水城盆地空间城镇化对浅层岩溶地下水特征的影响

*,GUXu（SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China）Abstract：InordertostudytheeffectsofspatialurbanizationinShuichengbasinonshallowkarstgroundwater,thisstudyanalyzedthehy⁃drogenandoxygenisotopesandhydrochemicalcomponentsofthewateratgroundwatersamplingsites,andwaterleveldataatgroundwatermonitoringsites.Basedonananalysisofthesedata,thegroundwaterrechargesourcesandtheinfluenceofspatialurbanizationonthehy⁃drochemicalcharacteristicsandwaterleveldynamicsofthekarstgroundwaterwereassessed.Theresultsshowedthatthegroundwaterinthestudyareamainlycamefromatmosphericprecipitation,andthemainhydrochemicalspecieswereHCO3-CaandHCO3·SO4-Ca.Undertheinfluenceofspatialurbanization,thespatialdifferencesinlandusetypeswereconsistentwiththeenrichmentofmanyionsintheshal⁃lowkarstgroundwater,andtheintensityofhumanactivityhadagreatinfluenceongroundwaterquality.Inthestudyarea,theintra-andin⁃ter-annualvariationsingroundwaterleveltendedtobestable.Consideringtherelationshipbetweenrainfallandthespatialvariationingroundwaterlevelduringthestudyperiod,thisshowedthaturbanizationledtoanincreaseinimpermeablesurfaces,andadecreaseintheresponseofthewaterleveltorainfall.Theconditionofgroundwaterrunoffdeteriorated,andthevariationingroundwaterexploitationwasthemainfactoraffectingthegroundwaterlevel.Wecanconcludethatspatialurbanizationhasseriouslyaffectedthegroundwaterrechargeandrunoffconditionsandgroundwaterquality.Thechanginglandusepatterninthebasinhasresultedintheaccumulationofharmfulionsinlocalizedareas.Keywords：spatialurbanization;landuse;hydrochemicalquality;waterleveldynamics;Shuichengbasin水城盆地空间城镇化对浅层岩溶地下水特征的影响巨凡凡，马腾*，顾栩（中国地质大学环境学院，武汉430074）收稿日期：2018-12-23录用日期：2019-04-08作者简介：巨凡凡（1994—），女，河北石家庄人，博士研究生，主要研究方向为地下水污染与防治。E-mail：[e-mail]*通信作者：马腾E-mail:[e-mail]基金项目：贵州省公益性、基础性地质工作项目（黔国土资地环函[2014]23）Projectsupported：PublicWelfareandBasicGeologicalWorkProjectofGuizhouProvince（Environment,LandandResourcesofGuizhou[2014]23）摘要：为研究水城盆地空间城镇化对浅层岩溶地下水的影响，以六盘水市水城盆地为研究对象，通过分析地下水采样点的氢氧同位素和水化学组分、地下水长期监测点的水位资料，研究了地下水补给来源和空间城镇化对岩溶地下水水化学特征、水位动态产生的影响。结果表明：研究区内地下水主要来自大气降水补给，水化学类型主要为HCO3-Ca和HCO3·SO4-Ca型；空间城镇化影响下土地利用类型的空间差异与浅层岩溶地下水诸多离子的富集具有空间一致性，Cl-和NH3-N主要富集在建筑用地区，NO-3和SO2-4主要富集在耕地、林地和裸地等非建筑用地区，而Mn和As则主要来自工业建设产生的点源污染。研究区年内和年际地下水水位变幅均趋于稳定，结合该时期的降雨量与地下水水位变幅面积的关系，证明空间城镇化发展导致不透水面的增加，降低了地下水水位对降雨的响应程度，地下水补给条件变差，地下水开采量的变化成为影响地下水水位的主要因素。研究表明：空间城镇化建设的大力推进，改变了盆地内的土地利用方式，严重影响了地下水补给径流条件和地下水水质，造成局部地区有害离子的富集。