香溪河岩溶流域水文地球化学特征分析

周 彬，罗朝晖，周 宏，刘 建

(1．中国地质大学(武汉)环境学院，湖北武汉430074; 2．中国地质大学(武汉)地质调查研究院，湖北武汉430074)

香溪河岩溶流域水文地球化学特征分析

周 彬1，罗朝晖1，周 宏2，刘 建2

(1．中国地质大学(武汉)环境学院，湖北武汉430074; 2．中国地质大学(武汉)地质调查研究院，湖北武汉430074)

湖北宜昌香溪河流域碳酸盐岩分布广泛，岩溶地下水是当地居民的重要供水来源，研究地下水水化学组成的形成及内在规律，对当地地下水合理开发利用具有重要意义。以岩溶水为重点研究对象，并结合与岩溶水联系密切的降水、相邻非碳酸盐岩地下水、地表水，分析了香溪河流域水文地球化学特征。结果表明:研究区降水属于矿化度和硬度均低的弱酸性水，具有较强的侵蚀作用;研究区地表水化学组成是地层岩性比例的反映，干流受农业影响大而受工业活动影响小;受山区地形控制，研究区地下水矿化度较低，矿化度主要集中在150～300 mg/L，并受地层岩性影响，碳酸盐岩裂隙水、岩浆岩裂隙水与碎屑岩裂隙水化学组成有所差异，总体来说水化学类型以HCO3-Ca型、HCO3-Ca+Mg型和HCO3-Mg+Ca型为主，同时受降水和温度影响，不同季节矿物溶解特点不一，地下水水质受农业药物影响程度较低。

香溪河岩溶流域;水化学特征;时空分布特征;月动态变化

西南岩溶地区包括云南、贵州、广西、湖南、四川、重庆、湖北、广东8个省(区、市)，岩溶面积约78万km2［1］，岩溶地下水是这些地区生产、生活用水的重要来源。随着经济的发展，人类活动对地下水的影响日渐明显，岩溶区水资源匮乏、水环境破坏等生态问题受到越来越多的关注［2］。

地下水在循环过程中不断与周围介质相互作用，从而形成含有各种组分的溶液。地下水化学组成既是地下水水质评价的重要内容，也是研究地下水循环和演化的重要手段［3］。地下水水化学特征研究能反映岩溶含水系统的运行机制，并为水动力方法提供辅助［5］。香溪河岩溶流域位于川东鄂西南山区，降雨时空差异很大，加上碳酸盐岩分布广泛，形成岩溶区“土在楼上，水在楼下”的分布格局［4］。研究流域内地下水化学特征的时空分布特征，揭示地下水水化学组成的形成及内在规律，对香溪河流域地下水合理开发利用具有重要意义［6］。

1 香溪河流域概况

1．1 自然地理条件

香溪河流域位于鄂西山区，是三峡大坝上游长江北岸的第一条大支流，流域全长为97．3 km，流域面积为3 211 km2，由高岚河、古夫河、南阳河流域组成。研究区地处我国二级阶梯向三级阶梯的过渡带，总体地势北高南低，地形高低悬殊，小气候特征明显。境内年均气温为15．3℃，多年平均降雨量为1 100 mm，降雨主要集中在5～9月，且夏季雨水丰沛，占全年降水量的41%，春、秋、冬季分别占28%，26%和5%，属于亚热带季风气候区。

1．2 地质条件

香溪河流域大地构造位置属扬子准地台北缘处，西北部为神农架断穹，西南为秭归向斜，东南为黄陵断穹。流域内地层出露较齐全，自太古界水月寺群变质岩至第四系松散岩类，除缺失石炭系、白垩系地层外，其他地层均有出露。前震旦系地层主要分布于流域西北部及东南部，流域东南部分布有少量水月寺群变质岩地层;岩浆岩主要为分布于流域东南部的黄陵背斜处，黄陵背斜核部主体为侵入岩体，岩性主要为斜长花岗岩、二长花岗岩、石英闪长岩等;震旦系至三叠系地层是一套滨海-浅海相碳酸盐岩及碎屑岩地层，主要分布于流域中部及东部，其中奥陶系，二叠—三叠系地层岩性以灰岩为主，震旦系、寒武系地层以白云岩为主;侏罗系地层为内陆湖相沉积，岩性为砂岩、砾岩，主要分布于香溪河西岸的秭归向斜。

