蔣金沛,馮杰,張強(qiáng),李威龍,張寧芮

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,成都 610059; 2.成都理工大學(xué),地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059)

地下水作為地質(zhì)環(huán)境的重要組成部分,是可被人類利用的一種重要資源,干凈可靠的水資源對(duì)于人類生活十分重要,地下水作為其中的重要組成部分,由于埋藏較深具有水量穩(wěn)定水質(zhì)不易受到污染的特點(diǎn),是現(xiàn)在居民生活用水的重要來源[1]。由于地下水的循環(huán)路徑復(fù)雜,更新周期長,為保障居民生活,實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用,需要查明水源的成因從而進(jìn)行合理開發(fā)利用。

地下水資源量的計(jì)算方法主要有地下水徑流模數(shù)法、基流分割法、大氣降水入滲等方法。施佳會(huì)等[2]運(yùn)用水化學(xué)法以及大氣降水入滲法對(duì)其宗泉的成因進(jìn)行研究,確定了其宗泉的補(bǔ)給來源。

除進(jìn)行水資源計(jì)算外,基于水文地質(zhì)條件,穩(wěn)定同位素分析往往用于指示地下水的成因[3-5]。梁永平等[6]基于娘子關(guān)泉泉域的水文地質(zhì)條件,采用同位素方法了解泉水成因以及污染因素。張家文等[7]利用氫氧同位素特征分析云南尼格溫泉的補(bǔ)給來源并計(jì)算了其補(bǔ)給高程。

水文地球化學(xué)方法是用于識(shí)別地下水徑流的主要研究方法[8-11]。章旭等[12]通過鈣華成分、泉水水化學(xué)分析以及氫氧同位素相關(guān)性分析,確定了西藏象牙泉的成因以及鈣華景觀形成年代。馮杰等[13]通過水化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析、離子比例系數(shù)等方法對(duì)重慶武隆地區(qū)地下水進(jìn)行分析,確定了該地區(qū)存在不同的循環(huán)模式。

基于此,現(xiàn)以位于雅安天全縣的響水溪泉作為研究對(duì)象,該處泉水供給天全縣約50 000人口使用,為當(dāng)?shù)氐闹饕盟?。在天全地區(qū)的地質(zhì)資料與水文地質(zhì)資料基礎(chǔ)上,采用地表水與地下水的水化學(xué)分析方法與水均衡法對(duì)天全縣杉木山區(qū)域地下水流動(dòng)特征進(jìn)行分析論證,概括出研究區(qū)域的水化學(xué)特征類型以及響水溪的泉水來源,并通過同位素分析方法進(jìn)行驗(yàn)證,對(duì)響水溪泉的成因研究具有重要理論意義,可為后續(xù)工程的施工以及泉水資源的保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

響水溪巖溶大泉位于雅安市天全縣響水溪村,緊鄰國道318線,泉點(diǎn)經(jīng)度102°42′41″E,緯度30°05′36″N,泉點(diǎn)出露海拔高程約890 m,位于深切割斷層溝西側(cè)。巖溶泉所處區(qū)域?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)山地氣候,多年氣溫位于5.2～36.0 ℃,年平均值為 15.1 ℃,無霜期241 d,年降水均值為1 603 mm,雨日多達(dá)200 d,降水集中于5—9月,占全年降水的70%。

泉域所處地名杉木山,地形總體為中-高山地區(qū),地形上為北西高,南東低,深切溝谷發(fā)育,山頂與河谷最大高差2 400 m,地質(zhì)構(gòu)造主體傾向南東的單斜地層,由于受龍門山斷裂帶的影響,單斜地層局部位置有“波浪”狀起伏。地層分布按照海拔從高到低,環(huán)杉木山出現(xiàn)有二疊系陽新組灰?guī)r(P2y),局部出露少量梁山組黏土巖(P1l);泥盆系養(yǎng)馬壩組、觀霧山組灰?guī)r(D3gw、D2y)、甘溪組、平驛鋪組砂頁巖(D1g、D1p);志留系、奧陶系砂、頁、泥巖(S+O);震旦系燈影組白云巖(Z2C-1d),也是泉點(diǎn)出露的地層;蘇雄組凝灰?guī)r(Z2s)以及侵入成因的花崗巖(ξZγ1)。

