重庆梅溪河流域岩溶地下水资源环境特征

方权; 刘丹; 张凡; 高阳; 顾文帅; 高立志; 郭永丽

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501945

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (1) :88-94 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501945

天文学、地球科学

重庆梅溪河流域岩溶地下水资源环境特征

方权 ¹^,² ,
刘丹 ¹^,² ,
张凡 ¹^,² ,
高阳 ¹^,² ,
顾文帅 ¹^,² ,
高立志 ¹^,² ,
郭永丽 ³^,^*

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Environmental Characteristics of Water Resources in Karst Aquifer System of Meixi River Basin, Chongqing

FANG Quan ¹^,² ,
LIU Dan ¹^,² ,
ZHANG Fan ¹^,² ,
GAO Yang ¹^,² ,
GU Wen-shuai ¹^,² ,
GAO Li-zhi ¹^,² ,
GUO Yong-li ³^,^*

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摘要

重庆梅溪河流域岩溶地下水资源丰富,开展其岩溶地下水资源环境研究,是长江经济带岩溶水资源环境可持续发展的重要举措之一。梅溪河流域岩溶地下水环境质量良好,具有很大的开发利用前景。以地表水系为单元,针对地层岩性的空间分布进行水文地质参数赋值,评估子流域岩溶地下水资源量,从而为岩溶水资源资产管理提供科学依据。梅溪河流域岩溶地下水资源量评估可知:文峰河子流域多年平均地下水径流量为4 562.07×10⁴ m³/年,地下水储存资源量为22 540.10×10⁴ m³/年,开采资源量为2 027.42×10⁴ m³/年;梅溪河干流流域多年平均地下水径流量为6 769.66×10⁴ m³/年,地下水储存资源量为32 062.08×10⁴ m³/年,可开采资源量为2 917.38×10⁴ m³/年。以上研究成果可为重庆市长江经济带岩溶水资源的合理开发利用提供更为切实可行的建议。

Abstract

The karst area of Meixi River Basin in Chongqing is abundant in groundwater resources. Research on the genetic model of the water-bearing system and the water resource environment is crucial for the sustainable development of the karst water resources in the Yangtze River Economic Belt. The groundwater environment in the Meixi River Karst Basin exhibits good quality and holds significant potential for exploitation and utilization. Hydrogeological parameters were assigned based on the spatial distribution of stratum lithology, utilizing surface water systems as units. An evaluation of karst groundwater resources was conducted within the subsystem, providing a scientific basis for the assessment and management of karst water resources. Assessments of karst groundwater resources in the Meixi River Basin indicate that the average annual groundwater runoff in the Wenfeng River Basin is 4 562.07×10⁴ m³/a, with groundwater storage resources amounting to 22 540.10×10⁴ m³/a, and extracted resources totaling 2 027.42×10⁴ m³/a. In the main stream basin of the Meixi River, the average annual groundwater runoff is 6 769.66×10⁴ m³/a, groundwater storage resources are 32 062.08×10⁴ m³/a, and exploitable resources are 2 917.38×10⁴ m³/a. These research findings provide a scientific basis for the sustainable development of the karst water resources environment in the Yangtze River Economic Belt in Chongqing.

Graphical abstract

关键词

岩溶地下水 / 成因模式 / 水环境 / 地下水资源 / 梅溪河流域

Key words

karst groundwater / genetic model / water environment / groundwater resources / Meixi River Basin

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方权, 刘丹, 张凡, 高阳, 顾文帅, 高立志, 郭永丽. 重庆梅溪河流域岩溶地下水资源环境特征[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(1): 88-94 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501945

FANG Quan, LIU Dan, ZHANG Fan, GAO Yang, GU Wen-shuai, GAO Li-zhi, GUO Yong-li. Environmental Characteristics of Water Resources in Karst Aquifer System of Meixi River Basin, Chongqing[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(1): 88-94 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501945

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中国天然岩溶地下水资源总量为2 039.67×10⁸ m³/a,约占中国地下水资源量的1/4^[1]。中国西南岩溶区共分布有2 836条地下河,相当于一条黄河,岩溶水资源量约占中国岩溶地下水资源总量的91%,是西南岩溶区重要的应急水源^[2],亟须定量评价岩溶地下水资源量^[3-4]和水环境质量^[5-6],为岩溶地下水资源战略储备选址提供科学依据^[7]。重庆市是中国西南部的直辖市,碳酸盐岩主要分布在重庆市东北部和东南部,占土地面积的36.49%,有380条岩溶地下河,岩溶水占地下水资源量的73.65%^[8]。重庆市岩溶含水层发育良好,具有双层水文地质结构,地表水和地下水转换迅速;由于地表缺少天然覆盖层,资源环境脆弱^[1]。此外,岩溶发育的不均匀性和新生代地壳大幅度抬升造成岩溶发育深度加深,导致岩溶水资源时空分布不均^[9-10]。重庆岩溶水资源丰富,受控于地形、水文网以及经济产业结构的影响,岩溶水资源利用程度低,具有广阔的开发利用前景^[8]。因此,开展重庆市典型岩溶流域地下水资源环境特征研究,对岩溶水资源可持续开发利用具有重要的指导意义。

