黃奇波，覃小群，程瑞瑞, 李騰芳

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004；2.自然資源部廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

河水與地下水交互帶(Hyporheic zone)，又稱潛流帶或交錯(cuò)帶，是指位于河床下并延伸至河岸兩側(cè)含有河水和地下水并形成交互流(Hyporheic flow)的水分飽和的混合區(qū)域[1-2]，地表水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～98%是交互帶水組成的閾值[3]。交互帶具有重要的水文調(diào)蓄、環(huán)境緩沖等功能，對(duì)河流和地下水水質(zhì)具有重要的保護(hù)作用[4]。巖溶交互帶(Karst Hyporheic zone)是由美國(guó)著名水文學(xué)家John L Wilson提出的[5-6]，其定義為：巖溶地下水與周邊巖溶基質(zhì)(含沉積物、基巖)水之間物質(zhì)能量活躍交替的地帶。它在巖溶管道形成、發(fā)育過(guò)程，巖溶生物地球化學(xué)作用過(guò)程，微尺度巖溶水循環(huán)過(guò)程，污染質(zhì)遷移、吸附、轉(zhuǎn)換，微生物作用，地下生態(tài)系統(tǒng)演化方面發(fā)揮了重要的作用[7]。雖然“巖溶交互帶”概念的提出及開(kāi)展研究工作的時(shí)間并不長(zhǎng)，但其在巖溶水生物地球化學(xué)研究中的重要作用已經(jīng)受到了美國(guó)巖溶學(xué)界的高度重視和廣泛認(rèn)可[8]。

由于巖溶交互帶以碳酸鹽巖含水層為主，廣泛發(fā)育溶隙、溶孔、溶洞和地下河[9-10]，地表水容易通過(guò)溶洞和地下河管道等快速倒灌進(jìn)入巖溶交互帶補(bǔ)給地下水，造成巖溶交互帶的防污性能減弱，緩沖作用降低[11]。若地表水被污染，巖溶地下水很快就會(huì)受到影響[12]。因此，對(duì)巖溶交互帶的研究十分重要但非常復(fù)雜。但我國(guó)對(duì)于巖溶交互帶的研究迄今鮮有報(bào)道，尚處于起步狀態(tài)[8]。2016年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局啟動(dòng)了西江中下游巖溶峰林區(qū)1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查二級(jí)項(xiàng)目，項(xiàng)目在左江中游的崇左地區(qū)一帶開(kāi)展了大量的調(diào)查工作。本研究通過(guò)對(duì)左江中游巖溶峰林區(qū)的河流交互帶中取得的水化學(xué)資料進(jìn)行分析，并結(jié)合地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論探討兩岸巖溶交互帶空間分布特征和控制因素。本研究有助于左江沿岸地下水的開(kāi)發(fā)利用和水質(zhì)保護(hù)；同時(shí)，可為我國(guó)西南地區(qū)進(jìn)一步開(kāi)展巖溶交互帶發(fā)育過(guò)程和機(jī)理研究提供參考，對(duì)于如何有效解決目前在巖溶生態(tài)恢復(fù)、巖溶水污染治理工作中面臨的重要科學(xué)問(wèn)題具有指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西崇左市龍州縣內(nèi)，屬于西江中下游的左江流域，位于左江流域中部。左江是珠江流域西江水系郁江的主要支流，干流全長(zhǎng)539 km，流域面積32 068 km2，全流域多年平均徑流量為205.4×108m3[13]。本區(qū)處于北回歸線以南，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛。年日照時(shí)數(shù)1 600多小時(shí)，1月平均氣溫13.8 ℃，7月平均氣溫28.1 ℃，年平均氣溫21.6 ℃，年無(wú)霜期長(zhǎng)達(dá)340多天，年平均降雨量1 350 mm。6—9月為雨季，集中了年降雨量80%左右?？菁疽话阍?2月—次年3月。左江徑流量在時(shí)間上的分配與降雨一致，即每年12月—次年4月徑流量很小，6—9月集中了年徑流量的80%左右。

