吳 平， 葛 勤， 張衛(wèi)民， 李薦華， 劉海燕， 王 洋， 王 振， 陳家鴻

(1.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計集團(tuán)有限公司， 南昌 330029； 2.江西省水工結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心， 南昌 330029； 3.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院， 南昌 330013； 4.放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室， 南昌330013)

巖溶區(qū)水庫的建設(shè)可實現(xiàn)區(qū)域水資源的合理配置，在防洪、興利、發(fā)電、生態(tài)等多方面發(fā)揮作用[1]。中國南方巖溶地下水資源儲量巨大，但分布不均，生態(tài)系統(tǒng)較為復(fù)雜，巖溶管道的發(fā)育和分布特征難以刻畫等一系列問題[2]，增加了水庫建設(shè)的難度。因此，研究巖溶地下水的形成、水化學(xué)分布，揭示地下水徑流的路徑，對維持研究區(qū)水庫建設(shè)的生態(tài)系統(tǒng)基本功能和居民的生態(tài)健康等具有重要的理論和實踐意義。

揭示巖溶含水系統(tǒng)的水力連通特征，是地下水資源調(diào)查和水文地質(zhì)研究的基礎(chǔ)，也是流域水循環(huán)模式建立和生態(tài)文明建設(shè)不可忽視的重要環(huán)節(jié)。水化學(xué)和同位素組分作為地下水的重要組成，記錄了水體的形成、循環(huán)和演化的過程[3-5]，在巖溶水系統(tǒng)的發(fā)育特征[6]、水力聯(lián)通性[7]及演化規(guī)律[8]方面應(yīng)用廣泛。然而，江西巖溶區(qū)含水層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以隱伏巖溶為主，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，水化學(xué)特征處于動態(tài)變化過程[9-10]，單一的水化學(xué)研究方法，難以將地下水化學(xué)特征與其所在地區(qū)的時空變化所結(jié)合，解決復(fù)雜的巖溶水力聯(lián)系問題[11]。多方法聯(lián)合有助于揭示巖溶地下水的運(yùn)移路徑，查明巖溶通道的連通性[12]，以便為水庫建設(shè)工程設(shè)計與施工提供理論依據(jù)。現(xiàn)場示蹤試驗作為地下水連通試驗主要方法之一，具有自動化程度高、精度高、成本低、操作方便等優(yōu)勢，在探尋地下水補(bǔ)給源、地下管網(wǎng)分布和水庫滲漏、巖溶含水層水文參數(shù)模擬等方面應(yīng)用廣泛[13-14]。因此，現(xiàn)場示蹤試驗和水化學(xué)、同位素數(shù)據(jù)結(jié)合，有利于深入認(rèn)識南方巖溶區(qū)含水系統(tǒng)的時空分布特征，并為同類項目建設(shè)和研究提供技術(shù)參考。

宜春市溫湯河四方井水利樞紐工程位于江西省宜春市袁州區(qū)境內(nèi)，水庫壩址位于袁河中游右側(cè)支流溫湯河下游的袁州區(qū)湖田鄉(xiāng)坪田村境內(nèi)，是一座以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電等綜合效益的大(Ⅱ)型水利樞紐工程。經(jīng)調(diào)查，副壩區(qū)巖溶發(fā)育較好，現(xiàn)場采用連續(xù)抽水試驗，均未見水位下降，水量豐富。其下游村莊較多，且存在多處泉水點，常年處于流動狀態(tài)，泉流量較大，若村中泉水可能與副壩處地下水存在一定的水力聯(lián)系，一旦水庫建成，庫區(qū)水位急劇增加，下游村莊泉流量隨之增加，可能對周邊的居民安全產(chǎn)生一定的威脅。為此，采用鉆孔注漿的方式阻斷水庫下游村莊間的水力聯(lián)系，現(xiàn)已完成部分注漿工作，為評價帷幕灌漿的效果，現(xiàn)通過分析研究區(qū)地下水和地表水的水化學(xué)分布特征，結(jié)合現(xiàn)場鹽示蹤試驗，查明研究區(qū)副壩地下水與其下游村莊泉水點間的水力連通性，為水庫設(shè)計和施工的正常進(jìn)行提供基礎(chǔ)信息和理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

