基于水化学和同位素示踪岩溶含水系统的水力联系——以宜春市四方井副坝区为例

吴 平， 葛 勤， 张卫民， 李荐华， 刘海燕， 王 洋， 王 振， 陈家鸿

(1.中铁水利水电规划设计集团有限公司， 南昌 330029； 2.江西省水工结构工程技术研究中心， 南昌 330029； 3.东华理工大学水资源与环境工程学院， 南昌 330013； 4.放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室， 南昌330013)

岩溶区水库的建设可实现区域水资源的合理配置，在防洪、兴利、发电、生态等多方面发挥作用[1]。中国南方岩溶地下水资源储量巨大，但分布不均，生态系统较为复杂，岩溶管道的发育和分布特征难以刻画等一系列问题[2]，增加了水库建设的难度。因此，研究岩溶地下水的形成、水化学分布，揭示地下水径流的路径，对维持研究区水库建设的生态系统基本功能和居民的生态健康等具有重要的理论和实践意义。

揭示岩溶含水系统的水力连通特征，是地下水资源调查和水文地质研究的基础，也是流域水循环模式建立和生态文明建设不可忽视的重要环节。水化学和同位素组分作为地下水的重要组成，记录了水体的形成、循环和演化的过程[3-5]，在岩溶水系统的发育特征[6]、水力联通性[7]及演化规律[8]方面应用广泛。然而，江西岩溶区含水层结构复杂，以隐伏岩溶为主，水文地质条件复杂，水化学特征处于动态变化过程[9-10]，单一的水化学研究方法，难以将地下水化学特征与其所在地区的时空变化所结合，解决复杂的岩溶水力联系问题[11]。多方法联合有助于揭示岩溶地下水的运移路径，查明岩溶通道的连通性[12]，以便为水库建设工程设计与施工提供理论依据。现场示踪试验作为地下水连通试验主要方法之一，具有自动化程度高、精度高、成本低、操作方便等优势，在探寻地下水补给源、地下管网分布和水库渗漏、岩溶含水层水文参数模拟等方面应用广泛[13-14]。因此，现场示踪试验和水化学、同位素数据结合，有利于深入认识南方岩溶区含水系统的时空分布特征，并为同类项目建设和研究提供技术参考。

宜春市温汤河四方井水利枢纽工程位于江西省宜春市袁州区境内，水库坝址位于袁河中游右侧支流温汤河下游的袁州区湖田乡坪田村境内，是一座以防洪、供水为主，兼顾发电等综合效益的大(Ⅱ)型水利枢纽工程。经调查，副坝区岩溶发育较好，现场采用连续抽水试验，均未见水位下降，水量丰富。其下游村庄较多，且存在多处泉水点，常年处于流动状态，泉流量较大，若村中泉水可能与副坝处地下水存在一定的水力联系，一旦水库建成，库区水位急剧增加，下游村庄泉流量随之增加，可能对周边的居民安全产生一定的威胁。为此，采用钻孔注浆的方式阻断水库下游村庄间的水力联系，现已完成部分注浆工作，为评价帷幕灌浆的效果，现通过分析研究区地下水和地表水的水化学分布特征，结合现场盐示踪试验，查明研究区副坝地下水与其下游村庄泉水点间的水力连通性，为水库设计和施工的正常进行提供基础信息和理论指导。

1 研究区概况

宜春市四方井水利枢纽工程位于江西省宜春市袁州区境内，坝址距宜春市市区约7 km，坝址以上控制流域面积约173 km2，工程初拟正常蓄水位152 m(黄海高程，下同)，坝顶高程156.20 m，最大坝高51.70 m，水库总库容约1.189 5×108m3。地下水主要有第四系孔隙潜水、基岩裂隙水及岩溶水三种类型，另在工程区的西南侧分布有温汤地热田。其中岩溶水是库区的主要地下含水层，其水量、水位主要受控于岩溶发育程度、连通程度等，透水性一般较强，主要受大气降水、第四系孔隙潜水及河水补给，多以泉的形式排泄于地势较低的沟谷。

