应用氯量平衡法估算娘子关泉域典型岩溶区的降水入渗系数

2018-12-13申豪勇梁永平唐春雷赵春红王志恒

水文地质工程地质 2018年6期

申豪勇，梁永平，唐春雷，赵春红，王志恒

(中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室，广西桂林 541004)

降水入渗补给是北方岩溶区岩溶地下水的主要补给源，有时甚至是唯一的补给源。据梁永平等的研究成果[1]，在北方岩溶区已划分的119个岩溶地下水系统中，有62个岩溶地下水系统降水入渗补给是其唯一的补给源。因此，准确估算岩溶地区的降水入渗系数、合理评价降水入渗补给量，对于评价岩溶地区地下水资源量、制定岩溶地下水资源可持续开发利用方案、分析北方岩溶地区岩溶大泉的流量衰减或断流问题[2]具有重要的意义。

估算降水入渗补给量的方法很多，大致可归纳为：直接测定法、水均衡法、零通面法、地下水位动态法、同位素示踪法和地下水数值模拟法等[3]，但是在干旱-半干旱气候条件下的北方岩溶地区，由于特殊的含水介质、厚层的包气带、强烈的蒸发或蒸腾作用等，使得一些常规的估算方法不具有普适性，如直接观测法和零通面法由于岩溶介质中无法安装相应的仪器而无法使用。而由于氯离子的高溶解性和稳定性使得氯量平衡法在估算降水入渗补给量方面成为了一种非常方便、有效的方法，目前国内外的很多专家和学者都用该方法估算降水入渗补给量或包气带的水分运移[4～7]。本文尝试利用氯量平衡法估算娘子关泉域内典型岩溶区的降水入渗系数，以期用不同的方法估算岩溶地区的降水入渗系数，为娘子关泉域岩溶地下水资源评价提供基础的参数，为北方岩溶同类地区氯量平衡法的推广应用提供参考。

1 研究区概况

娘子关泉出露于山西省阳泉市桃河与温河的汇集地段，泉水由11个主要的泉组组成，1956—2008年，泉群多年平均流量为10.4 m3/s，泉域的面积约7 436 km2，是我国北方著名的岩溶大泉。泉域属温带大陆性季风气候，1956—2008年平均降水量为533.19 mm，年内降水高峰出现在6—9月，年平均气温10.9 ℃，多年平均水面蒸发量1 202 mm[6]。

泉域内主要的岩溶含水岩组为早古生代寒武系—奥陶系碳酸盐岩含水岩组，岩溶地下水的主要补给源为碳酸盐岩裸露区和覆盖区的降水入渗补给和地表河流在碳酸盐岩裸露段的渗漏补给[7]。根据泉域内最新的岩溶水资源评价结果[8]，天然补给资源量为3.62×108m3/a，其中，降水入渗补给量为2.94×108m3/a，占总补给资源量的81.2%；河流的渗漏补给量为0.63×108m3/a，占总补给资源量的17.4%。由此可以看出，降水入渗补给是娘子关泉域岩溶地下水的主要补给源。

娘子关泉作为北方著名的岩溶大泉，其研究程度较高，从20世纪70年代到现在，一直有科研机构或专家学者从不同的角度或不同的时间段对其进行科学研究。以娘子关泉域岩溶地下水系统和碳酸盐岩地区降水入渗系数的研究为例，从表1可以看出，1975—2017年，不同时期和不同学者所圈闭的娘子关泉域岩溶地下水系统面积差别较大，最早的泉域面积为2 600 km2，到目前圈定的泉域面积已达7 436 km2，面积扩大了2.86倍。随着资料的积累和水文地质调查精度的提高，对娘子关泉域岩溶地下水系统的认识更接近于实际的水文地质条件。综合分析已有的研究成果，造成不同时期岩溶地下水系统面积不一致的原因主要有两个：一是随着水文地质调查精度的提高，对以往不确定的泉域边界进行了重新的厘定；二是强烈的人为活动改变了原有的泉域边界，如娘子关泉域南部与辛安泉域的地下水分水岭边界会随着两个泉域岩溶地下水开采量的变化而移动。在研究碳酸盐岩地区降水入渗系数时，目前基本上都采用水均衡的方法研究，不同时期估算的降水入渗系数随着时间的推移逐渐变小(表1)。究其原因，利用地下水均衡原理估算地下水入渗补给量时，在娘子关泉域面积不断扩大尤其是碳酸盐岩裸露区面积扩大的条件下，通过入渗补给面积反推得到的降水入渗补给系数会不断变小。因此，在泉域岩溶水文地质条件没有研究清楚的情况下，采用地下水均衡法估算降水入渗系数会存在明显的不确定性，采用不同的方法估算降水入渗系数，并进行互相验证就显得尤为必要。

表1 不同时期娘子关泉域岩溶地下水系统的面积及降水入渗系数

2 研究方法

氯量平衡法(CMB)是基于降水在转化为包气带水或地下水的过程中，利用氯离子的质量守恒原理来估算降水入渗补给量的方法。1969年Eriksson和Khunakasem[15]用地下水中氯离子浓度估算了以色列海岸平原的降水入渗补给量，但该方法在此后并没有得到广泛的应用，主要是由于Eriksson没有给出明确的氯量平衡法估算降水入渗补给量的物理方程式；1978年，Allison和Hughes[16]将该方法应用于非饱和带土壤水的运移补给规律研究中，并提出了非饱和带中氯量平衡法估算入渗补给量的公式；Wood和Sanford[17]假设地下水中获得的氯离子通量在长期条件下是稳定的等条件下，提出了饱和带氯量平衡法估算降水入渗补给量的物理方程式(式1)，该方程式简便、适用，在此之后，氯量平衡法得到了广泛的应用[18]。

