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22.5 km，宽约5.5~9 km，面积约208 km²，海拔高度在1700~1800 m之间^[7]。年平均气温12.4 ℃，年平均降水量1200~1500 mm，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Landsat5 TM、2015年9月Landsat8 OLI、2017年9月Landsat8 OLI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HCO₃^-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。氢氧同位素样品采用液态水同位素仪测定，δD和δ¹⁸O同位素误差分别为±0.6‰和±0.2‰。以上测试分析均在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室完成。

3 结果与讨论 3.1 岩溶地下水水化学特征 3.1.1 地下水的补给来源

¹⁸O和D(氘)是自然界水体中的稳定同位素，是研究各类水体水汽来源的天然示踪剂，而降水中的氢氧同位素如同遗传因子，是各类水体同位素组成的本质性输入，所以可用氢氧同位素来示踪岩溶地下水的补给来源，判断地下水的形成原因^[10-11]。

本研究共采集17组地下水样品用于氢氧同位素测试，测试结果见表 1。同位素最贫化的采样点位于六盘水市马嘎村的GZ1，δD和δ¹⁸O值分别为-81.2‰和-11.9‰；最富集的样点位于六盘水市乌鸦岩处的GZ17，δD和δ¹⁸O值分别为-67.2‰和-10.0‰。所有水样的δD均值为-73.2‰，δ¹⁸O均值为-10.7‰，整体氢氧同位素值波动不大。查阅相关文献得知，贵州地区大气降水线方程为δD=8.59δ¹⁸O+17.7^[12]，将所有水样的氢氧同位素值与此方程一并投到δD-δ¹⁸O关系图中，结果如图 3所示。研究区内所有水样的δD值和δ¹⁸O值均聚集于贵州地区大气降水曲线附近，说明研究区内岩溶地下水以大气降水补给为主。δD值和δ¹⁸O值不存在明显的漂移现象，说明地下水循环交替快，未受其他水体及介质的影响。

3.1.2 地下水水化学类型

根据水化学测试结果，研究区水化学组分中阳离子以Ca²⁺含量为最高，阴离子以HCO₃^-和SO₄^2-含量为最高，平均矿化度为318 mg·L^-1。将水化学结果绘制成Piper图(图 4)，根据舒卡列夫分类，水样的主要水化学类型为HCO₃-Ca和HCO₃·SO₄-Ca型，这主要是由地层岩性和岩溶地下水的水岩相互作用决定的。Ca²⁺和HCO₃^-主要来自于岩溶地层中碳酸盐岩的溶解。HCO₃·SO₄-Ca型水样大多处于以页岩、灰岩、砂岩夹煤线为主的岩性地层，其含有的黄铁矿在地下水中经过氧化作用会生成SO₄^2-。

3.2 空间城镇化对岩溶地下水的影响 3.2.1 空间城镇化对地下水水质的影响

根据相关文献报道，20世纪70年代以前，水城盆地受人类活动的影响较小，建筑用地较少，盆地周边大多为茂密的林地和草地，整个盆地基本处于自然状态，岩溶水化学类型及其基本物质含量受碳酸盐岩化学成分的控制，盆地内监测的地下水水化学组分可以作为区域地下水水质的天然背景值，其水化学指标中除部分细菌指标超标外，化学和毒理学指标均在限值范围内，是生产和生活的优良水源^[13]。进入21世纪以来，由于城市建设和工农业的不断发展，盆地中心的建筑用地逐渐增加，盆地周边的次生林地被开垦为耕地，且石漠化土地增加。2003年，水城盆地内房屋建筑、道路设施已初具规模，形成以市中心建设为核心，向外围辐射的城市建设格局，然而，城镇化建设的步伐并未停止，建筑用地由盆地中心向四周大幅扩展，盆地内的浅层岩溶地下水受生活和工业污水的影响，各类有毒有害离子均有检出，地下水水质遭到严重破坏。由水城盆地地下水水化学变化特征^[9](表 2)可知，除K⁺和Cl^-外，Ca²⁺+Mg²⁺、Na⁺、SO₄^2-、NO₃^-和HNO₃^-最高浓度随时间推移不断增大，总体常规离子浓度随时间推移呈增加趋势，pH呈下降趋势，表明地下水水质逐渐变差。

