摘 要：奉节县九里村位于重庆市东部，属亚热带湿润气候，受印支运动影响，境内出露三叠系灰岩，白垩纪时，受大巴山和川鄂湘黔带的影响，隆褶成山。龙慈沟是九里村北东方向的一个峡谷。通过观察发现：龙慈沟间歇泉发育有潜水湖和上下两个排泄口。因为与地表联系紧密，该泉上口的流量与断流时间受控于大气降水，因而影响该泉水化学组成的主要因素是大气降水。2007年12月至2008年1月6日实测显示：降雨后，间歇泉流量明显增加，水中Clˉ、NO3ˉ和TOC三种物质的值因雨水地稀释而降低，同时降低的还有pH值、温度和K+。另外，NO3ˉ得出较高的值，显示本地区人类不合理的农业活动影响着地下水水质，警示着我们应合理利用和保护地下水。
关键词：奉节县九里龙慈沟；间歇泉；地下水；水化学
1 奉节县九里村龙慈沟
奉节位于重庆市东部山地，长江三峡西口。地跨30°29′19N—31°22′33N，109°1′17E—l09°45′58E，南北长97.7km，东西宽71.4km，面积4099.28km2。东连巫山县，南接湖北省恩施自治州，西邻云阳县，北依巫溪县。
九里村（长安土家族自治乡政府所在地）位于奉节东南，其西面是兴隆镇，东北毗邻巫山县庙宇镇，南接湖北恩施州建始县。九里村经纬度大致为30°49′54N，109°33′29E，海拔526m。
龙慈沟间歇泉位于九里村北东方向的峡谷内，经纬度30°50′24N，109°33′26E，海拔350m。
2 九里龙慈沟自然地理状况
2.1地质和地貌
2.1.1 地史
奉节县属地史上扬子地台之一部，经过几十亿年发展变化。在太古代（距今3.8×109～2.6×109年间），境内所在基底地块开始形成，表面为海水覆盖，至元古代后期，属中国地台扬子地块稳定的一部，大部分时间露于海面。在早古生代（距今6×108～4×108年间），县境依然出露海水之上，有时也呈一片浅海。稍晚，在加里东运动影响下，县境内大部呈浅海环境，并沉积了一套那时的岩层；在加里东运动末期，扬子地台隆起，形成古陆，县境除东南一隅（含九里）外皆形成陆地，前期形成的岩层被侵蚀，仅保存当时浅海环境石乳关附近的志留系岩层。到晚古生代（距今3.95×108～3.45×108年）的泥盆纪，境内东南角为古湖广海的一部分。到石炭纪时（距今3.45×108～2.8×108年）境内大部分又遭海侵，这一次的侵入一直持续到中生代的三叠纪（距今2.25×108～1.90×108年）为上扬子黔桂海之一部，接受了大量沉积。其后随着印支运动的影响，境内和大巴山褶皱带相连部分开始隆起，但中南部依然属川鄂沉积盆地之一部，从而沉积了一套三叠系，侏罗系湖相沉积物。由于当时气候炎热干燥，沉积物层较薄而颜色紫红，岩层多为页岩、泥岩、不同海相地层的厚层灰岩、白云岩和石英砂岩。
白垩纪初期，境北之大巴山和境南之川鄂湘黔带强烈隆起，致使四川盆地开始倾斜。本区失去沉积条件，故缺失四川盆地沉积标志之一的白垩系地层。
图1 奉节县九里龙慈沟间歇泉地质图
由于第三纪遭受长期侵蚀，形成一系列夷平面，加之流水作用强烈，绝少沉积物保存，因而缺第三纪地层。第三纪时，受连续的造山运动影响，上升为主要趋势，在相对稳定期间则形成夷平面，再上升，再侵蚀夷平．形成了高低不同的三级夷平面。
第四纪开始受喜马拉雅山造山运动影响，全球气候大变，当时境内环境较为优良，许多洞穴沉积层中有那时形成的沉积层，境内基本地貌已形成。[1]
2.1.2 地层
境内出露地层均为沉积岩。现已查明古生界、中生界、以及新生界形成的洪积物在境内均有出露，其中以中生界地层分布最广。最古老的地层为下古生界志留系中统地层，层间关系因多次的地质运动，多呈不整合或假整合，由老到新。[1]