宜春市四方井水利樞紐工程位于江西省宜春市袁州區(qū)境內(nèi)，壩址距宜春市市區(qū)約7 km，壩址以上控制流域面積約173 km2，工程初擬正常蓄水位152 m(黃海高程，下同)，壩頂高程156.20 m，最大壩高51.70 m，水庫總庫容約1.189 5×108m3。地下水主要有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水及巖溶水三種類型，另在工程區(qū)的西南側(cè)分布有溫湯地?zé)崽?。其中巖溶水是庫區(qū)的主要地下含水層，其水量、水位主要受控于巖溶發(fā)育程度、連通程度等，透水性一般較強(qiáng)，主要受大氣降水、第四系孔隙潛水及河水補(bǔ)給，多以泉的形式排泄于地勢較低的溝谷。

副壩區(qū)溶洞多充填了粉質(zhì)黏土或粉質(zhì)黏土夾碎石、礫石，局部無充填，溶洞及其附近一帶巖體多具中等～強(qiáng)透水性，副壩右壩肩石炭系與震旦系地層不整合接觸部位一帶巖溶發(fā)育程度為極強(qiáng)烈，鉆孔線巖溶率達(dá)23.7%，鉆孔遇洞率100%。壩區(qū)其余部位(左壩肩及壩基一帶)的可溶巖區(qū)，據(jù)壩軸線鉆孔調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鉆孔線巖溶率為1.4%，鉆孔遇洞率40%，巖溶發(fā)育程度為弱(圖1)。副壩下游四方井自然村一帶分布有多處上升泉，泉水中Ca2+、Mg2+的含量較高，泉水屬巖溶水，泉水流量與季節(jié)變化不大。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 采樣與分析

2019年11月，沿地下水的補(bǔ)、徑、排路徑，共采集水樣25件，其中地表水樣14件，地下水樣11件，水樣采集點分布于工程樞紐副壩區(qū)、壩體上游和下游居民區(qū)(圖2)。為了明確研究區(qū)的當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(local meteoric water line，LMWL)，采集了14個不同高度明月山的降水樣品。水化學(xué)和氫氧穩(wěn)定同位素測試樣品分別采用100 mL和10 mL塑料瓶采集，采集前用0.45 μm濾膜過濾。陽離子溶液采用6N HNO3酸化至pH<2，所有樣品均用Parafilm封口膜密封，并置于4～5 ℃保存，以減少微生物的增長。

現(xiàn)場利用水質(zhì)多參數(shù)測試儀(HACH DR2800)現(xiàn)場測定水溫、pH、電導(dǎo)率等項目。

2.2 現(xiàn)場示蹤試驗方法

鑒于在研究區(qū)Na+和Cl-本底值很低，且化學(xué)性能穩(wěn)定、易檢測、靈敏度高、成本相對低等優(yōu)點，本次試驗選擇食鹽為示蹤劑。選取副壩鉆孔ZK465(即采樣點SD-01)作為示蹤劑投放點(圖2)，鉆孔位置資料、投放食鹽及水樣采集深度等相關(guān)信息如表1所示?；谘芯繀^(qū)水文地質(zhì)和構(gòu)造特征，結(jié)合本次示蹤試驗?zāi)康?，選取副壩區(qū)下游4個泉點(SD03、SD04、SD05、SD07)作為信號監(jiān)測點，并進(jìn)行長期室外監(jiān)測，監(jiān)測點信息如表2所示。

表1 示蹤劑投放點相關(guān)信息Table 1 Information of launch point for tracer test

表2 信號監(jiān)測點分布情況Table 2 Distribution of signal monitoring points

本次示蹤試驗時間為2019年11月2日—2019年12月27日，歷時55 d。2019年1月2日下午15：00試驗正式開始，采用水泵攪拌機(jī)將示蹤劑注入鉆孔。研究區(qū)地下水整體電導(dǎo)率偏低，一旦水中Cl-和Na+增加，電導(dǎo)率也將隨之升高，通過檢測水的電導(dǎo)率變化特征可直觀反映示蹤劑信號強(qiáng)弱，從而判斷工作區(qū)含水層的連通性能。

