土地利用对刁江流域岩溶水水质的影响
2014-07-21黄晨晖时坚吴华英
黄晨晖+时坚+吴华英
摘要：利用刁江流域内最新土地利用现状图，结合采集38个岩溶水水样所做的全分析加微量元素测定结果，对研究区内的岩溶水水质进行了质量综合评价，分析了土地利用对岩溶水水质的影响。结果表明，刁江流域内岩溶水质量综合评价总体良好，较差水质级别主要集中在中下游的乡镇、人口密集区和耕地附近；岩溶水中8项不同组分主要集中分布于中下游地区大面积的耕地和林地内，说明农药化肥的使用、密集的人口状况易于对岩溶水水质产生影响；由于人类活动干扰程度的不同，不同土地利用类型对岩溶水水质变化的影响不同。
关键词：土地利用；刁江流域；岩溶水；水质评价
中图分类号：P641.134；X824 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）03-0522-05
我国岩溶面积344万km2，约占我国国土面积的36%，主要分布在长江中游、珠江上游及黄河中游地区[1]。岩溶水是岩溶区居民生产和生活的重要水源，赋存岩溶水的碳酸盐岩含水层系统属于高度开放的脆弱天然水文系统，正是由于这种高度的开放性和脆弱性，使得岩溶水文系统很容易受到人类不合理活动的影响[2]。
随着人类活动的日益加强，天然岩溶生态环境遭到极大破坏，其中关于岩溶地下水水质的问题十分突出。土地利用作为地球表层系统最突出的景观标志，能够集中地反映人类活动对生态环境的影响[3，4]，人类通过对土地利用的改变从而对脆弱敏感的岩溶水文系统产生重大的影响。
为找到影响研究区内岩溶水水质变化的主要土地利用类型，并了解其影响途径和影响程度，以广西刁江流域为典型研究对象，开展了刁江流域土地利用的时空变化对区内岩溶水水质影响的研究，以期合理规划土地利用方式、保护宝贵的岩溶地下水资源，从而实现该流域岩溶生态系统的良性循环、资源和环境的保护以及当地经济的可持续发展。
1 研究区概况
1.1 研究区基本情况
刁江是红水河中游段左岸的一条支流，其流域的地理坐标为东经107°30′00″—108°30′00″，北纬24°00′00″—25°00′00″，包括广西壮族自治区南丹县、都安县和宜州市及河池市辖的金城江区；地势西北高东南低，上游区发育有较多支流，中下游区发育较多地下河，特别是左岸地段；流域内出露的地层从新到老有第四系、三叠系、二叠系、石炭系和泥盆系，岩性有砂岩、页岩、泥质灰岩、石灰岩和白云岩等，以石灰岩为主；流域属亚热带季风气候区，每年11、12月到次年1、2、3月是少雨期，每年5、6、7、8月是多雨期。
1.2 研究区岩溶水文环境特征
由于地层岩性的差异性和地质构造条件的制约造成岩溶发育程度不同，形成了多姿多彩的岩溶地貌组合形态：刁江上游地段为中山峡谷地形，中游地段则为峰丛洼地、峰丛—峰林谷地地形，下游地段是丘陵区及大面积连片的峰丛洼地。
刁江流域属于典型的裸露型岩溶区，在岩溶洼地底部或谷地地面虽有红色黏土覆盖，但覆盖层厚度只有0～5 m，局部地段5～10 m，其间发育有各种形式的地下河天窗、落水洞、竖井、天然井、溶井、漏斗、塌陷等多种地表岩溶形态，与碎屑岩组成互层的石灰岩常构成溶帽山、溶蚀陡崖、溶洞、滴石、石幔等岩溶现象；流域内地表水系发育不完善，占流域面积39.7%的碳酸盐岩与碎屑岩互层组成的侵蚀溶蚀山地、丘陵区发育有短小的地表支流，而占流域面积60.3%的纯碳酸盐岩岩溶区则没有地表支流，但这里却发育有13条地下河，成为刁江的重要支流。
2 研究方法
利用最新的广西1∶500 000土地利用现状图，经MapGIS软件拼接裁剪，提取出刁江流域内的土地利用现状图，根据研究目的合并相关类别，共划分出7种土地利用类型。先后两次对刁江流域内岩溶水进行取样分析，共采集岩溶水水样38个，做全分析加微量元素测定（所有样品均由中国地质科学院岩溶地质研究所岩溶地质与资源环境测试中心测定）。