九里村出露三叠系巴东组（T2d） 灰岩岩层（见图1），该岩层走向247°～66°，倾向336°，倾角62°，其外围分布大面积三叠系嘉陵江组（T1j）灰岩与白云岩岩层，龙慈沟出露的岩层是嘉陵江组。
2.1.3 构造
奉节县地处川鄂湘黔隆褶带、南大巴山拗褶带和川东褶皱带三大构造交汇处，地质构造以褶皱为主，各岩层之走向大致为北东—南西向，但向北东延伸，即渐变为北东偏东，甚至有东西向趋势。如向南西延长，又渐变为南西偏南。故本区之褶皱方向，有如弧形。各岩层的倾角，除两翼等斜与若干局部之西北翼为陡外，差异不大。倒转褶皱，并不多见。褶皱所成背斜层常成山脉，山脉绵延方向，即为褶皱方向。[1]
九里处于川东褶皱带中的官渡向斜。该向斜在境内呈东北—西南向，出露三叠系嘉陵江组、巴东组、须家河组岩层。桃源河至九盘河一带向斜狭窄，呈“V”形。轴面直立，两翼基本对称。官渡向斜与长梁子背斜间，在三叠系大冶组和嘉陵江组灰岩中发育几组平行褶皱，即迟谷峡背斜、天井峡向斜、下道槽背斜、陈家河向斜、茅草坝背斜、茅草坝向斜。岩溶地貌极为发育。
2.1.4 地貌
奉节县境内地貌由于地质构造、地层分布、岩性的控制以及受水文作用的影响而复杂多样，山峦起伏、沟壑纵横。有南北高、中部低，高差悬殊大，构造控制明显，区域差异大，溪河纵横切割，山大坡陡等特点。
在内外力交相作用下，境内地貌产生多种形态。在各种塑造地貌的因素中、流水侵蚀作用最为强烈，致使沟谷纵横，地形破碎。最大高差达2000m以上，形成高山低谷地貌。麻山主峰猫儿梁海拔2123m，为境内最高点，黑石滩海拔86m，为境内最低点。地貌轮廓，总体为东南、东北高面中部偏西稍平缓，南北约为对称分布，以长江为对称轴，离轴愈远则海拔愈高。由两翼的石灰岩溶岩台原逐渐过渡至中山直至长江河谷低地，有少量平缓河谷平坝。
九里和龙慈沟周围的山，山顶海拔在500～1000m间，主要是低山。由于流水切割侵蚀，周围山体不光险峻，而且差异巨大。最高山海拔1500多m，最低山海拔低于500m，大部分山体高度在600～900m；坡度也由近乎90°至15°不等。
九里处于一山间凹地，除北面外，其他三面均为山地，尤以南面为高，最高海拔可至1500m。龙慈沟长2.5km，呈南—北转南东—北西走向，先端因受来自西面和北面两条径流的侵蚀而开阔，地势平坦，山势坡度在45°左右；自走向转折后，峡谷陡然由100m～30m下降为40m～15m，地势起伏大，径流落差呈阶梯状，山势坡度基本在60°以上。前端因河流的深入切割原河床的基准面，形成侵蚀阶地。后段在径流落差大和充足的水量冲蚀下，峡谷河床中有较大的侵蚀坑洞，面积20m2左右，深约2m。
2.2 水系
奉节境内溪河均属长江水系。由于复杂的地质地貌的影响，致使溪河众多，沟壑纵横。除长江流经县境41.5km外，还有流域面积大于50km2的河流共17条，切割深、径流较丰富。暴涨暴落，洪枯变幅大、中上游落差大且集中等山区河流的特点。平均河网密度达0.43km/km2，年径流总量达2.795×109m3。[1]
龙慈沟中的径流最终注入大溪河。大溪河（又名黛溪河）是奉节县长江南岸主要水系，有东西两源。西源出自吐祥区，经吐祥、新民两区至两河口与东源相汇，谓新民河，流域面积528.8km2，干流长65.6km；东源出自桂花乡，上游谓桃源河，下游谓九盘河，该河深切于中生代灰岩地层中，相对切割千米以上，岩溶地下水补充量大，流量较为稳定，流域面积约900km2，年径流量6.96×108m3，占全流域的57.6%，东西两源在新民区两河口相汇后始称大溪河，在巫山县大溪镇西注入长江，干流全长70.3km（境内68km），平均比降8.29‰，流域面积1587.2km2（境内1365.2km2），支流总长515km，由于河流补充以地下水为主，流量稳定，利于水电开发。