长江经济带上岩溶地貌发育,岩溶类型多样,蕴藏着各类岩溶资源^[11]。重庆市位于长江经济带上,且发育有独特的岩溶地貌景观。以往岩溶水资源环境研究多集中于岩溶泉域/地下河流域或单个岩溶泉的流量、水环境及其影响因素研究^[12-15]。基于水文地质调查,结合地表水系,开展岩溶地下河资源环境评估,更有助于实现区域性岩溶水资源的合理开发利用。重庆市规划和自然资源局《关于下达2022年度第一批地质矿产勘查类项目计划的通知》(渝规资〔2022〕61号),要求以流域为单元开展1∶5万水文地质调查,查明区内水文地质条件、岩溶发育特征及规律、主要水文地质问题、地下水资源量及开发利用技术条件,开展重庆市长江经济带梅溪河流域岩溶地下水资源环境评估。在掌握梅溪河流域岩溶地质背景条件的基础上,现分析梅溪河流域岩溶地下水的含水岩组及富水性、补给径流排泄条件等水文地质特征,评估地下水资源环境特征,对梅溪河流域岩溶地下水资源环境保护具有重要的现实意义。研究成果将有助于促进水资源资产化,改善水质环境,保障长江经济带水安全战略和农业经济,维护岩溶水资源景观,发展岩溶水文景观旅游产业,推动国民经济可持续发展。

1 数据来源和研究方法

1.1 研究区

梅溪河发源于巫溪县朝阳镇沙窝坑一带,全长约78.8 km,河宽20~60 m,局部超过200 m,水深2~6 m,流域面积1 929 km²,总落差1 886 m,多年平均流量59.2 m³/s,年径流量为14.477亿m³,流量总体较平稳。梅溪河面积为384 km²,支流众多,主要有分水河、上坪河、下坪河、文峰河、朝阳河、七道河、紫霞河、车家坝河、竹园河、二道河等。梅溪河流域属中亚热带湿润季风气候,春早、夏热、秋凉、冬暖,四季分明,无霜期长,雨量充沛,日照时间长,多年平均降水量为1 098.18 mm,最大年降水量达1 636.3 mm,最小年降水量为646.0 mm。

梅溪河流域以中部的复垭村断层为界,北侧为碳酸盐岩盐地区,主要含水岩组为碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组;南侧则以碎屑岩区为主,主要含水岩组为碎屑岩孔隙裂隙含水岩组。在河流平缓的区域,零星分布着第四系,形成了第四系松散岩类孔隙含水岩组。

梅溪河流域岩溶区受到大地构造抬升及外界强烈溶蚀、侵蚀作用的共同影响,形成了以中、低山为主的独特地貌特征,包括陡峭的岩溶槽谷、密布的沟谷以及幽深的峡谷。这些地貌类型为地下水的富集提供了良好条件。从发育含水岩组和构造部位上看,梅溪河流域7条地下河发育于三叠系下统嘉陵江组(T₁j),均位于向斜核部区域,1条地下河发育于奥陶系上统宝塔组(O₃b),位于咸瑞背斜核部;2处岩溶大泉发育于寒武系中-上统三游洞组(∈_2-3s),位于渔沙-建楼复背斜两翼,2处岩溶大泉发育于二叠系中统栖霞组(P₂q),位于大张岩向斜两翼(图1和表1)。

梅溪河流域岩溶的褶皱发育极为显著,向斜与背斜交替分布,显著影响了含水层的分布及其空间形态,成为地下水富集的重要控制因素。岩溶地下水的含水介质主要由碳酸盐岩地层中的各类地下河道、溶洞、溶穴、溶孔和溶隙等构成。碳酸盐岩含水层中岩溶的数量和规模越大,其岩溶地下水的赋存空间也越为广阔,从而显著增强了其富水性。此外,由于补给面积较大,天然降水的补给量也相应增加,这也是宽阔向斜核部地下河水量显著高于紧闭向斜核部地下河水量的主要原因之一。