参照国家《地下水质量标准》（GB/T 14848-1993），选取地下水质量分类指标中的pH、总硬度（以CaCO3计）、硫酸盐、氯化物、铁、锰、铜、锌、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、砷、镉、铬（Cr6+）、铅、镍共16项指标对取样水点的单项组分进行了质量分类，并以0、1、3、6、10分打分的方式对各单项组分的类别进行评分，各指标分类标准值见表1。利用各单项组分评分Fi，依据公式（1）计算出各水样的综合评分F，最后根据F和地下水质量分级标准[表2，参照《地下水质量标准》（GB/T 14848-1993）]，确定出各水样的水质量级别[5]。
式中，F为综合评分值；Fi为各单项组分评分值；F为各单项组分评分值的平均值；Fmax为各单项组分评分值中的最大值；n为项数。
3 结果与分析
3.1 刁江流域土地利用现状
刁江流域土地利用现状可以划分出7种土地利用类型，分别为：①耕地（包括灌溉水田、望天田、旱地）；②园地（包括菜地、果园、茶园及其他园地）；③有林地及灌木林地（包括有林地、灌木林地、疏林地、未成林造林地、迹地）；④草地（包括天然草地、人工草地、荒草地）；⑤居民用地（城镇、农村）、独立工矿用地和特殊用地；⑥难利用地（包括裸土地及裸岩、石砾地）；⑦水域（包括水库、湖泊、地表水面积）。各类型统计情况如表3所示。
3.2 岩溶水水质评价
各岩溶水取样点水质级别及评价结果见表4、表5，各级别水样点分布如图1所示。由表4、表5、图1可知，岩溶水中超过Ⅲ类标准的单项组分有pH、亚硝酸盐、砷、铅，Ⅳ类有3项共8个水样点，Ⅴ类有两项共4个水样点，刁江流域岩溶水水质评价总体良好，较差水质级别占26.32%，主要集中在中下游的乡镇、人口密集区和耕地附近，例如北牙中学下降泉、龙头乡建立村水泡屯地下河天窗。
3.3 岩溶水离子浓度空间分布特征
以最新刁江流域土地利用现状图为底图，将38个岩溶水取样点中的K+、Na+、Ca2+、HCO3-、TFe（总铁）、Cl-、SO42-、NO3- 8项组分浓度（mg/L）在不同土地利用类型上做空间比较，各单项组分先按升序排列，并参照GB/T 14848-1993中的地下水质量分类指标，对各单项组分进行了等组距和不等组距的浓度分组，目的是为了能对离子浓度的空间分布有一个更清晰直观的认识，以K+的空间分布为例，“★”代表第一组K+浓度的范围为0.0～0.4 mg/L，所有K+单项组分浓度在此范围内的水点都以“★”表示，以下各几何符号的含义依此类推，各离子空间分布情况如图2所示。从图2中可以看出：
1）K+、Na+的空间分布有很好的一致性，分别在0.0～0.4 mg/L和0.0～1.1 mg/L的低浓度范围内变化，其集中分布在刁江流域的上游和中下游的右岸，主要是有林地和耕地，下游左侧有零星分布；Ca2+、HCO3-浓度分别以70.0～82.0 mg/L和220.0～265.0 mg/L的高浓度集中分布在刁江流域中下游广大的碳酸岩地区，以灌木林地、疏林地、裸岩和石砾地为主，某些地区石漠化严重。
2）0.000 1～0.010 0 mg/L TFe（总铁）低浓度集中在车河镇至长老乡、板岭乡至龙头乡一带，0.010 0～0.100 0 mg/L的较高范围则集中在下坳乡一带，下坳乡坝牙村平峒屯东南的有水溶洞浓度最高，为0.181 1 mg/L，但未超过Ⅱ类水标准；而Cl-浓度中下游地区的板岭乡至龙头乡一带要高于上游长老乡附近，而低于中下游左岸的加泵、塘立隘、龙尾；SO42-低浓度集中在以耕地为主的下坳乡坝牙村、吉隆村峰丛谷地地带和拉利—北牙旱片地区，而九渡水厂地下河天窗和拉么屯充水溶井的浓度分别为72.08 mg/L和137.34 mg/L，浓度较高；NO3-小于5.0 mg/L的浓度分布于长老乡、下坳乡、板岭乡和拉仁乡附近，中下游的塘立隘浓度最高，达到18.8 mg/L，说明在该地区农药化肥的使用对岩溶水质的影响作用明显。
