马山岩溶地下河流域水文过程分析

1. 马山岩溶地下河流域水文过程分析

7.3.1 岩溶地下河流域水文过程总体分析
根据梁虹等[3]的研究，岩溶地下河流域是以碳酸盐岩为主的可溶岩区，在水的溶蚀和侵蚀作用下形成地表和地下两个水系，其结构和水文功能均具有特殊性。岩溶地下河流域内地表、地下两个水系往往具有不闭合周界和不同的边界条件，造成流域周界非闭合的主要原因是岩溶发育的极不均匀性和水文地貌的综合作用所导致。
根据地表植被覆盖情况可以将岩溶地下河流域划分为三种类型：裸露型、半覆盖型和覆盖型岩溶地下河流域，各类型的岩溶地下河流域在水文过程上存在一定的差别（图7.10）。其差别主要体现在：裸露型岩溶地下河流域存在表层岩溶带，具有调蓄水量的作用，形成独特的表层带径流，由于缺乏植被，缺失植被的截留过程；覆盖型岩溶地下河流域有土壤层覆盖，形成壤中流，有较好的植被覆盖条件，植被的截留作用非常明显；在半覆盖型岩溶地下河流域，既存在一定的表层带径流，局部也存在壤中流，有少量植被覆盖，有一定的植被截留过程。
7.3.2 马山岩溶地下河流域研究分区
马山岩溶地下河流域为裸露型与半覆盖型混合分布的岩溶地下河流域，裸露型与半覆盖型岩溶地下河流域在水文过程上存在一定的差异，有必要对马山岩溶地下河流域进行研究分区，对各个分区的水文过程分别进行分析。根据不同植被覆盖情况以及与马山岩溶地下河管道的连通性，将马山岩溶地下河流域划分为峰丛洼地区和峰丛谷地区。

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

以马山岩溶地下河流域1：50000地形图为基础，应用GIS软件对流域的地形进行数字化分析，生成流域数字高程模型（图7.11）。该模型直观地反映出马山岩溶地下河流域地形地貌整体情况是东部（岩溶地下河发育上游地区）地形起伏大；整体趋势自东向西起伏变化逐步减小，自东向西，由南到北高程逐渐降低。以马山岩溶地下河流域数字高程模型为基础，进行峰丛洼地区、峰丛谷地区划分（图7.12）。

图7.11 马山岩溶地下河流域数字高程模型示意图

马山岩溶地下河流域的上游补给区及支流以峰丛洼地为主，为裸露型岩溶区类型；马山岩溶地下河流域的中、下游区以峰丛谷地为主，在谷地中，有厚度在0～5m之间的土壤层分布，厚度不一且土壤与部分裸露岩石夹杂分布在谷地之中。

图7.12 马山岩溶地下河流域峰丛洼地、峰丛谷地分区

7.3.2.1 峰丛洼地
峰丛洼地的主要特点是三个以上的陡峭山峰在一个共同的山体基座上构成峰丛，峰丛间有成群的封闭小洼地分布。峰丛洼地一般位于地势较高或分水岭地段，为马山岩溶地下河系的补给区。降雨降至地表后很快为岩溶裂隙、漏斗、落水洞等所吸收，转化为岩溶地下水，分布极为不均。
洼地，也称岩溶洼地，是指在地表碳酸盐岩岩体内，由岩溶作用形成的周边为岩溶石山体，底部较平坦，面积较大，多有土层覆盖和利于耕种的封闭负地形。岩溶洼地具有极强的汇水功能，是岩溶石山区地貌构成中的主要单元，洼地之间有峰丛正地形发育，而底部往往也通过落水洞和竖井与岩溶地下河或潜水面相通。
马山岩溶地下河流域，特别是在峰丛洼地区，地表岩溶形态十分丰富，正、负地形交错分布。岩溶地下河流域中的正地形和负地形可以用以表征地表岩溶形态——正地形包括岩溶锥状石峰、塔状石峰等，石峰表层水体的运动表现为一种放射扩散流；负地形包括洼地、盆地等，表层水体的运动则为一种辐合汇集流。因而，峰丛洼地具有典型的面状水文结构。
马山岩溶地下河流域内洼地分布相当广泛（图7.13）。从高程上看，流域内的有高位洼地、中低位洼地分布，在马山岩溶地下河系上游区的洼地主要以高位洼地为主，中下游区的洼地以中、低位洼地为主（图7.14）。
7.3.2.2 峰丛谷地
峰丛谷地中有比较开阔的谷地分布，一般位于岩溶地下河系的中上游地段，其间岩溶地下水的补给以降水为主，同时接收来自上游补给区的径流量。峰丛谷地一般沿岩溶地下河管道或主要构造线分布，谷地内往往有天窗、溶井等直接与岩溶地下河管道相连，在降雨后通常会有地表明流与地下潜流交替出现。

图7.13 马山岩溶地下河流域洼地分布示意图


图7.14 马山岩溶地下河流域地形地貌简图

谷地，也称岩溶谷地或槽谷，是指在岩溶地下河流域内分布的开阔的呈狭长状或带状等不规则的大片平地，与岩溶洼地不同的是岩溶谷地通常不具有封闭性。谷地地下往往有岩溶地下河系或岩溶管道分布，在雨季往往形成地表明流和地下潜流相互交替的特殊现象。
由于谷地分布往往受线状地貌结构和线状地质构造所影响，马山岩溶地下河流域谷地分布沿构造线、地下河管道等呈线状分布，沿线汇集水流，为典型的线状水文结构（图7.15）。

图7.15 马山岩溶地下河流域谷地分布示意图

7.3.3 马山岩溶地下河流域水文过程分析
马山岩溶地下河流域为裸露型与半覆盖型混合分布的岩溶地下河流域，对马山岩溶地下河流域的水文过程进行分析时，需要对峰丛洼地、峰丛谷地的水文过程作出详细对比分析，从而达到对马山岩溶地下河流域水文过程的全面认识。
7.3.3.1 降雨的截留、填洼
降雨过程中，植物枝叶因表面吸着力、承托力和水分重力、表面张力等作用下将降雨储存于植物枝叶表面；降雨停止后，截留水量最终耗于蒸发。影响植物截留的因素主要是植被本身的特性和气象、气候等因素。马山岩溶地下河流域峰丛洼地区主要为裸露型岩溶流域，植被覆盖条件较差，降雨的截留量很小，截留过程可以忽略；而峰丛谷地区为半覆盖型岩溶流域，谷地内有一定植被分布，因而截留过程需要考虑。
在降雨过程中，当降雨强度大于地面下渗能力时，超渗雨即开始填充洼地，当每一洼地达到其最大容量后，后续降雨就会产生洼地出流；降雨停止后，填洼量最终耗于下渗和蒸散发。影响流域填洼量的主要因素有降雨强度、流域最大填洼量、下渗和蒸散发等。
在马山岩溶地下河流域，峰丛洼地区地表形态十分丰富，正、负地形交错分布，洼地数量众多，且洼地底部有落水洞、漏斗等与岩溶管道相连，使降雨迅速汇入，故填洼量较大（图7.16）；在降雨强度很大时，岩溶管道不能及时排泄水量，致使一部分水量又通过落水洞、漏斗在洼地处易积聚成涝。而在峰丛谷地区因谷地地形较为平缓，填洼量相对较峰丛洼地区少。

图7.16 马山岩溶地下河流域峰丛洼地结构示意图

7.3.3.2 降雨的入渗补给
在岩溶地下河流域，降雨一般以三种方式补给岩溶地下河系。第一种方式是点状集中补给，通过广泛分布在洼地和谷地中的漏斗、落水洞、溶井、溶斗、地下河天窗等地表岩溶形态，以集中注入式和流入式补给。特别是在裸露型岩溶地下河流域，地表土层浅薄，基岩大都裸露，落水洞发育，使得降水多集中通过落水洞等以“灌入”方式补给岩溶地下水，该种补给方式的汇流时间短，入渗系数大，也称作“快速补给”。第二种方式是面状补给，通过地表大量岩溶裂隙，以面状入渗式补给。降雨沿基岩裂隙以“缓慢入渗”的方式补给岩溶地下水，也称作“慢速补给”。第三种方式是线状补给，沿地表岩溶谷地、串珠状的竖井、天窗、洼地等岩溶形态组合，呈线状补给岩溶地下水。
马山岩溶地下河流域的峰丛洼地区与峰丛谷地区在降雨的入渗补给上存在较大的差异。马山岩溶地下河流域峰丛洼地区以裸露型碳酸盐岩为主，其补给以极不均匀的线状渗透和管道水的集中点状补给为主；马山岩溶地下河流域峰丛谷地区谷地内有一定的土壤层分布，土壤孔隙相对均匀，以面状渗透补给为主，谷地内也有落水洞、天窗、竖井等与地下河管道直接相连，因而也存在局部点状和线状补给。
此外，在马山岩溶地下河流域峰丛洼地区还存在着一种特殊岩溶结构——表层岩溶带，它对岩溶地下水的形成、运移有重要的影响，是马山岩溶地下河流域水循环中的一个重要调蓄带[8]。它的调蓄作用表现在两个方面：一是水量上的调蓄，增加入渗补给量；二是岩溶水流过程的调蓄，即通过复杂的表层岩溶系统延缓降雨后雨水在岩溶水系统停留的时间。表层岩溶带的存在使得峰丛洼地区与峰丛谷地区的水文过程存在一定的差异，也使得岩溶地下河流域与非岩溶流域的水文过程存在很大的差异。
7.3.3.3 产、汇流
马山岩溶地下河流域以峰丛洼地和峰丛谷地为主，这两种类型在产汇流机制以及产汇流成分上存在一定的差别，通过对这两种类型的产汇流过程的分别研究，从而达到对马山岩溶地下河流域的整体产汇流情况的全面认识。
（1）峰丛洼地的产汇流
马山岩溶地下河流域峰丛洼地为裸露型岩溶区，峰丛顶部、岩溶台面、洼地周边斜坡及沟谷两岸斜坡上部、山体斜坡地带凸起等部位，常为表层岩溶带局部微型地下水域的补给区，水力坡度大，其碳酸盐岩表面风化裂隙相对发育，水动力条件优越，刚入渗地下的雨水便形成具有较高的侵蚀和溶蚀能力的地下径流；而在山地坡脚、洼地周边斜坡下部及洼地底部、沟谷的底部等部位，常为表层岩溶带地下水的排泄区。
峰丛洼地中坡地垂直剖面自上至下有裂隙带（包括表层岩溶带）、渗透带及管流带三个水文作用带。降水过程中，各水文作用带对雨水起着不同的分配和调蓄作用。超渗雨水在坡面上形成坡面流，坡面下渗水量在裂隙带内侧向运动，形成裂隙流，属快速裂隙流；裂隙带下渗水向管流带下渗，形成渗漏带，属慢速裂隙流（图7.17）。这三种水流分别以集中灌入和分散渗漏补给落水洞和地下河。峰丛洼地区的产汇流成分包括超渗地面径流、表层岩溶带裂隙流、裂隙管道流成分。峰丛洼地具有一定的蓄水作用功能主要表现在表层岩溶带、岩溶洞穴和落水洞等含水介质空隙空间。
马山岩溶地下河流域峰丛洼地由于距地下河主管道较远，进入地下河管道的时间较长；裂隙带分布较为广泛，蓄水量巨大，形成的慢速流能持续补给管道流，形成的裂隙流在没有渗透补给的情况下也能持续很久，不易断流。
（2）峰丛谷地的产汇流
在有土层覆盖或半覆盖的条件下，在山垭口、坡间低洼地带、坡脚、洼地及沟谷底部等地形相对平缓、地势相对较低的部位，由于降水的汇集和入渗条件较好，常形成较为集中、持续时间相对较长的壤中流；而在山体顶部、山脊及山体斜坡地带凸起部位等地形较为陡峻的地带，雨水入渗条件差，多形成坡面流从地面流失。
峰丛谷地内具有土壤层覆盖，垂直剖面自上而下有土壤带、裂隙带、渗流带和管流带四个水文作用带，对雨水起着分配和调蓄作用。除有坡面流和裂隙流外，因有土壤带控制下渗，并在土壤带内形成壤中流，与裂隙流合成快速裂隙流；渗漏带向岩溶地下河系主管道进行渗透，渗透流形成慢速裂隙流（图7.18）。这四种水流分别以集中灌入和分散渗透补给落水洞和地下河[9]。峰丛谷地区的产汇流成分主要包括地面径流、壤中流、裂隙流、管道流。
峰丛谷地的土壤带主要具有蓄水功能和向裂隙带渗透的导水功能，裂隙带以蓄水功能为主，渗透带及管流带则主要以导水功能为主。马山岩溶地下河流域峰丛谷地内土壤带形成的壤中流能够快速地进入岩溶管道，且峰丛谷地与岩溶地下河管道直接相连，峰丛谷地内的渗流带的水量直接向岩溶地下河管道进行渗透，因而峰丛谷地区降雨能较快转化成管道流；峰丛谷地裂隙带分布较少，其蓄水能力相当有限，裂隙流的持续性较差，在没有持续渗透补给下，裂隙流容易消失。
马山岩溶地下河流域峰丛洼地由于距地下河主管道较远，进入地下河管道的时间较长，裂隙带分布较为广泛，蓄水量巨大，形成的慢速流能持续补给管道流，形成的裂隙流就算没有渗透补给的情况下也能持续很久，不易断流，但是由于水量释放非常缓慢，损耗较大，可以推测峰丛洼地区降雨转化为岩溶地下河水量的程度较低，降雨入渗系数相对较小。马山岩溶地下河流域峰丛谷地内土壤带形成的壤中流能够快速地进入岩溶管道，且峰丛谷地与岩溶地下河管道直接相连，峰丛谷地内的渗流带的水量直接向岩溶地下河管道进行渗透，峰丛谷地区降雨能较快转化成管道流；峰丛谷地裂隙带分布较少，其蓄水能力相当有限，区内裂隙流的持续性较差，在没有持续渗透补给下，裂隙流容易消失；峰丛谷地裂隙带蓄水量很少，降雨能迅速地转化为岩溶地下河管道流，蒸发等损耗较少，转化岩溶地下河水量较大，可以推测峰丛谷地降雨转化为岩溶地下河系水量的程度较高，降雨入渗系数相对较大。
7.3.3.4 峰丛洼地、峰丛谷地水文过程对比
综上所述，马山岩溶地下河流域的水文过程特征为：峰丛洼地区有裂隙带（包括表层岩溶带）、渗流带及管流带三个水文作用带，以点状集中补给为主，少量沿裂隙分布的线状补给；峰丛谷地区有土壤带、裂隙带、渗流带及管流带四个水文作用带，以面状渗透补给为主，点状和线状补给为辅。对于马山岩溶地下河流域内的峰丛洼地、峰丛谷地在水文过程上的差别进行对比（图7.17，图7.18）。