已有研究表明，人类活动强烈的地区地下水水化学指数浓度更高，证明了土地利用方式对岩溶地下水水质影响明显^[14]。另有学者用Person相关分析和冗余分析(RDA)法证明了NO₃^-、Cl^-、SO₄^2-、Mg²⁺等是受土地利用类型变化影响较大的几个水化学指标，建筑用地、耕地和裸地是土地利用类型中对流域水质影响较为明显的几类，其中Cl^-浓度与建筑用地面积成正比^[15]。但该学者只是针对其研究区得出的结论，不同的地区可能会有所差异。依据水城盆地2017年采样点的水质数据资料，参考《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中地下水三类标准各项指标的限值，可以看出2017年明显超过标准限值，一般化学指标有Mn和NH₃-N，毒理学指标有As。在地下水的主要成分中，Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-主要来自于碳酸盐岩，NO₃^-、Cl^-主要来自于污染物，SO₄^2-既来自于岩石也来自于污染物^[14]，因此本研究另选取NO₃^-、Cl^-和SO₄^2-进行分析。将NO₃^-、Cl^-、SO₄^2-、NH₃-N、Mn和As指标连同电导率利用ArcGIS软件中的地统计分析功能进行插值，绘制其在研究区内的空间分布图，并结合2017年研究区的土地利用分类图(图 5)，分析土地利用方式对地下水水质的影响。

(1) 土地利用方式对NO₃^-、Cl^-、SO₄^2-和电导率的影响

由图 6a可知，NO₃^-浓度由盆地西侧到东侧逐渐增大，最后形成以GZ11号采样点为中心的高值区，由图 5可知，此采样点位于建筑用地区，而其南部大多为耕地覆盖。耕地区农药、农家肥料和化肥的使用较多，大量含氮有机物进入土壤中或沿溶蚀裂隙、管道等迅速下渗到地下水中，含氮有机物最终转变为硝酸盐，硝酸盐在松散沉积物中的迁移能力很强，可以通过土壤顺利进入岩溶水^[16]。且此处为整个盆地的排泄区，NO₃^-更为富集。

由图 5和图 6b可知，Cl^-在中心城区形成高值区，而在林地分布较广的东西两侧则浓度较低。一般来讲，降雨、农药及生活污水中含有氯盐，氯盐不易被土壤吸收，极易通过土壤进入地下水中，且Cl^-在岩石风化中含量较少，主要来自于人为污染。而研究区内Cl^-多分布在人口密度大的城区，植被覆盖区浓度较小，所以建筑用地对Cl^-浓度的影响最大、耕地次之，林地和草地最小。由此便可解释位于村寨区域上覆以林地为主的GZ14和GZ16号采样点处形成Cl^-浓度的相对低值区，而位于城镇区域上覆为建筑用地和耕地的GZ11和GZ13号采样点则在Cl^-浓度的低值区中形成相对高值区。

研究区内局部地区关岭组(T₂g)地层中含有石膏夹层，岩溶水对膏岩层具有强烈的溶滤作用，SO₄^2-除来自煤系地层中黄铁矿(FeS₂)等硫化物的氧化外，石膏的溶解也是地下水中硫酸盐的地质成因来源。由图 7可知，地下水SO₄^2-/HCO₃^-和Cl^-/HCO₃^-比值以及NO₃^-/ HCO₃^-和Cl^-/HCO₃^-比值之间存在弱正相关关系，表明地下水中的SO₄^2-、Cl^-和NO₃^-离子来源较为相似，人为输入的可能性较大。生活污水，工矿企业排放的废水，农业中的农家肥料、化肥以及灌溉水等均可为地下水提供SO₄^2-[17]。由表 2可知，20世纪70年代以前研究区浅层岩溶地下水SO₄^2-浓度为10~30 mg·L^-1，但通过图 6c可以看出，2017年研究区内SO₄^2-浓度除极小部分区域仍为天然背景值外其他均高于30 mg·L^-1，且在GZ13采样点处达到314.58 mg·L^-1，远高于研究区内SO₄^2-的平均浓度75.83 mg·L^-1，说明现阶段研究区内SO₄^2-主要来源于人为污染，结合图 5可知，SO₄^2-在林地、耕地和部分建筑用地覆盖区形成了高值区，说明农业和工业活动对研究区地下水中SO₄^2-的影响最大。

