基于示踪试验和水化学的岩溶水系统特征分析:以平江地下河为例

覃佳肖 ,  郑焕君 ,  贝为昶 ,  王全荣 ,  张勤军 ,  黄春阳 ,  黄之巍 ,  陈余道

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (10) :4055-4065

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (10) :4055-4065 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504295
天文学、地球科学

基于示踪试验和水化学的岩溶水系统特征分析:以平江地下河为例

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Analysis of Karst Water System Characteristics Based on Tracer Tests and Hydrochemistry: Pingjiang Underground River

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摘要

地下河是西南岩溶地区地下水的重要赋存形式,了解岩溶地下河结构特征及水流路径对水资源研究、地下水保护和工程建设具有重要意义。以平江地下河为例,采用示踪试验、水文地球化学监测并结合水文地质条件研究地下河岩溶管道结构特征及水流路径。研究结果表明:平江地下河水化学类型为HCO3-Ca型,地下水水化学组分的形成以溶滤作用为主。δD-δ18O同位素呈现沿地下河径流方向逐渐富集的趋势,下游地下河系统相对于中上游地下河系统具有相对封闭性。平江地下河为多源单汇型地下河,岩溶管道呈树枝状发育,共发育有1条主干流、4条支流。地下河主管道示踪试验穿透曲线呈现“平台”特征,反映主管道为双岩溶管道与裂隙并存,且在流动路径上存在多处水体滞留空间。研究成果可为复杂岩溶地下河的水资源调查及开发利用提供参考。

Abstract

Underground rivers serve as a key groundwater storage mechanism in the karst regions of Southwest China. A comprehensive understanding of their structural characteristics and flow pathways is crucial for groundwater resource assessment, protection, and engineering applications. Taking the Pingjiang underground river as a case study, the architecture of karst conduits and flow dynamics were investigated through tracer tests, hydrogeochemical monitoring, and integration of hydrogeological data. The results revealed that the groundwater in the Pingjiang underground river is of the HCO3-Ca type, with hydrochemical composition primarily shaped by leaching processes. Stable isotope ratios (δD and δ18O) were found to exhibit a progressive enrichment trend along the flow direction, indicating that water-rock interaction was enhanced and the system confinement in the downstream segment was relatively greater compared to the middle and upper reaches. The Pingjiang system was characterized as a multi-source, single-sink underground river, with dendritically distributed karst conduits comprising one main conduit and four tributaries. The breakthrough curve from the tracer test in the main conduit displayed a distinct “plateau” feature, suggesting the coexistence of well-developed conduits and fractures, as well as the presence of multiple transient storage zones along the flow path. These findings provide valuable insights for the investigation, development, and sustainable utilization of groundwater resources in complex karst aquifer systems.

Graphical abstract

关键词

地下河 / 示踪试验 / 水化学 / 管道结构 / 岩溶

Key words

underground rivers / tracer tests / water chemistry / pipe structures / karst

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覃佳肖, 郑焕君, 贝为昶, 王全荣, 张勤军, 黄春阳, 黄之巍, 陈余道. 基于示踪试验和水化学的岩溶水系统特征分析:以平江地下河为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(10): 4055-4065 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504295
QIN Jia-xiao, ZHENG Huan-jun, BEI Wei-chang, WANG Quan-rong, ZHANG Qin-jun, HUANG Chun-yang, HUANG Zhi-wei, CHEN Yu-dao. Analysis of Karst Water System Characteristics Based on Tracer Tests and Hydrochemistry: Pingjiang Underground River[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(10): 4055-4065 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504295