图7.17 峰丛洼地径流形成过程简图


图7.18 峰丛谷地径流形成过程简图

7.3.4 岩溶地下河流域与非岩溶流域的对比分析
7.3.4.1 地表、地下水文结构对比
岩溶地下河流域是在地下发育有以岩溶管道、岩溶洞穴等为主的岩溶空隙空间介质体和以岩溶管道为主的主要导储水空间，并有许多落水洞、天窗与暗河水流相联系的一种特殊岩溶流域。岩溶地下河流域不仅具有岩溶裂隙、落水洞、竖井、漏斗、溶蚀洼地、岩溶天窗等地表岩溶形态，而且还有具有溶洞、地下河、岩溶通道等地下岩溶形态（表7.8），决定了岩溶地下河流域具有地表、地下双重水文结构的重要特征；由于各种通畅的溶隙、落水洞以及各种岩溶管道的存在使得岩溶地下河流域的地表水流与地下水流交换迅速而频繁，岩溶地下河流域还具有相互耦合的地表与地下水文过程的特征。在非岩溶流域除了细小的土壤空隙、岩石裂隙外，不存在大的地下空间，并且地表水文网完整，与岩溶地下河流域的双层水文结构有很大的差别（图7.19）。

表7.8 岩溶区与非岩溶地表、地下水文结构类型比较


图7.19 岩溶地下河流域水文地质双层结构与非岩溶地表水流域的对比[10]

与非岩溶流域相比，岩溶地下河流域除了受地质构造、岩性、气候等作用影响外，同时还受岩溶水文过程的作用，因此岩溶地下河流域地貌形态除了有构造地貌、岩石地貌形态和气候地貌形态外，还存在水文地貌形态。岩溶地下河流域水文地貌形态与非岩溶流域的常态流水地貌形态既有相同的一面，如流水的侵蚀作用，也有不尽相同的一面，如水的溶蚀作用。岩溶地下河流域水文地貌形态不仅表现在地表地貌形态结构上，还表现在地下地貌形态结构。在岩溶地下河流域水文地貌形态中，特殊的水文过程作用有时表现为流水侵蚀作用为主的水文地貌结构功能特征，有时又表现为流水溶蚀作用为主的水文地貌结构功能特征（图7.20）。

图7.20 岩溶水文地貌形态（流水溶蚀、侵蚀作用）示意图

7.3.4.2 水文过程对比
岩溶地下河流域与非岩溶流域在流域产流特征上存在一定的差异，其根本原因在于岩溶流域有其自身特殊的岩溶地貌形态结构和含水介质结构。一方面，在非岩溶流域中，地貌形态结构相对比较单一，大多以流水侵蚀地貌为主，不管地表起伏大小如何，地表都常常有一土壤层覆盖，壤中流是非岩溶流域必有的一种径流成分；而岩溶流域由于水的溶蚀和侵蚀特征，地貌形态结构相对多样化，再加上碳酸盐岩和侵蚀特征，地貌形态结构决定土壤层在流域空间上的分布，一般在地表坡度比较大的塔峰和缓丘上是裸露的基岩，仅在洼地盆地、谷地地带才有一定厚度的土壤覆盖层，壤中流的径流成分在岩溶流域有一定厚度的土壤层分布的地区才有出现。另一方面，在非岩溶流域，地表以下的水通常是在相对均一的空隙介质中贮存或运动，地下水运动多呈慢速流形式；而在岩溶流域，由于碳酸盐岩的可溶性，使得基岩次生岩溶裂隙特别发育，广泛存在细小溶隙以及较大的溶隙管道（细小溶隙主要具有蓄水和滞水功能，较大的溶隙管道主要具有导水作用），其分布数量众多，且空隙空间也较大（表7.9）。

表7.9 岩溶地下河流域水文过程与非岩溶流域水文过程的对比分析

7.3.4.3 径流形成过程对比
由于岩溶地下河流域具有特殊的地表、地下双层水文结构及特殊的岩溶水文地质条件，岩溶地下河流域与非岩溶流域的径流形成过程有很大的不同（图7.21，图7.22）。

图7.21 岩溶地下河流域径流形成简图


图7.22 非岩溶流域径流形成简图

2. 峰丛洼地区地下地表联合成库地下水资源开发模式——以贵州普定马官水洞地下河为例

王明章
（贵州省地质调查院，贵阳 550004）
摘要：岩溶峰丛洼地区地表和地下岩溶均极为发育，并相互连通，成为统一的、有密切水力联系的岩溶空间系统。在查清岩溶系统的基础上，充分利用地下、地表岩溶洼地与地下洞穴空间联合成库，是岩溶地下水开发利用的重要方式之一。本文以贵州省普定县马官水洞地下河为例，对该类型地下河的开发利用经验进行了总结，为岩溶地区同类岩溶水系统的开发利用提供参考例证。
关键词：地下河；开发利用；经验总结
我国西南岩溶石山区发育了大面积的岩溶峰丛洼地地貌，地表基岩裸露，岩溶洼地、落水洞等岩溶个体形态密布，地下溶洞、管道及地下河极为发育，地上与地下岩溶空间相互连通，成为统一的、有密切水力联系的岩溶空间系统。由于岩溶强烈且不均匀的发育特征，该类地区地表干旱缺水与岩溶洪涝的灾害并存，生态环境脆弱。因此，查清岩溶系统，充分利用地表岩溶洼地与地下河及岩溶洞穴空间联合修建地下水库，并尽可能将地下水开发与生态环境改善相结合，是该类地区岩溶地下水开发利用的重要方式之一。
1 马官地下水库工程概况
马官镇位于黔中高原台面上，岩溶发育造成了地表水资源极为缺乏，严重地阻碍了区内社会和经济发展；由于水质差，历史上多次引发伤寒病例。寻找并开发地下水资源，是改善当地生态环境、促使当地社会与国民经济发展的关键。
20世纪70年代，为解决马官地区干旱缺水问题，贵州省地质矿产局、贵州师范大学、成都地质学院、普定县岩溶研究站等单位在该区开展了以岩溶水资源开发为目的的科技攻关，发现并查清了水洞地下河系统的岩溶发育规律、水文地质条件、地下水动态特征及开发利用条件，提出了利用地下河空间与地表岩溶洼地联合建库、跨流域调水、水资源开发与岩溶洪涝灾害治理相结合的岩溶水开发工程方案。1990年该工程进行了实施并成功完成，解决了当地人、畜的饮水及工农业生产用水，并推动了地方经济发展和生态环境的改善，取得了良好的社会与经济效益。
2 区域岩溶水文地质条件
马官地区碳酸盐岩地层大面积分布，地貌呈溶蚀峰丛谷地，谷地分布马官集镇和农田，周边呈峰丛洼地。区内出露地层为三叠系中统关岭组第二段（T2g2），岩性为薄至中厚层石灰岩、泥灰岩夹泥岩，根据其水文地质性质详细划分为如下岩段：
（1）T2g2-1，中厚层泥质微晶灰岩、介壳生物灰岩，岩溶发育，厚120m。
（2）T2g2-2，厚91～115m。该段可进一步划分为三个亚段：①T2g2-2-1，泥岩与薄层泥质白云岩和泥灰岩互层，厚6～15m。具良好的隔水性，隔断了T2g2-1和T2g2-2-2的水力联系。②T2g2-2-2，薄至中厚层石灰岩，厚约40m，岩溶发育，含水性好，水洞地下河发育在该亚层中。③T2g2-2-3，薄层白云岩与杂色泥岩互层，厚5～10m，具良好的隔水性能，隔断了T2g2-3和T2g2-2-2的水力联系。
（3）T2g2-3，中厚层灰岩及白云质灰岩，厚约10m，岩溶发育，含水性好。
在地质构造上，马官镇处在普定复式向斜东南大新次级向斜的北西翼，岩层倾角4°～15°，构造节理发育，以走向40°～50°与310°～320°的陡倾角节理为主，马官地区地下河基本上都沿该组节理追踪发育。
马官地区岩溶水属后寨地下河系统，该系统由羊皮寨、打油寨等5条支流地下河组成，地下水总体从北东向南西径流，最后集中排泄于马关镇以南的后寨河中，汇入乌江上游支流三岔河。马官镇处在后寨地下河的上游地带，羊皮寨、打油寨地下河从北东向南西在马官谷地交会于后寨地下河主通道中（图1）。在羊皮寨、打油寨地下河之间发育了一条小规模的、高悬于谷地的水洞地下河，其出口位于马官谷地东侧坡麓地带，上游通过落水洞与冲头洼地相通，并自成系统。与水洞地下河南侧相邻为羊皮寨地下河系统，汇水区内地表多成封闭的岩溶洼地，洼地中分布农田及分散住户，在雨季暴雨后常因地下河道排泄不畅，洼地被淹没导致洪涝灾害。

图1 马官地区水文地质图

1—打油寨地下河；2—水洞地下河；3—羊皮寨地下河；4—岩溶洼地；5—地下河天窗；6—岩溶潭；7—落水洞；8—地下河及出口
3 水洞地下河系统特征
水洞地下河规模较小，总长度约740m，从出口向北东冲头洼地延伸，冲头洼地通过洼地内的落水洞与地下河相通。水洞地下河洞身断面多为矩形，高1～5m，平均3.7m，宽2～10m，平均5.4m，洞身完整，河床中少见崩塌体和沙、砾、粘土沉积物。地下河出口高程1323.056m，高于马官槽谷底15m。一般在暴雨后，冲头洼地多被积水淹没，雨停后2～3h，洼地积水通过地下河排泄疏干。地下河出口最大洪峰流量3.5m3/s，最枯为1L/s，流量动态变化极大，雨后流量衰减速度快，说明地下河系统主要以管道为空间，岩体中节理及溶蚀裂隙发育程度低，为一条单管道、单层、唯一出口为特征的悬挂式地下河。
4 工程地质条件及其库容
根据水洞地下河系统的结构，马官水库建设将地表冲头洼地与水洞地下河组合，构成了该水库统一的蓄水库盆。
4.1 库区工程地质条件分析
4.1.1 库区渗漏问题
（1）库底渗漏问题。水洞地下河发育于T2g2-2-2层位中，地下河底部分布着T2g2-2-1泥岩与薄层泥质白云岩和泥灰岩，尽管厚度小，但由于未受断裂破坏，具有良好的隔水性能，成为地下河隔水底板，隔断了T2g2-1和T2g2-2-2的水力联系。根据水化学分析资料，发育于T2g2-2层位中的水洞地下河水与下伏T2g2-1中泉水的水化学特征差异较大（见下表），进一步证实了上述结论。

