO42-的濃度呈現(xiàn)先降低后升高的特點，Mg2+呈現(xiàn)逐漸升高的特點，其水質(zhì)變化主要受到了水-巖作用。

(3) 地下河系統(tǒng)中NO3-的變化主要受農(nóng)業(yè)施肥的影響。由于6月份豐水期正值農(nóng)業(yè)施肥階段，使得豐水期NO3-高于其他時期。對于枯水期，地下河出口NO3-遠高于其他2個測點的數(shù)值，主要由于降雨使得土壤中的肥料流失進入地下河中所致。

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(編輯：占學(xué)軍)

Temporal and Spatial Distribution of the Hydrochemical Characteristicsof Yaocun Underground River in Guangxi Province

LIN Yong-sheng1,2，PEI Jian-guo1,2,DU YU-chao1,2,LU Li1,2,FAN Lian-jie1,2

(1.Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, China; 2. Guangxi Karst Dynamics Laboratory under Ministry of Land and Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, China)

With the underground river at Litang county of Guangxi province as a research object, we revealed thehydrochemical compositions of Yaocun underground river and discussed its temporal and spatial distribution by analyzing groundwater samples collected in wet season (June), normal flow season (September), and dry season (December). Results showed that 1) in space scale, the conductivity and the concentrations of Ca2+and Mg2+gradually increased from the upstream to the downstream, and in particular, the conductivity of the underground river’s outlet (point No.3) was higher than that of other positions, reaching 589 μS/cm in wet season, 634 μS/cm in normal flow season, and 614 μS/cm in dry season; 2) while in time scale, the concentrations of pH, SO42-, NO3-varied with season, and NO3-concentration at underground river’s outlet in dry season was higher than that in other seasons; 3) the hydrochemical characteristics of the research area are influenced by karst degree and agricultural activities.

karst water; underground river system; hydrochemistry characteristics; karstification; agriculture activities；Yaocun at Litang county of Guangxi Province

2015-12-14；

2016-03-01

國家自然科學(xué)基金項目(40772164)；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(1212011121164)；環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(2013A035)；中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)項目(2015008)

林永生(1985-)，男，福建龍巖人,助理研究員，碩士，主要從事巖溶水文地質(zhì)及巖溶地下水化學(xué)研究,(電話)0773-5837349(電子信箱)linyongsheng@karst.ac.cn。

10.11988/ckyyb.20151049

2016,33(12):6-9，16

P641.12

A

1001-5485(2016)12-0006-04