副坝区溶洞多充填了粉质黏土或粉质黏土夹碎石、砾石，局部无充填，溶洞及其附近一带岩体多具中等～强透水性，副坝右坝肩石炭系与震旦系地层不整合接触部位一带岩溶发育程度为极强烈，钻孔线岩溶率达23.7%，钻孔遇洞率100%。坝区其余部位(左坝肩及坝基一带)的可溶岩区，据坝轴线钻孔调查数据统计，钻孔线岩溶率为1.4%，钻孔遇洞率40%，岩溶发育程度为弱(图1)。副坝下游四方井自然村一带分布有多处上升泉，泉水中Ca2+、Mg2+的含量较高，泉水属岩溶水，泉水流量与季节变化不大。

2 数据与方法

2.1 采样与分析

2019年11月，沿地下水的补、径、排路径，共采集水样25件，其中地表水样14件，地下水样11件，水样采集点分布于工程枢纽副坝区、坝体上游和下游居民区(图2)。为了明确研究区的当地大气降水线(local meteoric water line，LMWL)，采集了14个不同高度明月山的降水样品。水化学和氢氧稳定同位素测试样品分别采用100 mL和10 mL塑料瓶采集，采集前用0.45 μm滤膜过滤。阳离子溶液采用6N HNO3酸化至pH<2，所有样品均用Parafilm封口膜密封，并置于4～5 ℃保存，以减少微生物的增长。

现场利用水质多参数测试仪(HACH DR2800)现场测定水温、pH、电导率等项目。

2.2 现场示踪试验方法

鉴于在研究区Na+和Cl-本底值很低，且化学性能稳定、易检测、灵敏度高、成本相对低等优点，本次试验选择食盐为示踪剂。选取副坝钻孔ZK465(即采样点SD-01)作为示踪剂投放点(图2)，钻孔位置资料、投放食盐及水样采集深度等相关信息如表1所示。基于研究区水文地质和构造特征，结合本次示踪试验目的，选取副坝区下游4个泉点(SD03、SD04、SD05、SD07)作为信号监测点，并进行长期室外监测，监测点信息如表2所示。

表1 示踪剂投放点相关信息Table 1 Information of launch point for tracer test

表2 信号监测点分布情况Table 2 Distribution of signal monitoring points

本次示踪试验时间为2019年11月2日—2019年12月27日，历时55 d。2019年1月2日下午15：00试验正式开始，采用水泵搅拌机将示踪剂注入钻孔。研究区地下水整体电导率偏低，一旦水中Cl-和Na+增加，电导率也将随之升高，通过检测水的电导率变化特征可直观反映示踪剂信号强弱，从而判断工作区含水层的连通性能。

示踪剂投放前，投放点及所有接收监测点均测定电导率，作为背景参考值。示踪剂注入后，前期一天检测2次(早上和晚上)，待示踪剂信号出现后，检测频率加密，改为一天3～4次，当信号强度开始减弱时，检测频次改成一天1次，或一周1次，共监测482次，鉴于项目本身和科学研究目的的需要，没有进行后期示踪试验回落曲线的监测。

3 结果

3.1 水化学组成

通过对地表水和地下水的水化学组分测试分析(表3),研究区地表水的TDS分布范围为41.0～85.5 mg/L(平均值为61.6 mg/L)，浅层地下水(包含泉水，下同)的TDS分布范围为57～334 mg/L(平均值为165.5 mg/L)，较地表水略大。由于副坝注浆，SD-1的pH为12，呈强碱性，其余地下水pH为6.95～8.93(平均值8.0)，为弱碱性水。

表3 地表水和地下水水化学组分Table 3 Hydrochemical compositions of surface water and groundwater

3.2 同位素特征

副坝区上游泉水(SD-11、SD-10、SD-9)的δD、δ18O值为-34.85～-34.10‰(平均值为-34.57‰)和-6.51～-6.30‰(平均值为-6.41‰)，地表水(SB-1)δD、δ18O值为-34.88‰和-6.29‰。副坝区地下水的δD、δ18O值分别为-34.80～-34.67‰和-6.05～-5.93‰，平均值为-34.74‰和-5.99‰，与四方井村SD-3和SD-4泉水δD(-32.8‰、-33.12‰)、δ18O(-5.90‰、-5.71‰)接近。四方井村中流量较大的泉SD-5氢氧稳定同位素较为贫化，为-33.58‰和-6.49‰。四方井村下游泉水(SD-8、SD-6)较四方井村具有富集的趋势，δD、δ18O平均值为-32.19‰和-5.4‰，地表水(SB-2、SB-3)δD、δ18O平均值为-33.73‰和-5.15‰。

