红层小流域地下水水文地球化学特征及富水模式初探

红层小流域地下水水文地球化学特征及富水模式初探
曾彩霞;李晓
【摘要】以2013、2014年成都市红层水井回访调查情况为背景,通过对成都市青白江区小流域红层井同位素及水位、水质等长期动态监测数据进行描述性分析,结合Piper3线图和离子比例系数及同位素分析,初步揭示该小流域地下水化学特征、地球化学成因及其形成富集模式,为进一步研究红层地下水富集、储存规律提供技术性资料,为成都市地下水可持续利用提供科学依据.
【期刊名称】《人民珠江》
【年(卷),期】2016(037)002
【总页数】5页(P31-35)
【关键词】水化学特征;同位素特征;富水模式;红层小流域
【作者】曾彩霞;李晓
【作者单位】成都理工大学地灾防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059;成都理工大学地灾防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059
【正文语种】中文
【中图分类】P641
成都市地处成都平原的中心，全市除冲积平原外，以红层地层为主的低山丘陵为主要地貌类型之一，红层面积约占全市面积的1/3。

据始于2003年的红层找水打井工程数据，成都市辖区(市)县红层丘陵区约有11个区(市)县94个乡镇527个村处
于缺水或严重缺水状态。

2003—2008年间开展的红层找水工程虽有效缓解了成
都市缺水乡镇的用水问题，然而红层找水时期的“一户一井”模式仅适应于当时的时代背景，随着城市化进程的快速推进，人们对地下水质与量的要求不断提升，对集中居民区实行集中供水是改善生活水平的一种迫切需求。

同时，据统计，全国地级市中地下水污染较为严重的地区占64%，197万km2平原区浅层地下水已不能饮用的面积达6成，成都平原区面临严峻的浅层地下水及地表水的双重污染现状。

在这种需求和现状下，开展小流域调查，寻求富水区段及其富水规律，尤其是水质良好、水量丰富的地下水，对以村镇式集中供水具有重要意义。

青白江区殷家沟小流域是在成都市红层水井回访调查与红层地下水水资源可持续利用研究中发现的水量较为丰富、极具水文地质意义的水文地质单元。

笔者利用研究期间对该小流域红层井同位素及水位、水质等长期监测数据，通过对该区红层小流域地下水水文地球化学特征研究，以期获取小流域地下水的来源及形成模式，为进一步研究红层地下水富集、储存规律提供技术性资料，为成都市地下水可持续利用提供科学依据。

1.1 小流域调查情况概述
小流域调查范围位于殷家沟下游两侧凹槽位置，通过小流域内红层水井成井调查、成井10年后运行情况调查，认为殷家沟小流域内地下水赋存具不均一性，表现为流域内水井水量、水质呈现出明显的差异。

这种差异主要表现为：①水井之间相距不到20 m，凹槽内总体上水量较好，向殷家沟下游水井水量变小；②水质差异甚大，矿化度差异尤为突出；③水井成井时反映掉钻、返白水现象。

初步分析出现这种现象的原因：与水井所处的地貌部位、地层岩性特征以及井深密切相关。

部分水井成井时反映掉钻、返白水现象，一定程度上说明流域内发育溶蚀孔洞、赋存溶蚀孔洞水，可能是沿凹槽一线水量大、水质矿化度高的原因之一。

另外，区内地层主要为侏罗系蓬莱镇组砂泥岩互层，这种独特的含、隔水层相间的水文地质特征，决定了泥岩层位的水井水量小，进入砂岩层位的水井水量大。

研究区长观井位于殷家沟下游距离殷家沟西侧140 m处，井深40 m，整体水位埋深2.63 m，雨季水位埋深浅至0.83 m。

根据冬季低气温条件下野外抽水试验，该长观井一次性最大出水量达5.75 m3，单井日出水量达26.27 m3/d。

同时，抽水过程伴随井水水位降低，井水水温不断变化直至稳定，矿化度随抽水过程呈增高趋势，而研究区内其余抽水井抽水过程水温及矿化度变化均不明显。

1.2 水文地质特征
殷家沟小流域位于青白江区清泉镇五桂村三组，属龙泉山区深丘低山与山前浅丘地貌过渡带，海拔480～560 m，相对高差80 m，为中丘地貌类型。

殷家沟近南北向展布，谷宽20～60 m，上游谷窄坡陡，靠近龙泉山区，下游山前地带沟谷相对较宽，其流量随季节变化较大，为该区地表水及地下水的主要排泄区。

流域内无明显构造发育，产状较平缓，地层倾角变化于4°～16°之间。

区内出露地层岩性为侏罗系蓬莱镇组(J3p)灰白、砖红细粒豆石砂岩、岩屑豆石砂岩、豆石石英砂岩与紫红色泥岩不等厚互层。

砂岩风化裂隙普遍发育且杂乱，连通性一般，少数张开，风化程度中等，风化带发育深度5～18 m，厚度15～25 m，上覆粘土层厚4～
10 m不等。

地下水类型主要为红层风化带孔隙裂隙水，地下水主要赋存于砂岩、泥岩风化裂隙和层面裂隙中；局部地层砂岩含量较高，风化裂隙较张开，泥岩风化裂隙多呈闭合状，砂泥岩含隔水互层，导致地下水呈现一定承压性，为砂泥岩互层层间承压水。