地下水中的电导率是由带电离子产生的，随着离子浓度的增加，水中的电导率也增加^[18]。在相似的水文地质条件下，电导率越高表明岩溶水的水质越差。因此农药和化肥的使用、动物排泄以及生活污水的排放，均可增加地下水中的离子，从而致使电导率增大。由图 5和图 6d可知，研究区内地下水电导率的空间分布虽未与NO₃^-、SO₄^2-和Cl^-中任一类离子相同，但大致是三类离子空间分布的综合反映，主要受不同土地利用方式下人类活动产生的生活污染和工农业污染等面源污染的影响。

(2) 土地利用方式对NH₃-N、Mn和As的影响

由图 8a和图 8b可知，NH₃-N和Mn均在GZ5号采样点处形成高值中心，最高浓度分别达5.080 mg·L^-1和0.201 mg·L^-1，远超地下水质量三类标准。而此处位于凤凰乡，生活污水排放严重，所以地下水NH₃-N浓度较高，且其浓度在0.5 mg·L^-1以上的区域主要为建筑用地覆盖区。结合图 5可知，GZ5号采样点的西北侧有一大型矿山开挖点，含锰工业废水和废渣的排放使该处形成Mn浓度高值区。由图 8c可知，As主要在GZ2、GZ4、GZ7和GZ8号采样点处形成相对高值区，浓度最大为0.026 mg·L^-1。如图 5所示，GZ2和GZ4号采样点位于城区边缘，四周为耕地和林地覆盖，As可能主要来自含砷化肥和农药的使用。而GZ7和GZ8号采样点周边分别建有五金厂和焦煤气制造厂，金属冶炼和燃料燃烧会把砷排入环境中，焦炉煤气初冷和焦化生产过程均会产生含砷废水，由此造成地下水砷浓度相对较高。总之，研究区内NH₃-N受因人口相对集中造成的生活污染影响较大，而Mn和As则主要来自工业建设产生的点源污染。

贾亚男等^[19]曾对水城盆地1980—2003年土地利用类型与岩溶水质的关系进行研究，结果表明，从时间序列上表现为随着人类活动对土地利用类型的改变，工矿企业等城市建设用地增多，大量林地和草地被开垦为农田，石漠化加剧，且工矿企业用水大户纷纷大量开采地下水，造成多处地面塌陷，岩溶水水质受到严重影响；从空间序列上观察，岩溶水文地球化学诸多离子的空间富集与土地利用类型也表现出一定的规律性。21世纪以来，此类状况不仅没有得到改善，反而进一步加剧，盆地中心的建设用地进一步向四周扩展，工矿企业用地进一步增多，虽然政府曾大力实施“退耕还林还草”的政策，且减少了对地下水的开采，但岩溶地下水水质并未得到改善，与2003年相比，2017年岩溶地下水NO₃^-、SO₄^2-、Mn和As等浓度显著增加，且浓度的空间分布也发生了改变，主要受土地利用方式变化的影响。

