车马碧引水隧洞近场区水文地球化学特征及成因浅析

黄静，肖先煊，许模，李兆峰

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）

河流与地下水为全球水循环的重要组成部分，对人类生活生产活动发挥着至关重要的作用（解晨骥等，2012）。地下水是地球上分布广泛、数量丰富的淡水资源，尤其是岩溶地下水，为1/4 的世界人口提供了水源，仅中国就有1 亿多人口（Ghasemizadeh et al.，2012），但随着人类科技和国民经济的不断提升，对地下的探索不断加深，我国现已有90%地下水资源受到了轻重不同的污染（张文平，2018）。

地下水水化学研究对研究水体水化学的演化过程及影响因素有着重要的意义，是水文地质学与水文地球化学的重要研究内容（王晓曦等，2014）。自然水体在循环过程中，会与周遭岩石、大气、生物等进行极其复杂的物质和能量交换，所以水化学组分在一定程度上能够反映自然水体的历史演变过程（刘再华，1992；章光新等，2006；Lucaset et al.，2010）。此外，人类的工业活动、农业活动及排放的城市生活废水都会对水化学组分的形成演化产生影响（张军以等，2014）。

如今，已有许多学者对地下水化学特征及离子组分来源进行了研究。张春潮等（2021）利用三姑泉域岩溶地下水水化学测试数据对主要离子组分特征及水化学类型进行分析研究；王忠亮等（2021）通过分析涞源北盆地地下水的氢氧稳定同位素及氘盈余值特征，揭露了其地下水的补给来源及径流途径；唐金平等（2019）对巴中北部岩溶山区地下水化学特征及演化进行分析，发现其演化过程均受水-岩作用和阳离子交替吸附作用的控制；刘江涛等（2018）对沁河冲洪积扇浅层地下水的演化进行分析后发现岩石风化溶解作用及蒸发作用对地下水离子组分产生了重要影响；Ji Liu 等（2020）通过分析平顶山煤田岩溶地下水水化学特征及演化过程发现其离子组分主要来自碳酸盐岩、硅酸盐矿物和石膏的溶解，阳离子交换及人类农业、矿业等活动也对离子组分来源产生了影响;Wenping Mu 等（2021）对红碱淖湖盆地地下水化学特征的研究认为该流域下Ca2+、Mg2+和SO42-主要来自方解石、白云石、石膏等碳酸盐岩的溶解，K++Na+主要来源于长石的溶解和阳离子交换作用;袁建飞等（2016）对毕节市北部岩溶地下水化学特征及成因的研究表明主要离子来源除了水-岩作用，人类活动的影响同样重要，主要表现为人类采煤活动、农业施肥及生活污水排放等。且现有的研究体系也较为成熟，方法主要有统计分析、piper 三线图（张睿东等，2021）、Gibbs 模型图（林聪业等，2021；郑哲文等，2021）、PHREEQC（张敏等，2022）、氯碱指数（彭红霞等，2021）、离子比例系数（王瑞和李潇瀚，2021）、离子相关性分析及因子分析（杨芬等，2021）等，为研究地下水化学特征及成因机制提供思路。

车马碧水库引水隧洞于2017 年底开始施工，施工疏排水导致近场区地下水位快速下降，改变了区内地下水流场，导致周边井、泉、龙潭干涸、河流断流（周人杰等，2016），持续地下水枯竭会引发马龙区用水困难、水质恶化等一系列生态环境问题，还会触发地面塌陷、沉降等地质灾害问题。因此，开展研究区水文地球化学特征及地下水成因机制的分析极为重要。本论文基于现场岩溶水文地质调查、取样和室内测试，对离子组分及水化学形成过程进行深入分析，为该区地下水环境及饮用水安全提供借鉴。