研究区水文地质平面见图1。

研究区属内陆亚热带湿润季风气候区，年平均气温14.9～16.7 ℃，夏季炎热多暴雨，秋季阴雨多，雨量充沛，降雨多集中在6—9月，年均降水量达925 mm以上，区内降雨充沛，是地下水最主要的补给源，地表水(殷家沟、殷家沟水库)亦会在一定区域补给地下水。

地下水在丘坡处接受降雨入渗补给后，沿砂泥岩互层的风化裂隙、层面裂隙由高处向低处运移，径流路径一般较短，沟谷是地下水的汇集和
排泄区。

2.1 地下水水化学动态变化特征
监测井地下水矿化度与硬度变化在图形上呈倒“凸”型(图2)。

从春季到夏秋季，矿化度含量765.2～512.1 mg/L，总体呈先下降后缓慢上升且逐渐稳定趋势；总硬度则与之相反，总体呈先上升后稳定趋势，含量变化307.8～487.9 mg/L。

夏秋季节两者变化几近同步，反映出以钙镁离子为主的增加对水化学变化的贡献。

从春季到夏秋季，Na+和离子浓度均降低，夏秋季相对较稳定，分别在32～150 mg/L、65.87～152.4 mg/L范围内。

Ca2+离子浓度与之相反，呈现上升趋势，从92.18 mg/L升至148.3 mg/L，夏秋季含量较为波动，但变幅小(图3)。

据TDS与Na+/Ca2+当量浓度关系图(图4)可知，随着TDS的增加，Na+/Ca2+当量浓度有所增加，这种差异表现在春(枯)季Na+/Ca2+当量浓度高，夏秋(雨)季及季后呈现低值。

虽增幅不大，但基本能说明地下水发生了一定程度的离子交换作用，为地下水贡献了一定量的Ca2+。

综上可知，监测井水化学动态变化特征表现为：自春(枯)季至夏秋(雨)季，Ca2+离子浓度的持续增加并逐渐稳定，离子的持续减小并趋于稳定。

这是不同季节地下水在循环强度及其所表征的水岩作用强度、类型上存在极大差异的表现，Ca2+离子的增加可理解为在短径流、强循环条件下石膏晶体的溶滤，以春季为代表的枯季离子同步变化，说明了芒硝参与水岩作用的可能，是长径流条件下水岩作用的结果。

2.2 水文地球化学基本特征
研究区地下水以低矿化度为特征，为低矿化弱碱性水。

红层地下水水文地球化学特征较为简单(图5)，春季为矿化度相对较高的-Na·Ca型水，夏秋季节地下水化学特征相似，为低矿化-Ca型水。

2.3 水文地球化学成因简析
研究区地下水呈现上述水文地球化学基本特征及常规离子月动态变化特征是由于春
季雨水稀少，地下水水量下降，水位埋深增大，以砂泥岩互层层间承压水为主，非大气降雨直接入渗补给，该类地下水沿层间裂隙径流，其径流途径长，速度缓慢，水岩作用强烈，易溶的芒硝矿物溶解，导致Na﹢及离子浓度较高。

同时，岩盐矿物的溶解也为地下水提供一定量的Na+，故春季地下水中阳离子以Na﹢为主。

进入夏季，降雨量激增，地下水补给来源主要为大气降雨。

雨水沿浅层地表裂隙直接入渗地下，径流条件好，水力停留时间短，冲刷、溶滤作用强烈，含钙质膏盐等难溶岩石组分的大量溶解为地下水提供了大量的Ca2﹢；Na+的离子交换作用也为
地下水提供了一定量的Ca2+，Na+浓度随之降低；同时，随雨水增多，岩石中高溶解度的盐分淋失，地下水中阳离子转为以Ca2﹢为主，地下水硬度升高，矿化
度与硬度同步变化。

3.1 地下水同位素组成特征
研究区地下水水样同位素分析结果显示：同位素组成δD在-60.9‰～-54.55‰范围内，平均-56.6‰；δ18O在-9.25～-7.76‰之间，平均-8.24‰。