奉节县境内地下水资源十分丰富，据地质部门普查资料表明，境内多年平均地下水资源总量为1.976×109m3。县境东南部、南部和北部地表岩溶发育，降水或地表水在岩溶洼地、漏斗、落水洞中汇集下渗，沿溶隙或岩溶管道作纵向或横向运动，然后在峡谷、溪河两岸或沟谷切割处，或在不同岩性的接触带附近排泄，四季常流。这类碳酸盐岩岩溶水为县内最主要的地下水类型，多年平均总量达1.877×109m3，占地下水总量的95%，其次为碎屑岩类孔隙裂隙水，总量0.648×108m3，占总量的3.3%，再次为基岩裂隙水，总量0.344×108m3，占总量的1.7%。[1]
2.3 气候
九里位于中亚热带湿润季风气候区。春早、夏热、秋凉、冬暖，四季分明，无霜期长，光照适宜，雨量充沛。因受地形地貌的影响，境内气候水平地带性差异甚微，垂直变化较为显著，形成典型的立体气候。
2.3.1 温度与降水
县境内气温分布有明显的地域差异，海拔低于600m地区年平均气温（据气象站34年观测资料，下同）16.4℃，海拔600—l000m地区，为16.4℃～13.7℃，海拔1000～l 400m地区，为13.7℃～10.8℃，海拔1400m以上地区，低于10.8℃。气温年阶变化小，季度明显，最热为7、8两月，平均气温27.2℃，最冷为1月，平均气温为5.2℃。受地形影响，山地南坡气温高于北坡。[1]
县境内降水随着季风进退而有明显的季节变化，属明显的夏雨型。下半年（5～10月）降水量占全年降水总量的76%，且集中在夏季（6～8月）。年平均降水为1107.3mm，存在地域性差异。随着高度的增加，降水有所增多。
表1 奉节县降水量地域差异表（1985年）
海拔高度（m） <600 600～1000 1000～1400 >1400 年降水量（mm） 1000 1100～1370 1370～1630 1630～2100
因受季风影响，降水量的年际变化大，最大与最小年差600mm以上。最大降水强度在夏季，常形成大雨、暴雨，甚至大暴雨。
2.3.2 湿度与蒸发
境内空气湿度月平均相对湿度在70%左右。年平均相对湿度为69%。水份蒸发量多年平均为1565.2mm，即水面蒸发量1100mm／年，陆面蒸发量约为820mm，蒸发量小于降水量。伏旱高温季节，蒸发能力最强而降水很少。8月蒸发量最大达237.8mm，l2月最小，为47.0mm。[1]
2.4 植被与土壤
九里位于亚热带湿润气候区，属于亚热带常绿阔叶林区。植物发育古老，种类较多，分布较为错杂。组成植被的区系成分以樟科、山茶科、木兰科、金缕梅科、大戟科为主。裸子植物有松科、杉科、柏科。草本植物以禾本科和蕨类植物为主。受人类活动的影响，构成森林的建群种分别为光皮桦、马尾松、华山松、杉木、柏木和栎类，林中伴生树木居多[1]。又因境内垂直地带性差异明显，所以植物类型的分布受地貌制约。主要植被类型是：海拔600～1300m之间，主要是蕨类、抱树、马尾松、青㭎、杉木等，其次是白茅、化香、柏木疏林；海拔600m以下，主要是马桑、黄泸、黄茅群丛。区域内常见的植被是柏木疏林，并可见亚高山草甸分布。
龙慈沟前段有大面积草地，间杂有少量茅草，谷坡上成片的人工柏木以及少量的马尾松和杉树，并有大量的灌木；后段因峡谷狭窄，谷内湿润，光照偏少，岩体上生长大量苔藓和蕨类植物，灌木丛生，并伴有少量小乔木。
九里主要的土壤类型是黄壤。黄壤为中亚热带的地带性土壤，母质多为砂岩，有机质含量较高，pH值在4.5～5.5，土壤呈硬性。其农业土壤为“姜石黄泥（阶地上部，土中有钙质结核，称为姜石，质地偏重，钙含员较高）”[2]。该区域的土地集中分布于九里村所在的山间凹地，而其他区域因山势高，坡度大以及较丰富的流水冲刷，未能沉积较厚的土壤层。
