巖溶水系統(tǒng)的水化學(xué)曲線及其在水文地質(zhì)研究中的應(yīng)用

姜光輝，郭 芳，于 奭

1.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004 2.國土資源部/廣西壯族自治區(qū)巖溶動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004

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巖溶水系統(tǒng)的水化學(xué)曲線及其在水文地質(zhì)研究中的應(yīng)用

姜光輝1,2，郭 芳1，2，于 奭1，2

1.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004 2.國土資源部/廣西壯族自治區(qū)巖溶動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004

巖溶水系統(tǒng)；水化學(xué)曲線；含水層補(bǔ)給；水文地質(zhì)調(diào)查；地下河

0 引言

1 研究區(qū)介紹

選擇西南巖溶地區(qū)6個具有研究基礎(chǔ)的典型巖溶水系統(tǒng)為研究對象(表1，圖1)。這6個系統(tǒng)屬于我國西南地區(qū)具有代表性的巖溶水單元，都處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年降雨量為1 000～2 000 mm，降雨集中分布在雨季。除水房泉因高海拔的原因，年平均氣溫為8.2 ℃外，其余水系統(tǒng)的年平均氣溫都為15.0～20.0 ℃。6個系統(tǒng)均處于我國南方巖溶比較發(fā)育的地層中，其中5個系統(tǒng)的含水巖組為連續(xù)型碳酸鹽巖；而水房泉系統(tǒng)的含水巖組為含煤系地層，屬于夾層型碳酸鹽巖，并且煤系地層起到隔水作用。巖溶水系統(tǒng)的構(gòu)造多屬于平緩的單斜；只有青木關(guān)屬于緊密背斜。系統(tǒng)內(nèi)發(fā)育洼地、谷地等封閉或半封閉巖溶負(fù)形態(tài)，并普遍存在落水洞，這些巖溶形態(tài)使降雨補(bǔ)給順暢。巖溶水通過落水洞、垂直溶蝕裂隙和裂隙匯集到管道當(dāng)中形成管道流。由于地形起伏大，造成管道流很大的水力坡度和流速。巖溶水以下降泉的形式集中排泄，都屬于全排型的巖溶水系統(tǒng)。

表1 6個巖溶水文系統(tǒng)的基本情況對比

a.水房泉(據(jù)文獻(xiàn)[8]修改)；b.丫吉S31巖溶泉(據(jù)文獻(xiàn)[4]修改)；c.青木關(guān)地下河(據(jù)文獻(xiàn)[9]修改)；d.陳旗巖溶泉(據(jù)文獻(xiàn)[6]修改)；e.官村地下河(據(jù)文獻(xiàn)[10]修改)；f.毛村地下河(據(jù)文獻(xiàn)[11]修改)。圖1 典型巖溶水系統(tǒng)的水文地質(zhì)剖面示意圖Fig.1 Hydrogeological profiles of six water systems

丫吉S31泉為峰叢洼地巖溶水系統(tǒng)。大氣降水通過表層巖溶帶和包氣帶的調(diào)蓄最終進(jìn)入飽水帶管道系統(tǒng)。盡管在洼地底部有殘坡積黏土層覆蓋，但所占的面積比例不大，因此其幾乎屬于完全通過巖溶介質(zhì)調(diào)蓄的水系統(tǒng)。陳旗泉是以峰叢谷地為特征的巖溶水系統(tǒng)。雨水分別通過山坡表層巖溶帶和谷地殘坡積覆蓋層入滲；徑流匯集到谷地中心，由地表沖溝和埋深不大的巖溶管道排泄，至山谷口形成巖溶泉。水房泉為溶丘洼地型水系統(tǒng)，地形整體坡度較小，第四系松散沉積層普遍存在，雨水主要通過覆蓋層下滲；并且洼地中形成溪流，通過落水洞補(bǔ)給巖溶泉。官村地下河巖溶水系統(tǒng)的補(bǔ)給方式兼有通過表層巖溶帶和覆蓋層兩種形式。地下河系將地形分割的洼地水單元串聯(lián)起來；且地下河具有一定的儲水空間。青木關(guān)地下河受到緊密型褶皺的控制，系統(tǒng)的空間形態(tài)呈現(xiàn)長條狀，巖溶水的調(diào)蓄主要通過覆蓋層和巖溶介質(zhì)；但是在雨季蓄水飽和的狀態(tài)下，洼地形成地表溪流，通過落水洞直接補(bǔ)給地下河。毛村地下河既接受來自砂巖地區(qū)的外源水補(bǔ)給，同時也存在峰叢洼地地區(qū)的巖溶水補(bǔ)給，含水層的補(bǔ)給方式多樣，但最終都匯集在地下河，通過地下河排泄。