从图6可以看出，夏秋季同位素大致落在成都地区大气降水线附近，且相对富重同位素，而春季同位素组成偏离区域大气降水线，且呈现相对贫化的现象。

同时，据δD月动态变化(图7)，随春季～夏季～秋季季节及降雨量变化，地下水δD呈升高～缓慢降
低恢复现象。

上述现象进一步证实，该井地下水随季节变化补给来源不一：夏季，地下水富δD，大气降水就近补给是其主要补给来源；而春秋旱季，地下水贫δD，揭示其补给可能来自地理位置相对较高的山区。

3.2 地下水补给高程
地下水补给区海拔高程是圈定地下水补给范围的必要依据，大气降水的同位素组成一般具有高程效应，大气降水中同位素的组成随海拔升高，δ值越偏负。

据1986—1998年成都地区大气降雨同位素组成，δD平均-53.6 ‰、δ18O平均-
7.3 ‰，监测站高程506 m，以此作为参考点。

根据δD的高程效应补给高程计
算公式：
式中 Z——地下水的补给高程，m；Z0——参照点地面高程，m；D——地下
水的δD‰(SMOW)；D0——当地大气降水的δD‰(SMOW)；gradD——δD
随高程递减梯度。

据于津生等人对西南地区高程效应的研究，我国西南地区δD的梯度为-
3.2‰/100～-2.6‰/100 m，根据成都地区地势变化特征，本次计算δD梯度为-3.2‰/100 m。

计算得出研究区监测井地下水补给高程存在季节差异(表1)，主
要表现为从春季～夏季～秋季，地下水补给高程从高～低～高，即春秋季补给高程相对地理位置较高，而夏季补给高程接近取样点南侧山坡高程。

以此可推断，夏季监测井主要接受大气降雨就近入渗补给，而春秋季地下水补给源自海拔更高的山区——龙泉山。

岩性是地下水赋存、富集的基础，殷家沟小流域为典型的砂、泥岩互层的岩层特征，为地下水提供赋存条件。

地貌是地下水形成和运动的必要条件，监测井所处的小流域下游宽缓沟谷两侧凹槽地形，为地下水汇集和滞留、形成富水块段提供良好的微地貌条件，加之区内构造作用微弱，形迹简单。

在微地形地貌、地层、单斜构造的组合形式下，砂泥岩互层层间承压含水层与浅层风化带裂隙含水层，既相互联系又相互独立。

这种独立又联系的关系体现在，监测井地下水通过高山区裸露的砂岩含水层获得降水入渗补给，顺岩层层面径流。

因地层平缓，径流缓慢，地下水在长距离径流运输过程中发生强烈的水岩作用，地下水水化学及同位素组成特征发生相应的变化。

于微地貌凹槽处因人工开采成井，促使含水层出露形成排泄点，层间承压水得以释放。

进入雨季，降雨量骤增，地下水位埋深浅，层间承压水饱和，大气降雨由浅层风化裂隙补给，沿表层风化裂隙径流，径流条件好，水力停留时间短，故同位素组成更
接近大气降雨同位素组成，且相对富集重同位素。

监测井地下水形成示意见图8。

需要补充说明的是，前文所提及的与监测井水文地质条件相似的红层水井，同样的微地形地貌、地层及单斜构造组合的富水条件，却呈现不同的水质、水量表现。

究其原因，该井符合当时红层找水打井井深25 m的要求，尚未揭露红层砂岩地层，其地下水补给径流条件异于监测井，反而满足浅层风化裂隙水补给径流模式，即地下水在接受大气降雨的直接入渗补给后，沿表层风化裂隙径流，通过人工开采出露，地下水量受大气降雨影响较大，且因地下水埋深浅，水质变化受人为因素影响较大。

本次小流域调查研究的监测井地下水为典型红层砂泥岩互层层间承压水，为低矿化弱碱性水，Na+、Ca2+等主要阳离子含量随季节动态变化较为明显，前者先降低后稳定，后者则先升高后稳定，与Na+离子含量同步变化，矿化度和总硬度也随
之发生相应变化，这些水化学变化反映了随季节降雨变化，地下水在循环强度及水岩作用强度、类型上的差异表现。

研究区处于殷家沟下游宽谷两侧凹槽位置，微地形地貌控制，岩层风化剧烈，砂、泥岩互层裂隙层面上连通性较好，为地下水形成了较好的储存及径流空间。

砂泥岩互层层间承压含水层与浅层风化带裂隙含水层，既相互联系又相互独立。

春秋季降雨补给弱，主要由高地理位置出露的砂岩含水层接受补给；夏季降雨充沛，地下水主要接受大气降雨就近补给。

因补给来源的差异，加之径流条件的不同，导致地下水水化学类型及同位素特征表现随之呈现季节差异。

本次由于某些工作安排原因，对监测井地下水监测尚未达到一个完整水文监测年枯、平、丰的监测要求，对小流域地下水规律、动态特征认识尚有不足，建议继续加强一个水文年及多个水文期的监测，深入认识小流域地下水成因及富集模式。

【相关文献】
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