3 间歇泉地貌、水文特征
3.1 地貌
间歇泉位于龙慈沟后段的中部，它是在岩壁上形成的一个高约5m，宽约4m，径深约5m的溶洞。该洞越向内洞越小，最后收拢于泉的露头处，泉口与地面相接。洞内岩壁两侧近地面约0.20m处，有明显的边槽凹痕。洞中地面覆盖有较厚的淤泥，最厚的达0.4m，这些堆积物都是每次暴雨后被地下水所携带的物质。洞中地面高于水面，所以在断流时，地面有泥裂现象[3]。洞壁和洞顶有大面积发育不完全的石钟乳，存在个别石笋和鹅管。
洞外是一条长8m，宽1.5m，高0.5m，南西—北东（与河道近于垂直）向的冲沟。冲沟尽头是一积水洼地，面积约1.5m2。间歇泉未断流时，多余的从水洼两侧的凹口流出。其东南流向的水折向东北，漫过水洼前的沉积平台；另一股水由西北折向东北流向平台西北方的一个低矮台地。平台是间歇泉地下水流入河道的最后一个载体，间歇泉自泉口流出，进入冲沟，漫过平台，最后垂直排泄入河道。平台由基岩和钙华组成，基岩悬于河道，由平台下方泉水侵蚀所致。下覆基岩平均厚1.5m，上覆钙华平均厚0.7m，平台面积约6m2，上覆钙华貌似立体年轮（见图2），层层闭合。平台西北侧的低矮台地上也覆有大量同类钙华，不过因其地势低矮，水流量充足，使得“岩溶年轮”更明显，更具立体感。
图2 间歇泉平台上的“岩溶年轮”
“岩溶年轮”形成原因：由于基岩表面凹凸不平，岩溶水在流过基岩时，由于水动力减弱和CO2的减少，使CaCO3发生沉积，同一时期，沉积面近乎一致，便形成一圈“年轮”。而“年轮”是由里向外逐渐发育而成的，因为在其发育之初，流水对岩石侵蚀不足，那时的岩石表面高于现时岩石表面，所以，每个“年轮”的中心总是最高的，而越向外，“年轮”越矮。当然，这样的“年轮”是记录一个时期的气候、水文状况的良好载体。
在龙慈沟前段与后段的转折处，分布有至少3个泉眼。该处岩层属碎屑灰岩，与间歇泉周围岩性有明显区别，使得地下水在此处容易形成露头。为了与间歇泉互相参照对比，在此处设定了一观测点，并采集了样品（下文的B泉）。
3.2 水文
龙慈沟间歇泉是奉节南部地下岩溶水，属于下降泉，在沟谷切割处泄流排泄。该泉流量不稳定，夏季最大流量：1.4m（宽）×0.3m（h）×5m/s（v），平常流量：0.11m（宽）×0.04m（h）×0.5m/s（v）。水质变化大，夏季流量最大时，水中夹杂大量淤泥。据当地人介绍，每当大暴雨过后，洞中都会“汩汩”作响，其中应该有一巨大的储水空间。
据考察得知，该地下水在短时间内呈无规律断流，从长时间（一年）看，夏秋无长时间断流，冬春则长时间断流；夏秋暴雨时，短时间内该泉流量增加，水质接近地表水。由于地下水的补给有二：大气降水和地表水补给[5]，可以推断该地下水的主要补给水是大气降水。
另外，在该地下水排泄入河道的平台下方，有一垂直排泄入河道的泉眼（露头位置大致和间歇泉露头位置成一线，相距17m）。该地下水流量稳定，约0.004πm2（s）×4.9m/s（v）。
由此猜想：间歇泉周围都是石灰岩，有良好的隔水层，形成洞中的隔水底板，进而形成潜水湖，使小泉眼能稳定排泄[5]；每当暴雨过后，间歇泉水量增加，并伴随大量泥沙和声响，说明补给区很近，水力坡度大，地下水径流类型属于汇流型。
综上，洞中存在潜水湖，当水存储量水位未高过间歇泉排泄口时，地下水通过平台下的小泉排泄；当水存储量水位超过间歇泉排泄出口时，地下水主要通过间歇泉排除。
4 水化学分析
4.1 现场实测地下水水化学特征
表2 观测点2007年12月至2008年1月6日现场测试水化学组成