1.2 研究方法

1.2.1 地下水样品采集、测试和分析

野外现场利用便携式水质分析仪器(法国PONSEL)现场测定水环境参数,包括水温(T,℃)、pH、电导率(EC,μs/cm)、氧化还原电位(Eh,mV)和溶解氧(DO,mg/L);便携式硬度计和碱度计(德国Merck)测定Ca²⁺(mg/L)和${\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{-}$(mmol/L)。每个取样点利用3个500 mL聚乙烯瓶采集水样,测试阴离子和阳离子,其中阳离子的取样瓶加入1∶1 HNO₃。检测仪器为IRIS Intrepid Ⅱ XSP全谱直读等离子体光谱仪、883离子色谱仪、T6新悦可见分光光度计和iCAP-Q 等离子质谱仪等。主要测试指标为K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、${\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-}$、${\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{-}$、${\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{2-}$、${\mathrm{N}\mathrm{O}}_{3}^{-}$、SiO₂、Al、Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Co、Cd、Mn、As、Hg、Ba和Sr等。利用舒卡列夫方法测定含量大于25%毫克当量的阴离子和阳离子,结合矿化度进行划分地下水水化学类型^[16-17]。

1.2.2 地下水资源量计算

通过计算梅溪河流域多年平均岩溶地下水径流量、地下水储存资源量和地下水可采资源量评估岩溶地下水资源量。

多年平均地下水径流量和地下水可开采量利用径流模数法计算^[18],计算公式如下。

(1)Q_MA = 3.153 6M_MAF

(2)Q_R= 3.153 6M_MDF

式中:Q_MA为多年平均地下水径流量,10⁴m³/年;Q_R为地下水可开采资源量,10⁴m³/年;M_MA为多年平均地下水径流模数,L/(s·km²);M_MD为多年平均地下水枯季径流模数,L/(s·km²);F为计算单元面积,km²。

其中,多年平均地下水径流模数和多年平均枯季地下水径流模数按照式(3)、式(4)计算。

(3)M_MA=β_YAM_A

(4)M_MD=β_DM_D

式中:β_YA为多年平均降水量/观测年降水量;β_D为多年枯季平均降雨量/当年枯季降雨量;M_MA为观测年平均地下水径流模数,L/(s·km²);M_D为观测年枯季径流模数。

地下水储存资源量的计算公式^[19]为

(5)${Q}_{\mathrm{S}}=100\mu Fh$

式(5)中:Q_S为计算区块储存资源量,10⁴m³;μ为给水度;h为计算区块元贮水厚度,m;F为补给区面积,km²。

2 结果和分析

2.1 岩溶含水系统水化学环境特征

2.1.1 水化学类型特征

工作区碎屑岩类裂隙水温度一般为13~19 ℃,埋藏较浅,受大气温度影响较为明显。岩溶地下水,工作区地下水水温在10~19 ℃,动态比较稳定,温度变化较小,受季节影响,表现出埋藏越深越稳定;水量越大越稳定;随高差增加而降低;随季节呈周期性变化,但变化缓慢且滞后于气温变化的规律;而降雨短时间内可对地下水温造成明显变化。由于地下河和岩溶大埋藏深,地下水径流途径长,水温的动态一般较稳定,一般在11~15 ℃,单个地下河系统水温受气候季节性周期变化有一定影响,但很小,在1~3 ℃,主要表现为:在夏季水温稍高,为13~15 ℃;在冬季水温偏低,为11~13 ℃。分散岩溶泉的温度受地表气温的影响,呈明显的正相关,变化较大,工作区实测的分散岩溶泉水温一般在10~19 ℃,受气候季节性周期变化一般相差3~6 ℃。高海拔的天之城、红池坝区域,冬季水温仅约为10 ℃,雨雪甚至低于10 ℃。而文峰、朝阳一带分散岩溶泉夏季水温在17~19 ℃。

由图2可知,根据分析测试结果统计,岩溶水化学类型主要为HCO₃-Ca型,其次是HCO₃-Ca·Mg型;另有少量HCO₃·SO₄-Ca、HCO₃·SO₄-Ca·Mg、HCO₃-Ca·Na、HCO₃-Ca·Na·Mg和SO₄-Ca·Mg型。工作区内重碳酸钙型(HCO₃-Ca)岩溶地下水分布最广,二叠系、三叠系碳酸盐岩地层中岩溶水以此类型为主,奥陶系碳酸盐岩地层也含有此类型岩溶水,年代久远震旦系则未见此类型。重碳酸钙镁型(HCO₃-Ca·Mg)岩溶地下水分布远低于重碳酸钙型,此类型岩溶水主要分布在三叠系碳酸盐岩中,震旦系中岩溶水则以此类型为主。根据分析测试结果统计,裂隙水化学类型主要为HCO₃-Ca型与HCO₃-Ca·Mg型,另有HCO₃-Ca·Na型、HCO₃-Ca·Mg·Na型、HCO₃·SO₄-Ca型和HCO₃·SO₄-Ca·Na型。工作区裂隙水主要分布在志留系碎屑岩地层中,以重碳酸钙型(HCO₃-Ca)与重碳酸钙镁型(HCO₃-Ca·Mg)型为主,其他类型少见,裂隙水整体表现出Na⁺+K⁺离子占比明显高于岩溶水。

