鄱阳湖流域赣南地区岩溶地下水特征及影响因素

郑文晓，郭晓娟，赵兰芝，王 健

（1.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌 330029；2.东华理工大学水资源与环境工程学院，江西南昌 330013）

碳酸盐岩为可溶性岩石，经历化学侵蚀、流水冲蚀、潜蚀、重力崩塌等作用形成岩溶。岩溶含水层储存丰富的地下水资源，开采利用量占世界用水25%左右[1］。我国岩溶水资源量约占地下水资源总量23.4%，其中重庆市占73.7%，贵州省占80%，为居民生活和经济发展提供了重要保障[2-4］。但由于岩溶作用和特殊的地质背景，在人类活动作用下存在不同的水文地质与环境地质问题，如水土流失、洪涝或干旱及石漠化等[5］。且近年来农业、工业及城市化等加速了脆弱的岩溶地下水系统演变和水化学演化[6-7］。市政和工业等污水通过岩溶裂隙、管道等渗入地下含水层，极容造成地下水污染[7-8］。Jiang 等（2013）[9］报道了人为硫酸和硝酸对碳酸盐岩的溶解，改变了溶蚀进程和水化学类型。杨秀丽等（2010）[10］发现都市化过程中，岩溶地下水NO3-、HN4+和SO42-等污染日趋严重。赣南兴国县碳酸盐岩地区岩溶发育，为典型的长江流域喀斯特地貌[11］。该岩溶地下水为居民的主要利用水源，近年来由于矿产开发和城镇化水质受到不同程度影响，因此，查明研究区岩溶地下水水文地质条件和影响因素，有利于地下水资源污染防治和科学利用。

1 研究区概况

研究区位于赣南兴国县梅窖镇，区内属侵蚀岩溶地貌，呈东北向条带状展布，基岩出露，植被不发育。海拔最高高程为439.6 m，最低高程为282.8 m。区内为一向斜构造，两翼分别出露震旦系、石炭系地层。向斜核部被第四系覆盖，以北东向零星出露石炭系上统地层。岩溶水主要赋存于石炭系上统黄龙组（C2h）与船山组（C2c），黄龙组以白云岩为主，船山组以石灰岩为主。区内主要发育北北东、北西向两组断层，其中F1 走向近北东东倾向南东，倾角约为68°，破碎带宽20 m 左右；F2 走向北北西倾向南西，倾角为40°～56°，破碎带宽9.0 m 左右，断层F1 被F2 错断（图1）。

图1 研究区钻孔位置及构造分布图

研究区属亚热带东南季风气候区，湿润温和，日照充足。夏季温度高而冬季温度低。冬季多偏北风，夏季多偏南风。降水主要分布于4 月～ 9 月，年平均降水量为1522.3 mm。区域水系发育，沟塘密布，研究区主要河道为平江，注入赣江。

2 岩溶分布特征及影响因素

2.1 岩溶空间分布特征

研究区大气降水丰富，长期溶蚀作用下碳酸盐岩逐渐形成溶孔、溶槽、溶沟及溶洞（图2）。如图3 所示，野外15个勘探钻孔揭露了溶洞空间分布，结果表明浅部溶洞较为发育，一般隐伏于地表10 m 以内，主要集中在高程296 m～265 m（图3）。其中，大石岭北部高程388.52 m 处和东部高程295.30 m 处发育两个大型溶洞。大石岭北部为北东及北西向溶洞，最高处达10 m（图2）。大石岭东部溶洞水平长度大于10 m，垂向发育高度变化大，最低高度大于1.5 m。据野外钻探数据统计，勘探钻孔揭示遇洞率为 87%。

图2 研究区岩溶发育特征

图3 钻探揭露溶洞发育高程规律

2.2 构造影响

岩溶发育及岩溶地下水运动一般受到构造控制[12-14］。研究区主要发育走向北东向和北西向断层。其中北东向断层与向斜轴发育方向相近，为同期次构造应力下形成。北西向断层切割北东东向断层，为相对晚期形成的[15］。

如图4（a）所示，野外示踪试验表明，研究区暗河出口北东向BZK9 钻孔和北东东向BZK14 钻孔地下水电导率变化规律一致，揭示了溶洞与暗河连通性较好。另外，现场观测到北东向暗河流量大于北东东向，且BZK9 钻孔至暗河出口的水流速率大于BZK14 钻孔，因此北东向F1 断层为导水断层。如图4（b）所示，第一次注水试验后，钻孔内高水位持续下降至稳定水位附近，此时投放示踪剂，第二次注水试验后，水位迅速上升，之后几天未能回落至稳定水位，此时检测暗河出口水流未发现示踪剂。北西向BZK5 钻孔连通试验表明，该钻孔处的溶洞与暗河连通性较差，与勘探现场观测到溶洞被充填一致。此外，据现场观测，北西向断层F2 两侧水位相差约15 m，说明断层与溶洞连通性差。因此研究区溶洞发育和岩溶水运动主要受北东、北东东向构造控制，且北东向优于北东东向。而北西向构造溶洞发育，但受松散物充填，地下水运动易受阻。