示蹤劑投放前，投放點及所有接收監(jiān)測點均測定電導(dǎo)率，作為背景參考值。示蹤劑注入后，前期一天檢測2次(早上和晚上)，待示蹤劑信號出現(xiàn)后，檢測頻率加密，改為一天3～4次，當(dāng)信號強(qiáng)度開始減弱時，檢測頻次改成一天1次，或一周1次，共監(jiān)測482次，鑒于項目本身和科學(xué)研究目的的需要，沒有進(jìn)行后期示蹤試驗回落曲線的監(jiān)測。

3 結(jié)果

3.1 水化學(xué)組成

通過對地表水和地下水的水化學(xué)組分測試分析(表3),研究區(qū)地表水的TDS分布范圍為41.0～85.5 mg/L(平均值為61.6 mg/L)，淺層地下水(包含泉水，下同)的TDS分布范圍為57～334 mg/L(平均值為165.5 mg/L)，較地表水略大。由于副壩注漿，SD-1的pH為12，呈強(qiáng)堿性，其余地下水pH為6.95～8.93(平均值8.0)，為弱堿性水。

表3 地表水和地下水水化學(xué)組分Table 3 Hydrochemical compositions of surface water and groundwater

3.2 同位素特征

副壩區(qū)上游泉水(SD-11、SD-10、SD-9)的δD、δ18O值為-34.85～-34.10‰(平均值為-34.57‰)和-6.51～-6.30‰(平均值為-6.41‰)，地表水(SB-1)δD、δ18O值為-34.88‰和-6.29‰。副壩區(qū)地下水的δD、δ18O值分別為-34.80～-34.67‰和-6.05～-5.93‰，平均值為-34.74‰和-5.99‰，與四方井村SD-3和SD-4泉水δD(-32.8‰、-33.12‰)、δ18O(-5.90‰、-5.71‰)接近。四方井村中流量較大的泉SD-5氫氧穩(wěn)定同位素較為貧化，為-33.58‰和-6.49‰。四方井村下游泉水(SD-8、SD-6)較四方井村具有富集的趨勢，δD、δ18O平均值為-32.19‰和-5.4‰，地表水(SB-2、SB-3)δD、δ18O平均值為-33.73‰和-5.15‰。

此外，氘盈余d作為研究地下水補(bǔ)給來源以及地下水和地表水相互作用的指標(biāo)，能有效指示地下水的形成和演化過程[15]。研究區(qū)地表水和地下水d均為正值，平均值為14.05‰，與全球大氣降水線的d值較為接近。地下水和地表水d值分布區(qū)間分別為9.33‰～17.97‰(平均值為14.41‰)和10.32‰～15.45‰(平均值為13.06‰)。

4 討論

4.1 地下水的水化學(xué)分布及其成因

宜春屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨量充沛，平均年降雨量為1 600 mm，淺層地下水埋深較淺，與地表水和大氣降水的水力聯(lián)系顯著。由圖3(a)可知，研究區(qū)大氣降水趨勢線(LMWL)的斜率為7.8，接近全球大氣降水線，δD和δ18O主要分布在LMWL右下方，說明地下水和地表水主要來自大氣降水的補(bǔ)給，且受到了蒸發(fā)作用的影響[16]。蒸發(fā)作用越強(qiáng)，受空氣相對濕度控制的d越偏負(fù)。研究區(qū)大氣降雨d約為15.6，地下水和地表水d的平均值分別為14.41‰和13.06‰，說明地表水較地下水受到的蒸發(fā)作用強(qiáng)烈。

圖3 水樣中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學(xué)類型，由于副壩鉆孔注漿的原因，SD-1的水化學(xué)類型為OH-Ca。圖4(a)可知，上游區(qū)地表水和地下水的水化學(xué)數(shù)據(jù)點分布于碳酸鹽溶解線附近，主要來自碳酸鹽的溶解，隨著地下水徑流路徑的增加，可能存在少量長石的溶解，促使部分點向下偏移。上游SD-9號泉水點水化學(xué)類型為SO4-Mg，位于四方井村水利樞紐附近的半山腰，(Ca+Mg)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于HCO3的含量，說明存在其他的礦物溶解，導(dǎo)致該水點發(fā)生偏移。由圖4(b)可知，SD-9點處，可能存在大量的石膏溶解，SD-7和SD-8的水化學(xué)成分也受到了少量石膏溶解的影響。

