巖溶地下水庫現(xiàn)狀及保護(hù)分析

錢少甫

（貴州省盤縣水利局，貴州 盤縣 553537）

引言

貴州位于我國西南地區(qū)東部,云貴高原東部梯級狀大斜坡地帶。氣候溫暖,雨量充沛。全省多年平均降水量1191mm,多年平均徑流深589mm。多年平均水資源總量1035億立方米,其中地下水259億立方米。人均占有量(3530m3)和平均每畝耕地?fù)碛兴?3720m3)均略高于全國平均水平。

盡管水資源量豐富,但由于地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等條件的影響,貴州山高谷深,地形破碎,水資源的利用率卻比較低。同時,貴州省又是世界巖溶地貌發(fā)育最典型的地區(qū)之一,全省巖溶地區(qū)面積12.8萬平方公里,占全省國土面積的73%。巖溶地下水的發(fā)育造成我省形成“土在樓上,水在樓下”(土地在各級高原面上,水在地下河及峽谷中)的水土資源不配套的基本格局,水源漏失嚴(yán)重。地表水十分缺乏,能夠攔取的地表水量少,取水工程難度大,費用高。巖溶發(fā)育區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱,由于人類長期不合理的經(jīng)濟(jì)活動干擾破壞,大大減弱了森林水文效應(yīng),森林調(diào)蓄地表水和地下水能力不強,形成水貴如油的現(xiàn)狀。據(jù)調(diào)查,目前全省有超過150萬人存在飲水困難,每年要花費巨大精力去解決飲水問題。因此中國科學(xué)院地學(xué)部(2005)在其提交的《關(guān)于推進(jìn)西南巖溶地區(qū)石漠化綜合治理的若干建議》中特別提出“必須進(jìn)行綜合開發(fā)治理,即首先抓住開發(fā)治理巖溶水,保障人民生活的基本條件”。貴州巖溶地下水資源非常豐富,資源總量為215億立方米,占全省地下水總量的83%。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,全省流量大于50L/s的巖溶地下河和大泉2840條(個),地下河 1130 條,總長 6610km,平水期流量679m3/s,多年平均枯季流量226m3/s,全省境內(nèi)大于1000L/s的大泉9個。而整個西南巖溶地區(qū)地下河達(dá)3066條,巖溶大泉7 997個,巖溶水可利用資源量620億m3/a,而且水質(zhì)良好,開發(fā)利用前景十分廣闊。

1 巖溶地下水庫的基本原理、類型

1.1 巖溶地下水庫成庫的基本原理

對地下水庫目前還沒有一個統(tǒng)一的定義。在十九世紀(jì)美國就提出了“水銀行”(drought waterbank)的概念,后來又相繼提出了“含水層儲存和回采”(aquifer storage and recovery)和“地下水人工補給”(artificial recharge),這些概念與我國的地下水庫(underground reservoir)的概念基本相當(dāng)。一般認(rèn)為,地下水庫是指修建于地下并主要以含水層為調(diào)蓄空間的蓄水實體,它在取水、用水和調(diào)節(jié)水資源方面與地表水庫具有相似的功能。修建巖溶地下水庫的原理,就是在含水層中具有地下庫盆的巖溶地下水集中徑流帶的狹窄排泄口或排泄口之外的地表河谷,或集中徑流帶的某個部位修建攔水壩,抬高地下水位.利用含水層中的溶孔、溶隙、溶洞組成的地下空間蓄水,或與之相連的地表洼地、谷地聯(lián)合蓄水,形成地下水庫。

1.2 巖溶地下水庫的基本類型

由于對地下水庫研究還處于探索階段,因此對巖溶地下水庫的分類也沒有統(tǒng)一。將巖溶地下水庫分為封閉型和半封閉型,地下水庫的蓄水形式、調(diào)蓄能力、水源補給方式、用途和施工方式等的不同進(jìn)行了分類。根據(jù)地下水庫的定義提出先將其分為巖溶地下水庫和地表-地下水庫兩大類,然后根據(jù)水庫的庫容將其分級:

大型:庫容大于5000萬立方米

中型:庫容為1000～5000萬立方米

小型:庫容為100～10000萬立方米

小(一)型:庫容為 100～1000 萬立方米

小(二)型:庫容為 10～100 萬立方米

該分類系統(tǒng)簡單方便,實用性強。

2 巖溶地下水庫的工程地質(zhì)條件

巖溶地下水庫修建受當(dāng)時的社會經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件等的限制,從水文地質(zhì)與工程地質(zhì)的角度來說,主要考慮以下幾個方面的問題:

2.1 巖溶地下水庫的庫容問題

與地表水庫一樣,巖溶地下水庫必須有一定的庫容,才能滿足當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)或飲用水量的要求。其中地表-地下巖溶水庫的庫容計算與地表水庫類似,而巖溶地下水庫庫容的計算則要復(fù)雜得多,受喀斯特系統(tǒng)發(fā)育和勘查精度的控制。而由于喀斯特系統(tǒng)發(fā)育的復(fù)雜性,巖溶地下水庫庫容的計算結(jié)果往往精度不高。目前巖溶地下水庫庫容的計算方法有以下4種。

2.1.1 集中參數(shù)估算

其原理是根據(jù)實測水文地質(zhì)資料計算出庫盆內(nèi)巖溶地下水位平均坡降,然后根據(jù)地下水庫壩前設(shè)計水位抬升值圈定回水范圍內(nèi)的灰?guī)r面積。從勘探試驗中計算出平均巖溶率或平均給水度。將平均巖溶率或平均給水度乘以計算的庫盆體積,即可算出地下水庫的庫容。其假設(shè)條件是計算的庫盆中巖溶裂隙、管道和孔隙等的分布必須是均勻的。

2.1.2 分層計算法

與計算地表水水庫庫容相似,將庫盆內(nèi)的地下水面與地表水庫的坡面相類比,從而將各層地下水庫庫容計算后疊加而成。其應(yīng)用條件是必須要有相當(dāng)精度的勘查資料,確定出庫盆內(nèi)的等水位線。

2.1.3 幾何形態(tài)概化法

通常情況下,巖溶地下水庫的空間主要由地下河的洞腔組成,其次才是巖溶裂隙與孔隙。幾何形態(tài)概化法的基本原理就是將巖溶地下水庫的庫容分解為地下河形成的庫容與巖溶裂隙與孔隙體積之和。該法計算的精度主要取決于對巖溶地下河幾何形態(tài)及控制程度。

2.1.4 水箱模擬法

該計算方法是將庫盆內(nèi)的地下河洞腔和孔隙、裂隙一起等同于一個水箱。巖溶地下水庫的補給和排泄就等同于水箱的進(jìn)水和放水。水箱蓄水量(相當(dāng)于巖溶地下水庫的庫容)與放水量(巖溶地下水庫的排泄量)之間具有一定的函數(shù)關(guān)系,當(dāng)然該函數(shù)關(guān)系可以是線性的,也可以是非線性的。計算地下水庫的庫容就轉(zhuǎn)化為找出蓄水量與排泄量之間的關(guān)系。將某一水頭對應(yīng)的時間段的排泄量累加后,即可得到某一水頭處的蓄水量,進(jìn)而推算出地下水庫修建后所形成的相應(yīng)水頭時對應(yīng)的庫容。