1 研究区地质概况

马龙区位于牛头山古隆起的北侧，乌蒙山脉南部，属云贵高原的滇东北丘陵区，整体地势东南高峻，中间山谷、丘陵，四周环山，河流纵横，具有山多谷不深的特点。气候属低纬高原季风型气候，冬春干旱，夏秋湿润，年平均降雨量1 000 mm 以上，雨季为每年的6～8 月，日照充足，年平均日照超过1985小时，城区年均气温为13.4℃，蒸发强烈，相关研究表示，曲靖市为干旱频发地区（龚艳冰等，2015）。研究区内出露的地层有第四系、泥盆系、志留系和寒武系，岩溶水为研究区最主要的地下水类型（图1）。碳酸盐岩型岩溶水主要赋存于寒武系下统龙王庙组（∈1l）；碳酸盐岩与碎屑岩互层型岩溶水赋存于志留系上统庙高组（S3m）和关底组（S3g1、S3g2）、寒武系中统双龙潭组（∈2s）和陡坡寺组（∈2d）；裂隙水赋存于泥盆系下统西囤组（D1xt）和西山村组（D1x）、志留系上统玉龙寺组（S3y）、寒武系下统沧浪铺组（∈1cw、∈1ch）；孔隙水赋存于第四系堆积物。区内断裂构造发育，主要有北东向和北西向两组共9 条断裂，其中北东向断裂有四旗田-法戛大断层、小白坡断层、大瓦仓断层、下营断层、竹园断层，北西向断层有黄土坡断层、土官寨断层、高枧槽断层、大龙潭断层。区内地层分布破碎，多有小型岩溶泉出露。

图1 研究区水文地质简图及采样点分布图

研究区内裸露型岩溶区地下水主要接受大气降水的直接补给，在覆盖和埋藏区同时接受上覆第四系孔隙水就地补给，其余地区接受大气降水入渗补给。地下水总体从四周向中部径流，继而汇聚进入马龙河水系排泄，同时也以泉的形式进行集中排泄。研究区内地下水水位埋深较浅，引水隧洞基本处在地下水位以下，隧洞施工对地下水存在较大影响（图2）。

图2 研究区水文地质剖面图（A-A’剖面）

2 水化学及同位素特征研究

本次研究涉及泉点、井点和支洞施工排水等地下水点及地表水点，共采集39 组水样，选取其中33组进行水化学测试，其中包括17 个泉水、4 个井水、4 个河沟水、1 个水库水以及7 个引水隧洞支洞排水。同时，从水化学的33 组样品中抽取22 组进行氢氧同位素测定。泉水样品中，除了SA103、SA107、SA110 和SB108 为裂隙水以外，其余均为岩溶水。采样时间为2021 年9 月，样品的采集和储存遵循《生活饮用水标准检验方法水样的采集与保存》（GB/T5750.2-2006）。采样点位置如图1。

2.1 水化学特征

将33 组水样划分为地下水、地表水及支洞施工排水三类，各类水样测试结果见表1。由表可知，pH平均值为7.69，基本呈弱碱性，地下水样与地表水样的pH 值均值相差不大，支洞水样的pH 值最大为10.1，均值为8.2，这与开挖支洞活动有关。总溶解固体（TDS）均值为398.71 mg/L，支洞水样的含量最高，地表水次之，说明支洞抽水及地表水更容易受污染及蒸发浓缩作用。此外，所有水样TDS 均值明显高于世界均值100 mg/L，反映出研究区内剧烈的水-岩作用，且总硬度最大值为561 mg/L，均为淡水。

表1 研究区水点水化学成分测试结果表

绝大部分水样阳离子浓度关系为Ca2+＞Mg2+＞K++Na+，阴离子浓度关系为HCO3-＞SO42-＞Cl-。地表水的Cl-、K++Na+含量均值偏高，地下水中S01、S10、SA103、SA106 的Cl-、K++Na+含量明显高于均值，可能是受人类耕植活动所使用的钾肥、复合肥等通过入渗作用下渗到地下水的影响。

由表1 可知，在相似补径排条件下，支洞水样的SO42-含量与区内地下水相比明显偏高，但其余离子含量相差不大，这是由于研究区内引水隧洞工程施工抽排地下水时，在隧洞轴线地区形成了新的排泄基准面，地下水顺层径流并在此处排泄，导致周围地区地下水水位下降，尤其是隧洞轴线以南地区，在此过程中，地下水受到污染，支洞水样各离子浓度受到不同程度的影响。引水隧洞运营后，支洞停止抽排地下水，周边地区地下水水位回升并逐渐消除隧洞施工时所产生的影响，支洞抽水点的地下水SO42-含量与区内其他水点的差异也逐渐恢复正常。