區(qū)內(nèi)發(fā)育有多條斷裂,主要分布于研究區(qū)的東南位置,地表特征明顯,可能具有顯著的導(dǎo)水作用。泉域內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富,出產(chǎn)石灰礦、硫鐵礦等礦種。

研究區(qū)內(nèi)地下水主要為巖溶水和基巖裂隙水兩大類,分布如圖1所示,巖溶水主要分布于P2y、D3gw、D2y以及 Z2C-1d地層中,基巖裂隙水分布于奧陶系以及志留系等地層中,主要受區(qū)內(nèi)大氣降水補(bǔ)給,總體排泄基準(zhǔn)面為南邊的天全河,部分地下水以泉點(diǎn)的形式分散或集中排泄,流量各異,其中響水溪泉為AS01,出露于 Z2C-1d碳酸鹽地層。

2 水文地球化學(xué)特征

2.1 樣品采集與測試

課題組于2022年2—5月對(duì)響水溪泉域地表沖溝以及地下水進(jìn)行測流和采樣。針對(duì)地表沖溝,分別對(duì)其沖溝上游和溝口進(jìn)行測流與取樣,由于地形地貌影響,地下水多取自較低海拔的排泄區(qū)的泉點(diǎn),其分布位置見圖1,共采集地下水5組,地表水7組。樣品采集后滴定保存液,進(jìn)行完全封閉保存,送至具有監(jiān)測資質(zhì)的成都華測檢測有限公司檢測,指標(biāo)為水化學(xué)簡分析指標(biāo)。

如表1所示,響水溪區(qū)域內(nèi)采樣點(diǎn)pH范圍為7.56～8.21,平均值為7.97,整體呈弱堿性水;地下水水點(diǎn)總?cè)芙夤腆w(total dissolved solids,TDS)范圍為57～237.26 mg/L,平均值為117.5 mg/L,變化較大,地表所取水點(diǎn)的TDS較地下水更小。其中AS02的TDS最大,原因?yàn)樵撍c(diǎn)為溶洞所取水點(diǎn),與碳酸鹽巖水巖交互作用強(qiáng)烈,AS05的TDS最小,該位置為花崗巖出露位置所取水樣,為基巖裂隙水。

表1 研究區(qū)水化學(xué)組分表

2.2 Piper三線圖

圖2 研究區(qū)地表水水樣Piper圖

鑒于地下水水化學(xué)特征能更好地體現(xiàn)響水溪區(qū)域內(nèi)的水巖作用,區(qū)域內(nèi)的地下水Piper圖如圖3所示,整個(gè)區(qū)域的地下水水化學(xué)呈現(xiàn)出明顯的差異性。AS04點(diǎn)表現(xiàn)出較高的巖溶水特征,這與其出露于陽新組灰?guī)r地層(P2y)的地質(zhì)特征相匹配。龍門村北部水點(diǎn)(AS02、AS03)與響水溪泉(AS01)表現(xiàn)出相同的水化學(xué)組分特性,此三個(gè)點(diǎn)位的地下水均與震旦系燈影組白云巖(Z2C-1d)具有較大聯(lián)系,響水溪泉點(diǎn)(AS01)相較于龍門村北部點(diǎn)位泉水(AS02、AS03)表現(xiàn)出更高的氯離子(Cl-)含量,推測受到了淺層第四系松散巖類孔隙水的補(bǔ)給。

2.3 溶質(zhì)組分來源分析

為研究各水點(diǎn)水化學(xué)的受控影響因素,繪制了Gibbs 圖,如圖4所示。響水溪各水點(diǎn)TDS 范圍為57.97～237.26 mg/L,(Na++K+)/(Na++K++Ca2+)范圍為0.130～0.340。