2 巖溶水系統(tǒng)的水化學(xué)變化機(jī)制

巖溶水文系統(tǒng)的補(bǔ)給分為降雨內(nèi)源補(bǔ)給和來自非碳酸鹽巖地區(qū)的外源水補(bǔ)給。降雨內(nèi)源補(bǔ)給又存在分散的面狀入滲和集中的灌入式兩種形式，它們對水化學(xué)的影響效果不同。面狀的入滲通常都經(jīng)過上覆土層，滲水會溶解較多的土壤中的CO2，導(dǎo)致其侵蝕潛力上升，促進(jìn)碳酸鹽巖的溶解[12]。集中的灌入式補(bǔ)給在巖溶地區(qū)十分普遍，一般發(fā)生在洼地的落水洞中；但山坡上巖石裸露的地方由于缺少土壤的緩沖作用，降雨會很快在溶溝內(nèi)匯集成徑流，也會發(fā)生灌入式補(bǔ)給。

在雨量不足的情況下，巖溶泉的水化學(xué)不會發(fā)生變化，表明降雨補(bǔ)給的形成需要滿足門檻作用的要求。門檻機(jī)制的形成主要是因?yàn)橥寥缹雍桶鼩鈳Я严秾λ值奈铡９嗳胧降难a(bǔ)給普遍發(fā)生在包氣帶的含水量達(dá)到某閾值之后。發(fā)生包氣帶灌入式補(bǔ)給的閾值大小與土壤的厚度和面積、表層巖溶帶的厚度和溶蝕率有關(guān)，而與包氣帶的厚度關(guān)系不大。當(dāng)降雨滿足灌入式補(bǔ)給所需閾值時，山坡能夠產(chǎn)生的徑流類型有多種，包括巖石表面的徑流、壤中流和局部地帶土壤表面的徑流。灌入式補(bǔ)給大部分首先進(jìn)入到表層巖溶帶，然后再進(jìn)入到飽水帶。因?yàn)楫a(chǎn)流界面環(huán)境和運(yùn)動速度的原因，通過灌入式補(bǔ)給的巖溶水具有低的pH、pCO2、電導(dǎo)率、Ca2+質(zhì)量濃度等化學(xué)性質(zhì)，并會對系統(tǒng)的水化學(xué)變化產(chǎn)生顯著的作用[13]。

外源水一般以整條河流的形式轉(zhuǎn)變?yōu)閹r溶水，并且外源水對巖溶水的補(bǔ)給是源源不斷的，降雨會引起外源水補(bǔ)給量上升。外源水和巖溶水的水化學(xué)性質(zhì)差異顯著，外源水一般具有低的pH、電導(dǎo)率和低Ca2+、Mg2+等離子的質(zhì)量濃度。但是外源水進(jìn)入到巖溶地區(qū)之后，其水化學(xué)性質(zhì)迅速被改變[14]，因此外源水不一定會對系統(tǒng)的水化學(xué)狀態(tài)產(chǎn)生顯著的影響，只有外源水還未來得及與巖石充分反應(yīng)的情況下才會導(dǎo)致巖溶泉水化學(xué)的變化。由以上分析可知，不同的補(bǔ)給形式對地下水的水化學(xué)產(chǎn)生不同的影響，再加上系統(tǒng)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的因素，從而導(dǎo)致巖溶泉在降雨后形成不同的水化學(xué)曲線類型。

