申豪勇，梁永平，唐春雷，趙春紅，王志恒

(中國地質科學院巖溶地質研究所/自然資源部廣西壯族自治區(qū)巖溶動力學重點實驗室，廣西 桂林 541004)

降水入滲補給是北方巖溶區(qū)巖溶地下水的主要補給源，有時甚至是唯一的補給源。據(jù)梁永平等的研究成果[1]，在北方巖溶區(qū)已劃分的119個巖溶地下水系統(tǒng)中，有62個巖溶地下水系統(tǒng)降水入滲補給是其唯一的補給源。因此，準確估算巖溶地區(qū)的降水入滲系數(shù)、合理評價降水入滲補給量，對于評價巖溶地區(qū)地下水資源量、制定巖溶地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用方案、分析北方巖溶地區(qū)巖溶大泉的流量衰減或斷流問題[2]具有重要的意義。

估算降水入滲補給量的方法很多，大致可歸納為：直接測定法、水均衡法、零通面法、地下水位動態(tài)法、同位素示蹤法和地下水數(shù)值模擬法等[3]，但是在干旱-半干旱氣候條件下的北方巖溶地區(qū)，由于特殊的含水介質、厚層的包氣帶、強烈的蒸發(fā)或蒸騰作用等，使得一些常規(guī)的估算方法不具有普適性，如直接觀測法和零通面法由于巖溶介質中無法安裝相應的儀器而無法使用。而由于氯離子的高溶解性和穩(wěn)定性使得氯量平衡法在估算降水入滲補給量方面成為了一種非常方便、有效的方法，目前國內(nèi)外的很多專家和學者都用該方法估算降水入滲補給量或包氣帶的水分運移[4～7]。本文嘗試利用氯量平衡法估算娘子關泉域內(nèi)典型巖溶區(qū)的降水入滲系數(shù)，以期用不同的方法估算巖溶地區(qū)的降水入滲系數(shù)，為娘子關泉域巖溶地下水資源評價提供基礎的參數(shù)，為北方巖溶同類地區(qū)氯量平衡法的推廣應用提供參考。

1 研究區(qū)概況

娘子關泉出露于山西省陽泉市桃河與溫河的匯集地段，泉水由11個主要的泉組組成，1956—2008年，泉群多年平均流量為10.4 m3/s，泉域的面積約7 436 km2，是我國北方著名的巖溶大泉。泉域屬溫帶大陸性季風氣候，1956—2008年平均降水量為533.19 mm，年內(nèi)降水高峰出現(xiàn)在6—9月，年平均氣溫10.9 ℃，多年平均水面蒸發(fā)量1 202 mm[6]。

泉域內(nèi)主要的巖溶含水巖組為早古生代寒武系—奧陶系碳酸鹽巖含水巖組，巖溶地下水的主要補給源為碳酸鹽巖裸露區(qū)和覆蓋區(qū)的降水入滲補給和地表河流在碳酸鹽巖裸露段的滲漏補給[7]。根據(jù)泉域內(nèi)最新的巖溶水資源評價結果[8]，天然補給資源量為3.62×108m3/a，其中，降水入滲補給量為2.94×108m3/a，占總補給資源量的81.2%；河流的滲漏補給量為0.63×108m3/a，占總補給資源量的17.4%。由此可以看出，降水入滲補給是娘子關泉域巖溶地下水的主要補給源。

娘子關泉作為北方著名的巖溶大泉，其研究程度較高，從20世紀70年代到現(xiàn)在，一直有科研機構或專家學者從不同的角度或不同的時間段對其進行科學研究。以娘子關泉域巖溶地下水系統(tǒng)和碳酸鹽巖地區(qū)降水入滲系數(shù)的研究為例，從表1可以看出，1975—2017年，不同時期和不同學者所圈閉的娘子關泉域巖溶地下水系統(tǒng)面積差別較大，最早的泉域面積為2 600 km2，到目前圈定的泉域面積已達7 436 km2，面積擴大了2.86倍。隨著資料的積累和水文地質調(diào)查精度的提高，對娘子關泉域巖溶地下水系統(tǒng)的認識更接近于實際的水文地質條件。綜合分析已有的研究成果，造成不同時期巖溶地下水系統(tǒng)面積不一致的原因主要有兩個：一是隨著水文地質調(diào)查精度的提高，對以往不確定的泉域邊界進行了重新的厘定；二是強烈的人為活動改變了原有的泉域邊界，如娘子關泉域南部與辛安泉域的地下水分水嶺邊界會隨著兩個泉域巖溶地下水開采量的變化而移動。在研究碳酸鹽巖地區(qū)降水入滲系數(shù)時，目前基本上都采用水均衡的方法研究，不同時期估算的降水入滲系數(shù)隨著時間的推移逐漸變小(表1)。究其原因，利用地下水均衡原理估算地下水入滲補給量時，在娘子關泉域面積不斷擴大尤其是碳酸鹽巖裸露區(qū)面積擴大的條件下，通過入滲補給面積反推得到的降水入滲補給系數(shù)會不斷變小。因此，在泉域巖溶水文地質條件沒有研究清楚的情況下，采用地下水均衡法估算降水入滲系數(shù)會存在明顯的不確定性，采用不同的方法估算降水入滲系數(shù)，并進行互相驗證就顯得尤為必要。