变异系数（Cv）可用来反映地下水化学组成影响因素的复杂程度，Cv≤0.1 为弱变异性，0.1＜Cv≤1为中变异性，Cv＞1 为强变异性。从表1 可以看出，地下水点和地表水点各参数中Cl-、SO42-为强变异性，反映了影响这两个阴离子组成的因素较为复杂，可能受人类污染的影响较大，支洞水点各参数中pH 值为弱变异性，其余为中变异性。

2.1.1 主要离子相关性分析

利用SPSS 软件对研究区内水点中的主要离子进行pearson 相关性分析，可判别其离子间的一致性和差异性，计算结果见表2。由表可知，研究区内TDS与Ca2+、Mg2+、SO42-呈高等相关性，相关系数分别为0.928、0.841 和0.842，其次为Na++K+和Cl-，相关系数分别为0.567 和0.527，说明Ca2+、Mg2+、SO42-是TDS 形成的决定性因素，其次受Na++K+和Cl-的影响。Ca2+和Mg2+、Mg2+和HCO3-呈显著的正相关性，相关系数为0.766 和0.443，且Ca2+和HCO3-的相关系数为0.203，说明它们来源相似，可能来源于研究区内碳酸盐岩的溶解作用。Ca2+和SO42-的相关系数为0.885，表明这两种离子可能均来源于石膏的溶解作用。此外，Na++K+和Cl-的相关系数0.959，具有极高的相关性，说明这两者有可能具有相同的离子来源，可能受蒸发盐岩的溶解作用控制。

表2 研究区内水点主要离子相关性分析结果表

2.1.2 水化学类型

Piper 三线图是用于判别地下水水化学类型及水化学成分演化的基本手段。利用软件Aqua Chem 3.70 并根据所有水样中主要离子的含量绘制Piper 三线图，结果如图3。阳离子图中，大部分水点靠近Ca2+和Mg2+端元，这些离子是水溶解白云岩和灰岩的结果。阴离子图中，大部分地下水点靠近HCO3-端元，地表水点和支洞水点受人类活动的影响，落点较为分散。

图3 研究区内所采水样Piper 三线图

如表3 所示，研究区地下水点的主要化学类型为HCO3-Ca·Mg 型，占比为55%，主要出露在以白云岩、灰岩为主的寒武系中统双龙潭组（∈2s）、寒武系下统龙王庙组（∈1l）；其次为HCO3-Ca 型，占比为25%，主要出露在以灰岩为主的志留系上统庙高组（S3m）、关底组第一段（S3g1）；HCO3-Ca·Na型、SO4·HCO3-Ca·Mg 型、HCO3·SO4-Ca·Mg 型、HCO3·SO4·Cl-Ca·Na·Mg 型各占5%。由此可知，地下水点的化学类型受下伏地层的岩性的影响较大。

表3 研究区地下水水化学类型统计表

表4 主成分分析因子分析荷载矩阵

地表水点的主要化学类型为HCO3-Ca 型，占比为40%；HCO3-Ca·Mg 型、SO4·Cl-Na·Ca 型、HCO3·Cl·SO4-Ca·Na·Mg 型各占20%。支洞水点的主要化学类型为SO4-Ca·Mg 型，占比为33.3%；HCO3-Ca·Mg 型、SO4·Cl-Ca 型、HCO3·SO4-Ca·Mg 型、SO4·HCO3-Ca·Mg 型各占16.7%，水化学类型受支洞施工的影响较大。

2.2 氢氧同位素结果分析

氢氧同位素是分析水体补给来源的有效手段。研究区内地下水δD 值在-87.33‰～-66.39‰，δ18O值在-11.93‰～-8.67‰，平均值分别为-76.25‰和-10.4‰。氘盈余值（d-excess）用于反映大气降水在蒸发-冷凝过程中的同位素分馏程度，计算公式为：d=δD-8δ18O。经计算，区内d 值在8.08‰～7.6‰，均值为6.96，均小于大气降水的d 值，说明区内地下水径流途径较长，速度较慢，在含水层中的滞留时间长，水-岩的氧同位素交换程度较高。依据研究区内各水点的同位素测试结果，做δD-δ18O 关系图（图4）。