水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)包括含水層的空間展布、邊界條件、巖溶管道形態(tài)和巖溶泉的排泄條件等特征，它們對巖溶泉水化學(xué)的變化有重要影響。通過不同途徑進(jìn)入到巖溶水系統(tǒng)的徑流，其水化學(xué)受到系統(tǒng)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的控制。進(jìn)入到巖石裂隙或者孔隙介質(zhì)中的巖溶水，因?yàn)檠h(huán)周期長，對巖溶泉短期的水化學(xué)變化直接貢獻(xiàn)不大。但是由于水位升高導(dǎo)致裂隙介質(zhì)和管道介質(zhì)之間水頭差增加，會有更多的裂隙水或者孔隙水進(jìn)入到管道流，并且由于它們與巖石的作用時間長而具有較高的pH、電導(dǎo)率、pCO2、Ca2+質(zhì)量濃度等，會對巖溶泉的水化學(xué)產(chǎn)生影響[15]。降雨過程中通過灌入式補(bǔ)給的徑流很快進(jìn)入到巖溶管道，對巖溶泉水化學(xué)的影響是最直接的。而管道的長度、空間大小和水力坡度控制著徑流的運(yùn)動時間，影響水化學(xué)變化。存在外源水的系統(tǒng)，外源水往往位于系統(tǒng)上游，并且直接轉(zhuǎn)化為巖溶管道流，它對巖溶泉水化學(xué)的影響與外源水的流量有關(guān)。

3 巖溶水系統(tǒng)水化學(xué)曲線的類型

巖溶水系統(tǒng)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、初始狀態(tài)和邊界條件都會影響巖溶水的水化學(xué)組分，因此不同時期某個巖溶水系統(tǒng)的水化學(xué)曲線可能是千變?nèi)f化的。但對于同一個系統(tǒng)，往往存在某幾個控制水化學(xué)變化的因素，并導(dǎo)致它傾向于經(jīng)常性地出現(xiàn)某類水化學(xué)曲線。其中的控制機(jī)理從現(xiàn)有的研究可以總結(jié)為稀釋作用、CO2效應(yīng)、活塞流效應(yīng)和污染物淋濾效應(yīng)。為了能夠從系統(tǒng)的水化學(xué)動態(tài)解譯出水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)方面更多的信息，需要從現(xiàn)有觀測結(jié)果總結(jié)出常見的水化學(xué)曲線類型，作為其他地區(qū)的參考。

3.1 稀釋作用曲線

稀釋作用曲線是一類在南方巖溶地區(qū)最常出現(xiàn)的水化學(xué)曲線類型。在降雨補(bǔ)給的影響下，巖溶水礦化度降低，表現(xiàn)為電導(dǎo)率曲線出現(xiàn)低谷。稀釋曲線的出現(xiàn)表明系統(tǒng)內(nèi)形成了低礦化度、不飽和且低pCO2的巖溶水。當(dāng)巖溶水系統(tǒng)的表層調(diào)蓄功能弱時，就容易產(chǎn)生稀釋作用曲線。表層調(diào)蓄功能弱的原因有多種，如：地表不透水表面比例大、土壤稀少且?guī)r石裸露率高、巖石的導(dǎo)水和儲水空間中巖溶管道多、裂隙和孔隙介質(zhì)少、表層巖溶帶發(fā)育深度小且厚度薄等等。這些條件在石漠化強(qiáng)烈的地區(qū)或者厚層純灰?guī)r分布區(qū)出現(xiàn)的可能性較大，這也是此類地區(qū)生態(tài)脆弱、地表干旱缺水的重要原因。