研究區(qū)內(nèi)地勢(shì)較平緩，西北部、北部和南部相對(duì)較高，中部為巖溶平原，地勢(shì)略有起伏。左江在研究區(qū)的西南部自南向北流入，在研究區(qū)內(nèi)形成一個(gè)U型河灣后在東部轉(zhuǎn)為由西向東流出該區(qū)(圖1)。區(qū)內(nèi)出露的地層主要有石炭系馬平組(C2p1)厚層白云巖、灰質(zhì)白云巖，二疊系棲霞組(P2q)、茅口組(P2m)厚層灰?guī)r，合山組(P3h)砂頁(yè)巖，及第四系桂平組(Qhg)砂礫石層(圖1)。棲霞組(P2q)、茅口組(P2m)灰?guī)r分布面積大于80%，為研究區(qū)的主要含水層；第四系桂平組(Qhg)砂礫石層分布于中部定從—荷村一帶，厚度約2～3 m，面積約5 km2，下覆為棲霞組(P2q)灰?guī)r巖溶含水層；馬平組(C2p1)和合山組(P3h)地層零星出露，兩者面積約0.3 km2。

左江構(gòu)成當(dāng)?shù)氐叵滤畹团判够鶞?zhǔn)面，沿岸地表高程高出左江水面5～8 m。地下水分別由南、北、西三個(gè)方向向中部的左江排泄。但在汛期(5—9月)，左江水位迅速上升，河水通過(guò)地下巖溶管道和地表低洼處倒灌補(bǔ)給地下水，造成兩岸洪澇災(zāi)害較為頻繁[14]。位于河床邊的地下河出口成為地表污水進(jìn)入地下水的主要渠道。研究區(qū)左岸流域面積大，但地表水系不發(fā)育，大氣降水通過(guò)地表巖溶洼地、漏斗快速滲入地下，在左江沿岸排泄，造成左岸巖溶地下水點(diǎn)較多，不僅發(fā)育巖溶泉(圖1中的D3)，還有2條地下河管道(圖1中的D1和D2)。右岸為左江包圍形成的河間地塊，面積約6 km2，地表除發(fā)育有一條小溪流外，沿岸未見(jiàn)巖溶地下水點(diǎn)(圖1)。河流兩側(cè)的巖溶交互帶發(fā)育普遍，其具有豐富的水資源，是沿岸居民打井取水重要地段。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)圖Fig.1 Hydrogological map of the study area

2 樣品采集與分析測(cè)試

本研究于2016年8月下旬和10月下旬對(duì)左江水(5個(gè))、機(jī)井(13個(gè))及2個(gè)地下河出口和1個(gè)巖溶泉進(jìn)行了取樣和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析。左江取樣點(diǎn)和機(jī)井主要位于人口較集中的村莊，形成3個(gè)斷面(圖1)，斷面1在上游阮村和板農(nóng)村一帶，取得水樣8個(gè)，左岸機(jī)井5個(gè)(A3-A7)，右岸機(jī)井2個(gè)(A1、A2)，左江水樣1個(gè)(ZJ1)；斷面2在中下游勤江村、定從村一帶，取得水樣4個(gè)，左岸機(jī)井2個(gè)(B2、B3)，右岸機(jī)井1個(gè)(B1)，左江水樣1個(gè)(ZJ1)；斷面3位于下游進(jìn)民村、荷村一帶，取得水樣4個(gè)，左岸機(jī)井2個(gè)(C2、C3)，右岸機(jī)井1個(gè)(C1)，左江水樣1個(gè)(ZJ3)。另外2個(gè)左江水樣(ZJ4、ZJ5)取樣位置位于3個(gè)斷面下游；1個(gè)巖溶泉和2個(gè)地下河出口主要取自左岸。樣點(diǎn)分布位置見(jiàn)圖1。

機(jī)井離左江100～1 000 m范圍內(nèi)，基本位于河流交互帶影響范圍內(nèi)；本次水樣主要通過(guò)村民水泵抽水取得，水泵放置在地表以下10～15 m的深度(水位以下5～10 m)，機(jī)井均是每天抽一次水，每次抽3～5 h，本次水樣是在機(jī)井抽水1～2 h后采集的，水樣基本能反映地下水特征。

由于10月下旬取得的樣點(diǎn)水化學(xué)指標(biāo)差異不明顯，在本文中不與討論，主要討論8月下旬樣品的水化學(xué)特征。8月下旬水樣主要離子濃度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 豐水期不同類型水物理化學(xué)指標(biāo)

3 結(jié)果

8月下旬為豐水期，左江水位抬升，河水通過(guò)地下巖溶管道和地表低洼處倒灌補(bǔ)給地下水，在左江沿岸形成地表水與地下水相混合的交互帶。10月下旬為平水期，左江水位較低，地下水均向左江排泄，河流交互帶受左江潛流交互作用影響較小，造成交互帶中的機(jī)井水化學(xué)差異并不明顯。