3.2.2 空间城镇化对地下水水位的影响

20世纪60年代后期以来，水城盆地内岩溶地下水以井采和扩泉的方式被大量开采，开采量从20世纪60年代的1000 m₃·h^-1，到20世纪70年代的2000 m₃·h^-1，至20世纪80年代的2800 m₃·h^-1，20世纪90年代初约为3000 m₃·h^-1，1995年开始停止开采地下水。由于水城第四系盆地下伏岩溶水资源十分丰富，且处在岩溶水的汇集带上，因此，虽然岩溶水的开采量逐渐增大，但并没有超过岩溶水资源的天然补给资源量，地下水动态没有出现持续下降的趋势。1995年后水城盆地的地下水位可能得到一定程度的回升，但空间城镇化发展下土地利用方式的改变对地下水动态变化造成了一定影响。根据监测区2009—2015年水位长期观测资料的统计结果，并参考贵阳市年内水位变幅图^[20]，将2、4、6、10 m作为年内水位变幅的节点，利用ArcGIS软件中的地统计分析功能绘制六盘水市钟山区及周边的年内水位变幅图(图 9)，结合该区2009年和2015年的土地利用分类情况进行分析(图 10)，并将各年份中水位变幅的面积进行比对(图 11)，运用同样方法绘制年际水位变幅图(图 12)。

(1) 年内水位变幅分析

图 9展示了2009年后研究区年内地下水水位变幅由6~10 m逐渐减小至以2~4 m为主，且总体趋势为西北部的水位变幅大于东南部。由图 10和表 3可知，2009—2015年，钟山区城区的建筑用地面积增加，分布于建筑用地周围的裸地和耕地面积减少，部分转化为建筑用地，部分转化为林地或草地，林地和草地面积相应增加。结合图 9和图 10，钟山区及周边年内地下水水位变幅在6 m以下的区域与建筑用地所在区域逐渐接近，说明水位变幅变化的方向在空间上与六盘水市城镇化建设的方向一致。按照土地利用分类的原则，建筑用地主要包括各类建筑物、构筑物、道路等，地表不透水率较大，影响地下水的补给与排泄，地下水水位变幅较小。研究表明，各土地利用类型的不透水率从大到小依次为建筑用地、裸地、耕地、草地、林地、水体^[21]。而2015年建筑用地面积较2009年大，裸地和耕地面积较2009年小，所以整体地下水水位变幅也较小。2013年之后，六盘水市大力推进以退耕还林为主的重点林业生态工程，林地和草地面积有所增加，所以水位变幅减小至2 m以下的区域在2013年后又恢复至2~4 m。

由图 11可知，2009—2014年(2015年降雨量数据缺失)地下水水位变幅为4~6 m和6~10 m的面积与六盘水市年降雨量的变化趋势完全一致，随着降雨量的增加而升高。而地下水水位变幅 < 2 m和2~4 m的面积则与之相反，说明地下水水位对大气降雨的响应是较为敏感的，降雨量的增加可以加速水循环，从而影响地下水水位变幅。但在2011年，地下水水位变幅为2~4、4~6 m与6~10 m的面积出现突变，2~4 m水位变幅的面积由2.03 km²升至79.10 km²，而4~6 m和6~10 m水位变幅的面积分别由39.33、53.90 km²降至14.51、2.35 km²，且水位变幅>10 m的面积在2011年之后变为0，该时间与六盘水市大规模城市建设的时间一致。2011年之后，地下水水位变幅面积虽与降水量仍存在相应的变化关系，但响应程度降低。这是由于城市建设加大了不透水覆盖层的面积，从而削弱了岩溶区天然漏斗及落水洞的快速补给，水循环路径加长，对季节性降雨的反应迟缓。