从地层分布上来看,岩性是控制地下水化学类型的主要因素,工作区地下水类型以重碳酸钙型(HCO₃-Ca)为主,广泛分布在三叠系、二叠系、志留系、奥陶系碳酸盐岩地层中。重碳酸钙镁型(HCO₃-Ca·Mg)偏少,主要分布在嘉陵江组、三游洞组、灯影组,其他地层则少见,是由于嘉陵江组含水大量白云岩,三游洞组、灯影组则以白云岩为主,故地下水中镁离子含量较高,其他地层白云质含量较少,地下水中镁离子含量也较少。对比丰水期、枯水期两次采样测试成果,工作区地下水类型、主要离子占比基本不变,少数长观点丰水期硫酸根(${\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-}$)阴离子占比明显减少,地下水类型发生变化,总体稳定。

2.1.2 水环境质量特征

按照《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017),地下水水质指标分为常规指标和非常规指标^[20]。常规指标选取色、嗅和味、肉眼可见物、pH、总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、铁、锰、铜、锌、铝、耗氧量、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、氟化物、汞、砷、硒、镉、铬、铅作为评价因子;非常规指标选取钡、镍、钴、钼、银作为评价因子。

根据以上地下水水质评价标准及评价方法^[21]对工作区采取的水分析样品进行地下水质量评价。根据水样统计资料,水质单项分析水样按单指标评价,水质多数属Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类,少数属Ⅳ类、Ⅴ类。地下水水质综合评价按单指标评价结果的最高类别确定,并指出最高类别的指标。水质单项指标分析检测主要包含TFe、Zn、Mn、Cu、Cr、Pb、Hg、Ag、As、Cd、氟化物等重金属及有毒项目,评价工作结合全分析及水质单项分析做综合评价。水质综合分析结果如表2所示。采样点水质综合评价结果可以看出:水质为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类(即可以直接用于生活饮用水水源),毒理指标均未超标,总体上研究区内地下水质良好。

2.2 岩溶水系统水资源特征

根据流域水系,梅溪河流域岩溶区可划分为文峰河流域和梅溪河干流四级流域(图3),面积分别为135 km²和249 km²。文峰河四级流域可划分为文峰河干流流域和纸坊沟五级流域,流域面积分别为115 km²和20 km²。梅溪河干流四级流域可划分为分水河、朝阳河、七道河和梅溪河平安段五级流域,流域面积分别为80、64、37和68 km²。梅溪河流域岩溶区含水亚组的多年平均地下水经流模数和多年平均枯季地下水经流模数取值详如表3所示。

2.2.1 多年平均地下水径流量和地下水可开采资源量

研究区多年平降雨量为1 144.7 mm,观测年份降雨量为1 604.4 mm,可计算出β年均的值为0.713。以含水亚组为计算单元综合取值观测年地下水平均径流模数(表3),利用式(3)即可计算多年平均地下水径流模数,然后利用式(1)进行多年平均地下水径流量计算。文峰河流域多年平均地下水径流量为4 562.07×10⁴ m³/年,梅溪河干流流域多年平均地下水径流量为6 769.66×10⁴ m³/年(表4)。

研究区多年枯季平均降雨量及长观测年枯季降雨量,二者比值约为1.26,利用式(4)计算多年多年平均枯水期地下水径流模数。进一步利用式(2)估算文峰河流域可开采资源量为2 027.42×10⁴ m³/年,梅溪河干流流域可开采资源量为2 917.38×10⁴ m³/年(表4)。

2.2.2 地下水储存资源量

按照《水文地质手册》(河北省地质局四大队主编)单孔抽水资料和水文地质钻孔资料,分别确定给水度(μ)值和含水层贮水厚度。利用式(3)估算文峰河流域地下水储存资源量为22 540.10×10⁴ m³/年,梅溪河干流流域地下水储存资源量为32 062.08×10⁴ m³/年(表4)。

3 结论

梅溪河流域岩溶地下水以大型岩溶管道流形式富集,以岩溶大泉与地下河排泄。梅溪河流域岩溶水质均属Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类,地下水水质整体较好,可作为生活饮用水直接利用。文峰河流域多年平均地下水径流量为4 562.07×10⁴ m³/年,梅溪河干流流域多年平均地下水径流量为6 769.66×10⁴ m³/年。文峰河流域地下水储存资源量为22 540.10×10⁴ m³/年,梅溪河干流流域地下水储存资源量为32 062.08×10⁴ m³/年。文峰河流域可开采资源量为2 027.42×10⁴ m³/年,梅溪河干流流域可开采资源量为2 917.38×10⁴ m³/年。梅溪河流域岩溶地下水资源环境评估有助于完善长江经济带岩溶水资源资产化管理,保障岩溶水资源的可持续利用。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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