|
|
测量日期 |
pH值 |
温度(℃) |
电导率(μs/cm) |
Ca2+(mg/l) |
HCO3- (mg/l) |
|
A
泉 |
2007.12.2 |
7.66 |
16.2 |
535 |
88 |
335.5 |
|
2007.12.7 |
7.14 |
17 |
539 |
89 |
335.5 | |
|
2007.12.9 |
7.15 |
15.9 |
541 |
88 |
335.5 | |
|
2007.12.16 |
7.18 |
16.4 |
541 |
89 |
335.5 | |
|
B
泉 |
2007.12.2 |
7.24 |
17.5 |
684 |
104 |
372.1 |
|
2007.12.7 |
7.25 |
17.4 |
689 |
102 |
366 | |
|
2007.12.9 |
7.25 |
17.3 |
684 |
102 |
305 | |
|
2007.12.16 |
7.24 |
17.5 |
684 |
102 |
305 | |
|
2008.1.6 |
7.22 |
17.7 |
683 |
101 |
305 |
注：为方便起见，以下A泉代表间歇泉，以实线表示；B泉以虚线表示。
图3 观测点水化学组成变化曲线
根据表2和图3，可以看出，A泉水温起伏较大，差值达1.1℃；而B泉温度较稳定。总体来看，两泉水温接近地表温度，尤其是A泉。
由图3和表2可以看出：两泉pH值偏向中性和弱碱性[7]，其中A泉的pH值在短时间内有一大的下滑趋势，下滑值达0.52。这是由于自12月6日傍晚形成降雨，使得土壤层和雨水中的酸与A泉进行中和，降雨持续了4天。而12月16日的现场测试，得出pH值又有所回升。而B泉所得的数据显示其pH值比较稳定，受地表降水的影响较小。
两泉的电导率都比较高，“电导率的大小取决于地下水中存在的离子，离子的总浓度、迁移率、价数和相对浓度以及测定时的温度都会影响到电导率的高低”[8]。A泉与地表联系密切，地下水中含有大量由地表带来的离子，所以电导率较高。而B泉因处于重碳酸盐地区，因溶解了大量离子，导致其电导率过高。
A、B两泉的HCO3-含量较高，A泉HCO3-含量稳定，B泉变化大。这是因为A泉流经区域少与CO2密切相关的土壤和植被，但它又与地表联系密切，这成为CO2的主要来源。B泉HCO3-的值从12月2日的372呈阶梯状下降，至12月9日下降到305后，其值未再变化，并至少持续到1月6日。这说明，B泉CO2的输入既以大气输入为主，同时，又可能受到土壤中CO2的影响，因为随着气温的降低，土壤中CO2的浓度也会相应地下降。
4.2 地下水水化学成分的形成作用
表3 观测点2007年12月至2008年1月6日水化学组成变化
|
|
采集日期 |
Ca2+ |
Zn2+ |
K+ |
Mg2+ |
Na+ |
Clˉ |
NO3ˉ |
SO42- |
PO43- |
F- |
TOC(ppm) |
|
A泉 |
2007.12.2 |
102 |
0.016 |
0.12 |
16.3 |
1.58 |
3.83 |
54.8 |
20.4 |
0.048 |
0.28 |
1.2 |
|
2007.12.7 |
99 |
0.048 |
0.11 |
14.6 |
1.51 |
3.64 |
53.3 |
103.9 |
0.047 |
0.44 |
0.8 | |
|
2007.12.9 |
102 |
0.032 |
0.1 |
15 |
1.5 |
3.47 |
52.1 |
84.7 |
0.056 |
0.51 |
0.6 | |
|