圖4 研究區(qū)水化學(xué)Gibbs圖

響水溪地區(qū)各采樣水點(diǎn)普遍落在巖石風(fēng)化區(qū)域,部分點(diǎn)向大氣降雨位置靠近,表明區(qū)域內(nèi)各水點(diǎn)陰陽離子主要受到巖石風(fēng)化控制,部分受到大氣降雨作用的影響。AS05由于出露于花崗巖中,巖石風(fēng)化作用不如其他地下水水點(diǎn)強(qiáng)烈,受到大氣降雨的情況較為顯著。這也說明基巖裂隙水賦存的裂隙帶較碳酸巖類裂隙溶洞水發(fā)育更淺,地下水化學(xué)成分更易受到降雨的影響。

據(jù)圖5所示,AS01、AS02、AS03、AS04均較為靠近碳酸鹽巖端,這與推測其源于灰?guī)r、白云巖地層的猜想一致;AS03為泥盆系出露的地下水,故其具有靠近硅酸鹽端的特點(diǎn),但結(jié)合之前其具有的巖溶水特性,其出露的地下水與陽新組灰?guī)r具有一定聯(lián)系;AS05取自花崗巖地區(qū),較為靠近硅酸鹽巖端。

圖6 陽離子交替吸附作用比例

圖7 地下水氯堿指數(shù)圖

圖7表明了區(qū)域內(nèi)各地下水的鹽離子交替吸附作用強(qiáng)度的大小以及進(jìn)行的方向,其中負(fù)值表明水體中Ca2+、Mg2+與土體中Na+、K+交換,正值則相反;絕對(duì)值越大,交替吸附作用越強(qiáng)。區(qū)域內(nèi)AS04為純度較高的巖溶水,故其地下水中的Ca、Mg更易置換土體中的K、Na;而AS01點(diǎn)作為出露的響水溪泉,CAI-1值顯示出了區(qū)域內(nèi)采樣點(diǎn)唯一的正值,推測可能與其出露于松散層的性質(zhì)相關(guān),并且由于其長時(shí)間、長距離的流動(dòng)途徑,其絕對(duì)值最小,陽離子交替吸附作用趨近于穩(wěn)定。

3 響水溪泉成因分析

杉木山-響水溪地區(qū)總體而言的補(bǔ)給來自杉木山范圍的大氣降水,區(qū)域內(nèi)地下水的排泄基準(zhǔn)為天全河。此外,泉點(diǎn)排泄也是區(qū)域地下水的重要排泄方式,區(qū)域內(nèi)的主要大泉為響水溪泉以及龍門村泉。其中響水溪泉出露于小河鎮(zhèn)響水溪村斜坡中下部,表層被第四系殘坡積物覆蓋,泉口比東側(cè)溪溝高約10 m,比天全河高約95 m。其枯期流量 20 000 m3/d,豐水期60 000 m3/d,為天全縣的主要用水來源。

3.1 地下水均衡計(jì)算

在天然條件下,區(qū)域內(nèi)的多年平均降雨量與多年平均排泄量處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。對(duì)響水溪泉進(jìn)行水均衡法計(jì)算驗(yàn)證其來源,首先應(yīng)對(duì)響水溪泉區(qū)域進(jìn)行劃分水文地質(zhì)單元,依據(jù)該單元進(jìn)行水量均衡計(jì)算。

其中水文地質(zhì)單元的劃分分為兩級(jí),一級(jí)以區(qū)域地表分水嶺劃分;二級(jí)水文地質(zhì)單元以小型支流流域及構(gòu)成地下水重要排泄基準(zhǔn)面的河流、綜合構(gòu)造因素作為劃分依據(jù)。按上述原則劃分出響水溪區(qū)域的水文地質(zhì)單元見圖1。

響水溪泉位于Ⅵ-3區(qū),該區(qū)域的淺層地下水在受到大氣降雨補(bǔ)給后,其徑流主要受到地形控制,整體流向?yàn)橛杀毕蚰?最后排泄至天全河。在該區(qū)域上游位置,受到象鼻子溝切割分散排泄進(jìn)入地表水,途徑河床位置與碳酸鹽巖位置時(shí)以潛流方式進(jìn)入地下。

由于不同巖性具有不同的入滲系數(shù),進(jìn)行分區(qū)計(jì)算,公式為

Q降=αAF×1 000/365

(1)