T2g2-2-1隔水层上、下含水层岩溶水化学特征表　（单位：mg/L）

（2）库区侧向渗漏问题。库区南东和北西分别为羊皮寨地下河及打油寨地下河流域，经调查证实，相邻的两地下河与水洞地下河均为独立的地下河系统，其间存在地下分水岭，并且羊皮寨地下河地下水位高于马官地下河42m。因此，地下水库建成后，不会产生侧向的邻谷渗漏。
4.1.2 坝区渗漏及稳定问题
地下河为单层、单支、唯一出口，出口处岩性为中厚层石灰岩，洞径平均2.5m，洞身断面形状规则，无断层、裂隙，节理不发育，岩石完整性好，河床堆积物少。因此，洞口处是理想的地下河筑坝的坝址，坝址区稳定，绕坝及坝底渗漏的可能性小。
4.2 库容计算
4.2.1 库容空间分析
根据马官水库建库设计，水库库容分别由地下和地表两部分空间组成，按下式估算：
V＝V1＋V2
式中：V为总库容；V1为地下库容；V2为冲头洼地库容。
水洞地下河总长740m，洞身横断面高1～5m，平均3.7m，宽2～10m，平均5.4m，在不考虑地下河主通道外岩体中裂隙空间，估算地下空间为1.48万m3；冲头洼地（照片1）面积0.25km2，洼地深度平均约25m，估算有效空间约625万m3，合计626万m3。
4.2.2 水库水文分析
根据相邻的母猪洞水文站观测资料，区内最大年降水量1687.9mm，最小年降水量840.4mm，年平均1267.6mm，日最高气温32℃，最低-7℃，年平均气温15.1℃。
水洞地下河为一完整的水文地质单元（图2），属完全补给类型，单元内大气降水量除蒸发外，全部进入地下水库。

照片1 马官水库冲头洼地


图2 水洞地下河系统结构图

由于水洞地下河流域汇水面积0.47km2，枯水年份（P＝75%）产水量仅23.78万m3/a，远小于库区有效空间（625万m3），显然，流域本身产水量不足。为充分发挥水库有效空间作用，必须从外流域调水作为水洞地下河水库的补充水源。
与水洞地下河流域相邻的羊皮寨地下河流域地貌上多形成峰丛洼地，由于地表和地下排泄不畅，洼地在雨季常形成洪涝洼地，造成耕地和村民住宅淹没。该地下河滴水滩以上汇水面积1.77km2，高于水洞地下河42m，可从滴水滩处筑渠将雨季洪水引致冲头洼地，一方面补充水洞地下水库的水源，另一方面消除羊皮寨地下河流域内的岩溶洪涝灾害。
5 岩溶水开发工程
根据水洞地下河空间结构特征，采用在地下河出口筑坝堵洞，利用地下溶蚀空间和地表冲头岩溶洼地共同构成蓄水空间，地下地表联合建库开发岩溶地下水的方案。鉴于水洞地下河流域面积小，天然条件下水源补给有限，而流域内可利用蓄水空间较大的特点，设计采用渠道从相邻羊皮寨地下河流域引水调入冲头洼地，作为马官地下水库水源的补充源。
工程设计为在水洞地下河出口建拦全封闭水坝一座，从羊皮寨地下河至冲头洼地建引水渠道一条。设计渠道引水量89.87万m3/a，加上水洞地下河流域自产水量23.78万m3/a，水库库容枯水年（P＝75%）113.56万m3，特库年（P＝95%）103.13万m3。
该工程建设于1990年3月8日动工，50天即完成水洞地下河出口4m厚的圆筒拱坝一座，将地下河全封闭，堵洞成为一联合水库（图3），工程费用19.3万元，并经后期配套完成了工程实施，做到了当年施工、当年受益，是一项非常成功的利用地下地表空间联合开发岩溶地下水开发利用工程。

图3 水洞地下水库工程模型图

（引自蒋忠诚）
6 社会、经济、环境效益
该水库建成后发挥四方面的效益：
（1）解决了马官集镇及马官村5000人、1200头大牲畜的饮水问题，实现了自来水化；并解决了乡镇企业生产用水，推动了乡镇经济的发展。
（2）工程控制灌溉面积约333hm2，自流保灌面积200hm2，实现了水利化。据产量统计对比，粮食产量由原来的每公顷6000kg增至每公顷9000kg，全灌区增产100万kg。人均占有粮食从原来380kg增到471kg，增长23.9%；人均纯收入从980元增到1460元，净增480元，增长48.9个百分点。
（3）1990年以来10年内森林覆盖率由原来的8.41%增加到30.7%。石漠化土地面积明显减少。
（4）雨季将羊皮寨的洪水引出，消除了洪涝灾害对20～30hm2良田的危害。
（5）提高了居民的身体健康水平，自1990年以来，未再发生一例伤寒病例。
7 成功经验总结
细致的基础地质工作，岩溶空间资源合理和充分的利用，水资源开发利用与水害治理有机结合，是马官地下水库建设成功经验的主要精髓，并使其成为同类型地下河系统岩溶水资源开发的范例。总结该水库建设成功的经验，主要有：
（1）对基础地质工作的高度重视。工程的前期投入了大量的基础地质工作，查清了流域系统内的地质结构、岩溶特征，水文地质条件、岩溶水资源及库、坝区工程地质条件，为工程的设计和建设奠定了坚实的基础。
（2）因地制宜合理利用岩溶地区地表和地下空间结构。水洞地下河本身虽为一小规模的地下河系统，但却建成并发挥了小（一）型水库的作用。其特色在于：一是该工程设计和建设巧妙地利用了岩溶空间结构优势，将地表和地下空间结合起来，减少了地表土地的淹没，增大了蓄水的库容；二是与相邻地下水流域系统联合调度岩溶水资源，做到了水资源的充分利用，增大水库库容，扩大了效益。
（3）将水资源的开发和环境改善紧密地结合起来。该水库工程的建设，在雨季将羊皮寨地下水流域系统中部分水量引出，不但对水洞地下河系统水资源量进行了补充调节，而且对羊皮寨地下河流域系统雨季洪水起到分洪作用，从而达到消除雨季羊皮寨地下河流域的岩溶洪涝灾害，较好地起到了兴利除弊的目的。
8 结语
岩溶石山区岩溶流域系统具有小型、多样的特点，不同的地下河系统类型，其岩溶水文地质条件和开发利用条件均差别较大。岩溶水资源的开发利用，应在查清系统岩溶发育特征、水文地质条件和开发利用条件的基础上，尽可能将岩溶地下水资源的开发与环境改善、当地社会和经济的发展紧密结合起来，因地制宜地合理确定开发利用方式，才能达到最佳的效果。水洞地下水库工程的设计和建设，正是遵循了这一规律，取得了良好的社会、经济和环境效益，并为岩溶峰丛洼地区地下河系统的开发利用提供了典范。
参考文献
贵州省普定岩溶研究综合实验站.1991.普定试验场岩溶水资源模式及开发利用研究
杨立铮等.1990.中国喀斯特发育瑰丽典型研究.北京：科学出版社

3. 岩溶平原干旱区地下水资源可持续开发与利用——以广西黎塘示范区为例

唐建生1，2，夏日元1，2，李兆林1，2，徐远光2，蓝芙宁2
（1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.中国地质科学院岩溶地质研究所，桂林 541004）
资助项目：国家科技攻关2002BA901A13；中国地质调查局计划项目200310400043；广西科技攻关0133001-1。
作者简介：唐建生，男（1957—），瑶族，中国地质科学院岩溶地质研究所研究员；中国地质大学水资源与环境工程学院在读博士研究生。主要从事岩溶资源与环境研究。
摘要：从水土资源分布调查与资料分析着手，针对岩溶平原干旱区形成的基本因素、水土资源配置特征、岩溶水资源赋存与开发条件，揭示岩溶平原区发育地表、地下双层水文网和岩溶强烈发育的特点，即地下水文网与地表水文网有很高的流域边界和水流方向一致性，平原区夷平化程度较高，水力梯度平缓，以及受地下水排泄基准面的控制，地下岩溶层的厚度较小，但发育的强度高，岩溶空隙的均一性强于峰丛、峰林岩溶区。在新、老构造活动的影响下，形成了具有网络状的导储水岩溶介质系统。岩溶含水层具有较强的水资源储集和调蓄功能，在旱季，地表水枯竭或断流，地下水位下降5～8m，浅部（20m以内）岩溶含水层储集的水资源量可达300×104m3/km2。抽取地下水，增加1m水位降深，黎塘地下水系统内的岩溶平原区，可以多取水253×104m3，相当于增加2个小（一）型水库。在示范试验研究基础上，提出示范区地表/地下水联合开发、充分开发利用岩溶地下含水层的调蓄功能，采用分散浅井技术规避地质灾害，推广节水技术，提高水利利用率的岩溶区水资源可持续开发利用措施。
广西桂中地区以裸露和浅覆盖的岩溶平原为特征，主要有峰林平原、孤峰平原和峰林谷地等岩溶类型，岩溶系统表层的岩溶化极强，各类岩溶空隙构成地表物质与能量迅速渗漏转移的复杂介质结构系统。造成地表土层浅薄贫瘠，植物少，土壤结构疏松，涵、保水能力差，调节功能弱，以致处在南亚热带湿润季风气候带，降水量充沛（平均降雨量1451mm）的条件下，仍然存在严重的农田用水和人、畜饮水困难，旱灾频繁。据历年资料统计，桂中地区几乎每年都有不同程度的旱灾发生［1］。其中最大干旱年（1963年）受旱面积达29.3×104hm2；5年连续大面积干旱年（1988～1992年），平均每年受旱面积21.9×104hm2，占总耕地面积的48%，旱情对农业生产影响极为严重，为历史罕见，平均每年减收粮食18.34×104t，减收甘蔗55.41×104t，经济损失超过10亿元。可见，频繁的旱灾严重制约着本区的经济发展。岩溶平原区地下水分布广，储存量大，调蓄能力强，供水投资少［2］。作者针对岩溶干旱区的综合治理，提出了以岩溶水资源有效利用与土地资源合理利用为切入点，实施地表、地下水联合调配、开发，调整水资源与土地资源配置和农业生产结构，综合治理岩溶旱区农业生态环境技术途径。采用引水提水、水源调蓄、节水灌溉、土壤改良、高效农业、生态重建等综合治理技术进行典型示范，组织开展了“广西桂中旱片综合治理示范”和“桂中岩溶峰林平原典型水文地质调查与地下水资源示范”等项目。本文将部分示范研究成果进行总结。
1 地理、地质环境概况
1.1 自然地理、水文
黎塘示范区位于广西宾阳县东部（图1），地处东经109°02′～109°18′、北纬23°04′～23°20′之间地带。区内有铁路以黎塘为枢纽，北接柳州，西连南宁，东南通达贵港、湛江。公路交通网纵横交错，柳南高速公路呈南北向穿越本区，南捂高等级公路以东西向经过本区，交通便利。岩溶区分布面积占土地面积的66.86%，地形地貌为岩溶孤峰平原和岩溶丘陵地带。地处北回归线以南，属南亚热带季风气候区，年平均气温21.0℃，7月份气温最高，可达40.0℃，1月份是最冷月，最低气温为0.5℃。黎塘年降水量为1200～2000mm，多年平均降水量为1584mm，年内各月份降水量分布不均，多集中在5～9月份，约占全年降雨量的76%以上。