关键词：空间城镇化；土地利用；水化学质量；水位动态；水城盆地中图分类号：P66文献标志码：A文章编号：2095-6819（2020）01-0123-12doi:10.13254/j.jare.2018.0375巨凡凡，马腾，顾栩.水城盆地空间城镇化对浅层岩溶地下水特征的影响[J].农业资源与环境学报,2020,37（1）:123-134.JUFan-fan,MATeng,GUXu.TheeffectofspatialurbanizationonthecharacteristicsofshallowkarstgroundwaterinShuichengbasin[J].JournalofAgriculturalResourcesandEnvironment,2020,37（1）:123-134.农业资源与环境学报2020,37（1）:123-134JournalofAgriculturalResourcesandEnvironment农业资源与环境学报·第37卷·第1期城镇化是当今社会经济发展的重要现象和国家现代化进程的必经之路，城镇化过程中人口相对集中、产业结构调整，在经济实力增强的同时也对地下水环境及水循环产生了不同程度的影响[1]。而岩溶区地质构造特殊、生态脆弱，地下水环境极易遭到破坏[2-3]。因此研究城镇化对浅层岩溶地下水的影响对实现城镇化与地下水的和谐发展具有现实意义，是城镇发展规划的内在需求。六盘水市是贵州省新兴的工业城市，近年来发展迅速，城镇化水平显著提高。位于该市的水城盆地是贵州省典型的岩溶分布区，目前对水城盆地内人类活动引发的地面塌陷研究较多[4-5]，叶慧君等[6]应用主成分分析法对水城盆地岩溶地下水的水化学组分及影响因素进行了研究，姚长宏等[7]研究了水城盆地内主要的人类活动及其引发的负面地质环境效应，但针对城镇化对水城盆地地下水的水化学质量和水位动态的影响鲜有研究。20世纪末至今，水城盆地土地利用方式发生了巨大的改变，建筑用地面积逐年增加，增加的建筑用地主要占用原来的裸地和耕地，体现了空间城镇化的发展。而空间城镇化是城镇化的载体，城镇化水平的推进必然会在空间上体现出来，因此，衡量城镇化水平的一个重要指标就是建筑用地所占比重。随着空间城镇化的不断推进，城市建成区面积不断扩展，城市空间布局格局化，土地利用类型的转变改变了地下水的下渗条件和人类活动强度，浅层岩溶水的水质和水位也会发生相应的变化。为此，本研究以水城盆地为研究对象，通过分析土地利用方式与浅层岩溶地下水水化学特征和水位变幅的关系，来说明空间城镇化对浅层岩溶地下水特征的影响。1研究区概况水城盆地位于贵州省六盘水市中心城区，地处东经104°45′~104°59′、北纬26°32′~26°38′，呈西北-东南走向，长约22.5km，宽约5.5~9km，面积约208km2，海拔高度在1700~1800m之间[7]。年平均气温12.4℃，年平均降水量1200~1500mm，雨季主要集中在5—10月，其降水量约占全年降水量的80%，属亚热带湿润季风气候，气候温和，冬无严寒，夏无酷暑，雨热同季，春秋相连。水城盆地地处长江水系和珠江水系分水岭地带，为四周高、中间低的断陷盆地，多被第四系地层覆盖，其他碳酸盐岩地层则主要分布于盆地外围，均裸露于地表，受新老地质构造控制及古近纪以来气候变迁影响，盆地内岩溶发育，岩溶地貌类型齐全[8]。水城盆地是一个完整的水文地质单元，隔水层与含水层相间，沿西北至东南方向呈带状分布。表层第四系地层是浅部岩溶水的保护盖层，盖层下面岩溶十分发育，溶沟、溶槽、溶隙、溶管和溶洞相互贯通，蓄水空间大，导水性好，具有统一的地下水面[9]。受制于盆地地形地貌、岩性和岩溶发育条件，水城盆地为一个相对封闭的岩溶汇水盆地。盆地四周岩溶山区接受的大气降雨通过岩溶洼地、漏斗、落水洞等补给地下岩溶含水层，然后由盆地四周向盆地中央汇集，并在盆地中央形成了自西北向东南的地下水集中径流和排泄带。盆地南北两侧分别由北向南或由南向北径流，至盆地边缘受地形切割和第四系覆盖层的阻隔出露了一系列分散的岩溶泉或小型地下暗河（图1），这些岩溶水和地下暗河最后也在盆地中央汇集形成了响水河，并自西向东于头塘转向北排出区外。根据上述水文地质条件，本区地下水的主要补给来源是盆地四周岩溶山区的大气降雨入渗，然后通过岩溶洞穴、暗河和岩溶裂隙向盆地中央径流，天然条件下，在基岩与第四系接触带及盆地中央响水河以岩溶泉水和暗河的形式排泄，因此水城盆地是水城岩溶水系统的汇集区，地下水极为丰富。2资料与数据来源本研究选取了2009年9月Landsat5TM、2015年9月Landsat8OLI、2017年9月Landsat8OLI数据作为本次土地利用分类遥感解译的基础数据，对研究区的土地利用类型进行遥感解译，同时收集整理了贵州省环境监测院2009—2015年六盘水市12个地下水位长期观测点资料（W1~W12），并于2017年10月在六盘水市水城盆地采集地下水样品17组（GZ1~GZ17），在现场用便携式分光光度计测定NH3-N浓度，采用中和滴定法测定HCO-3浓度，监测点和采样点的分布如图2所示，并对地下水样品进行了地下水化学组分以水城盆地响水河NC1d2+C1bC1d1图1水城盆地地下水流网示意图Figure1SchematicdiagramofthegroundwaterflownetworkinShuichengbasin——1242020年1月巨凡凡，等：水城盆地空间城镇化对浅层岩溶地下水特征的影响及δD-δ18O同位素测试分析。地下水样品阳离子采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICAP-6300）、阴离子采用离子色谱仪（ICP-1100）测试，所有测试水样阴阳离子电荷平衡误差均在5%以内。氢氧同位素样品