式(1)中:Q降為降雨補(bǔ)給量,m3/d;α為降雨入滲系數(shù),依據(jù)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合《康定-寶興地區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告》所得;A為多年平均降雨量,mm;F為分布面積,km2。表2為入滲補(bǔ)給量結(jié)果。

表2 降雨入滲補(bǔ)給結(jié)果

響水溪泉所在的水文地質(zhì)單元Ⅵ-3的大氣降雨入滲補(bǔ)給量約為48.8 L/s,這與實(shí)測所得泉流量289 L/s相差較大,因此響水溪泉的地下水補(bǔ)給還有其他來源,推測具有跨流域補(bǔ)給的特點(diǎn)。

為解釋響水溪泉成因,分別繪制A-A＇剖面(北部小河-龍門村-曙光村大墳上-響水溪泉點(diǎn))以及B-B＇剖面(火夾溝-月亮灣-象鼻子溝-響水溪泉點(diǎn))。由圖8及圖9可見,響水溪出露位置為鉀長花崗巖(ξγZ1)與二疊系灰?guī)r(P2y)斷層界線靠近斷層下盤界線處。

圖8 A-A′剖面示意圖

圖9 B-B′剖面示意圖

從圖8、圖9可見,響水溪泉最直接的地下水補(bǔ)給為區(qū)域內(nèi)環(huán)山燈影組(Z2C-1d)巖溶含水層,燈影組環(huán)山分布于南北條帶中,面積為15.1 km2。巖層產(chǎn)狀傾向南東,下伏花崗巖(ξZγ1)或蘇雄組凝灰?guī)r(Z2s)。從地形高程上為北西高、南東低,并且下伏地層為相對(duì)弱透水層,因此燈影組露頭區(qū)在接受降雨補(bǔ)給順傾向南東徑流至響水溪泉。

除此之外,其補(bǔ)給更多的來源于區(qū)域北側(cè)二疊系陽新組(P2y)灰?guī)r緩坡地帶,該處巖溶發(fā)育,使得地下水能較好入滲,其面積約為8.4 km2。下伏地層為一系列志留系、奧陶系砂、頁、泥巖(S+O),為相對(duì)隔水層,使得陽新組(P2y)灰?guī)r巖溶水無法透過中部碎屑巖區(qū)域向下補(bǔ)給燈影組(Z2C-1d)巖溶水。但在斷層的切割作用下,上部的巖溶水沿導(dǎo)水?dāng)嗔堰M(jìn)入燈影組含水層,順巖層響水溪泉進(jìn)行補(bǔ)給。

燈影組在響水溪區(qū)域內(nèi)環(huán)山分布,地形切割強(qiáng)烈,由圖9可見區(qū)域內(nèi)的月亮灣與象鼻子溪溝的地表水與地下水聯(lián)系緊密。由于震旦系的燈影組是響水溪泉的直接出露地層,該地層的白云巖對(duì)響水溪區(qū)域地下水水化學(xué)類型有著最直接的影響。山頂位置的陽新組灰?guī)r也是地下水徑流的重要區(qū)域,對(duì)應(yīng)的水-巖作用反應(yīng)分別為

(2)

(3)

泥盆系(D2-3)與部分二疊系陽新組(P2y)所處地形較陡,該處的巖溶發(fā)育程度較緩坡區(qū)更弱,入滲系數(shù)較小,但由于該區(qū)域的露頭面積較大,約為22.95 km2,因此該區(qū)域地下水也是響水溪泉的重要補(bǔ)給來源。降雨入滲補(bǔ)給量計(jì)算見表3。

表3 入滲補(bǔ)給結(jié)果

山頂陽新組(P2y)+泥盆系(D2-3)區(qū)域在受到大氣降雨補(bǔ)給后,部分位置以地下水泉點(diǎn)進(jìn)行排泄,約74.4 L/s。

除上述大氣降雨入滲對(duì)響水溪泉進(jìn)行補(bǔ)給外,北側(cè)龍門電站位置的小河子地表水與響水溪泉也具有一定聯(lián)系,示意可見A-A′剖面,其補(bǔ)給量采用達(dá)西斷面流量計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,其公式為

Q側(cè)=KJLM

(4)