此外，氘盈余d作为研究地下水补给来源以及地下水和地表水相互作用的指标，能有效指示地下水的形成和演化过程[15]。研究区地表水和地下水d均为正值，平均值为14.05‰，与全球大气降水线的d值较为接近。地下水和地表水d值分布区间分别为9.33‰～17.97‰(平均值为14.41‰)和10.32‰～15.45‰(平均值为13.06‰)。

4 讨论

4.1 地下水的水化学分布及其成因

宜春属中亚热带季风气候，降雨量充沛，平均年降雨量为1 600 mm，浅层地下水埋深较浅，与地表水和大气降水的水力联系显著。由图3(a)可知，研究区大气降水趋势线(LMWL)的斜率为7.8，接近全球大气降水线，δD和δ18O主要分布在LMWL右下方，说明地下水和地表水主要来自大气降水的补给，且受到了蒸发作用的影响[16]。蒸发作用越强，受空气相对湿度控制的d越偏负。研究区大气降雨d约为15.6，地下水和地表水d的平均值分别为14.41‰和13.06‰，说明地表水较地下水受到的蒸发作用强烈。

图3 水样中δD和δ18O的分布Fig.3 Distributions of δ2D and δ18O in water samples

HCO3-Ca是地下水主要的水化学类型，由于副坝钻孔注浆的原因，SD-1的水化学类型为OH-Ca。图4(a)可知，上游区地表水和地下水的水化学数据点分布于碳酸盐溶解线附近，主要来自碳酸盐的溶解，随着地下水径流路径的增加，可能存在少量长石的溶解，促使部分点向下偏移。上游SD-9号泉水点水化学类型为SO4-Mg，位于四方井村水利枢纽附近的半山腰，(Ca+Mg)远远高于HCO3的含量，说明存在其他的矿物溶解，导致该水点发生偏移。由图4(b)可知，SD-9点处，可能存在大量的石膏溶解，SD-7和SD-8的水化学成分也受到了少量石膏溶解的影响。

图4 地下水和地表水中Ca2+与的相关性Fig.4 Correlations between Ca2+ and and for groundwater and river water samples

针对局部地下水流系统，地下水径流过程中，可能发生一系列的水岩相互作用，促使地下水TDS增加，因此TDS含量的变化与地下水径流的过程关系密切。假如四方井村与副坝水利连通性较好，沿着地下水径流途径，划分为5个径流区，采样点的分布依次为SD-9、SD-10、SD-11、SB-1、SB-4(上游)→SD-1、SD-2(副坝区)→SD-7(过渡区)→SD-3、SD-4、SD-5(四方井村)→SD-6、SD-8(下游区)。由图5可知，地表水水化学分布较为集中，地下水的水化学分布呈现明显的径流分区模式，且地下水的水化学及TDS分布较地表水略大，说明地下水流动的过程，发生了强烈的水岩相互作用，促使地下水的水化学组分发生了变化。

图5 水样中Ca2+与TDS的相关性Fig.5 Correlation between Ca2+ and TDS for water samples

综上，蒸发和水岩相互作用是地下水水化学成分形成的主要因素，同时造成了地下水的TDS逐渐偏离补给来源。因此，地下水的TDS值可以用来表征地下水参与的循环路径，即低TDS的地下水，主要参与浅部的循环，径流路径相对较短。副坝区钻孔SD-1进行了部分注浆(水泥)工作，考虑到其对地下水的影响，SD-1和SD-2孔地下水TDS含量较高。泉点SD-7位于副坝和四方井之间，与SD-3、SD-4相比，SD-7径流途径相对较短，TDS也略低，符合地下水径流过程中水化学组分的分布特征。SD-5(高程210 m)位于SD-3(405 m)、SD-4(380 m)的下游，但TDS较低(145 mg/L)，泉流量较大，需要结合同位素结果进一步佐证。

4.2 副坝区岩溶通道水力连通性分析

4.2.1 盐示踪试验对副坝区岩溶连通性的指示

为了查清副坝区岩溶含水系统与下游四方井出露泉水间的水力联系，在副坝区钻孔与下游四方井村之间进行现场盐示踪试验。由图6可知，监测点SD07地下水初始电导率约为355 μs/cm，从第8天开始持续上升，直到第50天达到最高点(436 μs/cm)，随后浓度出现下降趋势，表明副坝SD01与监测井SD07连通性较好。监测点SD04地下水的初始电导率为388 μs/cm，从第16天开始出现电导率波动式升高，第40天达到峰值(电导率为413 μs/cm)，随后浓度逐渐降低，指示SD04与副坝也具有一定的连通性。监测点SD03地下水的初始电导率为415 μs/cm，从第18天开始出现电导率持续波动升高，第38天浓度出现峰值(电导率为425 μs/cm)，示踪剂浓度上升曲线特征呈多峰，随后浓度逐渐下降，说明SD03与副坝具有一定的连通性，且SD03泉水还受到其他补给来源的影响。