图4 地下水样δD-δ18O 关系图

从图中可以看出，研究区内地下水点在当地大气降水线（LMWL）附近，表明大气降水是主要补给来源，但降水线的斜率和截距明显小于当地大气降水线，说明并不全是大气降水直接补给，还有由储存在岩溶裂隙、孔隙内受水-岩-气作用时间较长的大气降水进行补给，且受蒸发浓缩作用的影响程度不同。区内水点大部分落在当地降水线的左下方，个别水点落在当地降水线的右上方，δD 和δ18O 富集，出现明显的氧漂移现象，并离大气降水线较远，说明其蒸发浓缩作用强烈。

3 形成机制分析

3.1 水-岩作用

Gibbs 模型图能够清楚地反映水体受蒸发、大气降水和水岩作用控制的趋向性，这对分析水化学成因有着重要作用。根据研究区内所有水点的Gibbs 图（图5）可知，所有水点TDS 范围为111～867mg/L，且Na+/（Na++Ca2+）和Cl-/（Cl-+HCO3-）的比值绝大多数小于0.5，说明水岩作用主导了水化学组分的形成，少部分地表水向蒸发结晶控制区延伸，受到了一定的蒸发控制作用。所有水点有向右部偏移至图形外的趋势，且TDS 与Cl-/（Cl-+HCO3-）的关系图显示支洞水点SB102 和地表水点SB109 落在控制区域外，说明该地区水体受到人类活动一定程度的影响。

图5 研究区水样Gibbs 图

研究区水体Mg2+/Na+与Ca2+/Na+、HCO3-/Na+与Ca2+/Na+毫克当量浓度比值关系可用来反映各岩体对水体内溶质的影响。由图6 可知，绝大部分水点落在碳酸盐岩与硅酸盐岩风化端元之间，但更偏向碳酸盐岩端元，说明碳酸盐岩溶解的控制作用大于硅酸盐岩风化的控制。支洞水点SB102 和地表水点SB109 内水体受硅酸盐岩风化作用更明显，在HCO3-/Na+与Ca2+/Na+毫克当量浓度比值关系图中，由于SB102 水体内HCO3-离子含量极少，与SB109 的落点存在差距。

图6 研究区水体Mg2+/Na+与Ca2+/Na+、HCO3-/Na+与Ca2+/Na+毫克当量浓度比值图

3.2 溶滤作用

通过PHREEQC 软件计算出的矿物饱和指数（SI）可以反映出矿物的溶解和沉淀现象，计算结果见图7。SI＞0 为溶解饱和状态，SI＜0 为溶解未饱和状态。由图7 可知：①石膏、硬石膏、盐岩的SI 值均小于0，说明这些矿物处于溶解未饱和状态，会产生溶解现象；②地表水样中方解石和白云石的SI 值均大于0；③地下水样中有25%水点的方解石SI 值小于0、有30%水点的白云石SI 值小于0，其余水点的方解石和白云石SI 值均大于0，处于溶解饱和状态。