1．3 水文地质条件

根据地下水的赋存埋藏条件和分布规律，香溪河流域地下水类型可划分松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶水和基岩裂隙水三大类。松散岩类孔隙水分布极少，主要出露于河流谷地、岩溶洼地;碳酸盐岩类岩溶水可细分为碳酸盐岩溶洞裂隙水和碳酸盐岩夹碎屑岩溶洞裂隙水，是区域内分布最广的地下水类型，水资源总量占比大，具有较大的供水意义;基岩裂隙水可细分为碎屑岩风化裂隙水和岩浆岩、变质岩风化裂隙水，主要分布于流域东南部、西北部。

图1 香溪河流域水文地质略图Fig．1 Hydrogeological sketch of Xiangxi River basin

香溪河流域内非碳酸盐岩主要包括碎屑岩和岩浆岩，碳酸盐岩主要分布于震旦—三叠系地层，由牛蹄塘组和石牌组、志留系地层形成的较为完整连续的隔水层将该流域划分为三大岩溶含水系统类型:震旦系岩溶含水系统、寒武—奥陶系岩溶含水系统和二叠—三叠系岩溶含水系统，三大岩溶含水系统的地下水多为溶洞裂隙水，系统之间水力联系微弱。图2为图1中C-C'所示的典型水文地质剖面图。

图2 香溪河流域典型水文地质剖面图Fig．2 Typical hydrogeological section of Xiangxi River basin

非碳酸盐岩中发育的构造裂隙是地下水赋存和径流的主要介质空间，地表数米风化壳内孔隙、裂隙也为地下水提供了运移通道，大气降雨沿断裂、裂隙及风化带渗入，补给碎屑岩、岩浆岩含水层;另外，与岩溶含水层相邻的部位也可能存在侧向补给，碎屑岩裂隙水、岩浆岩裂隙水主要赋存于风化带中，多为近源分散排泄，泉点多而流量小，动态变化受降雨影响明显，也有部分裂隙水侧向排泄至相邻碳酸盐岩含水层。

碳酸盐岩区地下水的补给来源主要为大气降雨，台原型溶丘洼地地貌区，雨水直接通过岩溶槽谷、洼地、落水洞形成负地形灌入式补给地下水，地下水沿溶蚀裂隙、岩溶管道等构成的导水网络流动，径流速度快而径流途径短，常在排泄区溶洞、地下暗河出露流量较大的岩溶泉，泉流量对降雨响应快、变化幅度较大，雨停后则逐渐恢复常态;溶蚀侵蚀中山山地地貌区地形切割强烈，降雨通过溶沟、溶槽及小型岩溶裂隙渗入式补给地下水，地下水主要沿岩溶裂隙流动，在碳酸盐岩与相对隔水层接触部位以小泉的形式分散排泄。

2 样品采集与测试

2．1 样品采集与保存

2013—2016年期间，中国地质大学(武汉)“湖北宜昌香溪河岩溶流域水文地质调查”项目组系统采集了流域内降雨、冰雪融水、泉水以及香溪河支流典型断面地表水样品，主要分布于香溪河子流域高岚河及古夫河流域内，采样点分布详见图1。本文共收集305个样品数据，另外为了研究震旦系含水岩组、寒武—奥陶系含水岩组和二叠—三叠系含水岩组地下水化学动态变化规律，2015年3～12月每月采集了峡口附近岩屋泉、仙女泉、屈原泉水样。