图4 连通试验

3 岩溶水地下水化学特征及影响因素

3.1 岩溶水地下水化学特征

2021 年9 月至10 月，研究区收集了49 个地下水样品和8个地表水样品。地下水EC 值范围为30.0 μS／cm～535.0 μS／cm，平均值为235.6 μS／cm，低于地表水EC 值平均值271.3 μS／cm。主要阳离子和阴离子浓度大小排序依次为Ca2+＆gt;Na+＆gt;Mg2+＆gt;K+，HCO3-＆gt;NO3-＆gt;Cl-＆gt;SO42-。地下水pH 和TDS 范围分别为5.72～8.71 和52.02 mg／L～360.75 mg／L，平均值分别为7.21和177.75 mg／L，地下水呈弱碱性。地下水pH 低于地表水平均值7.82，与赣江河水pH 类似[16］，低于重庆和贵州的岩溶地下水[17］。地下水TDS 低于地表水平均值201.6 mg／L，远高于赣江河水，低于重庆和贵州的岩溶地下水[17］。

如图5 所示，研究区地下水HCO3-毫克当量占阴离子总和的75.4%～99.8%，平均值为91.9%。Ca2+毫克当量占阳离子总和的60.4%～90.5%，平均值为74.1%。与研究区地表水相比，地下水HCO3-和Ca2+毫克当量占比要低，赣江Na++ K+和Cl-+SO42-毫克当量占比相对地下水明显偏高。与重庆和贵州岩溶地下水一致，地下水化学为HCO3-Ca 型[17］。

图5 赣南岩溶地下水Piper 三线图

3.2 自然风化及人类活动影响

海洋水汽可以通过季风运输到内陆，经历降水入渗补给地下水[18］。然而海盐滞留在大气平均时间仅为3 天，其输入量随离海洋距离的增加而减少[19］。本次研究降水样品Cl-溶度为0.04 mg／L，邻近区域广州和南昌分别为0.75 mg／L 和0.56 mg／L，假设降水中Cl-全部来自海洋，也远低于地下水平均值5.11 mg／L，因为海盐对地下水的补给量很小[20］。

利用地下水化学Mg2+／Na+-Ca2+／Na+、HCO3-／Na+-Ca2+／Na+相关性可以对地下水自然风化以及水化学组分的影响进行判别[21］。如图6 所示，长江河水位于硅酸盐和碳酸盐之间，主要受两者的共同控制[11］。黄河Mg2+／Na+-Ca2+／Na+系点落在硅酸盐附近，HCO3-／Na+-Ca2+／Na+落在硅酸盐和蒸发-岩盐之间，流域含有大量的方解石和岩盐，主要受岩石风化和岩盐共同作用[22］。赣南岩溶地下水与贵州和重庆类似，接近碳酸盐溶解区域，主要为碳酸盐溶解，少部分与赣江接近，受硅酸盐风化影响[16］。

图6 赣南岩溶地下水Mg2+／Na+-Ca2+／Na+和HCO3-／Na+-Ca2+／Na+关系[20]

SO42-、NO3-和Cl-是人类活动影响地下水的主要污染离子，来源于市政和工业活动[23］。根据WHO（2011）[24］饮用水标准值，赣南岩溶地下水SO42-、NO3-Cl-浓度都没有超过准值，但是，宁然受到区域不同程度人为活动影响（图7）。如图7（a）所示，地下水SO42-／Na+- NO3-／Na+部分样品位于农业活动和生活污水范围，少部分接近工业活动。特别是部分地表水SO42-／Na+和NO3-／Na+比值较高，可能受到当地矿产业开采或加工污水影响。如图7（b）所示，地下水NO3-／Na+与Cl-／Na+少部分地下水样品接近工业废水或生活污水，大部分样品在接近农业活动的路途中。N和Cl-是农业化肥NH4NO3、KCl 等的主要成分，并且NO3-／Na+与Cl-／Na+相关性较好（y = 0.53x+ 0.33，R2=0.62），反映了农业活动对地下水的强烈影响。

图7 赣南岩溶地下水SO42-／Na+-NO3-／Na+以及NO3-／Na+-Cl-／Na+关系

综上所述，赣南岩溶水水质较好，阳离子主要来自碳酸盐溶解，但当地农业发达，阴离子主要受到当地的农业活动影响，工业活动和生活污水影响较小。

4 结论

（1）赣南碳酸盐地区岩溶发育，主要受走向北东向和北西向断层构造作用控制。然而地下水运动还受岩溶充填程度的影响。走向北东向构造形成的岩溶充填较弱，连通性较好，是地下水主要导水通道。而北西向构造形成的岩溶充填较好，连通性较弱，不利于地下水径流。

（2）地下水pH 和TDS 平均值分别为7.21 和177.75 mg／L，地下水呈弱碱性。地下水TDS 低于当地地表水远高于赣江河水，低于重庆和贵州的岩溶地下水。地下水HCO3-毫克当量占阴离子总和的平均值为91.9%，Ca2+毫克当量占阳离子总和的平均值为74.1%，地下水化学为HCO3-Ca 型。

（3）海盐对赣南岩溶水化学补给量很小，阳离子主要为碳酸盐溶解，局部受硅酸盐风化影响。阴离子SO42-、NO3-和Cl-主要受当地农业活动影响，局部受到生活污水或地矿产业开采或加工污水影响。

（4）赣南岩溶水是当地的主要饮用水源，随着城镇化和矿产业发展，地下水质面临着重大挑战。岩溶裂隙和管道发育，地下水极容易受人类活动干扰，造成饮用水源污染，建议建立岩溶地下水资源保护区域。