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中国岩溶地下水资源总量约为2 039.67×108 t/年[1],在西南地区仅滇、黔、桂、川、渝五省(区、市)岩溶地下水资源量就达1 375.14×108 t/年[2],占全国岩溶地下水资源总量的67.4%,其赋存场所主要是一些相对独立的岩溶地下河系统。岩溶地下河系统的发育一个复杂且多因素交织的过程,受岩性特征、地质构造、地形地貌和地表水文等各种因素的协同作用影响,系统内有管道、裂隙、溶隙等多重介质,同时存在孔隙流、裂隙流以及管道流等多种水流形式,水动力特征复杂[3-5],通常需要一些特殊的水文地质方法来了解其空间特征及水流路径。
示踪试验是研究岩溶水文地质重要手段之一,通过示踪试验不仅可以调查地下水的连通性、路径结构[6],还能通过定量分析解译穿透曲线(breakthrough curve,BTC)[7-8]。例如,吴平等[9]以明宜春四方井水库副坝区为试验场地,通过现场盐示踪试验,结合水化学与同位素数据分析,得出副坝区地下水与下游四方井村泉水的水力连通关系。Duran等[10]对爱尔兰莱特里姆地区的岩溶地下河进行多点示踪试验,探究示踪剂分布和穿透曲线横向、纵向非均质性。范时杰等[11]通过示踪探究云南省巧家县白鹤滩水库地下水渗流规律及空腔连通特征,并利用Qtracer2软件计算过水通道的结构参数和水力学参数。
岩溶水化学组分和分布特征,能够反映地下水循环(水的补给交替强度)特征,反馈水动力场的动态过程[12-15]。同时利用岩溶水中的天然成分或者指标作为天然示踪剂,用于显示岩溶水的来源和组成[16-17]。Rusjan等[18]分析降水、岩溶泉和岩溶地下河稳定同位素(δ18O、δ2H)的空间分布数据,探究卢布尔雅尼察河流域岩溶含水系统水文特征及季节性动态变化过程。Fatemeh等[19]通过水文地球化学特征和同位素特征分析伊朗东北部跨界岩溶含水层的来源、流向和岩溶发育情况,认为大气降水、雪水是地下水的主要来源,研究区的δ18O、δ37Cl和电导率(electrical conductivity, EC)值较低,δ13CDIC较高跨界岩溶含水层具有管道流动形态且岩溶发育程度高。卢小慧等[20]采集元荡湖区域湖水、地下水样品,测试其氢氧稳定同位素组成和水化学组成,用同位素水量平衡方程、线性端元混合模型定量评价了湖水、地下水、河水和降水之间的转化量。
平江地下河流域是中国西南地区较为典型的岩溶地下河流域。20世纪70年代末期,广西水文工程地质队开展1∶20万靖西幅区域水文地质普查,对平江地下河的管道发育特征进行了初步刻画。但由于当时技术水平的限制,未能查清流域内地下河主管道的展布情况及水流路径。因此,现以平江地下河为例,基于示踪试验和水文地球化学监测,以期建立“示踪试验+水化学+环境同位素(δD-δ18O)”的多技术耦合方法体系。精细刻画地下河主管道结构特征及水流路径,为今后开展平江地下河流域水资源研究、地下水保护和工程建设提供参考。

1 研究区概况

平江地下河流域位于广西百色市靖西市西南约30 km,属亚热带季风气候,雨量充沛,气候温和。流域年平均气温为20.26 ℃,年平均降水量为1 686.2 mm,降雨多集中在5—9月,占全年降雨量76%,12月至次年的2月降雨最少。

平江地下河流域地处云贵高原台地前缘,地势总体由西向东地势渐低,由南北两侧向中部倾斜。构造上位于吞盘背斜西翼,发育有NW向的地州正断层、NEE向平江街正断层。流域总面积107.37 km2,区域含水岩组可以划分为纯碳酸盐岩含水岩组、碎屑岩夹碳酸盐岩含水岩组、碎屑岩含水岩组,如图1所示。其中,纯碳酸盐岩含水岩组主要分布在流域的中部、北部以及东南部,包括泥盆系下统黄猄山组(D1hj)、泥盆系中统唐家湾组(D2t)、泥盆系上统融县组(D3r)、石炭系下统都安组(C1-2d)、石炭系上统黄龙组(C2h),枯水期地下河流量224.6 L/s,富水性强;石炭系上统大埔组(C2d)及马平组(C2Pm),钻孔单位涌水量小于1.0 L/(s·m),富水性中等。碎屑岩夹碳酸盐岩含水岩组主要为寒武系唐家坝组(∈3t)薄层状泥质条带灰岩、泥岩,分布在流域的西部,泉流量为0.1~1.0 L/s,富水性中等。碎屑岩含水岩组由泥盆系下统郁江组(D1y)泥质粉砂岩、砂岩组成,呈条带状分布于流域西部,北部及北东部有零星分布,泉流量为小于1.0 L/s,富水性弱。