表1顯示機(jī)井的pH值變化范圍6.978～7.489，平均7.208，巖溶地下水(泉和地下河)的pH值變化范圍7.233～7.363，平均7.290，左江水的pH值變化范圍7.510～7.802，平均7.674，大多數(shù)樣品的pH值高于7.0，具有巖溶水的特征，這主要受控于碳酸鹽巖的溶解。與機(jī)井和巖溶地下水(泉和地下河)相比，左江水的pH偏高。

機(jī)井的溶解氧(DO)和水溫變化范圍分別為1.70～7.16 mg/L和24.4～30.3 ℃，平均值為5.35 mg/L和27.9 ℃，巖溶地下水(泉和地下河)的范圍分別為4.95～5.96 mg/L和23.9～24.6 ℃，平均值為5.44 mg/L和24.3 ℃，左江水的范圍分別為7.51～7.88 mg/L和30.6～31.7 ℃，平均值為7.77 mg/L和31.12 ℃?？梢?jiàn)，機(jī)井的DO變化范圍大，但平均值較小，其水溫位于巖溶地下水和左江之間。巖溶地下水和左江的水溫和DO相對(duì)穩(wěn)定。

4 討論

4.1 交互帶內(nèi)機(jī)井水化學(xué)差異原因

左江為一開(kāi)放的地表水體，其水化學(xué)指標(biāo)易受外部環(huán)境的影響，取樣期(8月下旬)為崇左地區(qū)氣溫最高的豐水期，氣溫高達(dá)40 ℃，受氣溫影響，左江水的平均水溫高達(dá)31.12 ℃。機(jī)井、巖溶泉和地下河均屬于地下水，地下水對(duì)外部氣溫具有一定的調(diào)節(jié)作用，一般具有相對(duì)穩(wěn)定的水化學(xué)指標(biāo)，其溫度接近于所處地區(qū)的多年平均溫度，且變化幅度較小[15]。巖溶地下水(泉和地下河)的水溫差異不大，基本與當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁匾恢隆５挥诤影稁е械臋C(jī)井，水溫表現(xiàn)出較大的變化范圍，其平均值(27.9 ℃)界于巖溶地下水與左江水之間。從表1可發(fā)現(xiàn)，有的機(jī)井(如A3)水溫與左江水基本相同，有的機(jī)井(如A1)與巖溶地下水接近，且水溫與距左江的距離的大小有很大關(guān)系，距左江距離小，機(jī)井水溫高(如A3)，距左江距離大，機(jī)井水溫低(如A7)。這表明離左江近的機(jī)井更易受到具有較高溫度左江水潛流交互作用的影響；而離左江遠(yuǎn)的機(jī)井由于左江水倒灌補(bǔ)給的范圍有限，受左江水潛流交互作影響小，水溫主要受地下水的控制。

左江為寬約200～400 m的流動(dòng)地表水體，處于不斷與外部空氣交換的氧化環(huán)境條件，因此，DO濃度較高且較穩(wěn)定。巖溶地下水(泉和地下河)為一開(kāi)放的流動(dòng)巖溶地下水系統(tǒng)，也具有較為穩(wěn)定的DO濃度。相反，機(jī)井為一封閉的還原環(huán)境，一般DO濃度相對(duì)較低[5]。本研究中機(jī)井的DO濃度具有較大變化范圍，這緣于機(jī)井受到了地下水和左江水的雙重影響。位于左江同一側(cè)距左江不同距離的機(jī)井DO濃度具有一定差異，如斷面1中左岸距左江100 m的機(jī)井A3，其DO濃度高達(dá)7.12 mg/L，800 m的機(jī)井A7的DO濃度僅為3.22 mg/L，前者是后者的2倍；另一方面，位于不同岸但與左江距離相同的機(jī)井，其DO也具有較大差異，如斷面1中距左江均為200 m的機(jī)井，左岸A4的DO濃度為7.00 mg/L，而右岸A2僅為2.42 mg/L，前者是后者的3倍。

圖2 溶解氧(DO)與水溫(a)、Ca2+(b)和的變化關(guān)系Fig.2 Relationships between dissolved oxygen and temperature(a)，Ca2+(b)and different types of water

4.2 河流交互帶范圍

斷面2左岸1000 m處機(jī)井B3的pH、溫度、DO濃度分別為7.140、28.1 ℃、7.16 mg/L，與左江水差異不大。左岸2個(gè)機(jī)井與左江水ZJ2相比有所下降，但下降的幅度并不大。右岸200 m處機(jī)井B1的pH、溫度、DO明顯小于左江水，其DO濃度、水溫位于巖溶地下水(泉和地下河)范圍內(nèi)，說(shuō)明受到左江水潛流交互影響。因此，斷面2中左岸河流交互帶范圍大于1 000 m，右岸范圍大約200 m。