3.4 岩溶水离子浓度差异分析
为了更好地说明不同土地利用类型对离子浓度分布的影响程度，根据受干扰程度不同，对不同土地利用类型进行了合并归类，共分为三大类：一类为受人类活动干扰程度大的城乡居民点、独立工矿用地和特殊用地类型；二类为受人类活动干扰程度中等，有喷洒农药、施肥等行为的耕地；三类为受人类活动干扰程度小的林、草地及其与石漠的组合类型。
计算出一、二、三类土地利用类型中岩溶水不同离子浓度的平均值进行比较（表6），K+、Na+、SO42-的平均浓度依次升高，表明土地利用类型的不同对岩溶水水质有显著的影响，而Cl-、NO3-的平均浓度虽然没有依次变化，但都显示一、三类的平均浓度大于二类，对水质的作用明显。
4 结论
刁江是沿河群众祖祖辈辈赖以生存的“生命之河”，而岩溶水资源又是流域中下游地区居民重要的生产生活用水来源，从土地利用的角度研究自然和人类活动对岩溶水水质的影响，将对改善人民生产生活用水质量和保证当地经济的可持续发展有重要的现实意义。
1）刁江流域内岩溶水质量综合评价总体良好，较差水质级别主要集中在中下游的乡镇、人口密集区和耕地附近。
2）分析流域内岩溶水中K+、Na+、Ca2+、HCO3-、TFe（总铁）、Cl-、SO42-、NO3- 8项组分浓度在不同土地利用类型上的空间分布，K+、Na+以较低浓度集中分布在流域上游和中下游右岸的有林地和耕地内；Ca2+、HCO3-受碳酸盐地质条件的制约[6]，以较高的浓度集中分布在流域中下游碳酸盐区的灌木林地、疏林地、裸岩和石砾地中；TFe（总铁）浓度的较高范围则集中在远离刁江干流、地势平缓、以峰丛谷地为主、耕地面积大的下坳乡一带；而Cl-、SO42-、NO3-各自以相对较高的浓度集中于长老乡、下坳乡、板岭乡、拉仁乡一带具开阔连片耕地分布的峰丛谷地中，说明农耕化肥的使用、密集的人口状况，易于对水质产生影响。
3）对K+、Na+、Cl-、SO42-、NO3- 5种离子浓度的平均值作分析，受不同程度的人类活动干扰，不同的土地利用类型对岩溶水水质的影响不同。
参考文献：
[1] 袁道先.岩溶地区的地质环境和水文生态问题[J].南方国土资源，2003（1）：21-25.
[2] 袁道先，蔡桂鸿.岩溶环境学[M].重庆：重庆出版社，1988.
[3] 陈泮勤，孙成权.国际全球变化研究核心计划[M].北京：气象出版社，1994.
[4] 安芷生，符淙斌.全球变化科学的进展[J].地球科学进展，2001， 16（5）：671-680.
[5] 丁桑岚.环境评价概论[M].北京：化学工业出版社，2001.
[6] 沈照理，朱苑华，钟佐燊.水文地球化学基础[M].北京：地质出版社，1993.
以最新刁江流域土地利用现状图为底图，将38个岩溶水取样点中的K+、Na+、Ca2+、HCO3-、TFe（总铁）、Cl-、SO42-、NO3- 8项组分浓度（mg/L）在不同土地利用类型上做空间比较，各单项组分先按升序排列，并参照GB/T 14848-1993中的地下水质量分类指标，对各单项组分进行了等组距和不等组距的浓度分组，目的是为了能对离子浓度的空间分布有一个更清晰直观的认识，以K+的空间分布为例，“★”代表第一组K+浓度的范围为0.0～0.4 mg/L，所有K+单项组分浓度在此范围内的水点都以“★”表示，以下各几何符号的含义依此类推，各离子空间分布情况如图2所示。从图2中可以看出：