平江地下河流域碳酸盐岩多裸露,降水入渗率较高,大气降水成为地下水的重要补给来源。上游碎屑岩夹碳酸盐岩溶洞裂隙水分布区地下水以分散流形式,沿地形变化方向运移,短途径流后即出露并汇集成地表溪流。中下游流域受构造控制,地下水以管道伏流的形式远距离运移,在各级台地边缘部分水流又暂时出露地表,最终在岩溶槽谷边缘以地下河的形式向地表排泄。

2 研究方法

2.1 水文地球化学监测

为研究平江地下河地下水循环特征及来源,在平江地下河上、中、下游布设7个水样采集点(SY01、SY02、SY03、SY04、SY05、SY06、SY07),进行了为期8个月(丰、枯水期)的水样采集,共采集水样56件。采样前先用采样点的水润洗3遍清洁的聚乙烯瓶再装取水样,并进行水温、溶解氧(dissolved oxygen, DO)、电导率(electrical conductivity, EC)、pH等指标的现场测定。所采水样送至广西壮族自治区地质矿产测试研究中心测定,测试项目包括阴阳离子等常规成分、δD、δ18O。阳离子采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICAP,7600,ThermoFisher)测试,测试精度为0.01 mg/L,阴离子采用离子色谱仪(ICS,2100,戴安)测试,测试精度为0.001 mg/L;氢氧同位素测试所用仪器为液态水同位素分析仪(Picarro,L2130-i),δD和δ18O的测试精度分别为±2‰、±0.01‰。

2.2 示踪试验

选择物化性质稳定、灵敏度高、不易被吸附的天来宝(tinopal CBS-X)、荧光素钠(uranine)作为示踪剂[21-22],考虑到地下河的流量、示踪距离和分析方法的检出限,示踪剂的投放量均大于1.0 kg[23],经过充分搅拌完全溶解后一次性投放。

流域中游的下念皇天窗(SY05)及下游的陇梨伏流入口(TF01)水流稳定,入口清晰,适合作为示踪剂现场投放点。根据现场踏勘情况,流域下游的地下水出露点有陇得溢洪天窗(JS01)、平江地下河出口(SY07),可作为接收点(图1)。示踪试验分2次进行,使用瑞士Albillia GGUN-FL30示踪荧光仪在线监测,监测频率5、15 min/次,投放及接收情况如表1所示。

示踪剂回收量和回收率的公式[24]为

M0=$\stackrel{n}{\sum _{k=1}}\frac{({C}_{k}-{C}_{0})+({C}_{k+1}-{C}_{0})}{2}\frac{{Q}_{k}+{Q}_{k+1}}{2}$Δt
η=$\frac{{M}_{0}}{M}$×100%

式中:M0为回收量;Ck、Ck+1分别为接收点在k、k+1时刻的示踪剂浓度;C0为示踪剂的背景浓度;Qk、Qk+1分别为接收点在k、k+1时刻的流量;Δt为取样间隔时间;η为回收率;M为投放量。

3 结果与分析

3.1 水化学结果分析

3.1.1 主要离子特征及来源分析

岩溶水化学成分的形成是元素迁移的结果,受地质因素、水文地质条件和物理化学平衡等复杂因素相互作用的影响,亦可以反映水动力场的基本特征[25-26]。采样点水化学组分统计结果如表2所示。在上、中、下游三个区,pH、TDS和主要的离子成分既有相似之处,也有差异。总体上pH为枯水期>丰水期、上游>中游>下游,pH呈弱碱性(7.20~8.40),而TDS则正好相反。优势离子阳离子主要是Ca2+、Mg2+,阴离子为${\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{-}$、${\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-}$。Na+在上游往下游的过程中逐渐递减,均匀性表现十分明显。中游丰枯期的Cl-、K+均大于上游及下游,但在中游区并无明显的岩浆活动,可能体现了人类活动的影响结果。此外,降水的稀释效应使Ca2+、Mg2+、${\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{-}$、${\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-}$、Cl-呈现出枯水期高于丰水期的特征。