图1 黎塘示范区交通位置

区内以新埠江为主干河流，全长25km，属珠江流域红水系红水河流域清水江一级支流的次级河流，平均水力坡度3‰，由北东向西南转向北汇入清江。除主干流外，有细江支流为间歇性河流，枯水年份一般在11月至次年3月断流。主干流河流平水期流量约为4～6m3/s，主要补给源为大气降水和地下水。
示范区地势开阔平坦，基岩地层岩性为泥盆系—石炭系的碳酸盐岩，地下岩溶极为发育。地下水位埋深一般小于10m，年可利用资源量25.15×104m3/a·km2，主要用于黎塘镇工业和居民生活。区内水利工程老化，且多已废弃，农田用水多为农民自行抽取新埠河水进行灌溉，且多为漫灌方式，水资源利用效率很低。距河道较远的地带则为“望天田”和旱地，干旱缺水问题严重。
1.2 地质环境
本区岩溶含水层由泥盆系下统郁江组上段至石炭系上统的碳酸盐岩组成，非岩溶区主要分布寒武系至泥盆系下统郁江组下段的碎屑岩，部分地段近地表浅部分布有白垩系碎屑岩，局部分布厚1～10m的第四系。本区地下水主要赋存空间为碳酸盐岩溶洞管道—裂隙介质。
该区主要分布灰岩、白云岩，构造裂隙发育，根据岩性、构造、岩溶发育程度及水文地质现象等资料，含水岩组分为富含水层、中等含水层、弱含水层、相对隔水层。富含水层包括马平组灰岩、大塘阶灰岩夹白云岩、融县组下段灰岩、东岗岭中段灰岩夹白云岩；中等含水层为黄龙组灰岩白云岩、融县组上段白云岩、东岗岭上段、下段灰岩白云岩；弱含水层为莲花山组粉砂岩及榴江组上部不纯灰岩夹白云岩；相对隔水层包括榴江组硅质岩、郁江组页岩及那高岭组泥页岩。地下岩溶非常发育，据钻探揭露资料显示，在地下10～88m都有大小不等的溶洞发育，大者达7～17m，为地下水的储存、富集创造了有利条件。
本区在构造上位于广西山字型弧顶内侧，属镇龙山复背斜的北翼。地层走向大致是北东东—南西西，向北西倾斜，倾角20°～40°。由于中部凌村—志广F5断层呈北东东—南西西向一组逆断层的影响，地层有缺失和重复现象。伴随着该组断层产生的北北西—南南东向平推断层，使得中部及西部地层沿走向方向上都发生了不同程度的位移。
从黎塘镇附近点的统计资料看，高角度（50°以上）的张裂隙及剪切裂隙发育，主要是310°～340°、50°～90°两组裂隙。一般宽0.01～0.15m，长数米，可见深0.1～1m不等，多为岩石碎屑及粘土充填。部分裂隙经地下水长期溶蚀作用后，相互连通成为富水的岩溶通道。
受构造、地层控制，东南面是由中下泥盆统碎屑岩系组成的低山丘陵，标高250～650m，沟谷呈扇形向北西、北东发育，季节性有水外流，补给平原区。东部为中泥盆统至石炭系碳酸盐组成的峰林谷地，标高210～320m，基岩裸露，其间有洼地及漏斗发育，是大气降雨补给地下水的主要地带。西部、北部为孤峰平原，平原标高90～105m，覆盖层较厚。北部的平原间有一上泥盆统榴江组硅质岩组成的局部隔水层，呈北东—南西向延伸，阻隔黎塘平原地下水径流区的水力联系，形成了南部林山—白水塘富水段和北部鸦乌—石龙富水段。
2 岩溶地下水的蓄积条件
2.1 岩溶地下水蓄水建造特征

图2 黎塘地区岩溶含水层电测解译密度分布图

（据广西水文地质工程队黎塘地区电测资料编绘）
黎塘地区处于广西山字形构造前弧，主控构造为新华夏构造体系。随着中-新生带的区域构造演变，形成以NNE或NE向与NWW或NW向的两组构造控制下的碳酸盐岩单斜储水建造。岩溶含水层中溶洞和溶蚀缝隙的发育与两组构造密切相关，溶蚀洞缝的发育方向与构造裂隙展布方向相近。本区岩溶管道或地下河多沿NNE或NE向断裂带或地层接触带发育，形成地下水自北东向南西运移的主径流带，而NWW或NW向溶蚀裂隙则往往成为区域地下水向主径流带汇集的主要途径。地球物理探测结果表明，岩溶发育带具有较低的视电阻率，在黎塘地区相对较低的视电阻率地带，除了沿主要断裂带展布外，同时与本区的两组构造裂隙的岩溶化密切相关，在区域上形成网络状格局（图2），由此构成岩溶地下水的蓄积和运移网络体系。
在垂向上，地下水储存空间的分布，取决于不同深度的岩溶发育程度，受区域侵蚀基准面的影响，据钻探资料分析，孤峰平原区，基岩埋深一般4～9m，局部裸露［3］。地下岩溶随深度可分为强发育带，发育深度小于20m；较强发育带的深度为20～60m；中等发育带的深度为60～90m；岩溶弱发育带在90m之下。可见，本区岩溶水主要赋存于地下60m以内的岩溶含水介质空间。
2.2 岩溶水动态
观测结果表明，岩溶水系统中自补给区到径流区至汇水排泄区，地下水的埋藏深度变浅，地下水位的变化幅度变小（见下表）。岩溶平原区地形起伏平缓，一般3～5m，即使与水位变幅叠加，该区域的枯季地下水埋深一般小于10m，多在2～6m，降雨后水位变化滞后时间短。丰水期地下水出露地表，形成溶潭、凌或岩溶湖、季节性泉水，为推广浅井灌溉技术奠定了物质基础。

黎塘新埠江流域岩溶地下水动态观测结果表

注：为2004年丰水期至2005年枯水期观测结果。
2.3 岩溶含水层的调蓄功能
如前所述，岩溶平原区表生带岩溶发育强烈且相对均匀，岩溶管道多呈网络状；中层岩溶带未充填洞穴和管道十分发育，侧向水流通畅。经过长期发育演化，岩溶平原岩溶系统内部结构有序度已达到最佳状态［4］。在本区主要表现为：岩溶水系统的径流排泄区具有孤峰平原特征，岩溶平原面起伏高差小，一般2～6m，接近水平的二维平面；地表和地下水文网的流域面积和水流方向已趋向一致；平原区地层的夷平化程度，与其含水性能和形成地下暗河的性能好坏相对应，强岩溶含水层在地表已基本被夷平，仅遗留极个别孤峰。岩溶储水建造由岩溶化强的溶洞管道—裂隙介质构成，具有较均一的地下水导储网络，宏观上起着汇聚和储存地下水的作用。
根据钻孔揭露情况，岩溶发育具明显垂直分带性（图3），浅层（表生）岩溶带、中层溶洞带和深层溶洞带，其深度界线大致在地面之下20m以内、20～60m和60～90m，在90m以下岩溶发育微弱。①浅层岩溶带（0～20m段）以溶沟、石牙、漏斗为主，溶隙宽大，多与浅部风化裂隙重叠，溶洞管道发育，总岩溶率高，但充填强烈。②中层溶洞带（20～60m段）平均总岩溶率下降，但空洞率增大至4.5%，以充水的溶洞、溶缝为主。洞穴形态的特点之一是串珠状发育，即由较宽阔的洞穴和相对狭窄的喉结相间组成，喉结的瓶颈效应限制着表生带碎屑物质下移，从而形成充填程度较低的中层溶洞带。由于岩溶发育程度相当高，洞穴管道连通性好，侧向水流通畅。③深层溶洞带（60～90m段）对该深度段岩溶研究程度低，洞穴管道主要沿大型近直立的结构面（岩性或构造）发育，管道的孤立性表现渐趋明显，岩溶发育不均一性加强。