表1 不同時期娘子關泉域巖溶地下水系統(tǒng)的面積及降水入滲系數(shù)

2 研究方法

氯量平衡法(CMB)是基于降水在轉化為包氣帶水或地下水的過程中，利用氯離子的質量守恒原理來估算降水入滲補給量的方法。1969年Eriksson和Khunakasem[15]用地下水中氯離子濃度估算了以色列海岸平原的降水入滲補給量，但該方法在此后并沒有得到廣泛的應用，主要是由于Eriksson沒有給出明確的氯量平衡法估算降水入滲補給量的物理方程式；1978年，Allison和Hughes[16]將該方法應用于非飽和帶土壤水的運移補給規(guī)律研究中，并提出了非飽和帶中氯量平衡法估算入滲補給量的公式；Wood和Sanford[17]假設地下水中獲得的氯離子通量在長期條件下是穩(wěn)定的等條件下，提出了飽和帶氯量平衡法估算降水入滲補給量的物理方程式(式1)，該方程式簡便、適用，在此之后，氯量平衡法得到了廣泛的應用[18]。

(1)

式中：R——降水入滲補給量/mm；

P——多年平均降水量/mm；

Clp——降水中氯離子濃度/(mg·L-1)；

Clgw——地下水中氯離子濃度/(mg·L-1)。

應用式(1)估算降水入滲補給量的假設條件為：(1)降水和大氣干沉降是地下水中氯離子的唯一來源；(2)在降水入滲補給過程和地下水的循環(huán)過程中，氯離子是穩(wěn)定的，不被植被吸收或巖土吸附，不參與水巖作用；(3)長期條件下研究區(qū)內(nèi)的降水量和其中的氯離子濃度是比較穩(wěn)定的，不發(fā)生劇烈的變化?；谝陨霞僭O條件，可使用該方法，但該方法的應用條件比較苛刻。

3 典型區(qū)選擇

娘子關泉域巖溶地下水的降水入滲補給主要發(fā)生在碳酸鹽巖裸露區(qū)和覆蓋區(qū)，根據(jù)氯量平衡法估算降水入滲補給量的假設條件，在典型區(qū)的選取過程中，考慮了研究區(qū)地層中不能有巖鹽等礦物存在、研究區(qū)盡量不受人畜生活活動和耕地活動(特別是農(nóng)家肥的使用)等的影響，經(jīng)過大量的野外調(diào)查，在娘子關泉域的東部選擇了兩個典型區(qū)，平定縣柏井鎮(zhèn)多樂溝村，屬于碳酸鹽巖裸露區(qū)；平定縣東回鎮(zhèn)東回村，屬于碳酸鹽巖覆蓋區(qū)。

多樂溝典型研究區(qū)位于一個局部山峰的一側，該山峰為局部的地表分水嶺，地表出露的地層為中奧陶統(tǒng)的峰峰組和上馬家溝組，受峰峰組底部厚層泥灰?guī)r的隔水，在半山腰處出露有上層滯水泉，在泉水的下游當?shù)卮迕襁€利用泥灰?guī)r的阻水作用施工有兩眼大口井，用來蓄積泉水，研究區(qū)的地質剖面見圖1(a)。該泉水主要接受大氣降水補給，由于補給范圍較小，包氣帶的調(diào)蓄作用有限，一般在5月—翌年1月有泉水、當年2—4月干涸，雨季泉水的流量0.01～0.12 L/s。特殊的地貌使得山上幾乎沒有人類活動，特別是近年來國家實施退耕還林政策，研究區(qū)及周圍大都處于自然狀態(tài)，研究區(qū)地層內(nèi)也沒有鹽巖礦物存在，因此，該研究區(qū)是應用氯量均衡法的理想場地，選擇泉水作為取樣點，并部署了HOBO自計式雨量站，同時配合雨水取樣。

圖1 多樂溝村和東回典型研究區(qū)水文地質剖面略圖Fig.1 Simplified hydrogeologic profiles of the Duolegou and Donghui research areas