(2) 年际水位变幅分析

图 12反映了地下水水位在年际间的变化，2009—2011年，钟山区中心城区及西部德坞镇的地下水水位出现升高现象，依据六盘水市供水量(表 4)，推测其原因可能是在降水量基本保持稳定的情况下，地下水开采量减少，导致水位升高。中心城区以外的大部分地区地下水水位均有所下降，主要原因是六盘水市大规模城市建设的持续，钟山区中心城区及德坞镇的建筑用地向四周扩展，不透水覆盖层面积增加，减少了地下水垂向补给来源的补给量及补给时间，从而降低了地下水水位。2011—2013年，钟山区西南部的大部分地区地下水水位升高，升高区域大多为林地、耕地和草地，而钟山区东北部主要为建筑用地，地表多为不透水面。已知研究区为一个四周高中间低的断陷盆地，即钟山区东北部的地势较西南部高，加之2012年降水量突增，更多的地表径流由东北部的城区流向西南部，从而使西南部的地表入渗量增加，地下水水位抬升。且由表 4可知，2012年和2013年六盘水市地下水及其他水源的供给量明显减少，故推断地下水水位的升高也可能是由于该地区主要地下水开采井群陆续停止供水开采。2013—2015年间，钟山区中心城区及其东北部地下水水位有所降低，同比2011—2013年范围向钟山区的西南部延伸，除不透水地面的原因之外，推断是由于2014年和2015年的地下水及其他水源供给量增加。总体而言，2009—2015年间钟山区及周边地下水水位年际变化的趋势是上升区变为下降区、下降区变为上升区，但水位波动大多在1 m以内，说明基本处于稳定状态。因此推断不透水面增加导致的入渗补给量的变化与地下水开采量的变化共同影响地下水水位动态且相互制约。

(3) 典型监测点水位分析

W4号监测点(钟山区德坞镇彭家寨)四周原为林地覆盖，后经历了六盘水市的城市化建设，周边虽有道路零星分布，但仍以林地和草地覆盖为主。W1号监测点(钟山区凤凰乡赵家寨)在六盘水市城市化建设前后均为建筑用地覆盖，且两者均位于覆盖型岩溶区，因两个监测点具有地理位置差异，故选其为典型案例，分析其多年水位动态。

由图 13可知，W4和W1号监测点的水位都存在一定程度的季节性波动，对一次性降雨的捕捉也极为灵敏，且水位均在6—10月份出现峰值，但W4号监测点的水位波动更大，对降雨的响应程度也更灵敏。分析其原因，W4号监测点处于水城盆地西北部的天然环境中，洼地、漏斗、落水洞等星罗棋布，地表水可通过岩溶管道补给地下水；W1号监测点为建筑用地覆盖，天然漏斗及落水洞的补给条件大大削弱，水循环路径变长，使其对降雨的响应迟缓，地下水水位变幅减小，而W4号监测点受城市化建设的影响很小，反映在水位动态曲线图上是2009—2015年其水位变幅呈小幅减小趋势。结合表 4，六盘水市地下水及其他水源的供给量2009—2015年先减少后增加，反映在地下水水位上应是先上升后下降，W1号监测点的水位更符合此规律，说明地面硬化之后，地下水水位变化的主要影响因素是地下水开采量的变化而不是降水入渗。

4 结论

(1) 水城盆地岩溶地下水以大气降水补给为主，且水循环交替迅速。受地层岩性和补给、径流及排泄条件控制，地下水主要化学类型为HCO₃-Ca和HCO₃· SO₄-Ca型。

(2) 20世纪70年代至今，空间城镇化进程下土地利用方式的改变对水城盆地的地下水水质产生了很大影响，土地利用方式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，NO₃^-和SO₄^2-主要富集在耕地、林地和裸地等非建筑用地区，其浓度主要受不同土地利用方式下人类活动产生的生活污染和工农业污染等面源污染的影响；而Mn和As则主要来自工业建设产生的点源污染。

(3) 2009—2015年，空间城镇化影响下水城盆地年内地下水水位变幅呈逐渐减小且趋于稳定的趋势，年际地下水水位变化上升与下降交替出现，最终也趋于稳定状态。空间城镇化建设导致不透水覆盖层面积增加，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，水循环路径加长，地下水开采量的变化成为影响地下水水位变化的主要因素。

(4) 虽然水城盆地地下水开采量的减少使地下水水位趋于稳定状态，但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。