图3 黎塘地区溶洞发育垂直分带

（据广西地质局贵县幅1/20水文地质调查报告修改）
从钻孔抽水试验可知，含水层释放的水量实际上表示岩溶含水空间充填物质——水、气交换，对于浅埋藏、开放型的含水层岩溶介质空间，当所含水分析出并充气时，它就具有再充水的功能。由上述可知，本区岩溶含水层厚度可达90m，较强岩溶带发育深度达50～60m，而自然条件下的年际水位变幅一般小于10m，可见自然条件下，岩溶含水层以充水为主，含水介质空间的水、气交换只占用了约20%岩溶空间，仍具有很大的调节潜力。
根据本区钻孔抽水试验结果分析，浅层岩溶带和中层岩溶带平均给水度分别为0.022、0.015。对浅层岩溶带而言，相当于每米厚度有22mm水柱的调蓄能力；20m厚的浅层岩溶带整体调蓄能力相应为440mm（相当于44万m3/km2），相当于当地年平均降雨量（1584mm）的27.8%，表明具有较强的地下水调蓄的能力，水位下降1m，形成的调蓄空间达2.2×104m3/km2。
2.4 岩溶地下水资源状况与开发潜力
黎塘新埠江地下水系统是一个具有边界完整封闭、相对独立的补给、径流、排泄水流循环系统，岩溶含水介质具有溶蚀管道-裂隙特征，岩溶储水建造接受大气降水和系统内非碳酸盐岩地区地下水的侧向补给。
根据多年平均降水量计算，黎塘新埠江地下水系统的降水资源量为6.50×108m3/a，该区多年平均径流总量3.18×108m3/a，水库蓄水量0.062×108m3/a，地下水系统的天然资源量为（1.65～1.68）×108m3/a，地下水可利用资源量为0.69×108m3/a，探明可采资源量0.44×108m3/a。
目前，该区地下水开采，主要用于生活饮用、工业生产及农田灌溉，地下水开采已形成了一定规模，主要集中在黎塘镇人口、工业密集分布区，开采方式以机井为主，少数挖大口井或直接提取天然岩溶水点的地下水。据调查统计，全区仅以机械抽取（2002年）地下水的开采量达0.082×108m3/a，其中生活饮用水约占47.4%，工业生产用水占32.8%，农田灌溉用水占19.8%；利用民井分散取水方式，用于农村人、畜供水的地下水开采量达0.062×108m3/a，每年地下水开采量共计0.144×108m3/a，占探明地下水可采资源量的32.7%。地表水开采量0.73×108m3/a，其中生活和工业用水占21.5%，农业用水占78.5%。
由上所述，黎塘新埠江流域地下水系统的降水资源总量多年平均达6.50×108m3/a，平均年径流量3.18×108m3/a，其中地下水天然资源量为（1.65～1.68）×108m3/a，探明的地下水可采资源量0.44×108m3/a。目前已开采的地表、地下水量为0.908×108m3/a，占平均年径流量的28.55%；已探明地下水资源中还有2/3未利用，可见该区的地表、地下水资源仍具有较大的开发利用潜力。
3 岩溶平原区水资源有效利用措施
黎塘镇耕地面积5267hm2，其中水田3267hm2，旱地2000hm2。现有水库的总库容803万m3，电灌站总装机容量120万kW，设计总灌溉面积367hm2。由于水库工程老化失修、干渠及配套设施水毁渗漏，没能发挥应有的灌溉效益，致使367hm2保水田变成单造田，有647hm2水田改成旱田。每年缺水量为340万m3。研究区内，地下水与地表水水力联系密切，本区地表水和地下水为一个不可分割的系统，开发利用地下水应上下统筹考虑。因此，地表水与地下水合理安排，才能做到有效地合理地利用水资源，提高防旱抗旱能力，保障水资源的持续利用［5］。
3.1 地表、地下水联合开发，强化地下水防旱抗旱功能
水系统的物质循环，最重要的是水的循环，大气降水、地表水、地下水三者之间在一定尺度空间下产生水量的交换和运移。地表水与地下水通过岩溶裂隙、管道相互转化，并且随季节而变化。枯水期，地下水补给地表水，成为河道的基流；洪水期，地表水通过岩溶管道倒灌，补给地下含水层，使地下水位升高［6］。而岩溶水系统的地下储水介质空间是有限的，降水补给量超过其储集能力时，地下水溢出地表，通过地表径流排出系统。在枯水季节，大气降水急剧减少，区内新埠江地表水均由地下水排泄所补给，上游支流随着地下水位下降河道干枯、断流。这段时间是该区旱情高发季节，地表水资源不足，地下水资源是农业生产的唯一供水水源。在此条件下，开展地表、地下水联合开发，地表水采取泵站提水，地下水则兴建与灌渠或耕地配套的浅井群网，建立水田-旱地复合灌区。在旱象发生时或枯水季节，采用浅井抽取地下水，保障农田和旱作蔬菜、瓜果生产供水。
3.2 充分开发利用岩溶地下含水层的调蓄功能
岩溶平原区地形平坦，地下水埋深较浅，天然露头较少。地下水分布的基本特征是东北部峰林谷地区地下水埋深较大，多在10～15m。天然露头以溶洞、竖井为主，在和吉一带向峰林平原过渡区，地下水天然露头以溶井、溶潭（凌塘）为主。黎塘一带以孤峰平原为主，地形平坦开阔，除见到一些溶潭外，河流两岸可见到岩溶泉、地下河出口，地下水埋藏浅，多在2～8m，地下水的基本运动规律是以峰丛山区为补给区，峰林平原为径流区，孤残峰平原则为溢出带。如前所述，受区域排泄基准面控制，钻孔揭露本岩溶平原区的岩溶含水层厚度可达90m，较强岩溶带发育深度达50～60m，而自然条件下，随季节变化从含水层中排出地下水而形成的调蓄空间只在地面以下的8～10m之内，可见对于整个岩溶含水层来说，含水层的调蓄功能只发挥约20%的作用。
根据岩溶含水介质系统调蓄功能分析结果，如果抽取地下水，使得水位多下降1m，形成的调蓄空间达2.2×104m3/km2，本地下水系统内岩溶平原区面积约115km2，地下水开采增加1m的降深，可以多取水253×104m3，相当于增加2个小（一）型水库。而所需补充的水量仅为本区径流资源量的8‰或地下水可开采资源量的3.7%。
3.3 科学布井，合理开发浅层岩溶水资源，规避地质灾害风险
根据岩溶平原区岩溶发育规律和地下水系统介质结构特征，按照地下含水层的管道-裂隙网络兴建浅井灌溉体系，采用浅井、大口井等开发方式，解决旱片灌溉用水。分散布井，开发浅层地下水，具有规模小、投资省、见效快等特点。同时，可以避免水源区局部形成大降深，地下水位强烈变化，有利于激发地下含水层的调蓄能力和地下水回补，可以避免岩溶塌陷产生所造成的危害。
3.4 推广节水技术，提高水利利用率
岩溶平原区耕地面积广、人口密度大，水资源供需矛盾突出。农业用水量占水资源总量的2/3，现有农田水利工程大部分于20世纪五、六十年代建设，设计标准低，运行时间长，输水渠道年久失修，田间配套斗、支渠不全或破损、渗漏严重，水利有效利用率低，有效灌耕比低于30%［6］，平均灌溉水有效利用率仅在40%左右。因此，必须坚持开源与节流并重的原则，在重视兴建新水源工程的同时，加强节流、节水水利工程建设，推广节水农业技术，提高抗旱能力。主要包括①灌区节水灌溉渠道网络配套工程，健全灌区斗、支渠防渗渠道系统，提高供水利用率，增加有效灌溉面积。②旱地节水灌溉工程，采用喷灌、管灌、滴灌技术，解决甘蔗、蔬菜、果园灌溉。旱地分布区往往是地表水利工程的水尾区，灌溉水源多采取地下水，其供水成本较高。通过旱地种植园区建设，引进高效优质作物品种，采用节水灌溉，提高单井灌溉面积和供水增值率，以获取更大的经济效益。③农艺节水技术推广，采用地膜种植技术，解决春、秋季节降水不足，防止强烈蒸发，保水保肥，保障作物生长；引进耐旱新品种，针对本区秋旱频率高、旱象严重的特点，选育或引进成熟早或生长期短、适应性强的优质作物品种，避免旱象影响的同时获得好的生产效益；调整种植结构，改两季水田种植为水旱交替种植，改善秋季耕作需水与供水资源的矛盾，水稻种植安排在雨季，降水资源丰富，引进高产优质品种，保障粮食生产；旱作种植蔬菜、瓜果等生长过程中不需要短时间大量供水的作物，可充分利用地下水含水层的调蓄供水功能，从时间上调整水土资源配置，达到防旱抗旱效果。
4 水资源有效利用示范
在示范区的核心示范片——吴江村，开展地表、地下水联合开发与浅层地下水含水层调蓄示范。该村处于岩溶平原区，发育季节性地表河溪，河床到地面2.5～3.5m，是本区农田供水的主要水源。据访，一般年份断流2个月左右，枯水年份9月开始流量剧减，11月中旬至次年3月初断流。因此，秋冬农业生产依赖于地下水源供水，岩溶含水层为石炭系下统夹薄层泥灰岩的中厚层白云质灰岩、白云岩、灰岩，富水程度中等，为岩溶管道-裂隙水。地下水埋深0.5～6m。设计开展地表、地下水联合开发，地表水采取泵站提水，地下水则兴建浅井群网，建立水田-旱地复合灌区。
该示范片现有人口3370人，有耕地面积354hm2，其中水田137hm2、旱地217hm2，项目实施以来，先后投资320万元，修建一个地表水提水站，配套建设6000m的三面光防渗引水渠道；开挖六处地下水浅水井，修建一个100m3的蓄水池和约27hm2的管灌管网，确保了农田的正常灌溉。实现有效灌溉面积233hm2，从而彻底地改变了该村以往“靠天吃饭”的状况。在此基础上，开发20hm2的经济果林示范基地和167hm2优质蔬菜基地，农业种植形成了水稻、蔬菜、玉米、糖蔗、水果的多元结构。通过示范工程项目的实施，并不断地引进新品种、新技术，并以特色品种注册了“桥美萝卜”品牌。由于改善水源和灌溉条件，2004年种植白萝卜、胡萝卜200多hm2，平均产量52500kg/hm2，比2001年增产40%，家家建起了“萝卜楼”；玉米平均产量6750kg/hm2，比2001年增产50%。通过水资源有效利用开发示范，使该村委的农业经济发展较快。2004年农民人均纯收入2302元，比2001年增加682元，年增长率达14%。
5 结论
岩溶平原区发育地表和地下水网同时并存的双层水文网。因旱期盆地抬升与后期排泄基面下移，岩溶水向下切蚀形成地下河道，与谷地表面地表河网构成双层排泄系统。雨季河水位顶托，盆地地下水位上涨，埋深仅0.5～1m，甚至溢出地面与地表河相连。旱季，地下水回落，地表尚有一定降雨径流，形成间隔5～8m的双层排泄。最枯季节，地表河断流干涸。地下水沿岩溶管道、裂隙运移排泄。该区NE断裂构造和NW向挽近期构造裂隙十分发育及岩溶化也较为强烈，为地下水的赋存提供了良好的空间；受排泄基准面控制水力梯度很小，径流缓慢。地下水埋层浅、回补快、水质优，开发条件优越。近期年开采量不足总量的5%，应加大地表、地下水联合开发力度，充分发挥岩溶含水层的调蓄功能。
采用浅井、大口井等开发方式，属微型水利，群众有建设能力，地下水开发具有规模小、投资省、见效快等特点。在干旱区建设供水系统，按照地下含水层的管道-裂隙网络兴建浅井灌溉体系，解决旱片灌溉用水，供水保证率和利用率高。可以通过行之有效的“以奖代补”政策等刺激措施，实行“谁建设、谁拥有、谁管理、谁受益”的优惠政策发动群众兴建，以降低投资风险和管理风险，形成规模化效益。但地下水开发应适度进行，原则上控制在可采资源量的75%，即年开采规模0.52×108m3以内，可大大缓解农业灌溉、中小型企业生产用水和农村生活用水的矛盾。从该区水文地质环境条件看，不宜过分集中开采地下水，避免出现降落漏斗，发生地面塌陷等地质灾害问题。
参考文献
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4. 贵州巨木地下河水资源开发利用研究

王伟，王明章
（贵州省地矿局，贵阳 550004）
摘要：巨木地下河流域是贵州南部裸露型岩溶石山区地下河的典型代表之一。流域系统中既有丰富的地下水资源，又有脆弱的岩溶环境导致的岩溶干旱、岩溶洪涝及石漠化等生态环境问题。本文以“贵州省典型流域地下水开发与地质环境整治示范”项目成果为基础，从地下水开发与生态环境保护和治理相结合的角度，探索并总结以地下水开发为龙头的流域生态环境改善的途径，提出了“兴利除弊”的地下河开发利用方案，对同类型地下河开发以及生态环境整治具有的指导性。
关键词：地下河流域；地下水开发；生态环境治理；研究
巨木地下河发育于贵州高原向广西峰林平原过渡的高原斜坡地带，系贵州南部斜坡峰丛洼地型岩溶流域中大小井地下河系统内小井地下河系的支流之一，流域总面积128.4km2。流域内岩溶发育强烈，地表水资源缺乏，以石漠化为主的地质环境问题较为突出，生态环境脆弱。该地下河出口下游地带的平塘县塘边、克渡两镇，尽管地形较为平缓，人口、耕地集中，但却成为国家级重点扶贫区。其中，工程性缺水是导致其社会经济发展水平长期处于相对落后状态的重要原因。至今区内约667hm2耕地仍为“望天田”，1.6万余农村人口及1万余头大牲畜还在饱受缺水之苦。因而，研究并开发巨木地下河，对改善当地生态环境和促进社会经济的发展意义重大，同时还可对同类型地下河流域地下水的开发产生较强的指导意义。
1 地质条件和岩溶发育特征
巨木地下河流域出露地层为二叠系下统茅口组（P1m）及栖霞组（P1q）、石炭系上统马平组（C3mp）、中统黄龙组（C2hn）、下统大塘组一段与二段（C1d1-2）及摆佐组（C1b），出口段为二叠系上统吴家坪组（P2w）。其中大塘组一段和吴家坪组为碎屑岩，其他地层则为碳酸盐岩。
巨木地下河流域所处的大地构造位置为舒缓的雅水背斜与克渡向斜的复合部位，岩层倾角平缓。区内NE向断裂以及NE、SE两组“X型”节理发育，控制了系统内地下河管道的展布格架。沿地下河管道延伸方向，地下河天窗、竖井、溶洞、岩溶洼地、落水洞等岩溶个体形态分布密度大，岩溶作用的向深性和叠加性特点显著。
2 地下河系统特征
2.1 系统平面结构
巨木地下河系统平面形态为树枝状，由抵塘、望窝及西混三条支流组成（图1）。

图1 巨木地下河流域水文地质略图

1—流域边界；2—地下河出口及管道；3—地下河天窗；4—竖井；5—岩溶潭；6—地下水流向；7—地层代号及地层界线；8—性质不明断层与推测断层；9—背斜
（1）抵塘支流。由北西向南东径流。上游地区，碎屑岩类地层与碳酸盐岩类地层相间分布，地下河呈明、暗交替状；中下游碳酸盐岩类地层出露区则为暗流。
（2）望窝支流。地下河穿行于石炭系大塘组（C1d）、摆佐组（C1b）、黄龙组（C2hn）及马平群（C3mp）碳酸盐岩类地层中，全程为暗流，地下水水位埋藏较深，地下河管道沿线，地表岩溶洼地呈串珠状排列，漏斗状洼地及落水洞发育密集。
（3）西混支流。自北向南径流，沿途明、暗流交替频繁。流域上游，地形相对平缓，地貌组合类型为峰丛谷地，谷地内地下水水位埋藏较浅，有水竖井、地下河天窗、地下河出口及伏流入口等天然水点分布较多；中下游至出口段，地下河全部转为暗流。
巨木地下河系统各支流在流域下游的水淹坝洼地内汇集。其中，抵塘、望窝支流汇合后集中排泄于巨木村，狭义上称为巨木地下河，流域面积83km2；西混地下河排泄于大洞脚，流域面积45.4km2，两出口间相距约0.4km。
2.2 系统空间结构
巨木地下河系统各支流管道沿线，地表发育的地下河天窗、有水竖井较多，由发育规模为高数米至数十米，宽数十厘米至十余米的地下廊道、洞穴等相连，其空间形态复杂多变，局部呈深潭状，在支流汇合的水淹坝洼地则形成网络状（图2）。
2004年10月，巨木地下河系统下游河段开展了以食盐为示踪剂的地下河示踪试验。在地下河出口地下水中检测到的Cl-质量浓度时间历时曲线呈多峰、舒缓状（图3），反映了地下河系统具多枝、网络状特征。而Cl-质量浓度衰减时间长，则反映了地下河试验段水力坡度较平缓及地下河中下游段发育有潭状的储水空间。因而推测巨木地下河系中下游段地下河管道空间由众多形态极不规则的廊道、溶潭以及溶蚀裂隙组合而成。