Piper三线图可以直观地反映地下水主要离子组成特征,并区分离子来源以及岩石风化的控制作用[27]。由绘制的平江地下河Piper三线图(图2)可知:平江地下河系统丰、枯期的所有样品阳离子均偏向Ca2+、Mg2+端元,阴离子则偏向${\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{-}$端元,地下河水化学类型以HCO3-Ca型为主。在阴离子三角内,上、中、下游,体现出较高的${\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{-}$和少量的${\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-}$,可能与地下河流经碳酸盐岩区有少量硫酸盐矿物的参与有关。而在阳离子三角形内Ca2+、Mg2+的比例不同,反映出平江地下河系统岩性由上游到中下游的转变,即岩性从以灰岩和白云岩为主转变为以灰岩为主。

根据Gibbs图3的分析表明:平江地下河上、中、下游三个分区中大部分岩溶水矿化度均低于260 mg/L,地下水TDS普遍偏低。Na+/(Na++Ca2+)、Cl-/(Cl-+$\mathrm{ }{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{-}$)的值分别位于0.3~0.5、0.1~0.2,采样点均分布在水岩相互作用带上。由此可推测研究区地下水水化学组分的形成以溶滤作用为主,受水岩相互作用控制强烈,碳酸盐矿物溶滤作用对研究区各岩溶含水层影响较大。

3.1.2 地下水同位素特征

桂西南地区地下水δ18O、δD处于全球的δ18O(-10.30‰~-0.13‰)、δD(-74.7‰~7.3‰)的变化范围内。靖西市降水线采用百色市大气降水线方程δD=12.308+8.258 7δ18O,研究区地下水线δD-δ18O关系为:δD=8.961 2+7.825 3δ18O(R2=0.98),如图4所示。从图4中可看出,大多数水样点都聚集在当地大气降水线附近,表明研究区的地下水主要来源于大气降水,同时也符合研究区以浅层岩溶地下水为主的特性。大气降水一般通过消水洞、岩溶管道、岩溶漏斗等形态直接补给地下水[26],这也表明平江地下河岩溶区雨源型地下河系统。研究区地下水线的斜率(7.825 3)小于百色地区的大气降水线斜率(8.258 7),说明蒸发作用可能影响大气降水补给地下水的过程。

比较平江地下河上、中、下游分区的氢氧同位素数据(表3),平江地下河上、中、下游的氢氧同位素组成具有相似特征,中上游的δ18O、δD变化范围多集中在-8.60‰ ~-7.72‰、-59.60‰ ~-50.70‰,均值也相近;下游的δ18O、δD整体略高于中上游,地下水同位素含量呈现沿地下河径流方向逐渐富集的趋势。整体上上游和中游更靠近当地大气降水线,而下游水样更偏向当地大气降水线上方,这可能指示平江地下河中上游有较大的蒸发作用和较快的混合条件,反映平江下游地下河系统相对封闭性较好。

3.2 示踪试验结果分析

示踪试验分两批次进行。第一批次示踪(2023年8月17—25日)自陇梨伏流入口(TF01)投放4.00 kg的天来宝,接收点为陇得溢洪天窗(JS01)、平江地下河出口(SY07)。陇得溢洪天窗(JS01)接收点共计监测191 h;平江地下河出口(SY07)接收点共计监测188 h。第二批次示踪(2023年9月9—18日)自下念皇天窗(SY05)投放1.50 kg的荧光素钠,接收点分别为陇得溢洪天窗(JS01)、平江地下河出口(SY07),两接收点分别监测282 h。根据接收点监测数据在剔除示踪试验取样点背景值后,绘制示踪剂浓穿透曲线(BTCs),如图5~图8所示。