2.2 巖溶地下水庫的滲漏問題

巖溶地下水庫修建之后,其滲漏問題包括3個方面,一是庫底滲漏,二為側(cè)向滲漏,三為壩體滲漏。理想的巖溶地下水庫庫盆內(nèi)的地層組成應(yīng)該是具有良好的隔水層,沒有破壞隔水層的導(dǎo)水?dāng)鄬踊蚬?jié)理,裂隙,貴州省普定縣馬官地下水庫就是一例。巖溶地下水庫的側(cè)向一般多為灰?guī)r、白云巖組成,是否產(chǎn)生側(cè)向滲漏取決于巖性、巖層產(chǎn)狀、巖體的完整性、巖溶發(fā)育程度及連通性、有無地下分水嶺及分水巖的性質(zhì)等。地下水庫修建過程中壩體修建不當(dāng)也會引起滲漏,如湖南省保靖縣白龍洞巖溶地下水庫,在上世紀(jì)70年代曾經(jīng)進(jìn)行過堵洞成庫工作,但未取得成功,不成功的原因就是蓄水后壩基被擊穿造成滲漏。

2.3 壩址選擇

受地層、巖性、構(gòu)造及地下河發(fā)育階段等因素的影響,巖溶地區(qū)地下河的發(fā)育呈現(xiàn)出不同的特點。根據(jù)地下河的平面結(jié)構(gòu)類型,鄧自民將巖溶地下河分為簡單、中等和復(fù)雜3種類型。其中簡單型地下河平面結(jié)構(gòu)為單管型,只有一個單一的出口,中等型地下河平面結(jié)構(gòu)為樹枝型,有一至兩個集中排泄口;而復(fù)雜型地下河的平面結(jié)構(gòu)則為網(wǎng)格型,集中排泄口多,分散泄流也多。從修建地下河水庫的選址來說,簡單型地下河是首選目標(biāo),其次則是中等型,復(fù)雜型地下河由于選址復(fù)雜、施工技術(shù)復(fù)雜、難度大且成功率低而極少采用。具體到壩址的選擇,則需要選擇風(fēng)化程度弱、巖石堅硬、斷層及構(gòu)造裂隙不發(fā)育的位置。

2.4 足夠的補給區(qū)域

不言而喻,要使巖溶地下水庫有足夠的水蓄積,必須要有足夠大的地下水補給區(qū)。計算巖溶地下水庫補給量的方法主要是要了解補給區(qū)域的范圍,補給區(qū)內(nèi)各種巖性的分布面積,補給區(qū)內(nèi)多年平均平均降水量,以及各類巖石的入滲量。

3 巖溶地下水庫的水質(zhì)保護(hù)問題

貴州巖溶地下水雖然多數(shù)能滿足生產(chǎn)和生活要求,但在城鎮(zhèn)、工礦集中區(qū)和人口稠密區(qū)的淺層地下水已受到不同程度的污染。由于巖溶地區(qū)地表水與地下水的轉(zhuǎn)換頻繁,加之巖溶地下水的流速一般要低于地表水,因此巖溶地下水的自凈能力較弱。即使較為偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū),由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的化肥、農(nóng)藥等的施放,巖溶地下水正在受到越來越大的威脅。Panno等應(yīng)用同位素技術(shù)研究發(fā)現(xiàn),美國伊利諾斯州巖溶地下水中較高含量的NO3主要來源于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。由于巖溶地下水庫的補給區(qū)面積較大,因此,必須對補給區(qū)地下水、地表水的水量和水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測和控制,根據(jù)地下水補給特點和周圍的環(huán)境現(xiàn)狀,合理劃定水源保護(hù)區(qū)的范圍,規(guī)范保護(hù)區(qū)內(nèi)的工農(nóng)業(yè)活動。結(jié)合石漠化防治的實施,逐步實施退耕還林還草及封山育林,加強對上游地區(qū)農(nóng)藥、化肥使用的管理和控制。大力推廣測土配方施肥法,有效減少進(jìn)入巖溶地下水中的營養(yǎng)鹽份含量,確保地表水、地下水不受污染,從而保證地下巖溶水庫的正常運轉(zhuǎn)。

[1]肖進(jìn)原.貴州巖溶大泉及地下河賦存條件、分布及特征研究[J].貴州科學(xué),2002,2:48～52