式(4)中:K為滲透系數(shù),m/d,取為0.5 m/d;J為水力梯度,依據(jù)剖面A-A′測量為0.82%;L為補(bǔ)給斷面長度,m,取3 120 m;M為補(bǔ)給斷面厚度,考慮到燈影組地層剝蝕情況取其厚度一半,即230 m,計(jì)算結(jié)果為34 L/s。

在大氣降水補(bǔ)給與側(cè)向補(bǔ)給下,各區(qū)域的地下水補(bǔ)給量達(dá)到595.2 L/s,響水溪泉的主要補(bǔ)給來源位于杉木山頂處的P2y+D2-3巖溶含水層。除去山頂陽新組(P2y)+泥盆系(D2-3)區(qū)域內(nèi)已知的泉點(diǎn)排泄量合計(jì)74.4 L/s,所得響水溪泉流量在 486.8 L/s。由于響水溪泉點(diǎn)的流量測量為2月,降雨較少為枯期季節(jié),并且其中一部分地下水會(huì)以泉、地表溪溝的形式交互作用,而后進(jìn)行排泄,因此該量值總體位于響水溪泉流量的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的。

3.2 同位素特征

同位素分析可以較為準(zhǔn)確的確定地下水補(bǔ)給來源與高程。響水溪區(qū)域同位素分析取樣點(diǎn)與簡分析水樣相同,為驗(yàn)證響水溪泉點(diǎn)的補(bǔ)給高程,根據(jù)北京松盛華嘉檢測技術(shù)有限公司所測試氫氧同位素結(jié)果,繪制了不同水點(diǎn)δD和δ18O同位素關(guān)系圖(圖10),大氣降水線引用全球大氣降水線(δD=8δ18O+10)作為本次研究的參考。

圖10 δD和δ18O關(guān)系圖

調(diào)查所取的地表水、地下水水樣的δD和δ18O總體上呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系,并且水樣擬合線與全球降水線近乎平行,水樣點(diǎn)均位于全球大氣降水線(global meteoric water line,GMWL)之上,說明響水溪區(qū)域主要受到大氣降水的集中補(bǔ)給。取樣點(diǎn)的δD和δ18O分別介于-62‰～-53.7‰與-9.9‰～-8.7‰,均值分別為-57.6‰、-9.2‰。

按照H、O穩(wěn)定同位素的高程效應(yīng)原理,對(duì)響水溪泉的補(bǔ)給高程進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為

H=h+(δs-δp)/k

(5)

式(5)中:H為地下水的補(bǔ)給區(qū)域高程,m;h為響水溪泉高程,為890 m;δs為地下水的δ18O值,取值為-9.09‰;δp為泉水周邊位置的大氣降雨δ18O值;k為大氣降雨δ18O的高度梯度,參考川西藏東地區(qū)的高程效應(yīng)值-0.26‰/100 m[14]。

計(jì)算所得響水溪泉的補(bǔ)給高程為1 851 m,該補(bǔ)給高程與杉木山位置所處的陽新組灰?guī)r地層出露高程較接近,側(cè)向證明響水溪泉主要受到杉木山山頂巖溶裸露區(qū)的大氣降雨補(bǔ)給。

4 結(jié)論

(3)基于水文地質(zhì)和條件,通過水均衡原理,進(jìn)行水單元?jiǎng)澐植⑦M(jìn)行計(jì)算。響水溪泉最直接的補(bǔ)給含水層為環(huán)山震旦系燈影組(Z2C-1d)巖溶含水層,其補(bǔ)給同時(shí)也受到北側(cè)二疊系陽新組(P2y)、泥盆系(D2-3)碳酸鹽巖裂隙溶洞水影響。并通過同位素計(jì)算,響水溪巖溶大泉的補(bǔ)給高程與其北側(cè)所廣泛出露的碳酸鹽巖位置高程相接近,符合補(bǔ)給區(qū)的高程分布。因此在后續(xù)過程中,應(yīng)對(duì)杉木山位置處的陽新組(P2y)區(qū)域進(jìn)行著重保護(hù),減少對(duì)該處的污染排放,以免影響響水溪泉的水質(zhì)。