图7 研究区水体方解石、白云石、石膏、硬石膏、盐岩与TDS 相关关系

岩溶含水层中方解石、白云石、石膏溶解时发生的反应如下：

p·CaCO3+p∙H2O+p∙CO2=p∙Ca2++2p∙HCO3-

n·CaMg(CO3)2+m·Ca2+=m·Mg2++2mCaCO3↓

n·CaSO4·2H2O=n·Ca2++n·SO42-+2n·H2O

裂隙含水层中钠长石、钾长石溶解时发生的反应如下：

2NaAlSi3O8（钠长石）+2H2CO3+9H2O→Al2Si2O5(OH)4（高岭石）+2Na++2HCO3-+4H2SiO4

2KAlSi3O8（钾长石）+11H2O→Al2Si2O5(OH)4（高岭石）+2K++2OH-+4H2SiO4

利用水体中主要离子之间的毫克当量浓度比值关系也可以用来推断各离子主要来源，具体见图8。从图8（a）中可以看出，水点基本位于1∶1 线上表明碳酸盐岩与石膏的风化溶解是Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-的主要来源，部分地表水和地下水水点位于1∶1 线稍下方，说明Ca2+、Mg2+不足以平衡HCO3-、SO42-的毫克当量浓度，存在其他来源，考虑人类活动。图8（b）显示大部分水点位于1∶1 线稍下方，表明Na+、Cl-主要来源为盐岩（NaCl）的溶解，但Cl-的毫克当量浓度不足以平衡Na++K+，考虑硅酸盐中钾离子和钠离子的溶解，同时由于阳离子交替吸附作用，随着Ca2+、Mg2+浓度的减小，Na+和K+浓度会增加。地表水点SA117 和SB109 的水样因取自农田附近的溪沟，地下水点SA103 的水体也长期用于农业灌溉，故离子毫克当量浓度较高，落在图的右上部分。图8（c）显示大部分位于1∶1 线上方，表明碳酸盐岩的溶解占优势，部分支洞水点与地表水点由于其SO42-与Cl-毫克当量浓度较高，落在1∶1 线下方，且偏离程度较高。综合图8（a）至图8（c）分析，人类工农业活动对地表水点及支洞水点的离子毫克当量浓度存在一定程度的影响。

图8 主要离子关系图

Ca2+与Mg2+的毫克当量关系常用来指示主要溶解的碳酸盐矿物。从图8（d）中可以看出少部分水点落在1∶1 附近，以白云石为主要溶解的碳酸盐岩矿物，但大部分在2∶1 至3∶1 附近，表明方解石的溶解更加显著。

3.3 阳离子交替吸附作用

水岩作用中的阳离子交替吸附活动也是影响水体离子组分的重要方式，可利用氯碱指数（chlor alkali index，CAI）来反映阳离子交替作用是否参与水化学演变过程当氯碱指数即CAI-1（公式-1）和CAI-2（公式-2）为负数时，表示Ca2+与Mg2+和吸附于岩石表面的Na+和K+发生交替作用（公式-3），Na+和K+含量增加，Ca2+与Mg2+因发生沉淀导致其含量减少；当氯碱指数为正数时，即发生逆向的阳离子交替吸附作用（公式-4），Ca2+与Mg2+含量增加。同时利用（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）与（Na++K+-Cl-）比值关系来反映阳离子交替作用是否明显，若两者呈负相关，且斜率约为-1，则表示阳离子交替吸附作用在水体形成过程中起到了重要的作用。

图9（a）显示，除SA117 和SB105 的氯碱指数为正值，进行了反向的离子交换过程外，其余水点的氯碱指数均为负值，说明研究区内水体主要发生Ca2+与Mg2+和Na+和K+进行交换的活动，从而使得Na+和K+含量增大，Ca2+与Mg2+的含量减小。同时，图9（b）显示，绝大部分水点的Na++K+-Cl-大于0，并基本分布在斜率为-1.01 的趋势线左右，极个别水点发生偏离，但偏离程度不高，可能受到外来物源的影响。总体上，阳离子交替吸附作用在阳离子形成演化过程中起到了重要的作用。

图9 氯碱指数（CAI）统计图（a）和（Na++K+-Cl-）与[（Ca2++Mg+）-（HCO3-+SO42-）]关系图（b）

3.4 主成分分析和因子分析

利用SPSS 对主要离子成分进行主成分分析和因子分析，选取特征值大于1 且累计贡献率大于80.76%的2 个主要因子进行分析。由于各因子的含义不够明确，采用Varimax 最大正交旋转法对其初始因子荷载矩阵进行25 次的正交旋转，使各因子荷载值向两极端靠近，得到分类明确的因子，旋转后的荷载矩阵见表3。因子1 的方差贡献率为44.31%，与Ca2+、Mg2+、SO42-的相关性显著，代表白云石、方解石、石膏等碳酸盐岩的溶解；因子2的方差贡献率为36.45%，与Na++K+、Cl-的相关性强，代表硅酸盐（钠长石、钾长石等）及盐岩矿物（如NaCl、KCl 等）的溶解。

