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重庆市地下河发育、分布的控制机制及水文地球化学区域特征研究

蒲俊兵  
【摘要】:我国南方岩溶区3066条地下河水资源是我国重要的战略资源,是区域可持续发展的重要支撑。然而,由于岩溶环境本身的脆弱性,以及人类活动的影响,岩溶地下河正面临水质退化,水源枯竭等多方面的威胁。重庆地区是我国西南岩溶地区的重要组成部分,岩溶分布面积约3.0万km2,主要分布在东北部和东南部。2006年夏和2010年春重庆都遭遇了百年不遇的特大干旱灾害。在抗旱救灾的紧急关头,对岩溶地区丰富的地下水资源作为应急水源的需求显得非常迫切。因此了解重庆地区的地下河发育、分布及水文地球化学特征,对于重庆地区岩溶水资源的开发、利用与保护显得非常重要。 岩溶地下河的发育、分布受到区域岩性、构造、地貌等条件的综合控制。国内这方面的研究多关注于我国南方其它岩溶地区,如贵州、云南、广西等地,而关于重庆地区地下河的发育、分布及其控制机制缺少深入研究。地下河的水文地球化学特征受到地质、环境条件的综合影响,具有明显的空间特征。研究地下河水文地球化学特征的区域演化及与地质、环境的耦合关系,对于地下河水资源的开发利用与保护具有重要意义。 根据历史资料分析和野外调查得出重庆地区分布有岩溶地下河380条,总长度约2155公里,多年平均流量151.5m3/s,水资源量47.77亿m3/a,岩溶区地下河发育密度为116.64m/km2,多年平均径流模数为6.56L/s.km2。重庆市岩溶地下河长度以中、短型为主,长度小于5km的占50%;流量以中、小流量为主,流量小于200L/s的地下河占总量的58.9%。 研究发现重庆地区岩溶地下河发育、分布主要受区域线状构造的控制,地下河主要分布在川东褶皱带,川东南陷褶带和大巴山弧形断褶带等三个主要的构造带内。在渝东北大巴山弧形断褶带地区由于受到北西向构造的控制,地下河管道主要呈NW-SE展布;而在渝东南川东南陷褶带地区由于受到北东、北北东构造的控制,地下河管道主要呈NE-SW展布。在主城、渝东川东褶皱带地区由于地下河多位于背斜核部的碳酸盐岩中,因此地下河管道主要沿背斜展布方向(主要为北东向)成纵向分布。根据重庆地区地下河的构造控制因素和岩溶水的运动特征,系统地将重庆地区地下河分为汇流型、分流型和平行流型三种类型。汇流型地下河多分布向斜地区和宽缓背斜地区以及垄脊槽谷地区。分流型地下河多分布于背斜地区和一些向斜台原地区。平行流型地下河多分于可溶岩与非可溶岩相间分布的紧密褶皱地区。 通过对70条典型地下河水文地球化学特征的研究,揭示了重庆岩溶地区分布的地下河水化学特征从渝东北、渝东南“两翼”地区向主城地区水质变差,水化学类型变复杂的区域演化规律。渝东南、渝东北地区主要受自然条件控制,水质较好,水化学类型主要是Ca-HCO3型、Ca+Mg-HCO3型;由于人类活动引入大量外来离子,主城周边、渝东地区水化学类型复杂,出现了Ca+Na- HCO3+SO4型,Ca- SO4+HCO3型,Ca+Mg-SO4+HCO3等多种类型。渝东南的万盛—南川—綦江三角形地区,由于工矿企业林立,人类活动频繁,出现了Ca+Na-SO4型、Ca+Na-SO4+HCO3型、Ca-SO4+HCO3型的复杂的水化学类型,水质较差,形成地下河水化学分布“黑三角”地区。 利用多种同位素结合技术研究重庆岩溶地下河水文地球化学特征的区域演化规律及溶质来源。通过δ18O、δD值分析揭示重庆市地下河水主要起源于大气降水。受雨季降水云团运动规律(环流效应)和区域地形的影响,雨季δ18O、δD值表现出渝东北地区主城周边渝东地区渝东南地区的明显区域分布规律(“”表示偏负于),旱季由于地下河水在含水层中运动较慢,δ18O、δD值的区域性规律不明显。由于地下河水体具有较快的运动速度,水体水-岩相互作用程度相对于孔隙含水层,裂隙含水层较低,因此岩溶含水层中d-excess值的水文地质学意义并不十分明显。而通过δ180,δD值与高程的关系,建立了二者之间的二元回归模型,揭示了重庆岩溶地下河水旱季δ18O值随高度的变化率为-0.34‰/100m,雨季为-0.31‰/100m;旱季δD值随高度的变化率为-2.3‰/100m,雨季为-2.9‰/100m,可据此反推重庆地区降水的高程效应,这对于区域水循环研究具有重要意义。根据δ13C同位素质量平衡方法,计算得到重庆地下河旱季碳酸盐岩溶蚀对DIC贡献为45.1%~79.7%,雨季平均为17.2%~82.1%。计算结果表明,碳酸盐岩溶解参与岩溶地下水DIC的形成并不一定是岩溶作用方程中所计算的50%,而是有一定的变化范围,因此在计算岩溶作用碳汇时建议通过δ13C值计算碳酸盐岩溶蚀占DIC的比例后再进一步推算岩溶作用形成的碳汇 通过87Sr/86Sr同位素分析发现地下河水中的Sr主要来自于碳酸盐岩溶蚀。但一部分地下河显著的受到人类活动Sr输入的影响,它们主要分布在渝东地区的三叠系地层中。渝东南地区寒武系地层中发育的地下河也受到了一定的人类活动的影响。通过634S-SO42-同位素分析发现地下河中SO42-具有多重来源,也有明显的区域差异。具有蒸发岩硫来源的地下河多发育在三叠系地层中。具有硫化物氧化硫来源的地下河多发育在二叠系地层中。雨水和人类活动排放废水对地下河硫输入也有贡献。渝东地区和主城周边地区发育的地下河多具有人类活动的硫来源。分布在渝东南和渝东北海拔较高人类活动影响较小的地区的地下河,其SO42-具有大气降水硫来源特征。 综上所述,重庆地区地下河的发育、分布的控制机制主要是区域线状构造,地下河水质存在从渝东北、渝东南地区向主城地区变差的区域演化规律,利用多种同位素技术研究了地下河的同位素水文地球化学特征的区域演化规律,探索了地下河的溶质来源,能够为重庆地区岩溶地下河的合理开发利用与保护提供技术支撑。


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