1）K+、Na+的空间分布有很好的一致性，分别在0.0～0.4 mg/L和0.0～1.1 mg/L的低浓度范围内变化，其集中分布在刁江流域的上游和中下游的右岸，主要是有林地和耕地，下游左侧有零星分布；Ca2+、HCO3-浓度分别以70.0～82.0 mg/L和220.0～265.0 mg/L的高浓度集中分布在刁江流域中下游广大的碳酸岩地区，以灌木林地、疏林地、裸岩和石砾地为主，某些地区石漠化严重。
2）0.000 1～0.010 0 mg/L TFe（总铁）低浓度集中在车河镇至长老乡、板岭乡至龙头乡一带，0.010 0～0.100 0 mg/L的较高范围则集中在下坳乡一带，下坳乡坝牙村平峒屯东南的有水溶洞浓度最高，为0.181 1 mg/L，但未超过Ⅱ类水标准；而Cl-浓度中下游地区的板岭乡至龙头乡一带要高于上游长老乡附近，而低于中下游左岸的加泵、塘立隘、龙尾；SO42-低浓度集中在以耕地为主的下坳乡坝牙村、吉隆村峰丛谷地地带和拉利—北牙旱片地区，而九渡水厂地下河天窗和拉么屯充水溶井的浓度分别为72.08 mg/L和137.34 mg/L，浓度较高；NO3-小于5.0 mg/L的浓度分布于长老乡、下坳乡、板岭乡和拉仁乡附近，中下游的塘立隘浓度最高，达到18.8 mg/L，说明在该地区农药化肥的使用对岩溶水质的影响作用明显。
3.4 岩溶水离子浓度差异分析
为了更好地说明不同土地利用类型对离子浓度分布的影响程度，根据受干扰程度不同，对不同土地利用类型进行了合并归类，共分为三大类：一类为受人类活动干扰程度大的城乡居民点、独立工矿用地和特殊用地类型；二类为受人类活动干扰程度中等，有喷洒农药、施肥等行为的耕地；三类为受人类活动干扰程度小的林、草地及其与石漠的组合类型。
计算出一、二、三类土地利用类型中岩溶水不同离子浓度的平均值进行比较（表6），K+、Na+、SO42-的平均浓度依次升高，表明土地利用类型的不同对岩溶水水质有显著的影响，而Cl-、NO3-的平均浓度虽然没有依次变化，但都显示一、三类的平均浓度大于二类，对水质的作用明显。
4 结论
刁江是沿河群众祖祖辈辈赖以生存的“生命之河”，而岩溶水资源又是流域中下游地区居民重要的生产生活用水来源，从土地利用的角度研究自然和人类活动对岩溶水水质的影响，将对改善人民生产生活用水质量和保证当地经济的可持续发展有重要的现实意义。
1）刁江流域内岩溶水质量综合评价总体良好，较差水质级别主要集中在中下游的乡镇、人口密集区和耕地附近。
2）分析流域内岩溶水中K+、Na+、Ca2+、HCO3-、TFe（总铁）、Cl-、SO42-、NO3- 8项组分浓度在不同土地利用类型上的空间分布，K+、Na+以较低浓度集中分布在流域上游和中下游右岸的有林地和耕地内；Ca2+、HCO3-受碳酸盐地质条件的制约[6]，以较高的浓度集中分布在流域中下游碳酸盐区的灌木林地、疏林地、裸岩和石砾地中；TFe（总铁）浓度的较高范围则集中在远离刁江干流、地势平缓、以峰丛谷地为主、耕地面积大的下坳乡一带；而Cl-、SO42-、NO3-各自以相对较高的浓度集中于长老乡、下坳乡、板岭乡、拉仁乡一带具开阔连片耕地分布的峰丛谷地中，说明农耕化肥的使用、密集的人口状况，易于对水质产生影响。
3）对K+、Na+、Cl-、SO42-、NO3- 5种离子浓度的平均值作分析，受不同程度的人类活动干扰，不同的土地利用类型对岩溶水水质的影响不同。
参考文献：
[1] 袁道先.岩溶地区的地质环境和水文生态问题[J].南方国土资源，2003（1）：21-25.
[2] 袁道先，蔡桂鸿.岩溶环境学[M].重庆：重庆出版社，1988.
[3] 陈泮勤，孙成权.国际全球变化研究核心计划[M].北京：气象出版社，1994.
[4] 安芷生，符淙斌.全球变化科学的进展[J].地球科学进展，2001， 16（5）：671-680.
[5] 丁桑岚.环境评价概论[M].北京：化学工业出版社，2001.
[6] 沈照理，朱苑华，钟佐燊.水文地球化学基础[M].北京：地质出版社，1993.