東回典型區(qū)位于平定縣東回村南側，處于嶺南河殘留的二級階地上，地面出露的地層為第四系中更新統(tǒng)坡、洪積相淺黃色黃土，之下為下更新統(tǒng)的紅色黏土層，再下為下馬家溝組碳酸鹽巖，屬于碳酸鹽巖覆蓋區(qū)(圖1b)。研究區(qū)第四系松散巖類的孔隙水主要接受大氣降水的入滲補給，受下部下更新統(tǒng)紅色黏土層的阻隔，構成含水層，村民挖井取水，水位埋深一般11～12 m，幾乎每家都有取水井，地下水受地形控制，整體由南向北運移，為避免人類生活的污染，選擇研究區(qū)最南側的水井作為取樣點，并部署了HOBO自計式雨量站，同時配合雨水取樣。

4 結果與分析

兩個典型研究區(qū)的取樣時間段都為2015年4月—11月，在多樂溝研究區(qū)，共獲得水樣17組，其中雨水樣品9組、泉水樣品8組，氯離子含量分別為0.94～2.87 mg/L和7.51～11.3 mg/L，均值分別為1.89 mg/L和8.92 mg/L，具體見表2；在東回研究區(qū)，共獲得水樣12組，其中雨水樣品5組、井水樣品7組，氯離子含量分別為0.96～4.79 mg/L、19.1～23 mg/L，均值分別為2.29 mg/L和20.71 mg/L，具體見表3。

表2 多樂溝研究區(qū)降水和地下水氯離子含量匯總表

表3 東回研究區(qū)降水和地下水氯離子含量匯總表

根據(jù)式(1)，計算得到了多樂溝典型碳酸鹽巖裸露區(qū)的降水入滲系數(shù)為0.21，與該地區(qū)目前巖溶地下水資源評價使用的中等巖溶區(qū)降水入滲系數(shù)(0.28)相比，得到的結果偏小；計算得到東回研究區(qū)的降水入滲系數(shù)為0.11，與張之淦[9]在同類型地區(qū)使用氚同位素得到的0.097的入滲補給系數(shù)相近。對比該方法的適用條件，兩個研究區(qū)地層中沒有巖鹽、人類活動造成氯離子的額外輸入在選點時已經(jīng)考慮，但在研究過程中未考慮大氣中氯離子干沉降的問題，由此可能會使得到的結果偏小。由于氯量平衡法適用的特殊條件，目前只選擇了兩個典型區(qū)進行了應用，多樂溝典型區(qū)的估算結果適用于泉域內(nèi)中等發(fā)育巖溶區(qū)(中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖裸露區(qū))，可以將該結果應用于泉域內(nèi)同類地區(qū)降水入滲補給量的估算；東回典型區(qū)的估算結果適用于碳酸鹽巖覆蓋區(qū)，由于該研究區(qū)在第四系松散層的下部還分布有新近系紅土層，該地層為區(qū)域上的相對隔水層，因此，目前得到的結果只代表了大氣降水補給到上部松散層的入滲系數(shù)，下部巖溶含水層的降水入滲補給系數(shù)還需要進一步研究。另外，在一般巖溶發(fā)育區(qū)(下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖裸露區(qū)和寒武系碳酸鹽巖裸露區(qū))還沒有應用該方法，降水量及氯離子濕沉降的空間變異性也暫未考慮，下一步還需要在泉域內(nèi)不同的地區(qū)建立氯量均衡試驗站，并開展氯干沉降的觀測，以進一步完善和修正不同巖溶發(fā)育程度和不同降水量地區(qū)的降水入滲系數(shù)系列值，達到控制整個泉域的目的。

5 結論

(1)在滿足氯量平衡法應用條件的基礎上，在娘子關泉域碳酸鹽巖裸露區(qū)和覆蓋區(qū)各選了一個典型區(qū)，運用氯量平衡法對研究區(qū)的降水入滲系數(shù)進行了估算，碳酸鹽巖中等巖溶發(fā)育區(qū)的降水入滲系數(shù)為0.21、碳酸鹽巖覆蓋區(qū)的降水入滲系數(shù)為0.11，并對取得的結果進行了分析。

(2)氯量平衡法應用的一個假設條件是地下水中氯離子全部來自降水，但在實際條件下，人類的強烈活動給地下水中的氯離子帶來了很多額外的輸入，如大量農(nóng)藥和化肥的使用、城市生活廢水和工業(yè)廢水的排放、各種垃圾淋濾等，因此，在選擇研究區(qū)要排除人類活動的干擾。