柳林泉域地表水與巖溶地下水的混合作用研究

臧紅飛 連澤儉

摘要：研究巖溶水系統(tǒng)中地表水、地下水的混合作用對于巖溶地下水資源的合理開發(fā)利用和保護具有重要意義。在野外調查與取樣分析的基礎上，利用水文地球化學模擬技術和環(huán)境同位素示蹤技術，研究了柳林泉域地表水與巖溶地下水的混合作用，計算了混合比例，并利用該比例估算了典型補給區(qū)的大氣降水入滲補給量。結果表明：巖溶地下水由補給區(qū)向徑流區(qū)、由徑流區(qū)向排泄區(qū)流動的過程中，在地表河流滲漏帶附近與入滲的地表水發(fā)生混合作用，地表水、地下水的混合比例分別約為3：1和2：3;在田家會上游的巖溶水補給區(qū)，大氣降水多年平均入滲補給流量約為0.07 m3/s。

關鍵詞：巖溶地下水;混合作用;水文地球化學模擬;環(huán)境同位素;柳林泉域

中圖分類號：P641.3

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379. 2020.01.011

柳林泉巖溶水系統(tǒng)地處中國北方干旱半干旱巖溶區(qū)，地表水資源短缺、巖溶地下水相對豐富是當地水資源的主要特征，因此巖溶地下水是當地工業(yè)、農業(yè)和生活用水的主要水源。伴隨著區(qū)域經濟社會的快速發(fā)展，巖溶水的開采量、礦坑排泄巖溶水量逐年增多，導致柳林泉的流量持續(xù)減小，為區(qū)域水生態(tài)安全敲響了警鐘[1-3]。巖溶水系統(tǒng)的補給來源主要包括大氣降水的入滲補給和地表河流的滲漏補給[2-3]。在水生態(tài)文明建設的大背景下，研究巖溶水系統(tǒng)地表水與地下水的混合作用，對于維持區(qū)域水生態(tài)平衡、保障區(qū)域供水安全和經濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

前人對柳林泉巖溶水系統(tǒng)的研究主要集中在巖溶水動力場的描述[4-5]及水化學場的演化過程[6-11].并未對地表水與地下水的混合作用展開深入研究。在深入分析區(qū)域地形地貌、地質及水文地質條件的基礎上，基于野外水化學及同位素取樣分析數據，利用水文地球化學模擬技術及環(huán)境同位素示蹤技術，研究巖溶水系統(tǒng)地表水與地下水的混合作用，計算其混合比例，并反推大氣降水的入滲補給量，以期為區(qū)域巖溶水資源保護與水生態(tài)修復提供參考。

1 研究區(qū)概況

柳林泉域地處山西省西部、呂梁山脈與黃土高原的交匯地帶，總面積6 080.54 km2。巖溶水系統(tǒng)含水層主要包括下古生界中奧陶統(tǒng)上、下馬家溝組及峰峰組含水層和中寒武統(tǒng)張夏組含水層，其中：中奧陶統(tǒng)含水層的巖性主要為質純灰?guī)r和豹皮灰?guī)r，厚度200 -500 m;中寒武統(tǒng)含水層的巖性主要為鮞狀灰?guī)r、中厚層灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r等，厚度50-100 m。泉域總體上為向西傾斜的單斜構造，傾角為20 - 80，在大的單斜構造內發(fā)育有次一級規(guī)模不等的褶皺和斷裂，這些褶皺和斷裂構造對巖溶水的運動具有控制作用[8]。

巖溶水系統(tǒng)的補給來源包括降水入滲補給和河道滲漏補給，排泄途徑包括泉水出流和巖溶水開采。巖溶地下水的總體徑流方向與碳酸鹽巖含水層的總體傾向一致，即大體上由東南部、南部的補給山區(qū)流向西部滯流區(qū)。在部分地段，巖溶水流受阻后產生平行于地層走向的緯向流，流場呈扇形向排泄區(qū)匯聚，在碳酸鹽巖出露高程較低的三川河河谷中以巖溶大泉的形式集中排泄[8]。在泉域西部分布著大面積巖溶地下水滯流區(qū)（見圖1）。