图6 各监测点电导率随时间的分布Fig.6 Distribution of conductivity with time at each monitoring sites

SD-5泉水的初始电导率为211 μs/cm，位于SD-3和SD-4下方。与SD03和SD04相比，地下水的电导率波动较大，规律不明显，指示SD05地下水来源较为复杂，受到外界的影响相对显著。结合4.1节中地下水水化学成因的分析，推测可能存在2种可能：①SD-5的流量较大，补给量较多，且离温汤河较近，受河水影响较大，可能冲淡了SD-5的示踪信号，造成SD-5处泉水的水化学特征和SD-3、SD-4相差较大，示踪信号不明显；②SD-5的径流量较大，受季节性影响明显，可能主要来自短距离上游水的径流补给，副坝区地下水对其的贡献程度较弱。

4.2.2 地表水与泉水同位素分布对副坝岩溶通道水力联系的指示

地下水中稳定同位素的组成主要受大气降水同位素的组成和地下水循环过程的影响，没有经过同位素交换的地下水其同位素组成与补给来源相同，当地下水与周围岩石发生水岩交换作用时，地下水同位素的组成就会随之发生变化。经调查，副坝区地下水温度在20 ℃左右，同位素水岩交换作用微弱，氢氧同位素具有指示地下水来源的特征。由图3(b)可知，仙巩河水δD和δ18O值(SB-1)较为贫化，指示上游补给来源特征。理论上，SB-4位于四方井上游，δD和δ18O值也应富集轻的氢氧稳定同位素，考虑到SB-4位于温汤镇温泉出露区，可能受到大量温泉水的混入，造成δD和δ18O值相对富集的现象。

由图3(b)可知，研究区浅层地下水和地表水存在相互作用的关系，SD-5(村内大泉)、SD-9、SD-10、SD-11泉水δD、δ18O和地表水SB-1来源接近，指示4个地下水点的径流路径相对较短，径流速度较快，主要为上游河水补给来源。SD-5为村内的大泉，泉流量较大，径流快，路径短，同位素特征也分布于SB-1附近，与温汤河河水(SB-3)同位素特征不符合，说明SD-5主要来源于上游水的补给，副坝区地下水对其的贡献较小。SD-1、SD-2为副坝岩溶地下水，与SD-3、SD-4和SD-7的分布区域一致，指示副坝地下水与四方井SD-3、SD-4和SD-7连通性很好。SD-6、SD-8与中下游地表水δD、δ18O分布区相似，较为富集，说明地表水和地下水存在水力联系。据此可知，副坝地下水与SD-3、SD-4和SD-7泉水点连通性很好，与SD-5的连通性相对较差，同位素分析与现场示踪试验和水化学结果吻合，两者互相佐证进一步说明了副坝区岩溶地下水与下游四方井村SD-3、SD-4泉之间存在连通性，与SD-5大泉的连通性较弱，多方法的结合有助于深入掌握研究区副坝与下游村庄含水层的联通特性。

5 结论

(1)研究区地下水的氢氧同位素分布在LMWL的右下方，指示大气降水的补给来源，并受到后期蒸发作用的影响。

(2)由地下水的水化学测试结果可知，研究区地下水主要来自碳酸盐的溶解，少量长石和石膏的溶解也是促使地下水化学成分形成的关键，随着地下水径流途径的增加，TDS呈现增加的趋势。

(3)现场盐示踪试验结果表明，副坝区地下水与其下游四方井村的泉水点SD-3、SD-4和SD-7连通性较好，SD05地下水来源较为复杂，与副坝区地下水间的联系不明显。

(4)通过分析地下水和地表水的水化学和同位素数据，进一步印证了四方井村的泉水点SD-3、SD-4和SD-7与副坝区的水力连通性较好，而SD-5主要来自上游水的补给，副坝区地下水的贡献不明显。