3.2 CO2效應(yīng)曲線

CO2效應(yīng)曲線表現(xiàn)為電導(dǎo)率曲線升高的同時pCO2也升高。pCO2升高是降雨導(dǎo)致土壤高濃度CO2下移至地下水水面引起的。Williams[15]認(rèn)為其是表層巖溶帶的水移至飽水帶引起的。因?yàn)楸韺訋r溶帶的水溶解了更多土壤CO2，導(dǎo)致CO2效應(yīng)曲線出現(xiàn)，因此上述兩種觀點(diǎn)實(shí)質(zhì)是一致的。CO2效應(yīng)曲線和降雨分散面狀滲流補(bǔ)給及土壤層CO2濃度有關(guān)，如果土壤層稀少，或土壤層中CO2濃度沒有高于飽水帶，即使具備發(fā)生分散面狀補(bǔ)給的條件，CO2效應(yīng)也不明顯。土壤層空氣中的CO2濃度隨季節(jié)變化，夏季出現(xiàn)高峰，冬季出現(xiàn)低谷[12]，導(dǎo)致表層巖溶帶巖溶水和巖溶泉的電導(dǎo)率及pCO2的相對大小隨季節(jié)變化。在降雨的后期，表層巖溶帶的巖溶水逐漸被降雨補(bǔ)給稀釋，經(jīng)其調(diào)蓄的巖溶水礦化度及pCO2大幅下降，不再能為CO2效應(yīng)的發(fā)生提供條件，所以巖溶泉CO2效應(yīng)曲線總是發(fā)生在降雨補(bǔ)給初期，并且維系的時間較短。

3.3 活塞流效應(yīng)

在巖溶水系統(tǒng)中，出口水位或者流量的變化通常早于水化學(xué)變化，兩者的時間差表示溶質(zhì)在巖溶管道介質(zhì)中運(yùn)移的時間?；钊餍?yīng)在管道流中普遍存在，稀釋作用曲線和CO2效應(yīng)曲線都存在活塞流效應(yīng)。但是如果降雨補(bǔ)給的水和老水之間的水化學(xué)差異很小，則不會引起水化學(xué)的變化，即看不出活塞流效應(yīng)；同樣地，如果降雨補(bǔ)給發(fā)生的位置距離出口較遠(yuǎn)，因水化學(xué)指標(biāo)會在運(yùn)移過程中發(fā)生物理、化學(xué)變化，再加上彌散作用的影響，不會迅速引起泉口水化學(xué)變化，也看不出活塞流效應(yīng)?；钊餍?yīng)時間的長短近似反映了地下水在管道中的流速，可以利用活塞流效應(yīng)計(jì)算管道流速和管道體積[16]。

3.4 污染物淋濾曲線

污染物淋濾曲線是指與人類活動有關(guān)的離子在降雨后的濃度變化曲線。硝酸鹽、氯化物與農(nóng)業(yè)活動和生活類污染有關(guān)，是經(jīng)常觀測到的污染物。污染物一般開始在地表累積，可以通過分散面狀入滲和集中灌入式補(bǔ)給進(jìn)入含水層。污染物的累積量與人類活動和季節(jié)有關(guān)。以農(nóng)業(yè)活動為例，農(nóng)田的施肥和作物的吸收影響污染物的累積，降水分配的季節(jié)性引起污染物淋濾強(qiáng)度的變化。在巖溶水系統(tǒng)內(nèi)，農(nóng)業(yè)活動集中在洼地底部，洼地中的落水洞成為污染物淋濾的主要通道。降雨后污染物淋濾曲線表現(xiàn)為某些相關(guān)離子濃度出現(xiàn)波峰，多個波峰的出現(xiàn)表示不同洼地中污染物淋濾的結(jié)果。在巖溶水系統(tǒng)中，污染物的淋濾和遷移現(xiàn)象雖然有別于前面所提到的“水化學(xué)曲線”的概念，但是此過程會影響電導(dǎo)率的變化，因此將兩種曲線結(jié)合起來，更有助于水文地質(zhì)的分析。

盡管某個巖溶水系統(tǒng)的水化學(xué)曲線在一年四季會出現(xiàn)很多種類型，但因不同系統(tǒng)在降雨補(bǔ)給方式、徑流方式和排泄條件上都有類似之處，這些條件在程度和數(shù)量上的差異會導(dǎo)致該水系統(tǒng)趨向于經(jīng)常出現(xiàn)某幾種水化學(xué)曲線類型，這正是利用水化學(xué)曲線的方法研究水文地質(zhì)條件的價值。通過多個系統(tǒng)的對比，筆者建立了水化學(xué)控制機(jī)制與系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件的對應(yīng)關(guān)系，可以作為今后研究的參考(表2)。