2 區(qū)域地表水人滲量觀測

作為巖溶水的主要補給來源之一，地表水對地下水的補給主要發(fā)生在系統(tǒng)內地表河流流經或切割出的碳酸鹽巖裸露區(qū)，其補給形式屬于線狀補給。巖溶水系統(tǒng)內三川河及其支流東川河、南川河和北川河上的地表水滲漏段有6段，總長度60.8 km：北川河有一處滲漏段，位于西廂王至大武村之間，長度為9.8 km;東川河有兩處滲漏段，分別位于下王營至田家會之間（大東川河）和嚴村至田家會之間（小東川河）.長度分別為14.7 km和13.8 km;南川河有一處滲漏段，位于陳家灣至中陽縣城之間，長度為6.7 km;三川河上有兩處滲漏段，分別為李家灣段和下白霜至寨東段，長度分別為6.4 km和9.4 km。20世紀70年代以來，為了定量評價河道滲漏對巖溶水系統(tǒng)的補給量，山西電力設計院、山西省地質調查院、呂梁市水文水資源分局、呂梁水文站、柳林泉域管理站等部門分別在不同年份對三川河及其支流的滲漏段進行了測量，結果統(tǒng)計見表1。區(qū)域內實測多年平均河道入滲補給量為0.91 m3/s，約占柳林泉多年平均流量2.20 m3/s的41%。其中：滲漏流量最大的為北川河滲漏段，為0.25 m3/s，單位河段長度的滲漏流量為0.026 m3/（s.km）;最小的為小東川河河段，滲漏流量和單位河段長度滲漏流量分別為0.040 m3/s和0.003 m3/（s.km）。大東川河和小東川河的滲漏段總長度為28.5 km，占總滲漏段長度的47%，而滲漏流量為0.20 m3/S（僅占22%），說明河道徑流量對河道滲漏補給量的影響最大，其次為滲漏段長度[5]。自20世紀70年代以來，隨著三川河上游水庫的興建，三川河及其主要支流的河川徑流量明顯減小，河道滲漏流量也呈現(xiàn)出隨時間減小的趨勢。

3 典型滲漏段地表、地下水混合比例計算

3.1 基于水文地球化學模擬法的混合比例計算

（1）模擬原理。水文地球化學模擬技術是采用化學模型和數學模型對天然水系統(tǒng)及水一巖系統(tǒng)的地球化學過程進行定量模擬，并預測地球化學過程能否進行及進行的程度[12].模擬過程主要依據質量守恒定律和電荷守恒定律來實現(xiàn)。質量守恒定律表達式為

由于質量平衡模型考慮元素的數目往往小于可能礦物相的數目，出現(xiàn)模擬結果的多解性，因此必須對模型進行檢驗，這也是質量平衡模型的最大缺陷。對模型的檢驗主要考慮地層的礦物特征、沉積物特征、同位素資料以及熱力學的合理性等[12]。水文地球化學模擬過程通常由計算機程序來完成，常用的程序包括MINTEQA2、 WATEQ4F、 PHREEQC、 EQ3/6 及NETPATH等。NETPATH是由美國地質調查局基于Fortran77開發(fā)的用于計算水文地球化學逆向模型的交互式計算機程序，可用來解釋沿滲流路徑的初始水樣與終點水樣之間的地球化學質量平衡反應[13]。

（2）模擬路徑的選擇。為了研究巖溶水系統(tǒng)內地表水與地下水的混合作用，依據2011年5月的水化學分析資料（見表2），利用NETPATH軟件對巖溶水中礦物的溶解和沉淀過程進行模擬。建立水文地球化學逆向模擬模型，首先必須選取一組沿滲流途徑上水化學成分已知的水樣點，構成模型的起始點與終點的水樣，即選擇一個滲流路徑[12-13]。在滲流路徑的選擇過程中應充分體現(xiàn)水化學和礦物相的變化，同時兼顧各離子的空間分布特征。最后確定的滲流路徑為：路徑1，油坊坪+地表水一田家會;路徑2，金羅+地表水一上青龍。滲流路徑1主要模擬巖溶水從補給區(qū)向徑流區(qū)運動的過程中，地表水入滲對巖溶水水文地球化學過程的影響;路徑2主要模擬巖溶水從徑流區(qū)向排泄區(qū)流動過程中，泉口上游附近地表河水入滲對其水文地球化學過程的影響。

（3）礦物相的選擇。礦物相主要依據含水介質的地層巖性、礦物組成以及含水層特征來確定。根據巖溶水系統(tǒng)的水文地質條件、地層巖性特征及礦物飽和指數的分析結果，選取方解石、白云石、石膏和鹽巖作為參與水巖作用的主要礦物相。另外，CO2（g）、Ca-Na