图2 水淹坝洼地地下管道网络示意图

1—地下水主管道；2—地下河支管道；3—洼地边界；4—地下河入口；5—地下河出口；6—有水竖井；7—落水洞
2.3 系统地下水水动力特征
通过对地下河中下游段纵剖面（图4、5）的分析：
（1）西混支流。西混谷地中水位标高845m，水淹坝为840m，地下河出口水位标高815m；西混谷地与水淹坝谷地相距2.1km，水力坡度2.38‰；水淹坝谷地至地下河出口长1.4km，水力坡度17.9‰。
（2）抵塘支流。拉扫谷地地面高程850m，谷地中水位标高845m。地下河示踪试验投剂点KS309号地下河天窗至地下河出口距离为4.05km，投剂后首次试剂峰值检测时间为197.1小时，最后一个峰值出现在投剂后700.8小时，由此计算出地下河流速为138.70～488m/d，平均313.34m/d，水力坡度为5‰。
试验期间为“平水期”，试验成果反映了该时段地下河系统中下游地下水流速缓慢，具有类似“层流”的特征，同时也反映出强烈发育的地下河网状空间具有较强的储集和调节地下水资源的能力。
2.4 系统地下水动态特征及水资源量
大气降水是巨木地下河系统地下水的主要补给源，其出口流量曲线随降水量的变化呈现出不规则的多峰、锯齿状（图6），具有典型的气象型特征。当一次较强降水数日后，出口流量即上升到峰值，之后在较短的时间内又开始衰减。年内最大流量多现于5～6月，为7.23m3/s，最小流量出现在翌年3月，为192.87L/s，年平均流量为831.88L/s，年变化率37.5倍。
9月中下旬，巨木地下河出口流量进入衰减期，直至次年4月下旬雨季来临，衰减期约为200天。根据动态长期监测序列资料建立地下河流量衰减方程：

图3 巨木地下河示综试验Clˉ质量浓度变化曲线图


图4 西混地下河S73号天窗至出口段纵剖面示意图


图5 巨木地下河K309号天窗至出口段纵剖面示意图


图6 地下河出口流量动态曲线图

1—流量过程曲线；2—降水量过程曲线
Qt＝Q0e1-0．00914t （1）
用（1）式对整个地下河系统消耗期间地下水排泄量积分，则得出地下河系统中地下水调节资源量。

中国西南地区岩溶地下水资源开发与利用

QIt取衰减期开始的9月30 日流量478.19L/s，Qt＋1取衰减时段末4月20 日的214.52L/s，计算出α＝0.00914，最终求得V＝379.4万m3/a。
2.5 生态环境特征
纵观全区，地下河出口以上地貌均为峰丛洼地，上游地区人口及耕地稀少且分散在一些小型的岩溶洼地内，无地表水体、地下水位埋藏较深；中下游地带岩溶谷地、洼地规模相对较大，耕地及人口分布较密集，地下河多呈明暗交替，地下水位埋深较浅但动态变化较大；地下河出口以下地区地形平缓，耕地连片，村寨和人口稠密，集村镇、商贸与产粮区为一体，地表河床高程低难以利用。
岩溶干旱、岩溶洪涝、石漠化是流域内最主要的生态环境问题。
（1）岩溶干旱。普遍存在于整个流域。由于岩溶作用强烈，地表渗漏严重，致使耕地灌溉用水短缺及人、畜饮水困难，尤其以地下河出口以下克渡—塘边谷地最为严重，约667hm2耕地缺水灌溉，1.6余人口及1万头大牲畜饮水缺乏（照片1）。

照片1 巨大地下核出口下游干旱坝子

（2）岩溶洪涝。致灾原因主要是由于地下水水力坡度缓，雨季时系统上游补给量大，下游至出口段地下水水位上升后壅水，地下河管道排泄能力不足，导致岩溶谷地、洼地淹没成灾。较典型的代表是流域中下游的水淹坝洼地和西混谷地，其中连年的洪涝灾害已使水淹坝洼中的约67hm2耕地被迫荒弃（照片2）。根据巨木地下河出口流量动态监测资料，地下河出口段地下河道的最大泄洪能力为7.23m3/s，当上游来水量超过该值时，即造成水淹坝等洼地、谷地的淹没。

照片2 水淹坝洪涝坝子

（3）石漠化。系统内零星分布，但流域中下游的交岗及地下河出口以下的等大片石灰岩分布区，石漠化较为严重，并以重度为主。
3 地下水开发利用条件
系统中上游，由于人口、耕地稀少，需水量相对较小，人、畜饮水和农田灌溉用水以分散供水为主。因而可充分利用地下河径流沿线分布的伏流出口、明流河段、地下河天窗、有水竖井以及众多的表层岩溶泉。
系统中下游及地下河出口以下地带，耕地、人口分布较为集中，需水量较大。系统各支流在水淹坝洼地汇集，水量丰富，地下空间容量大，并且水淹坝洼地至出口段地下水力坡度相对较大，因此可利用地下水水位差及地下空间的调蓄能力拦蓄地下水建地下水库，同时通过提、引等工程措施综合开发地下水资源。
4 巨木地下河开发利用总体方案
4.1 地下河开发的指导思想
巨木地下河开发的指导思想不完全等同于传统的“水资源”开发。其开发利用的基本思想为：地下水开发要与石漠化及洪涝灾害的治理、土地整理、扶贫开发等国家目标紧密结合。在工程措施上，要因地制宜地将地下水开发工程与生态环境保护和治理工程相结合，从而探索以地下河开发为龙头的流域生态环境改善途径。
4.2 地下河开发方案的制订原则
系统中下游及出口以下地区是巨木地下河开发利用的重点受益区域。根据流域地质环境特征及地下河开发利用条件，其开发利用应遵守以下原则：
（1）经济可行的原则。地下水开发工程应力求投资省、运行成本低，农田灌溉尽可能采用自流引水，避免电力机械提水。
（2）因地制宜的原则。充分合理利用地表和地下岩溶空间，使宝贵的岩溶水资源得以充分利用。
（3）“提、引、蓄”等工程手段综合利用的原则。
（4）地下水资源开发与生态环境改善相结合的原则。
4.3 工程设计总体方案
地下河开发总体方案由地下水开发利用工程和生态环境治理工程两部分组成。
（1）地下水开发利用工程。根据流域地下空间调蓄能力强、地下河年平均流量大但出口高程低难以直接利用、出口下游岩溶干旱而上游岩溶洪涝以及干旱坝子与洪涝谷地地面高差不大的特点，地下水开发工程设计主要以抬高地下河水位引流为主，蓄水为辅。主体蓄水工程系利用地下空间在地下河出口筑坝拦蓄地下水成库。坝顶设计高程充分考虑了地下河出口高程（815m）仅与水淹坝洼地（845m）相差30m，为避免因地下水库蓄水后，库区洄水位高于水淹坝洼地而加剧淹没，所以限制地下水库蓄水高程为830m。地下水库水位抬升至830m高程，可采用渠引方式自流灌溉地下河出口下游塘边、克度谷地825m高程面以下的耕地；在地下水库大坝处建水轮泵站，利用水能提水供下游集镇和村寨人、畜饮水；为弥补因地下水库蓄水高程受限，库容调节不足的问题，在距地下河出口下游1.2km处的地表河谷建拦水坝拦蓄地下河出口水量形成二级蓄水水库，并设置水轮泵站，与地下水库共同构成地下水梯级开发工程。
（2）生态环境治理工程。在水淹坝洼地修建连接上游地下河天窗与下游伏流入口的排洪渠，并沿地下河出口方向开凿排洪隧道，将雨季由于地下水位抬升从洼地上游地下河天窗内涌出的地下水及洼地地表积水从大洞脚地下河出口排出，并引入灌渠灌溉下游塘边、克渡谷地825～830m高程面地耕地。排洪工程结构根据水淹坝洼地地面高程、洪水期洼地最大“积蓄水量”设计，排水高程840～835m，坡降5.6‰。
工程方案可根据当地经济实力和紧迫性分期实施，将地下水开发利用工程为第一期工程，生态环境治理开发工程为第二期工程。
4.4 地下水开发利用工程（一期工程）
一期工程平面布置见图7，总投资约为672.88万元。
（1）蓄水工程：①地下水库。地下河出口处建一座重力坝，坝高10m，坝轴线长25m，坝顶高程830m。地下水库库容63×104m3。②地表水库。大坝位于巨木地下河出口下游1.2km，坝高3.5m，坝轴线长30m，坝顶高程814.0m，设计库容10.5×104m3。坝顶设钢筋混凝土平板桥，桥面宽2.8m，承重5t。
（2）引水工程。在地下水库大坝左右两侧分别建南、北引水干渠各一条。南干渠长4.3km，与天生桥引水工程的南干渠在6＋600处交汇；北干渠长8km，含倒虹管4座，长700m，渡槽5座，长400m，引水隧洞2座，长440m，敷设φ150mm自来水供水主管道10km。

图7 巨木地下河开发一期工程平面图

（3）提水工程。克渡、塘边两镇村寨的分布高程为830～850m。在地下水库坝首设扬程100m、流量10m3/h水轮泵3台，100QJ10×100潜水电泵1台，300m3高位水池1座，用于村寨人、畜饮水并兼部分农田灌溉用水。在第二级地表水库库首设40—10型和40—6型水轮泵各1台。
4.5 生态环境治理开发工程（二期工程）
排洪渠断面3m×3m，长1.2km；排洪隧洞断面2.5m×2.5m，长900m。工程总投资约310万元。
5 地下河开发主要工程地质条件
5.1 地下水库工程条件
（1）坝区稳定性。区域地震烈度小于Ⅵ度，区域地壳稳定。根据坝基勘探，坝区无断裂构造，左坝肩为基岩山体，右坝肩为丘陵，基岩为二叠系茅口组厚层状石灰岩，岩石饱和单轴抗压强度55.740～86.007MPa，属坚硬岩类。勘探仅在ZK8号孔位孔深20余m处遇一溶蚀裂隙，全充填。坝基岩体总体完整，质量优良。
（2）坝区渗漏。坝址区地表浅部岩溶化程度较高，岩溶个体形态以溶蚀裂隙及溶孔为主，岩体内主要发育有走向北东及南东向垂直裂隙，发育密度为3～6条/5m，开启性较好，贯通性较强。但地下深部岩溶化程度低，仅局部存在溶蚀裂隙，岩体较完整（图8）。压水实验表明，岩体吸水率为0.004～0.07L/min·m2，局部为0.1617～0.1984L/min·m2（见表）。因此，坝基及坝肩需嵌入新鲜石灰岩岩体内，以防止出现坝基和绕坝渗漏。

图8 巨木地下河出口坝址横剖面图


钻孔单位吸水率统计

（3）库区渗漏。巨木地下河流域与相邻地下河之间存在的地表分水岭高程为850～1165m。根据地下河示踪试验，巨木地下河出口Cl-的质量浓度为0.05538mg/L，流域西侧布绕地下河及东侧的西混地下河各检测点水样则为0.02769mg/L，表明各地下河为相互独立的系统，不具水力联系。因此，控制蓄水高程在830m，库区产生邻谷渗漏的可能性较小。
5.2 地表水库工程地质条件
坝区无断裂构造，坝基及坝肩为二叠系茅口组厚层状石灰岩，属坚硬岩类，坝基岩体总体完整，质量优良，坝基稳定性好；岩体裂隙不发育且多闭合，仅局部存在溶蚀裂隙，岩体较完整，防渗性能总体较好。
地表水库库区为巨木河谷，为当地地下水最低排泄基准面。由于水库蓄水高度仅4m，因此库区产生邻谷渗漏的可能性小。
5.3 隧洞工程条件
包括渠系工程和排洪隧洞。隧洞区地层均为二叠系茅口组石灰岩，无软弱夹层，岩体完整性好，力学强度高，围岩稳定，工程性质较好；渠系引水隧洞高于地下水位，产生涌水的可能性小。水淹坝排洪隧洞丰水期水位于地下水位之下，平水期及枯水期高于地下水位15～20m。因此，应选择平水期和枯水期施工。
6 工程效益
至2005年底，一期工程已建成（照片3、4）。