采集水样容器为600 mL纯净水瓶，现场用水样涮洗3次后装满。当日采回的水样用孔径0．45 μm的醋酸纤维膜过滤后，分装于2个处理过的50 mL PET瓶中，其中用于阳离子测试分析的样品用纯HNO3酸化至pH＜2，而用于阴离子测试分析的样品不予处理。

2．2 样品测试

水化学样品的测定在中国地质大学(武汉)分析测试中心完成。其中等阴离子采用戴安离子色谱仪(ICS1100或ICS2100)测试，采用酸碱滴定法测试;等阳离子采用赛默飞电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES，ICAP6300)测试。

3 结果与分析

3．1 大气降水化学组成及其来源

大气降水是香溪河流域地下水的主要补给来源，其组成直接影响地下水的成分及侵蚀能力。2013—2015年对香溪河流域降水经过数次采样，经分析测试结果表明:大气降水pH值为5～6，电导率值为40～78 μS/cm，属于矿化度和硬度均低的弱酸性水，对碳酸盐岩的溶解能力较强。此外，测得雨雪中主要离子含量见表1。

表1 香溪河流域多次降水各离子含量均值(mg/L)Table 1 Average concentrations of the ions in wet precipitation of Xiangxi River basin(mg/L)

3．2 典型地表水断面化学特征和控制因素

地表水与地下水间存在物质和能量的交换，研究其化学特征对了解地表水与地下水的补排关系具有重要意义。2015年3～12月每月对香溪河典型河流断面高家坪、凉伞河、孔子峡、石家坝进行采样测试。典型地表水断面汇水区内不同岩类占比见表2。因变质岩在所选取的地表水断面汇水区内面积占比较小，且少有泉点出露，因此未对其进行深入分析。

Na+主要来源于肥料、硅酸盐溶解主要来源于灰岩、白云岩等矿物的溶解，用Ca2+/关系图可以较好地反映地表水中物质来源(见图3)。由图3可以看出:以碳酸盐岩地层为主的凉伞沟落于左上方，以岩浆岩地层为主的高家坪、鲁家河地表水则落在左下角区域，分别靠近碳酸盐岩和硅酸盐岩两个端元;石家坝、孔子峡断面地表水则处于中部，存在硅酸盐地表水和碳酸盐地表水混合，并且随着岩浆岩在流域不同断面比例升高，相应地表水断面离子组成在图上投点越靠近硅酸盐岩水端元。香溪河河水中主离子浓度十分接近汇水范围内地下水中离子浓度各采样点，可见香溪河地表水化学组成是流域内不同岩性面积比例的反映，不同断面地表水的补给来源不同，其化学组成也不相同。

表2 典型地表水断面汇水区内不同岩类面积占比(%)Table 2 Proportion of different kinds of rock in typical surface water catchment areas(%)

3．3 不同类别地下水化学组成和分类

采用地下水舒卡列夫分类与TDS关系图能很好地反映香溪河流域地下水的基本特点，见图4。

由图4可见，研究区地下水矿化度(TDS)均在500 mg/L以下，主要集中在150～300 mg/L，不同TDS地下水化学组成也略有差异;地下水主要水化学类型为HCO3-Ca型、HCO3-Ca+Mg型、HCO3-Mg +Ca型，少量为HCO3+SO4-Ca型、HCO3+SO4-Ca +Mg型、HCO3+SO4-Na型等其他水型。总体来说，研究区地下水中离子含量普遍较低，地下水化学类型简单，显示以溶滤作用为主的潜水特征;山区由于地形起伏，地下水无论垂向入渗还是水平运动均比较快，相应水-岩相互接触的时间短，因此进入地下水中的物质数量相应较少，流域内碳酸盐岩分布广，岩溶水比例高。

图3 地表水中Ca2+/Na+与/Na+和/Na+与/Na+的关系图Fig．3 Ca2+/Na+vs．/Na+and/Na+vs/Na+in surface water

图4 地下水舒卡列夫分类与TDS的关系图Fig．4 Chemical classification of Shukalief vs．TDS of the groundwater