圖4 地下水和地表水中Ca2+與的相關(guān)性Fig.4 Correlations between Ca2+ and and for groundwater and river water samples

針對局部地下水流系統(tǒng)，地下水徑流過程中，可能發(fā)生一系列的水巖相互作用，促使地下水TDS增加，因此TDS含量的變化與地下水徑流的過程關(guān)系密切。假如四方井村與副壩水利連通性較好，沿著地下水徑流途徑，劃分為5個徑流區(qū)，采樣點的分布依次為SD-9、SD-10、SD-11、SB-1、SB-4(上游)→SD-1、SD-2(副壩區(qū))→SD-7(過渡區(qū))→SD-3、SD-4、SD-5(四方井村)→SD-6、SD-8(下游區(qū))。由圖5可知，地表水水化學(xué)分布較為集中，地下水的水化學(xué)分布呈現(xiàn)明顯的徑流分區(qū)模式，且地下水的水化學(xué)及TDS分布較地表水略大，說明地下水流動的過程，發(fā)生了強(qiáng)烈的水巖相互作用，促使地下水的水化學(xué)組分發(fā)生了變化。

圖5 水樣中Ca2+與TDS的相關(guān)性Fig.5 Correlation between Ca2+ and TDS for water samples

綜上，蒸發(fā)和水巖相互作用是地下水水化學(xué)成分形成的主要因素，同時造成了地下水的TDS逐漸偏離補(bǔ)給來源。因此，地下水的TDS值可以用來表征地下水參與的循環(huán)路徑，即低TDS的地下水，主要參與淺部的循環(huán)，徑流路徑相對較短。副壩區(qū)鉆孔SD-1進(jìn)行了部分注漿(水泥)工作，考慮到其對地下水的影響，SD-1和SD-2孔地下水TDS含量較高。泉點SD-7位于副壩和四方井之間，與SD-3、SD-4相比，SD-7徑流途徑相對較短，TDS也略低，符合地下水徑流過程中水化學(xué)組分的分布特征。SD-5(高程210 m)位于SD-3(405 m)、SD-4(380 m)的下游，但TDS較低(145 mg/L)，泉流量較大，需要結(jié)合同位素結(jié)果進(jìn)一步佐證。

4.2 副壩區(qū)巖溶通道水力連通性分析

4.2.1 鹽示蹤試驗對副壩區(qū)巖溶連通性的指示

為了查清副壩區(qū)巖溶含水系統(tǒng)與下游四方井出露泉水間的水力聯(lián)系，在副壩區(qū)鉆孔與下游四方井村之間進(jìn)行現(xiàn)場鹽示蹤試驗。由圖6可知，監(jiān)測點SD07地下水初始電導(dǎo)率約為355 μs/cm，從第8天開始持續(xù)上升，直到第50天達(dá)到最高點(436 μs/cm)，隨后濃度出現(xiàn)下降趨勢，表明副壩SD01與監(jiān)測井SD07連通性較好。監(jiān)測點SD04地下水的初始電導(dǎo)率為388 μs/cm，從第16天開始出現(xiàn)電導(dǎo)率波動式升高，第40天達(dá)到峰值(電導(dǎo)率為413 μs/cm)，隨后濃度逐漸降低，指示SD04與副壩也具有一定的連通性。監(jiān)測點SD03地下水的初始電導(dǎo)率為415 μs/cm，從第18天開始出現(xiàn)電導(dǎo)率持續(xù)波動升高，第38天濃度出現(xiàn)峰值(電導(dǎo)率為425 μs/cm)，示蹤劑濃度上升曲線特征呈多峰，隨后濃度逐漸下降，說明SD03與副壩具有一定的連通性，且SD03泉水還受到其他補(bǔ)給來源的影響。

圖6 各監(jiān)測點電導(dǎo)率隨時間的分布Fig.6 Distribution of conductivity with time at each monitoring sites