照片3 地表二级水库工程

6.1 社会效益分析
（1）解决平塘县塘边镇和克渡镇16000余人和10000余头大牲畜的饮水问题，结束当地群众长期饮水缺乏及不洁的历史，实现饮水安全的国家目标。
（2）解决流域内及下游地带干旱缺水区800hm2农田的灌溉用水。
（3）消除水淹坝洼地和西混谷地岩溶洪涝灾害，通过土地整理，可使水淹坝洼地内约67hm2联片土地得到复耕，岩溶地区宝贵土地资源得到充分利用。
（4）将该土地资源开发与扶贫和石漠化整治工作相结合，可解决流域内及下游石漠化区19.28km2范围1500余人（现状人口平均密度78人/km2）的生态移民安置问题，为移民的生存和脱贫创造基本条件。

照片4 地下河水库开发工程

（5）对移民后的19.28km2石漠化区可实施真正意义上的封山育林、植树造林和退耕还林，实现石漠化生态环境的修复。
6.2 经济效益分析
根据平塘县水利局和农业局提供资料，地下河出口以下克渡、塘边两镇800hm2耕地保证灌溉用水后，实现粮食增收152.39万kg/a（按每年每公顷增收2250kg计算）；水淹坝洼地内约67hm2土地恢复耕种后可产粮270万kg/a，全区合计增产422.39万kg/a。按当地粮食市场价格2.40元/kg计算，仅农业生产一项每年就实现经济收入1013.74万元，其中尚不包括因地下河开发带动产业结构调整带来的其他效益。
因此，巨木地下河开发工程具有明显的综合性效益，对当地社会经济的发展、生态环境的改善以及促进当地人民的脱贫致富有着重大意义，同时还可为缺水少土的岩溶石山地区探索出一条生态环境整治的有效途径。
7 结语
地下河流域拥有丰富的地下水资源，地下河的开发既可促进社会和经济发展，也能对环境带来负面效应。过去一些地下河开发工程由于忽视岩溶环境的保护而导致工程效益不佳甚至失败。因此，地下水的开发利用必须统筹考虑整个地下河流域系统的水文地质和生态环境特征，把地下水的开发利用和流域内及相邻区域生态环境的保护和治理结合起来，并合理利用资源和环境，才能达到事半功倍的效果。
贵州省岩溶石山区拥有枯季流量大于25L/s的1130余条的地下河，巨木地下河仅是这些地下河中的一个代表，其开发利用指导思想和工程方案可作为相同类型地下河开发借鉴的实例。
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5. 岩溶地下河流域水资源评价方法选择

7.2.1 岩溶地下河流域水资源评价方法概述
目前岩溶地下河流域水资源评价的方法众多，归纳起来主要分为四大类：传统评价方法、系统分析方法、数值方法和水文模型。
7.2.1.1 传统评价方法——降雨入渗系数法、径流模数法
（1）降雨入渗系数法
根据地下水均衡原理，流域内天然状态下地下水天然补给量与天然排泄量是均衡的。流域地下水天然补给资源量，主要由降雨入渗补给以及河流、农田灌溉水入渗以及水库、渠道渗漏补给构成[3]。以降雨入渗补给为主的地下水天然补给资源量（Q补）计算公式为
Q补=100a·S·P（7.1）
式中：Q补为降雨入渗补给量，m3/a；S为计算面积，km2；P为多年平均降雨量，m/a；a为降雨入渗系数，无量纲。
（2）径流模数法
地下径流模数法是岩溶流域间接评价水资源量的一个近似方法。
岩溶地下河流域有主干和支流，有排泄出口（可以是主干的出口，也可以是支流的出口）。利用出口实测该地下河流量，并确定补给范围，即地下河径流流域面积，就可以计算出该地下河流域的地下径流模数。
应用地下径流模数法，要首先考虑岩溶地下河流域内岩溶发育程度最好是比较均匀一致，岩溶地下河的流量与其补给面积约成正比关系，其比例系数就表示单位补给面积内的地下径流量，即地下径流模数[4]。由于区域内的补给条件均匀一致，可将一个流域内各处的地下径流模数看成是定值。已知某一流域的地下径流模数和补给面积，即可求出流域的地下河径流总量。
降雨入渗系数法与径流模数法是目前生产实践中应用最为广泛的方法，上述两种方法的特点是计算简单，通过水文资料能够快速计算出水资源量。径流模数法应用过程中应注意：
1）适用条件。径流模数法适用于岩溶地下河系出露的“天窗”很少，或者埋藏较深，流量很大，水位变幅大，进行直接测流和抽水试验有困难时，可以利用少数岩溶地下河出口的流量和相应补给区面积所求得的地下径流模数去间接推算全流域的岩溶地下河系径流量。
2）径流模数法应用过程注意事项。适用于以岩溶管道为主要水流传输通道的岩溶地下河流域；所评价的水点，必须是岩溶地下河的天窗，或必须与岩溶地下河有密切的水力联系；引用地下径流模数法时必须注意季节性，枯水期和洪水期的地下径流模数可相差数百倍以上；必须调查清楚岩溶地下河流域地表、地下分水岭和补给面积，否则将影响到地下径流模数的计算精度；该方法必须适用在岩溶发育程度和补给条件较为均匀一致的区域。
7.2.1.2 系统分析方法
（1）统计方法——回归模型
根据一个或几个随机变量（如降水量、蒸发量等影响因素）的变化，预测另一个随机变量（径流量）的主要变化趋势。由一个或几个随机变量（即自变量）的变化去估计另一个随机变量（因变量）的条件平均值，（因变量）依赖于这一个或几个随机变量（自变量）而变化的方法称为回归[5]。
岩溶地下河流域径流过程的影响因素有很多，其中降雨量、蒸发量等为主要影响因素。在岩溶地下河流域回归模型中通常取降雨量、蒸发量等为自变量，径流量为因变量来构成模型。
在应用回归模型过程中，首先需要注意的是确定因变量与自变量的确存在某种内在联系；其次，因变量受多项自变量的综合影响，需综合考虑各自变量才能使回归模型更加有效地应用到岩溶地下河流域。
（2）人工神经网络（ANN）方法
ANN中每一层包含若干神经元，即信息处理元，各神经元之间用可变权重的有向弧连接，网络通过对已知信息的反复学习训练，通过逐步改变调整神经元连接权重的方法来达到处理信息、模拟输入输出关系的目的。ANN具有大规模并行结构、分布式信息存储和并行处理，良好的自适应性、自组织性和容错性，较强的学习、记忆、联想、识别等特点。它不需要知道输入输出之间的确切关系，不需要很多参数，只需要知道能引起输出变化的非恒定性因素，即非常量性参数。因此，与传统方法相比，ANN技术在处理模糊数据、随机性数据、非线性数据方面具有明显的优越性，对大规模、结构复杂、信息不明确的系统尤为适用。
以误差反向传播网络（BP人工神经网络）为例，它是一种反向传递并能修正误差的多层非线性映射人工神经网络，由输入层、输出层和一个或多个隐含层构成。在岩溶地下河流域一般以降雨量、蒸发量、水位等时序数据作为输入层，以径流量等作为输出层。通过建立输入-期望输出值来训练模型，不断修正输入输出权值，直到满足误差要求。
在应用BP神经网络过程中，需要注意输入层、输出层、隐含层的结点数的设置，一般情况下，输入层的结点数由影响岩溶地下河流域水量变化的因素（如降雨量、蒸发量等）的个数决定；输出层的结点数主要由岩溶地下河系统响应的个数所决定，一般情况下，一个岩溶地下河流域可以作为一个完整的岩溶地下河系统，输出层的结点数取值为1；而隐含层的层数与结点数则视具体情况而定。
7.2.1.3 数值方法
数值方法主要研究各种形式水资源补给量的大小，其原理是用数值方法求解地下水运动的控制方程（包括稳定流和非稳定的情况），下面以稳定流情况为例，在稳定流状态下基本方程即为泊松方程：
▽K·▽U+Q=0（7.2）
式中：U为水头函数；K为渗透系数；Q为源汇分布。
该方程反映了U、K、Q三组独立变量之间的数量关系。理论上，这三组变量中知其任意两组变量就可以求得第三组变量的解。而在岩溶地下水资源评价中，需要求解Q的分布，因此除需要知道水头函数的分布之外，还要知道区内的渗透系数或导水系数的分布。
一般情况下是通过反演方法和数值法（差分法、有限元法等）的结合来求解Q的分布：①直接反演法：适用于水头和导水系数等参数已知的情况，可由该方程直接通过数值方法求解。②调参试算法：适用于有部分水头观测资料，并不确切地掌握导水系数或渗透系数的分布的情况，该方法主要是用经验去判断计算水位和观测值的偏差并修改参数，因而对操作者有较高的专业训练要求，且效率较低。③最小二乘反演法：最为方便、高效，其基本思想是当设定导水系数或补给参数两组参数中任意一组参数时，另一组参量的分布应使计算和观测的水位偏差的平方和取最小值。
在进行数值计算过程中，需要注意的是边界条件的识别与处理以及水文地质参数的确定与验证，这些都将直接影响到数值计算的结果。
7.2.1.4 水文模型
（1）岩溶水文模型
岩溶水文模型是用系统理论从岩溶水径流的形成、转化及水量分配角度来建立水文模拟模型，它通常采用一些经验性和集总概化的方式来描述水文过程，注重系统的总体特性和功能，属于概念性水文模型中的集总参数模型。
以水箱模型为代表的岩溶水文模型，是以岩溶流域径流形成过程为基础的，下面以三层水箱串联组成的水文模型为例加以说明（图7.7，图7.8）。用第一层水箱的侧孔出流来模拟岩溶流域的地面径流，考虑到地面径流随降雨强度变化的非线性特点，可设三个侧孔，以其出流之和来模拟地面径流。用第一层水箱的底孔出流来模拟下渗水流，流入第二层水箱，成为地下径流。再用第二层水箱的侧孔出流来模拟渗入岩石裂隙中的快速地下径流和雨水降落在土壤覆盖层上产生的壤中流。用第三层水箱的侧孔出流模拟渗入岩石裂隙的慢速地下径流和降水在土壤覆盖层上形成的浅层地下径流，其底孔出流即为渗入岩石深部裂隙的水流与深层地下径流合成的基流。

图7.7 岩溶流域径流形成过程简图[6]


岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

（2）分布式水文模型
分布式水文模型集成了GIS、RS和DEM等新技术，模型的结构与传统的水文模型有较大的不同，它着重考虑基本单元之间或子流域之间的水平联系，这种联系决定了模型的总体结构。基于DEM和GIS、RS的分布式水文模型，总体结构应该包括下面的几个部分[6]。
1）数字化流域：解决模型的地形平台问题。
2）水热平衡：解决流域产流问题。
3）流域调蓄：解决流域汇流问题。
4）目标优化：解决模型参数率定和校验问题。
5）模型运行平台：解决模型的应用问题。
这五个部分既相互独立又相互联系，构成了统一的整体，由这几部分构成的模型的结构框图见图7.9。

图7.9 分布式水文模型结构框图[7]

7.2.2 岩溶地下河流域水资源评价方法比较
通过以上对各种岩溶地下河流域水资源评价方法的原理及应用条件的介绍，结合大量的应用实例，对各种评价方法的优、缺点作出比较（表7.6），便于指导在生产实践中，掌握各种方法的特征基础上，针对应用目标作出合理的方法选择。

表7.6 目前岩溶地下河流域水资源评价方法的对比

7.2.3 基于现有数据资料的岩溶地下河流域水资源评价方法选择
7.2.3.1 各岩溶地下河流域水资源评价方法应用前提
影响评价方法选择的因素包括：数据资料、水文地质条件、地理地貌环境、评价目标与要求，表7.7给出常用的岩溶水资源评价方法应用条件的对比情况。