以最新刁江流域土地利用现状图为底图，将38个岩溶水取样点中的K+、Na+、Ca2+、HCO3-、TFe（总铁）、Cl-、SO42-、NO3- 8项组分浓度（mg/L）在不同土地利用类型上做空间比较，各单项组分先按升序排列，并参照GB/T 14848-1993中的地下水质量分类指标，对各单项组分进行了等组距和不等组距的浓度分组，目的是为了能对离子浓度的空间分布有一个更清晰直观的认识，以K+的空间分布为例，“★”代表第一组K+浓度的范围为0.0～0.4 mg/L，所有K+单项组分浓度在此范围内的水点都以“★”表示，以下各几何符号的含义依此类推，各离子空间分布情况如图2所示。从图2中可以看出：
1）K+、Na+的空间分布有很好的一致性，分别在0.0～0.4 mg/L和0.0～1.1 mg/L的低浓度范围内变化，其集中分布在刁江流域的上游和中下游的右岸，主要是有林地和耕地，下游左侧有零星分布；Ca2+、HCO3-浓度分别以70.0～82.0 mg/L和220.0～265.0 mg/L的高浓度集中分布在刁江流域中下游广大的碳酸岩地区，以灌木林地、疏林地、裸岩和石砾地为主，某些地区石漠化严重。
2）0.000 1～0.010 0 mg/L TFe（总铁）低浓度集中在车河镇至长老乡、板岭乡至龙头乡一带，0.010 0～0.100 0 mg/L的较高范围则集中在下坳乡一带，下坳乡坝牙村平峒屯东南的有水溶洞浓度最高，为0.181 1 mg/L，但未超过Ⅱ类水标准；而Cl-浓度中下游地区的板岭乡至龙头乡一带要高于上游长老乡附近，而低于中下游左岸的加泵、塘立隘、龙尾；SO42-低浓度集中在以耕地为主的下坳乡坝牙村、吉隆村峰丛谷地地带和拉利—北牙旱片地区，而九渡水厂地下河天窗和拉么屯充水溶井的浓度分别为72.08 mg/L和137.34 mg/L，浓度较高；NO3-小于5.0 mg/L的浓度分布于长老乡、下坳乡、板岭乡和拉仁乡附近，中下游的塘立隘浓度最高，达到18.8 mg/L，说明在该地区农药化肥的使用对岩溶水质的影响作用明显。
3.4 岩溶水离子浓度差异分析
为了更好地说明不同土地利用类型对离子浓度分布的影响程度，根据受干扰程度不同，对不同土地利用类型进行了合并归类，共分为三大类：一类为受人类活动干扰程度大的城乡居民点、独立工矿用地和特殊用地类型；二类为受人类活动干扰程度中等，有喷洒农药、施肥等行为的耕地；三类为受人类活动干扰程度小的林、草地及其与石漠的组合类型。
计算出一、二、三类土地利用类型中岩溶水不同离子浓度的平均值进行比较（表6），K+、Na+、SO42-的平均浓度依次升高，表明土地利用类型的不同对岩溶水水质有显著的影响，而Cl-、NO3-的平均浓度虽然没有依次变化，但都显示一、三类的平均浓度大于二类，对水质的作用明显。
4 结论
刁江是沿河群众祖祖辈辈赖以生存的“生命之河”，而岩溶水资源又是流域中下游地区居民重要的生产生活用水来源，从土地利用的角度研究自然和人类活动对岩溶水水质的影响，将对改善人民生产生活用水质量和保证当地经济的可持续发展有重要的现实意义。
1）刁江流域内岩溶水质量综合评价总体良好，较差水质级别主要集中在中下游的乡镇、人口密集区和耕地附近。
2）分析流域内岩溶水中K+、Na+、Ca2+、HCO3-、TFe（总铁）、Cl-、SO42-、NO3- 8项组分浓度在不同土地利用类型上的空间分布，K+、Na+以较低浓度集中分布在流域上游和中下游右岸的有林地和耕地内；Ca2+、HCO3-受碳酸盐地质条件的制约[6]，以较高的浓度集中分布在流域中下游碳酸盐区的灌木林地、疏林地、裸岩和石砾地中；TFe（总铁）浓度的较高范围则集中在远离刁江干流、地势平缓、以峰丛谷地为主、耕地面积大的下坳乡一带；而Cl-、SO42-、NO3-各自以相对较高的浓度集中于长老乡、下坳乡、板岭乡、拉仁乡一带具开阔连片耕地分布的峰丛谷地中，说明农耕化肥的使用、密集的人口状况，易于对水质产生影响。
3）对K+、Na+、Cl-、SO42-、NO3- 5种离子浓度的平均值作分析，受不同程度的人类活动干扰，不同的土地利用类型对岩溶水水质的影响不同。
参考文献：
[1] 袁道先.岩溶地区的地质环境和水文生态问题[J].南方国土资源，2003（1）：21-25.
[2] 袁道先，蔡桂鸿.岩溶环境学[M].重庆：重庆出版社，1988.
[3] 陈泮勤，孙成权.国际全球变化研究核心计划[M].北京：气象出版社，1994.
[4] 安芷生，符淙斌.全球变化科学的进展[J].地球科学进展，2001， 16（5）：671-680.
[5] 丁桑岚.环境评价概论[M].北京：化学工业出版社，2001.
[6] 沈照理，朱苑华，钟佐燊.水文地球化学基础[M].北京：地质出版社，1993.