（5）模擬結果。將各起始點水、終點水、礦物相及其他輸入項輸入到NETPATH中，即可求解水化學模型。沿滲流路徑1，NETPATH求解出4個符合條件的模型（見表3模型1-模型4）。依據文獻[3]對巖溶水系統(tǒng)的水文地質及水文地球化學條件的分析，模型4的模擬結果比較符合實際，可作為滲流路徑1的模擬結果。因此，巖溶地下水由補給區(qū)向徑流區(qū)滲流的過程中，在地表河流滲漏帶附近與入滲的地表水發(fā)生了混合作用，混合水中地表水約占73%.地下水約占27%，比例約為3：1。沿滲流路徑2，NETPATH求解出3個符合條件的模型（見表3模型5-模型7），依據巖溶水系統(tǒng)的實際情況[3]，模型5比較符合泉域實際，可作為滲流路徑2的模擬結果。因此，從徑流區(qū)到排泄區(qū)，巖溶水在泉口上游附近的地表河流滲漏帶與入滲的地表水發(fā)生了混合作用，混合水中地表水約占42%，地下水約占58%，比例約為2：3。

3.2 基于3H同位素的地表水與地下水混合作用計算

3H是研究地下水循環(huán)理想的示蹤劑之一，可以用來計算淺層地下水的年齡、示蹤地下水的運動、識別地下水的循環(huán)等[3]。地下水中的3H濃度越高，徑流條件越好，反之越差。沿地下水的總體流向，3H濃度呈降低趨勢。在柳林泉巖溶水系統(tǒng)內，受泉口附近三川河河道滲漏補給的影響，泉水的3H濃度為7.1+1.4- 9.0+1.4 TU（見表4），均值為8.2+1.4 TU，大于徑流區(qū)水樣的3H濃度（平均為3.7+1.3 TU）。由于地表水和地下水的混合作用發(fā)生在泉口附近，混合后巖溶水3H濃度的自身衰變可以忽略，因此可利用質量守恒定律和同位素守恒定律計算泉水中地表水和地下水的混合比率。

代入式（6）可得Pa/b為3.9。因此，從泉口排泄的巖溶水中，由徑流區(qū)匯入的水與泉口附近地表水滲流補給水的比例約為4：1，即混合水中地下水約占80%、地表水約占20%。

對比上述結果，滲流路徑1的模擬結果（模型4）與同位素計算結果存在較大差異。根據三川河下白霜一寨東橋滲漏段的測量資料，該段多年平均滲漏量為0.24 m3/s，與柳林泉2011年泉流量（1.01m3/s）之比為1：4.2，與同位素計算的結果較為接近。因此，利用3H同位素計算的結果較為可靠，而水文地球化學模擬結果則存在一定的誤差，原因可能是水文地球化學模擬過程未考慮水化學組分的水動力彌散效應，且模擬中僅考慮了宏量組分的濃度。

4 典型補給區(qū)大氣降水人滲補給量估算

在田家會取樣點的上游，地表河流的滲漏段主要包括大東川河和小東川河滲漏段，多年平均河流滲漏補給流量為0.2 m3/S。當計算出地表水與地下水的混合比例以后，即可依據式（7）估算巖溶地下水量。

P=S滲/R滲 （7）式中：S滲為地表河流滲漏補給量;R滲為大氣降水入滲補給量;P為滲流路徑1模擬計算的地表水與地下水混合比例。

可得：R涌=S滲/P=0.07 m3/s。因此，在田家會取樣點上游的巖溶水補給區(qū)，大氣降水多年平均入滲補給流量約為0.07m3/s。該區(qū)域以上灰?guī)r裸露區(qū)面積約為50 km2，泉域多年平均降水量為507.6 mm.灰?guī)r區(qū)降水入滲綜合補給系數取0.13[5]，折合成每年的補給流量約為0.10 m3/S，與上述結果較為接近。

5 結論

（1）水文地球化學模擬結果表明，巖溶水從補給區(qū)向徑流區(qū)、從徑流區(qū)向排泄區(qū)流動過程中，在地表河流滲漏帶附近與入滲的地表水發(fā)生了混合作用，混合水中地表水與地下水的混合比例分別約為3：1和2：3。

（2）3H同位素計算結果表明，巖溶水從徑流區(qū)流向排泄區(qū)的過程中，地表水與地下水的混合比例約為1：4，該結果與實際情況相符。

（3）依據地表水與地下水混合作用計算結果，估算出田家會取樣點上游的巖溶水補給區(qū)大氣降水的多年平均入滲補給流量約為0.07 m3/s。

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【責任編輯張華興】

收稿日期：2018- 09- 07

基金項目：國家自然科學基金資助項目（ 41572239）;華北水利水電大學高層次人才科研啟動項目（400140495）

作者簡介：臧紅飛（1987-），男，河南安陽人，講師，主要從事地下水資源與水環(huán)境研究工作