3.2.1 陇得溢洪天窗(JS01)接收点示踪剂浓度变化分析

在陇得溢洪天窗(JS01)监测到来自陇梨伏流入口(TF01)、下念皇天窗(SY05)的示踪剂信号,如图5和图6所示,回收质量和回收率分别为1.43 kg(95.1%)、3.62 kg(90.5%)。

在第一批次示踪试验中JS01接受点天来宝初始浓度为1.10 μg/L(背景值)。在投放开始后第13小时,天来宝浓度达到最高值33.26 μg/L,出现第一个峰值;之后又在第36~47小时出现第二个浓度峰值,峰值为18.97 μg/L。两峰之间间隔23 h,整体的天来宝BTCs曲线浓度峰值“先高后低”(图5),由此推测陇梨伏流入口(TF01)到陇得溢洪天窗(JS01)之间为双岩溶管道。其中主管道平直通畅,主要水流经主管道可迅速到达陇得溢洪天窗(JS01)排泄口,导致BTCs曲线前峰笔直;次管道稍弯曲,流程长于主管道,水流携带示踪剂稍晚到达排泄口导致曲线出现第二峰。此外,曲线拖尾较长,即曲线下降段存在一个浓度梯度下降[28],说明含示踪剂岩溶管道较弯曲,管道弯曲可能导致溶质暂时性存储现象[29],导致BTCs曲线拖尾随着运移尺度增加逐渐延长。

在第二批次示踪试验中JS01接受点荧光素钠初始浓度为0.08 μg/L(背景值)。在荧光素钠投放后100 h内,监测浓度变化幅度小(幅度在0.05~0.16 μg/L),第144小时荧光素钠出现第1个峰值(1.54 μg/L),20 h(第164小时)后浓度达到最高值1.66 μg/L,随后再第188小时出现第3个峰值(1.35 μg/L)。根据荧光素钠浓度BTC曲线(图6)可见,T1段曲线有较多峰值,两峰值连成一片呈现出“平台”特征,反映地下河管道裂隙非常发育,地下河岩溶管道与裂隙并存[30]。T2段曲线的起伏变化趋势与第一批次示踪试验接收点(JS01)示踪剂浓度BTCs相似,验证了第一批次示踪试验推断,即陇梨伏流入口(TF01)到陇得溢洪天窗(JS01)之间为双岩溶管道。此外,结合地下水流量动态观察到荧光素钠BTCs曲线的2次峰值动态特征,峰值滞后于地下河流量的2次涨落过程,由此推断平江地下河的流动路径上存在多处水体滞留空间。水体滞留空间的功能相当于小型水库,具有一定的蓄水空间,对上游补给过来的溶质具有拦蓄和稀释的作用[31]。

3.2.2 平江地下河出口(SY07)接收点示踪剂浓度变化分析

对第一批次示踪试验平江地下河出口(SY07)接收点进行回收量估算,回收质量和回收率分别为1.33 kg、88.67%。第一批次示踪试验平江地下河出口(SY07)接收点示踪剂浓度BTCs,如图7所示。

由图7可知:T3段曲线与第一批次示踪试验接收点(JS01)示踪剂浓度BTCs相似,BTCs曲线浓度峰值“先高后低”再次验证了TF01—JS01段双岩溶管道存在;T4段呈现单峰型曲线,反映出JS01—SY07段地下河岩溶管道发育单一,无分支管道,地下水流较为通畅,示踪剂浓度在到达峰值后随着浓度的稀释逐渐变小[30]。

同时,第二批次示踪试验平江地下河出口(SY07)示踪剂浓度BTCs曲线(图8)在14~262 h段内整体上呈现出“大平台”特征,再次印证了该段地下河管道裂隙发育,地下河岩溶管道与裂隙并存。且BTCs曲线在第146小时后的浓度变化趋势与T3、T4段类似,再次表明JS01—SY07段为岩溶单管。总体而言,SY05—JS01段为双岩溶管道且与裂隙并存,JS01—SY07段为岩溶单管。

3.3 平江地下河管道结构概念模型

基于水文地球化学监测、示踪试验结果并结合水文地质调查情况,构建平江地下河管道结构概念模型(图9)。由7个水样点的水化学类型具有同一性且地下河主管道示踪试验示踪剂回收率高,可推断古文平江地下河出口是上游2个消水洞、3个伏流入口唯一的排泄点,即平江地下河为多源单汇型地下河。