2007.12.16 |
104 |
0.006 |
0.12 |
15.7 |
1.46 |
3.65 |
52.1 |
80.3 |
0.055 |
0.4 |
0.5 | |
|
B泉 |
2007.12.2 |
120 |
0.017 |
0.17 |
28.1 |
1.97 |
6.48 |
57 |
73.2 |
0.055 |
0.14 |
0.9 |
|
2007.12.7 |
118 |
0.02 |
0.17 |
27.7 |
1.94 |
3.17 |
51.9 |
75.9 |
0.089 |
0.26 |
0.7 | |
|
2007.12.9 |
120 |
0.007 |
0.18 |
27.9 |
1.87 |
2.84 |
50.6 |
74.9 |
0.034 |
0.25 |
0.4 | |
|
2007.12.16 |
119 |
0.009 |
0.18 |
29.4 |
1.9 |
3.05 |
51.6 |
71.2 |
0.055 |
0.31 |
0.5 | |
|
2008.1.6 |
118 |
0.002 |
0.17 |
27.5 |
1.83 |
2.56 |
53.4 |
18.4 |
0.058 |
0.51 |
0.9 |
图4 观测点2007年12月至2008年1月6日水化学组成变化曲线
在地下水的主要成分中，Ca2+、Mg2+ 、HCO3-主要来自于碳酸盐岩，NO3-、Cl-主要来自污染物，而SO42-、K+、Na+既来自于岩石也可来自于污染物[9]。
根据图4和表3，两泉NO3-、SO42-的值都非常高，很可能来源于人类的农业施肥。这也是导致两泉电导率较高原因。
A、B两泉所含主要阳离子是Ca2+、Mg2+，它们的水化学类型为HCO3—Ca?Mg型[12]。由图3知，两泉Ca2+、Mg2+、Na+三种离子的值在12月至1月初增减基本一致。A泉的三种离子值都小于B泉，说明它的岩溶作用小于B泉。通过对钙、镁硬度计算，A泉硬度约为318ppm，B泉约为412ppm，说明它们硬度相当高，绝不适宜饮用。
图4中显示，Cl-、NO3-和TOC的变化曲线近似，即到了12月7日左右，曲线值达到最低点，而向该点左右逐渐增高，向左斜率大，向右较平缓。上面说过，在这段时间（四天），当地曾有过连续性小雨，大气降雨有利于这几种离子的稀释。重庆属于重酸雨区，雨水中SO42-含量较高，这就使得地下水中SO42-在降雨过程中逐渐增加。阳离子 K+、Na+、Ca2+、Mg2+在曲线图中有类似的走势，同样也是受雨水稀释的作用。
5 结论
（1）A泉处于较为活跃的岩溶环境中，在水的侵蚀作用下，逐渐发育成拥有自己的潜水湖的汇流型地下水，并有着上下两个排泄口。下口终年不断流，而上口因降雨的发生呈现时间和流量上的无规律涌流。
（2）A泉的断流会随降雨的来临而结束，其流量也会随降雨的增多而增大，并且伴随有大量泥沙；受雨水稀释的作用，A、B两泉的Cl-、NO3-和TOC的值会在降雨之后的短时间内明显下降，而SO42-反而上升。因而，大气降水深刻地影响着两股地下水。
（3）因为两股泉水与地表有着密切的联系，可以使地表残留的化肥和农药通过地表径流或土壤渗流进入地下水。测验显示：NO3-是本区主要污染物，这与农民大量施用氮肥有关[19]。本地区的人类经济活动主要是农业生产，但是该区域土壤贫瘠（主要是黄壤），农民的生产技术又相对落后，其产量的提高主要依靠化肥的大量使用，而化肥的不科学应用必将导致本区域地下水的污染。
参考文献
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