SD-5泉水的初始電導(dǎo)率為211 μs/cm，位于SD-3和SD-4下方。與SD03和SD04相比，地下水的電導(dǎo)率波動較大，規(guī)律不明顯，指示SD05地下水來源較為復(fù)雜，受到外界的影響相對顯著。結(jié)合4.1節(jié)中地下水水化學(xué)成因的分析，推測可能存在2種可能：①SD-5的流量較大，補(bǔ)給量較多，且離溫湯河較近，受河水影響較大，可能沖淡了SD-5的示蹤信號，造成SD-5處泉水的水化學(xué)特征和SD-3、SD-4相差較大，示蹤信號不明顯；②SD-5的徑流量較大，受季節(jié)性影響明顯，可能主要來自短距離上游水的徑流補(bǔ)給，副壩區(qū)地下水對其的貢獻(xiàn)程度較弱。

4.2.2 地表水與泉水同位素分布對副壩巖溶通道水力聯(lián)系的指示

地下水中穩(wěn)定同位素的組成主要受大氣降水同位素的組成和地下水循環(huán)過程的影響，沒有經(jīng)過同位素交換的地下水其同位素組成與補(bǔ)給來源相同，當(dāng)?shù)叵滤c周圍巖石發(fā)生水巖交換作用時，地下水同位素的組成就會隨之發(fā)生變化。經(jīng)調(diào)查，副壩區(qū)地下水溫度在20 ℃左右，同位素水巖交換作用微弱，氫氧同位素具有指示地下水來源的特征。由圖3(b)可知，仙鞏河水δD和δ18O值(SB-1)較為貧化，指示上游補(bǔ)給來源特征。理論上，SB-4位于四方井上游，δD和δ18O值也應(yīng)富集輕的氫氧穩(wěn)定同位素，考慮到SB-4位于溫湯鎮(zhèn)溫泉出露區(qū)，可能受到大量溫泉水的混入，造成δD和δ18O值相對富集的現(xiàn)象。

由圖3(b)可知，研究區(qū)淺層地下水和地表水存在相互作用的關(guān)系，SD-5(村內(nèi)大泉)、SD-9、SD-10、SD-11泉水δD、δ18O和地表水SB-1來源接近，指示4個地下水點的徑流路徑相對較短，徑流速度較快，主要為上游河水補(bǔ)給來源。SD-5為村內(nèi)的大泉，泉流量較大，徑流快，路徑短，同位素特征也分布于SB-1附近，與溫湯河河水(SB-3)同位素特征不符合，說明SD-5主要來源于上游水的補(bǔ)給，副壩區(qū)地下水對其的貢獻(xiàn)較小。SD-1、SD-2為副壩巖溶地下水，與SD-3、SD-4和SD-7的分布區(qū)域一致，指示副壩地下水與四方井SD-3、SD-4和SD-7連通性很好。SD-6、SD-8與中下游地表水δD、δ18O分布區(qū)相似，較為富集，說明地表水和地下水存在水力聯(lián)系。據(jù)此可知，副壩地下水與SD-3、SD-4和SD-7泉水點連通性很好，與SD-5的連通性相對較差，同位素分析與現(xiàn)場示蹤試驗和水化學(xué)結(jié)果吻合，兩者互相佐證進(jìn)一步說明了副壩區(qū)巖溶地下水與下游四方井村SD-3、SD-4泉之間存在連通性，與SD-5大泉的連通性較弱，多方法的結(jié)合有助于深入掌握研究區(qū)副壩與下游村莊含水層的聯(lián)通特性。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)地下水的氫氧同位素分布在LMWL的右下方，指示大氣降水的補(bǔ)給來源，并受到后期蒸發(fā)作用的影響。

(2)由地下水的水化學(xué)測試結(jié)果可知，研究區(qū)地下水主要來自碳酸鹽的溶解，少量長石和石膏的溶解也是促使地下水化學(xué)成分形成的關(guān)鍵，隨著地下水徑流途徑的增加，TDS呈現(xiàn)增加的趨勢。

(3)現(xiàn)場鹽示蹤試驗結(jié)果表明，副壩區(qū)地下水與其下游四方井村的泉水點SD-3、SD-4和SD-7連通性較好，SD05地下水來源較為復(fù)雜，與副壩區(qū)地下水間的聯(lián)系不明顯。

(4)通過分析地下水和地表水的水化學(xué)和同位素數(shù)據(jù)，進(jìn)一步印證了四方井村的泉水點SD-3、SD-4和SD-7與副壩區(qū)的水力連通性較好，而SD-5主要來自上游水的補(bǔ)給，副壩區(qū)地下水的貢獻(xiàn)不明顯。