斷面3左岸500 m處機(jī)井C2和1 000 m處的機(jī)井C3的pH、溫度、DO與左江水ZJ3差異并不明顯，其受到左江水潛流交互影響。右岸100 m處的機(jī)井DO和水溫小于左江水，但又大于巖溶地下水，說(shuō)明該機(jī)井也受到左江水潛流交互影響。因此，斷面3左岸河流交互帶范圍大于1 000 m，右岸范圍大于100 m。

綜合以上分析，河流交互帶在左岸的范圍大于1 000 m，右岸的范圍在200 m以內(nèi)，左岸是右岸的5倍以上。

圖3 斷面中機(jī)井水化指標(biāo)與距左江距離的變化趨勢(shì)Fig.3 Trends of physical and chemical index of the wells with the distance in the section of the motor-pumped wells

4.3 巖溶交互帶發(fā)育控制因素

大氣降水通過(guò)土壤層后滲入地下，儲(chǔ)存和運(yùn)移于巖層的空隙之中, 并對(duì)巖石進(jìn)行不斷的溶蝕[16]，地下水的徑流條件是控制巖溶發(fā)育最關(guān)鍵的因素[17]。封閉體系巖溶作用非常緩慢甚至停止,只有在開(kāi)放體系中通過(guò)地下水的不斷入滲補(bǔ)給及循環(huán)交替, 巖溶化作用才能得以持續(xù)進(jìn)行[18-19]。王增銀等[20]的研究表明，有均勻大氣降水入滲補(bǔ)給的裸露碳酸鹽巖河間地塊，地下水流動(dòng)系統(tǒng)是自河間地塊向兩側(cè)河流徑流排泄，由分水嶺向河谷流線由疏變密，流量逐漸增大，地下徑流逐漸增強(qiáng)，到河谷岸邊地帶流線最密集，流量也最大，地下徑流也最強(qiáng)。

圖4 研究區(qū)流網(wǎng)圖Fig.4 Flow-net map of the study area

研究區(qū)左岸為大面積的裸露巖溶區(qū)，巖溶水流動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)給徑流范圍大，以左江為最低排泄基準(zhǔn)面進(jìn)行排泄，造成左岸一帶地下水流線密集，巖溶發(fā)育，不僅延伸范圍寬，且發(fā)育深度大(圖4)，如左岸不僅形成了較多的巖溶大泉，還發(fā)育有2條巖溶地下河管道系統(tǒng)；而右岸為左江包圍形成的河間地塊，中間巖溶孤峰地帶地勢(shì)稍高，形成了地表分水嶺，地下水分水嶺與地表水分水嶺基本一致，分水嶺兩側(cè)地下水排向東西兩側(cè)的左江，形成兩個(gè)不同的地下水子系統(tǒng)。由于河間地塊東西寬約2 km，南北長(zhǎng)約7 km，兩個(gè)地下水流動(dòng)子系統(tǒng)范圍小，大氣降雨補(bǔ)給面積有限，地下水流線稀疏，巖溶發(fā)育深度和強(qiáng)度受到限制。因此，左江兩岸不同規(guī)模的地下水流動(dòng)系統(tǒng)導(dǎo)致兩岸巖溶發(fā)育強(qiáng)度明顯不同，進(jìn)而造成河流交互帶范圍的巨大差異，左岸的范圍大于1 000 m，而右岸的范圍在200 m以內(nèi)，左岸是右岸的5倍以上。

5 結(jié)論

(2)河流交互帶在左岸的范圍大于1 000 m，右岸的范圍在200 m以內(nèi)，左岸是右岸的5倍以上。左右兩岸不同的地下水流動(dòng)系統(tǒng)規(guī)模是造成其差異的主要原因。左岸巖溶區(qū)補(bǔ)給徑流面積大，地下水流動(dòng)系統(tǒng)范圍大，流線密集，巖溶十分發(fā)育，延伸范圍寬，且發(fā)育深度大，地表水與地下水交互作用影響范圍大；右岸為左江包圍的河間地塊，中間巖溶山體形成了地表分水嶺，形成兩個(gè)不同的巖溶地下水子系統(tǒng)。地下水流動(dòng)系統(tǒng)范圍小，補(bǔ)給面積有限，地下水流線稀疏，巖溶發(fā)育深度和強(qiáng)度受到限制，地表水與地下水交互作用影響范圍小。