表2 巖溶水系統(tǒng)的水化學(xué)控制機(jī)制與其水文地質(zhì)條件的對應(yīng)關(guān)系

注：√表示對應(yīng)關(guān)系顯著；-表示對應(yīng)關(guān)系不顯著。

a.水房泉(20070811-20070814，據(jù)文獻(xiàn)[8]修改；b.丫吉S31泉(20020513-20020515)，據(jù)文獻(xiàn)[22]修改；c.青木關(guān)地下河(20080525-20080624)，據(jù)文獻(xiàn)[20]修改；d.陳旗泉(20070721-20070731)，據(jù)文獻(xiàn)[6]修改；e.官村地下河(20070510-20050515)；f.毛村地下河(20040513-20040522)，據(jù)文獻(xiàn)[21]修改。圖2 巖溶水系統(tǒng)的部分水化學(xué)曲線Fig.2 Part of chemographs in six karst water systems

圖2為西南地區(qū)典型裸露型巖溶水系統(tǒng)水化學(xué)的變化圖。劉再華等[17]觀測了裸露型巖溶區(qū)表層巖溶帶的水化學(xué)變化，認(rèn)為：作為巖溶水系統(tǒng)當(dāng)中最靠近土壤圈和大氣圈的部分，表層巖溶帶巖溶水的水化學(xué)變化可以概括為季節(jié)、場雨和晝夜波動；季節(jié)波動和晝夜波動更加顯著地受到土壤CO2濃度的影響；在場雨波動中，降雨引起pH、電導(dǎo)率和方解石溶解飽和指數(shù)(SIc)的下降。

丫吉S31泉與劉再華等[17]所觀測的表層巖溶泉相比，其匯水范圍、含水層厚度和管道長度都大幅增加，但在結(jié)構(gòu)上兩者具有相似性。S31泉的水化學(xué)晝夜波動不明顯，季節(jié)波動的趨勢與表層巖溶帶相反[18]，即土壤CO2濃度變化的影響比不上降雨稀釋作用的影響，這是因?yàn)橄到y(tǒng)空間尺度增大。丫吉S31泉水化學(xué)的場雨波動與表層巖溶帶類似，反映出降雨稀釋作用是導(dǎo)致水化學(xué)變化的主要因素。由于S31泉系統(tǒng)管道長度的原因，造成活塞流效應(yīng)不明顯；而系統(tǒng)范圍內(nèi)受人類活動影響小，幾乎不存在污染物淋濾效應(yīng)。因此S31泉水系統(tǒng)的水化學(xué)曲線可以作為典型降雨內(nèi)源補(bǔ)給型稀釋作用控制的水化學(xué)曲線的代表。

與S31泉相比，陳旗泉的包氣帶厚度較小，而覆蓋層的厚度和面積較大，并且部分徑流通過地表水系匯集到泉口，其余水文地質(zhì)條件相似。陳旗巖溶泉的水化學(xué)曲線在場雨期間同樣反映強(qiáng)烈的稀釋作用。與S31泉不同的是，陳旗泉的電導(dǎo)率在降雨后首先出現(xiàn)一個快速下降的信號，接著是電導(dǎo)率持續(xù)維持低值。與電導(dǎo)率快速下降的信號對應(yīng)的是在谷地當(dāng)中沖溝兩邊的覆蓋層區(qū)域所產(chǎn)生的地面徑流。這個水化學(xué)變化的細(xì)節(jié)體現(xiàn)了水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同，說明水化學(xué)分析方法的作用。

與S31泉相比，水房泉不僅具有更多的面狀入滲補(bǔ)給，而且由于受到巖性的影響，水房泉系統(tǒng)中裂隙對地下水運(yùn)動的作用明顯增強(qiáng)。水房泉的水化學(xué)曲線較多地體現(xiàn)CO2效應(yīng)的控制，較少出現(xiàn)稀釋作用，反映降雨分散面狀補(bǔ)給的比例較高。此時電導(dǎo)率和pCO2曲線出現(xiàn)波峰[19]。水房泉的水化學(xué)曲線可以代表以面狀補(bǔ)給為主和裂隙介質(zhì)控制的巖溶水系統(tǒng)的典型水化學(xué)變化。