不同岩性的溶解作用对各个变量的贡献率可通过各因子荷载的平方除以方差来计算。碳酸盐溶解对研究区内Ca2+的方差贡献率为96.3%，硅酸盐和盐岩溶解的占比很少，贡献率为3.7%；Mg2+的方差贡献者几乎全是碳酸盐的溶解，贡献率为99.49%；SO42-的方差中，两个因子均有参与贡献，因子1 的贡献率约为75.4%，因子2 约为24.75%；硅酸盐和盐岩对Na++K+的方差贡献率为92.88%，碳酸盐溶解较少，贡献率为7.1%；硅酸盐和盐岩、碳酸盐Cl-的方差与Na++K+的方差相似，贡献率分别为93.96%和5.89%；碳酸盐、硅酸盐和盐岩对HCO3-的方差贡献率分别为35.76%和64.3%，由于碳酸盐中的1/2 的HCO3-来源于大气降水，剩下的17.88%为碳酸盐本身含有的，而硅酸盐的全部来源于大气CO2，盐岩基本不消耗大气CO2，故水体中的HCO3-有82.12%来自大气降水。通过以上分析可计算得出碳酸盐对水体化学组分的贡献率为44.44%，硅酸盐和盐岩的贡献率为15.41%，大气降水的贡献率为40.17%。

事实上，用主成分分析和因子分析的方法对三大盐类在水化学成分中贡献率的定量分析还是存在一定误差，主要体现在对各成分的提取率都未达到100%，提取出的2 个因子不能完全代表三大盐类。此次定量分析更多是体现了三大盐类对水化学成分贡献程度的大小。

4 结论

根据以上对研究区地下水化学特征及成因的分析结果，得出如下认识：

（1）研究区内所有水样pH 平均值为7.69，基本呈弱碱性；TDS 均值为398.71 mg/L，最大硬度为561 mg/L，均为淡水。阳离子浓度关系为Ca2+＞Mg2+＞K++Na+，阴离子浓度关系为HCO3-＞SO42-＞Cl-。Na++K+、Cl-、SO42-含量异常的水点受人类农业活动及工业活动（隧洞施工）的影响较大，受污染程度较强。各离子参数中，地下水点和地表水点的Cl-、SO42-为强变异性，支洞水点的pH 值为弱变异性，其余为中变异性。研究区地下水点的主要化学类型为HCO3-Ca·Mg 型，占比为55%；其次为HCO3-Ca 型，占比为25%。地下水的化学类型与所处地层的岩性息息相关。地表水点的主要化学类型为HCO3-Ca 型，占比为40%。支洞水点的主要化学类型为SO4-Ca·Mg 型，占比为33.3%。分析氢氧同位素测试结果可知，大气降水是研究区内水体的主要补给来源。

（2）Gibbs 图显示，水岩作用在水化学组分中占主导地位，其次为蒸发作用。此外，人类活动对水化学组分也有一定程度上的影响。不同岩石端元图显示，碳酸盐岩与硅酸盐岩为参与水-岩作用的主要岩石。SI 值表示方解石和白云石基本处于饱和溶解状态，会产生微量沉淀；石膏、硬石膏、盐岩处于溶解未饱和状态，会产生溶解现象。氯碱指数除个别水点为正值外其余均为负值，表明阳离子交替吸附作用在阳离子化学组分形成过程中起到了重要作用。

（3）研究区内水体中的Ca2+、Mg2+、SO42-是TDS 形成的决定性因素。Na++K+和Cl-的相关系性强，主要来自盐岩的溶解作用，部分Na++K+来源于硅酸盐岩中钠长石和钾长石的溶解作用及阳离子交替吸附作用；Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-各离子间的相关系性较强，主要来源于碳酸盐岩中方解石、白云石和石膏的溶解，方解石为主要溶解的碳酸盐岩矿物。主成分分析和因子分析结果显示，碳酸盐、硅酸盐和盐岩、大气降水对研究区内水体的化学组分的贡献率分别为44.44%、15.41%、40.17%。表明碳酸盐与大气降水在水化学成分的贡献程度中占主导地位。

（4）研究区内地下水主要受径流的地层岩性中岩体溶解作用的控制，基本与取样点下伏地层岩性相符。泉点水质整体较好，受人类活动的影响较小，但地表水和支洞抽排水的水质受到了人类活动的一定影响，水体利用前的净化环节应受到重视。