表7.7 常用岩溶流域水资源评价方法应用条件对比


续表

7.2.3.2 基于现有数据资料的岩溶地下河流域水资源评价方法选择
根据各种岩溶地下河流域水资源评价方法的数据资料要求、适用的水文地质条件、地理地貌环境、评价目标与要求的总结，在不同的资料条件下，有以下总结：
1）对于流域资料较为完整的情况，可选用分布式流域水文模型、数值模型，需要投入一定的人力、物力，但取得的评价结果精度较高，较为准确。
2）对于流域资料中等的情况，可选用岩溶水文模型、系统分析方法，投入较小但能取得有一定精度的评价结果。
3）对于流域资料缺乏的情况，可选用传统评价方法，计算最为方便、简洁，但计算结果误差较大，适合于精度要求不高的工程计算中。

6. 峰林平原型岩溶水资源可持续开发与利用模式——以桂中新埠江流域为例

夏日元1，2，罗伟权1，2，唐建生1，2，李兆林1，2
（1.中国地质大学（北京），北京100083；2.中国地质科学院岩溶地质研究所，桂林 541004）
作者简介：夏日元（1963—），研究员，岩溶资源与环境研究中心主任，长期从事岩溶水资源和生态环境调查研究工作。
摘要：针对桂中峰林平原岩溶区水资源环境特点，提出了“挖井钻孔、节水灌溉与发展高效农业”相结合的水资源可持续利用模式。即挖井钻孔，建设抽水型地下调节水库，解决区域性干旱问题；节水灌溉，发展节水型生态农业，提高取水和供水经济效益；调整用地结构，水资源调蓄—高效种植—高效养殖—生态建设相结合。水资源开发有四方面具体措施：①碎屑岩补给区兴建山塘联合水库，解决城镇供水问题；②寻找径流带打机井，解决分散居民供水问题；③挖大口井开发表层岩溶系统地下水，解决农业灌溉用水问题；④地下水溢出带修建排涝和供水渠网，供水与防涝相结合。
关键词：水资源；可持续利用；峰林平原；桂中
桂中峰林平原岩溶区主要分布于广西中部和东北部，涉及约20个岩溶县（市），总体特征为：地形平坦，耕地连片，地下水埋藏浅，水资源和光热资源丰富，是岩溶区不可多得的农业基地。本文以广西宾阳县新埠江流域为例，在1/5万水文地质和环境地质调查的基础上，在考虑水资源开发利用与生态建设和经济发展相结合原则的前提下，进行了岩溶水资源综合开发利用规划，提出了不同岩溶环境类型区水资源开发利用方式和具体措施。并通过示范，实现了以水资源的可持续利用，支持当地社会经济的可持续发展。
1 水资源环境特征
（1）地质条件。区内出露的地层有寒武系、泥盆系、石炭系、二叠系、白垩系和第四系。以碳酸盐岩岩性为主，其分布面积占流域总面积的75%，碎屑岩分布于边缘地带。褶皱宽缓，地层产状平缓；断裂构造偏少，主要有北东向发育的4条断裂带，它们切断了向斜翼部地层，使泥盆系—石炭系的碳酸盐岩地层呈叠瓦状重复出现。这些特征控制了区内岩溶发育和水资源分布的总体格局。
（2）地形地貌及耕地资源条件。碎屑岩组成的地貌多为中高山，标高200～300m，最高峰为673m；碳酸盐岩区则为典型的孤峰、残峰溶蚀平原，标高90～105m，地势平缓开阔。土层厚度0～10m。耕地面积占土地总面积的15%～20%，其中水田占耕地的60%～70%，旱地占耕地的30%～40%。人均耕地0.08hm2左右，高于西南岩溶区平均水平。
（3）土壤特性。由于渗漏、淋溶作用强，致使土壤结构疏松，涵水、保肥能力差，调节功能弱，土壤养分流失严重。有机质含量一般小于1%～2%，土地瘦瘠，低产田地多。
（4）岩溶发育特征。岩溶发育强烈，裸露区石山峰体上多见有数层溶洞，脚洞、侧洞、穿洞和岩溶泉较为普遍；覆盖区溶蚀—堆积残丘平原上，表层岩溶系统的岩溶化极强，漏斗、竖井、落水洞、地下河天窗、溶洞和地下河管道等构成物质与能量迅速渗漏转移的复杂介质结构；局部地势较低部位常形成宽而浅的洼地，石芽、“石海”遍布。
（5）水文地质条件。地表除水系干流外，多无常年性水流。碎屑岩地区和峰丛山区为地下水的补给区，峰林平原为径流区，孤峰平原则为溢出带。地下浅部水位变动带附近横向洞穴比较发育，溶隙比较均一。地下水以分散的水平运动为主，水力坡度缓，具有基本统一的潜水位；饱水带发育岩溶地下河系统，一般汇水面积较大，以集中排泄为主，非均一性强；大气降水、地表水和地下水交替强烈，地下水动态不稳定；地下水埋藏较浅，枯季水位埋深10～30m，雨季仅数米甚至溢出地表。
（6）干旱缺水状况。降水时空分布不均，农作物需水高峰期（4～5月和9～10月）降雨量偏少，旱灾频繁。据多年资料统计，春旱出现频率为25.9%，秋旱频率为19.1%。水利设施不足，地表水利工程所需投资大、运行成本高，地下水开发利用率仅有20%～30%，耕地有效灌溉面积仅占50%左右。流域内年平均受旱面积达60万hm2，平均每年减收粮食18.34万t，减收甘蔗55.41万t，经济损失超过10亿元。黎塘镇有647hm2水田因缺水而改为旱田，每年缺水量为340万m3；和吉镇51个自然村中尚有43个自然村和镇政府所在地饮水未解决，2003年全镇种植甘蔗1800hm2，因干旱枯死近667hm2。
（7）开采地下水引起了岩溶塌陷等环境地质问题。黎塘城区目前开采地下水的单位51家，日开采地下水量4.0万m3，高峰期7.2万m3，枯水期地下水超采量3万m3/d。因超采地下水引起岩溶塌陷320多处，波及面广，危及建筑物及人身安全。
2 水资源可持续利用模式与措施
由上所述，水资源是制约桂中岩溶地区社会和经济发展的关键要素，水资源的有效利用，总体应采取联合调控的方式，水资源开发—节水利用—产业结构调整—生态建设相结合，即采取“挖井钻孔、节水灌溉与发展高效农业”模式。
2.1 挖井钻孔，建设抽水型地下调节水库，解决区域性干旱问题
该类型区开挖大口径井和钻井建机井的条件比较有利，开发投资少、周期短、取水成本低。抽水型地下调节水库的基本原理为：利用峰林平原浅层岩溶化强、储水性和透水性好的特点，在农作物需水的干旱季节过量开采中深层地下水，形成调节空库容，雨季来临后通过天然入渗而恢复地下库容。
根据新埠江流域水资源分布规律和开发现状，区内不同岩溶环境类型区水资源开发利用具体措施（图1）为：

图1 新埠江流域水资源综合开发利用规划图

1—流域边界；2—地表水系；3—地下河；4—分区界线；5—地下水开发利用点；6—兴建山塘联合水库区；7—打机井开发径流带地下水和挖大口井开发表层岩溶系统地下水区；8—修建排涝和供水渠网和挖大口井开发表层岩溶系统地下水区；9—打机井、挖大口井和供水渠网综合开发区
（1）碎屑岩补给区兴建山塘联合水库，解决城镇供水问题。黎塘镇现有居民20多万人，主要以地下水和新埠江为供水水源地。由于抽取地下水引起了岩溶塌陷等一系列地质灾害和水质污染问题，已经进行了控制开采。而东南部碎屑岩区，原有6处小山塘水库，未能有效利用。该区距黎塘镇仅2～3km，地势高出60～80m，供水条件较好。故将原山塘水库扩建并串联成联合水库，增大库容和供水能力，作为黎塘城镇居民供水水源。
（2）寻找径流带打机井，解决分散居民供水问题。流域内村民居住较为分散，一般3～4km有一个自然村，每个村200～400人。原居民饮用水源为地表低洼水塘和少量大口井，旱季干枯，农田和生活污染严重，水量和水质均得不到保证。区内泥盆系下统（D3）和石炭系下统（C3）岩性较纯，发育有富水性较好的条带状蓄水构造，在岩性接触带和断裂部位形成了地下径流带或地下河，从而具备了打深井供水的条件。可采取在分散自然村每个村打1口机井，集中供应饮用水。井深一般60～80m，水质较好；井间距3～4km，不会引起大面积水位下降及地质灾害问题。
（3）挖大口井开发表层岩溶系统地下水，解决农业灌溉用水问题。区内碳酸盐岩之上土层覆盖厚度0～10m，在土岩接触带附近及其下10m范围内存在一个岩溶发育相对较强的岩溶带，岩溶形态以溶沟、溶槽和溶蚀裂隙为主，赋存有地下水，但储水量不大。可采取打浅井和开挖大口井方式，分散利用此类水资源。井深一般10～20m，井间距50～100m。由于流域内地表水利设施不完善，无供水渠网，采取该方式开发表层岩溶系统地下水，可有效解决农业灌溉用水问题，而且成本低，带来的环境问题少。
（4）地下水溢出带修建排涝和供水渠网，供水与防涝相结合。峰林平原岩溶区地下水溢出排泄带一带，由于地势低洼，雨季地下水位一般上升到地表，产生洪涝灾害，淹没农田；而旱季地下水位又迅速下降，造成干旱缺水。此类地区宜进行农田改造，修建蓄水池塘、开挖大口井、开挖排洪沟与建设供水渠网相结合，从而既解决防洪排涝问题，又解决干旱缺水问题。
2.2 节水灌溉，发展节水型生态农业，提高取水和供水经济效益
水资源的有效利用不仅要在源头上寻找水源，合理开发，而且要在利用方式上进行攻关，提高水资源利用率。具体措施有：采取喷灌、滴灌、移动式灌溉等节水灌溉技术；进行土壤持水能力改良，包括生物蓄水保肥和保水技术，引进需水量少的高效、优质品种等，增强抗旱、减灾能力；进行产业化开发，提高取水和供水经济效益。
2.3 调整用地结构，水资源调蓄—高效种植—高效养殖—生态建设相结合
包括改良水资源和土资源配置关系，调整用地结构，扩大经济果林面积；合理调整农业产业结构，减少高耗水作物种植面积，扩大高效旱作如瓜果、蔬菜、药材等经济作物的种植面积；营造生态经济林，提高森林覆盖率和涵养水源功能，治理水土流失和石漠化，改善平原区小气候等。
3 示范成果
（1）饮用水方面。通过详细调查水文地质条件，并开展地球物理探测工作，确定了流域内可以供水的优选井位。在和吉乡的伶俐、巴窄等6个村已实施了钻探成井，村民用上了自来水，三六、大吉等村的井位也已确定。和吉乡政府所在地，由于处于地势较高的分水岭和石炭系弱含水带部位，饮用水长期未能解决，居民用水依靠用车到十多公里以外拉水。本次研究通过反复调查和勘探，发现了溶蚀裂隙型含水层，打成了1口供水井，出水量360m3/d，解决了长期缺水问题。
（2）表层岩溶系统地下水开发方面。在黎塘镇谢村桥美示范区，开挖岩溶浅井6个，井深10～20m，在土岩接触带附近和基岩顶部岩溶强风化带获得了可以供水的含水层。实现保水灌溉面积约233hm2，大大改善农业生产条件。
（3）发展节水型生态农业方面。在黎塘镇谢村桥美建成了以蔬菜为主的高效农业基地，面积达约167hm2。其内铺设节水灌溉输水管9240m，开展固定式喷灌试验约33hm2，管灌约27hm2，移动式喷灌约107hm2，实现了水资源的高效利用。
（4）调整用地和产业结构方面。引种早熟品种无核黄皮和大果枇杷约26hm2，火龙果约13hm2，甜瓜约13hm2；连片种植牧草约15hm2，在河边、村边等闲荒地分散种植6.7hm2，建良种牛养殖场2个，开展了岩溶区种草养殖业试验。
通过上述措施，不仅解决了饮用水和农业灌溉用水问题，增强了防旱抗旱能力，而且促进了农民增产增收和生态环境的良性循环。桥美示范区蔬菜总产值达1300多万元，增收20%～30%；火龙果已进入挂果期，每公顷收益达1.5万元；萝卜每公顷产量由过去的3万kg提高到现在的5.25万～7.5万kg，年产值达235万元，增收125万元。
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