地下水Piper三线图可以揭示地下水中主要离子相对丰度和分布特征，在了解水文地质条件的基础上，将一个地区的不同类型的地下水水样标在图上，可以分析不同类别地下水化学特征、控制因素、演变规律等一系列问题［12］。研究区不同类型地下水Piper三线图见图5。由图5可以看出，研究区不同类型的地下水样品落在图上的区域不同，具有如下特点:

图5 不同类型地下水Piper三线图Fig．5 Piper diagram of groundwater samples of different aquifers

(1)流域内岩浆岩地下水化学组成相对比较复杂，水化学类型为HCO3-Ca型、HCO3-Ca+Na+Mg型、HCO3·SO4-Ca+Mg型，地下水矿化度普遍较小，多在100 mg/L以下，且地下水中K+和Na+所占比例多在20%～40%，明显高于岩溶水和碎屑岩裂隙水，阴离子中仍为阴离子的主要组成，但其所占的百分比较岩溶水明显下降，这是由于岩浆岩含钾盐、钠盐矿物较多，经水-岩相互作用后，地下水中的毫克当量百分比明显增加。

(2)流域内碎屑岩裂隙水水化学类型多变，主要离子以Ca2+、Mg2+为主，地下水化学类型以HCO3-Ca+Mg型，HCO3-Ca+Mg型为主，相对于岩溶水K+、Na+及Cl－所占比例更高，这是因为侏罗系地层岩性以砂岩、泥岩为主，赋存于岩层中的水溶解长石类矿物:

但地下水中Ca2+、Mg2+仍占有较高的比例，显示出碎屑岩钙质胶结的特点，而含有较高含量的Cl－与土地利用类型有关，在碎屑岩形成的缓坡地区常种有大量柑橘、蔬菜等农作物，加上地下水埋深较浅，产生的氯盐易进入地下水中。

(3)岩溶地下水为流域内分布最广的地下水类型，岩溶水主要水化学类型为HCO3-Ca+Mg型、HCO3-Ca型、HCO3+SO4-Ca+Mg型，流域内碳酸盐岩质地较纯，Ca2+、Mg2+为岩溶水中的主要阳离子，少量的Na+和K+主要来源于雨水以及局部夹杂的泥页岩阳离子替换作用，绝大多数岩溶水中阴离子以为主，毫克当量百分比达阴离子的80%以上，少量水点中含较高浓度的

3．4 岩溶地下水化学组成月动态变化规律

岩溶含水介质具有高度非均质性，地下孔、隙、缝、管、洞并存［13-14］，决定了地下水动态变化大，对水化学组成也有很大的影响。利用地下水化学曲线的变化可以了解地下水化学组成变化规律、判断物质来源、反映含水系统内部结构等［15-18］。

屈原泉出露于二叠—三叠系岩溶含水岩组，仙女泉出露于寒武—奥陶系岩溶含水岩组，岩屋泉出露于震旦系岩溶含水岩组，分别为各自所处含水系统中的主要排泄点，丰水期流量分别为140 L/s、80 L/s、20 L/s。图6为2015年3月至12月期间3个泉中主要离子指标月动态变化曲线。由图6可以看出:

图6 岩溶地下水化学组成月动态变化图Fig．6 Monthly dynamic changes of hydrochemical composition of karst groundwater

(2)地下水中K+、Na+主要来源于长石、盐岩等矿物的溶解。屈原泉中K+、Na+明显高于其他泉，这是由于二叠系含水层中可能存在相邻志留系表层崩坡积物中的外源水汇入，志留系地层内碎屑岩中受钾长石、钠长石溶解作用的影响，使地下水中含较高K+、Na+;岩屋泉与仙女泉中的K+、Na+含量相近，分别为1 mg/L、2 mg/L左右;3个泉中K+、Na+变化趋势相近，在5～9月较低，平枯期其含量略高于丰水期，反映出冬季钾钠盐岩的溶解作用较强，与冬季降水较少稀释作用弱且地下水径流时间较长有关。