(1)

式中：R——降水入渗补给量/mm；

P——多年平均降水量/mm；

Clp——降水中氯离子浓度/(mg·L-1)；

Clgw——地下水中氯离子浓度/(mg·L-1)。

应用式(1)估算降水入渗补给量的假设条件为：(1)降水和大气干沉降是地下水中氯离子的唯一来源；(2)在降水入渗补给过程和地下水的循环过程中，氯离子是稳定的，不被植被吸收或岩土吸附，不参与水岩作用；(3)长期条件下研究区内的降水量和其中的氯离子浓度是比较稳定的，不发生剧烈的变化。基于以上假设条件，可使用该方法，但该方法的应用条件比较苛刻。

3 典型区选择

娘子关泉域岩溶地下水的降水入渗补给主要发生在碳酸盐岩裸露区和覆盖区，根据氯量平衡法估算降水入渗补给量的假设条件，在典型区的选取过程中，考虑了研究区地层中不能有岩盐等矿物存在、研究区尽量不受人畜生活活动和耕地活动(特别是农家肥的使用)等的影响，经过大量的野外调查，在娘子关泉域的东部选择了两个典型区，平定县柏井镇多乐沟村，属于碳酸盐岩裸露区；平定县东回镇东回村，属于碳酸盐岩覆盖区。

多乐沟典型研究区位于一个局部山峰的一侧，该山峰为局部的地表分水岭，地表出露的地层为中奥陶统的峰峰组和上马家沟组，受峰峰组底部厚层泥灰岩的隔水，在半山腰处出露有上层滞水泉，在泉水的下游当地村民还利用泥灰岩的阻水作用施工有两眼大口井，用来蓄积泉水，研究区的地质剖面见图1(a)。该泉水主要接受大气降水补给，由于补给范围较小，包气带的调蓄作用有限，一般在5月—翌年1月有泉水、当年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几乎没有人类活动，特别是近年来国家实施退耕还林政策，研究区及周围大都处于自然状态，研究区地层内也没有盐岩矿物存在，因此，该研究区是应用氯量均衡法的理想场地，选择泉水作为取样点，并部署了HOBO自计式雨量站，同时配合雨水取样。

图1 多乐沟村和东回典型研究区水文地质剖面略图Fig.1 Simplified hydrogeologic profiles of the Duolegou and Donghui research areas

东回典型区位于平定县东回村南侧，处于岭南河残留的二级阶地上，地面出露的地层为第四系中更新统坡、洪积相浅黄色黄土，之下为下更新统的红色黏土层，再下为下马家沟组碳酸盐岩，属于碳酸盐岩覆盖区(图1b)。研究区第四系松散岩类的孔隙水主要接受大气降水的入渗补给，受下部下更新统红色黏土层的阻隔，构成含水层，村民挖井取水，水位埋深一般11～12 m，几乎每家都有取水井，地下水受地形控制，整体由南向北运移，为避免人类生活的污染，选择研究区最南侧的水井作为取样点，并部署了HOBO自计式雨量站，同时配合雨水取样。

4 结果与分析

两个典型研究区的取样时间段都为2015年4月—11月，在多乐沟研究区，共获得水样17组，其中雨水样品9组、泉水样品8组，氯离子含量分别为0.94～2.87 mg/L和7.51～11.3 mg/L，均值分别为1.89 mg/L和8.92 mg/L，具体见表2；在东回研究区，共获得水样12组，其中雨水样品5组、井水样品7组，氯离子含量分别为0.96～4.79 mg/L、19.1～23 mg/L，均值分别为2.29 mg/L和20.71 mg/L，具体见表3。

表2 多乐沟研究区降水和地下水氯离子含量汇总表

表3 东回研究区降水和地下水氯离子含量汇总表

根据式(1)，计算得到了多乐沟典型碳酸盐岩裸露区的降水入渗系数为0.21，与该地区目前岩溶地下水资源评价使用的中等岩溶区降水入渗系数(0.28)相比，得到的结果偏小；计算得到东回研究区的降水入渗系数为0.11，与张之淦[9]在同类型地区使用氚同位素得到的0.097的入渗补给系数相近。对比该方法的适用条件，两个研究区地层中没有岩盐、人类活动造成氯离子的额外输入在选点时已经考虑，但在研究过程中未考虑大气中氯离子干沉降的问题，由此可能会使得到的结果偏小。由于氯量平衡法适用的特殊条件，目前只选择了两个典型区进行了应用，多乐沟典型区的估算结果适用于泉域内中等发育岩溶区(中奥陶统碳酸盐岩裸露区)，可以将该结果应用于泉域内同类地区降水入渗补给量的估算；东回典型区的估算结果适用于碳酸盐岩覆盖区，由于该研究区在第四系松散层的下部还分布有新近系红土层，该地层为区域上的相对隔水层，因此，目前得到的结果只代表了大气降水补给到上部松散层的入渗系数，下部岩溶含水层的降水入渗补给系数还需要进一步研究。另外，在一般岩溶发育区(下奥陶统碳酸盐岩裸露区和寒武系碳酸盐岩裸露区)还没有应用该方法，降水量及氯离子湿沉降的空间变异性也暂未考虑，下一步还需要在泉域内不同的地区建立氯量均衡试验站，并开展氯干沉降的观测，以进一步完善和修正不同岩溶发育程度和不同降水量地区的降水入渗系数系列值，达到控制整个泉域的目的。