根据水文地质调查情况显示,研究区域发育NW、NE向断层,断裂带附近多发育串珠状地下河天窗,天窗连线与断裂走向近乎平行。且天窗水位涨伏一致,水力联系紧密,径流顺序明确,故可清晰地勾画出地下河主管道走向。地下河岩溶管道呈树枝状发育,共发育有1条主干流、4条支流。

(1)兰靛—布林支流:该段自兰靛伏流入口进入[图10(a)]岩溶管道,管道长3.12 km,穿越泥盆系唐家湾组(D2t)、融县组(D3r),受NW向构造控制,于百布溶洞[图10(b)]附近汇入地下河主管道,枯水期平均流量与径流模数分别为27.4 L/s、0.002 2 m3/(s·km2)。

(2)念要—祥及支流:管道沿NW—SE向断裂破碎带发育,经泥盆系唐家湾组(D2t)和融县组(D3r)灰岩、白云岩,全长3.91 km。沿途由1处岩溶竖井、1处消水洞、2处地下河天窗串联而成,支流管道平均水力坡降达到16.5‰,枯水期平均流量与径流模数分别为65.3 L/s、0.005 8 m3/(s·km2),地下水动能巨大。

(3)甲龙—念皇支流:受NW向断裂控制发育,于中泥盆系唐家湾组(D2t)灰岩、白云岩中径流,受白云岩夹层影响,管道潜伏深度不大,全长5.07 km,平均水力坡降17.1‰,枯水期平均流量与径流模数分别为103.3 L/s、0.007 4 m3/(s·km2)。

(4)念透—念皇支流:支流入口位于念透屯正南侧谷地的念透消水洞,入口处常年有水流汇入,枯季流量15.6 L/s、径流模数为0.002 0 m3/(s·km2),在下念皇天窗[SY05,图9(c)]附近汇入地下河主管道,支流全长4.93 km,均水力坡降达到15.4‰。

(5)主干流:平江地下河主干流全长17.32 km,大体可分为上中下游三段。上游布林—百布段沿NW向构造延伸,中间由天窗、消水洞、充水溶洞串联,管道展布清晰。中游百布—念皇段管道拐向NEE,以水平向延展为主,垂直落差较小,沿途吸收念要—祥及支流、甲龙—念皇支流及念透—念皇支流,枯季流量224.6 L/s,丰水季溢洪量较大,为平江谷地灌溉提供水源。至念皇天窗(SY05)附近,由于平江断裂受地州断裂切割,地下河水流受NW向岩溶管道袭夺,地下河再次拐向SE进入下游段。下游念皇—古文段长约5.89 km,沿地州断裂破碎带发育,地下河水位落差大,水流速度快,沿途笔直地发育有地下河天窗[图10(d)]和图10(e)],于古文附近排泄出地表,如图10(f)平江地下河出口所示。示踪试验结果显示,地下河存在双岩溶管道且管道与裂隙并存。

4 结论

(1)平江地下河上、中、下游三个区之间水化学组分差异不大,地下水化学类型都为HCO3-Ca型,水化学组分的形成以溶滤作用为主,受水岩相互作用控制。

(2)研究区内氘氧同位素显示中上游有较多的蒸发作用和较快的混合条件,同位素含量总体呈现沿地下河径流方向逐渐富集的趋势,平江下游地下河系统相对于中上游地下河系统具有相对封闭性。

(3)平江地下河在空间呈树状分布,明流暗流交替共存为多源单汇型地下河。地下河主管道示踪试验BTCs曲线呈现“平台”特征,反映主管道为双岩溶管道与裂隙并存,且在流动路径上存在多处水体滞留空间。

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基金资助

广西科技重大专项(桂科AA24206020)

国家自然科学基金优秀青年基金(42222704)

广西地质矿产勘查开发局(GXDK202405)

广西地质矿产勘查开发局(GXDK202418)

广西矿山水文地质勘查关键技术研究人才小高地(桂地矿综研【2024】6号)

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