4 结 论

(1)香溪河流域降水pH值为5～6，电导率值为40～78 μS/cm，属于矿化度和硬度均低的弱酸性水，对碳酸盐岩的溶解能力较强。大气降水中主要化学成分为酸性离子占一定比例，降水成分是海洋、自然因素和人类活动影响的结果。地表水化学特征是流域内岩性分布、人类活动的综合反映，香溪河及其支流不同河段、不同季节河水的补给来源不同，其河水的化学组成也不相同，地表水主要受硅酸盐和碳酸盐溶解控制，高岚河干流受农业活动影响，支流相对受人类活动影响小。

(2)研究区地下水矿化度较低，均在500 mg/L以下，主要集中在150～300 mg/L之间，不同矿化度地下水化学组成也略有差异;地下水主要水化学类型为HCO3-Ca型、HCO3-Ca+Mg型、HCO3-Mg+Ca型;受山区地形及相对隔水层控制，地下水多近源排泄，且径流速度快，水-岩相互作用时间短，地下水多为低矿化度溶滤水。碳酸盐岩区水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型、HCO3-Ca型，岩浆岩区裂隙水和侏罗系碎屑岩裂隙水相对于岩溶水具有较高含量的

(3)从研究区地下水类型差异可以看出，二叠—三叠系岩溶含水岩组主要受方解石溶解的影响，震旦—寒武系岩溶含水岩组则存在方解石和白云石的溶解，硫酸盐的浓度呈现出枯水期相对丰水期不降反升的特点，这是因为枯水期灰岩的溶解作用减弱，而白云岩及石膏溶解作用加强。总的来说，研究区不同含水岩组中地下水质较稳定，受人类活动影响较小，显示出裂隙网络较发达、蓄水能力较强的特点。

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Analysis of Hydrogeochemical Characteristics of Karst Basin in Xiangxi River

ZHOU Bin1，LUO Zhaohui1，ZHOU Hong2，LIU Jian2
(1．School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan430074，China; 2．Institute of Geological Survey，China University of Geosciences，Wuhan430074，China)

Carbonate rock is widely distributed in Xiangxi River basin of Yichang，Western Hubei．The karst groundwater is an extremely important water source for the local residents．To research the hydrochemical composition and internal rules of groundwater has great significance to the rational development and utilization of the groundwater．Focused on the karst groundwater，this paper analyzes the hydrogeochemical characteristics of karst basin in Xiangxi River in combination with precipitation，groundwater in non-carbonaceous rock and surface water，which are closely linked to karst groundwater．The results show that the precipitation of the study area is weak acid water with low salinity and hardness and of strong erosion．The chemical composition of surface water reflects the lithological distribution，as the main stream is more influenced by agricultural activities than industrial activities．Under the control of the steep terrain，total dissolved solids of the groundwater is low，mainly ranging from 150 to 300 mg/L．Under the control of lithology，there is a sensible difference in hydrochemical composition between water samples collected in carbonate rock，magmatic rock and clastic rock and the Shukalief classification of which are mainly HCO3-Ca type，HCO3-Ca+Mg type and HCO3-Mg+Ca type．Influenced by the precipitation and temperature，seasonal characteristics of the mineral solubility vary．Agricultural activities have little effect on the quality of groundwater．

karst basin of Xiangxi River;hydrochemical characteristics;spatial and temporal distribution characteristics;monthly dynamic change

X142;P641．4

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．002

1671-1556(2016)05-0007-06

罗朝晖(1971—)，男，副教授，主要从事环境影响评价、水岩相互作用与水化学方面的研究。E-mail:zhhluo@cug．edu．cn

2016-05-09

2016-07-06

中国地质调查局项目(12120113103800)

周 彬(1990—)，女，硕士研究生，主要研究方向为岩溶地下水化学。E-mail:zhoubincug@163．com