與S31泉比較，官村巖溶水系統(tǒng)和青木關(guān)巖溶水系統(tǒng)的面積較大，其他水文地質(zhì)條件相似。流域面積較大的系統(tǒng)影響水化學(xué)的因素增多。首先管道的長度和容量增加，不僅造成彌散作用增強(qiáng)，而且增加了水巖相互作用的時間，使化學(xué)反應(yīng)更加徹底；其次地下河補(bǔ)給區(qū)一般都有農(nóng)村居民點(diǎn)和農(nóng)業(yè)活動，人類活動產(chǎn)生的離子濃度影響到地下河的水化學(xué)變化。Guo等[10]觀測官村地下河時發(fā)現(xiàn)，水化學(xué)曲線的變化體現(xiàn)的不再是單純的稀釋作用和CO2效應(yīng)，還包括活塞流效應(yīng)和污染物淋濾效應(yīng)。水化學(xué)曲線的特征是電導(dǎo)率等指標(biāo)的變化時間縮短和變化幅度縮小，這是系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大的結(jié)果；另外降雨補(bǔ)給向含水層輸送污染物可以引起電導(dǎo)率的升高，使電導(dǎo)率變化更復(fù)雜。例如青木關(guān)地下河降雨后硝酸鹽的質(zhì)量濃度凈增加了14～18 mg/L，所產(chǎn)生的污染效應(yīng)對水化學(xué)曲線的影響是顯著的[20]。

與S31泉比較，毛村巖溶水系統(tǒng)不僅面積較大，而且地下河的上游外源水的匯水范圍達(dá)到了32%。砂巖地區(qū)產(chǎn)生的外源水中的方解石與白云石的溶解處于不飽和狀態(tài)，流到巖溶地區(qū)后礦化度迅速增加，但是相對于來自內(nèi)源補(bǔ)給的巖溶水，其礦化度還是較低，因此外源水會降低系統(tǒng)出口處巖溶水的電導(dǎo)率和pCO2等值。外源水改變巖溶泉的水化學(xué)機(jī)制還與外源水的流量和內(nèi)源水補(bǔ)給量的相對大小有關(guān)。在降雨過程中，外源水作為地表水系，對降雨的響應(yīng)更加迅速，外源水的流量增加速度相對內(nèi)源補(bǔ)給量較大，巖溶泉的水化學(xué)會在短時間內(nèi)出現(xiàn)顯著的波動。但是隨著外源水流量的減少，內(nèi)源補(bǔ)給的徑流會逐漸增強(qiáng)，并且使巖溶泉的水化學(xué)逐漸復(fù)原。水化學(xué)曲線表現(xiàn)的是短暫的稀釋效應(yīng)。有時外源水也會帶來大量的污染物，造成相關(guān)離子濃度的增加[21]。

4 結(jié)論與建議

本研究選擇了6個南方裸露型巖溶水系統(tǒng)作為對象，通過水文地質(zhì)條件和水化學(xué)曲線的對比得出以下結(jié)論。1)降雨補(bǔ)給所產(chǎn)生的多種水化學(xué)效應(yīng)因?yàn)橄到y(tǒng)水文地質(zhì)條件的控制而出現(xiàn)不同的結(jié)果。巖溶水系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件和其水化學(xué)曲線之間具有一定程度的對應(yīng)關(guān)系。揭示水化學(xué)曲線的成因，應(yīng)該結(jié)合具體的水文地質(zhì)條件，例如降雨的補(bǔ)給方式、控制巖溶水運(yùn)動的介質(zhì)類型、巖溶水的排泄方式，以及系統(tǒng)的大小等宏觀特征，還要注意某些細(xì)微的差別對水化學(xué)產(chǎn)生的影響。2)巖溶水系統(tǒng)的水化學(xué)曲線之所以能夠體現(xiàn)水文地質(zhì)特征，原因在于巖溶介質(zhì)具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性和巖溶水具有高度的敏感性。來自于不同界面和通過不同方式運(yùn)動至出口斷面的巖溶水能夠保持自身形成時的水化學(xué)性質(zhì)，并成為驅(qū)動水化學(xué)變化的本質(zhì)原因。而對于不同的系統(tǒng)，巖溶發(fā)育的方式和結(jié)果不同，造成巖溶水產(chǎn)生和運(yùn)動的水動力和地球化學(xué)環(huán)境的差異，也就有可能形成不同的水化學(xué)曲線。3)除了現(xiàn)有的溫度、電導(dǎo)率、pH、飽和指數(shù)、pCO2等常規(guī)指標(biāo)外，還應(yīng)該嘗試環(huán)境同位素、微量元素、溶解有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)在分析巖溶水運(yùn)動特征上的應(yīng)用。水化學(xué)指標(biāo)類型的拓展增強(qiáng)了水化學(xué)方法的可信度和說服力，是水化學(xué)方法發(fā)展的新方向[23]。

建議巖溶地區(qū)水文地質(zhì)的調(diào)查和研究多開展水化學(xué)的監(jiān)測，借此更好地理解巖溶水系統(tǒng)的水文地質(zhì)特征。

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Chemographs of Karst Water System and Its New Application in Hydrogeological Survey

Jiang Guanghui1，2, Guo Fang1，2, Yu Shi1，2

1.InstituteofKarstGeology,CAGS，Guilin541004,Guangxi,China2.KeyLaboratoryofKarstDynamics,MLRandGZAR,Guilin541004,Guangxi,China

Six karst water systems in Southwest China are selected for comparison study, in order to find out the relationship between spring chemographs and their hydrogeological characters. The six karst springs are S31 in Yaji experimental site, Maocun subterranean river, Guancun subterranean river, Chenqi spring, Qingmuguan subterranean river, and Shuifang spring in Jinfo Mt. Some important results are summarized. The repeated chemograph changes in springs were found through continuous auto-monitoring of pH, temperature, specific electrical conductivity (SPC) and other indexes. There are some common differences in chemographs impacted by intrinsic and extrinsic properties of the system. Firstly, recharge from rainfall leads to changes in discharge and water-rock interaction. Secondly, the CO2recharge with infiltration promotes the karst process. Finally, contaminate leaching from surface also has impact on water chemistry. When theSPC, pH, water temperature, and saturation index of calcite (SIc) decrease after rainfall recharge event, it indicates the occurrence of dilution process. When theSPCtogether with other indexes show peaks after rainfall recharge, it indicates CO2effect caused by seepage recharge from epikarst water dissolved with CO2in soil. When the chemographs are found lagging behind the change of hydrograph, piston flow effect occurs. Eluviation effect occurs when the ions related to human activities increase after rainfall recharge. This can be explained by the contaminant distinctly input from the surface washing, and probably have influence on variation trend ofSPC. Chemographs of karst water system tend to have several effects frequently, and the mutual types are different, suggesting that different strong or weak impact on karst water by diffusion or concentration recharge from rainfall recharge, and the difference in runoff pattern and regulation and storage mechanism. In general, karst water system which is dominated by diffusion recharge, usually presents more CO2effect in chemographs, and less dilution effect. In karst water system with strong karstification, rainfall recharge is controlled by solution fissure and conduits. Their chemographs presents more in dilution effect, while less in CO2effect. Karst systems dominated by concentration recharge are easily to have piston flow effect. However, the variation of water chemistry is weakened in systems when they have big thickness of vadose zone and high storage capacity of aquifer.

karst water system; chemograph; aquifer recharge; hydrogeological survey; subterranean river

10.13278/j.cnki.jjuese.201503205.

2014-08-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41472239，41172231，41102161)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFDA019024)；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(1212010916063)

姜光輝(1977--)，男，副研究員,博士，主要從事巖溶水文學(xué)研究，E-mail:bmnxz@126.com

郭芳(1978--)，女，研究員，主要從事巖溶水文學(xué)方面的研究，E-mail:gfkarst@126.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201503205

P641.134

A

姜光輝，郭芳，于奭.巖溶水系統(tǒng)的水化學(xué)曲線及其在水文地質(zhì)研究中的應(yīng)用.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2015,45(3):899-907.

Jiang Guanghui, Guo Fang, Yu Shi.Chemographs of Karst Water System and Its New Application in Hydrogeological Survey.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(3):899-907.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201503205.