烏蒙山巖溶缺水地區(qū)表層巖溶泉有效開發(fā)模式研究

，，

(四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072)

巖溶山區(qū)地層分布以碳酸鹽巖為主，強(qiáng)烈的溶蝕作用下，溶洞、落水洞、巖溶洼地、漏斗等巖溶地形發(fā)育，地表水快速滲透補(bǔ)給巖溶地下水，導(dǎo)致地表徑流量小，多數(shù)地區(qū)干旱缺水[1]。巖溶地下水具有埋藏深度大、分布不均勻、開采利用難度大的特征[2]。地表缺水和地下水資源未能得到充分利用形成了一對尖銳的矛盾，并嚴(yán)重影響了巖溶地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

烏蒙山是我國老少邊窮山區(qū)之一。包括云南、貴州、四川三省毗鄰地區(qū)的38個縣(市、區(qū))，面積11萬 km2。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖廣泛分布，以二疊系(P)、三疊系(T)、志留系(S)、奧陶系(O)和寒武系(∈)等地層為主。主要為碳酸鹽巖深山、石山，干旱缺水和石漠化嚴(yán)重。該區(qū)域是我國彝族、苗族等少數(shù)民族聚集區(qū)，發(fā)展相對滯后，農(nóng)村生產(chǎn)、生活水平低。地理位置、交通條件以及環(huán)境條件差，農(nóng)村生產(chǎn)單一，經(jīng)濟(jì)長期得不到長足發(fā)展，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展滯后。

山區(qū)群眾生產(chǎn)、生活用水主要靠溪溝、泉水解決，若遇干旱或大旱，溪溝、泉水?dāng)嗔?，基本生活飲用水就愈發(fā)困難，且長期得不到解決。表層巖溶帶會生成許多水質(zhì)優(yōu)越的天然表層巖溶泉，合理開發(fā)表層巖溶泉，對解決巖溶缺水山區(qū)人民的日常飲水問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

本文依托中國地質(zhì)調(diào)查局2014年-2015年《烏蒙山重點(diǎn)地區(qū)水文地質(zhì)填圖(摩尼幅(G48E001015))》項(xiàng)目(項(xiàng)目編碼：12120114030401)，選擇營山鄉(xiāng)仙洞村一處表層巖溶泉作為示范工程進(jìn)行開發(fā)，對該表層泉補(bǔ)徑排特征、水資源量、動態(tài)特征、開發(fā)方式等進(jìn)行研究，為區(qū)內(nèi)表層巖溶泉開發(fā)提供參考。

1 表層泉及其開發(fā)模式

表層泉為表層巖溶帶中出露的泉水，表層巖溶帶是碳酸鹽巖類巖石近地表部分因強(qiáng)烈溶蝕作用形成的具有一定規(guī)模、并由不同巖溶形態(tài)組合而成的強(qiáng)巖溶化帶，從剖面上反映，是巖溶垂向作用的第一個巖溶層，儲存于其中的巖溶水被稱為表層巖溶水[4]。表層巖溶地下水接受大氣降水補(bǔ)給，補(bǔ)給有一定保證，且循環(huán)交替速度快，水質(zhì)優(yōu)良，但地下水水量較小，多以小流量的表層泉的形式排泄，或向下補(bǔ)給下部含水層。

巖溶山區(qū)人口零星分散，村落之間距離較遠(yuǎn)，開發(fā)利用好表層巖溶水資源是解決缺水地區(qū)人畜用水的最佳方式。對表層帶巖溶泉的開發(fā)利用主要可分為利用天然露頭點(diǎn)形式和人工開挖形式，利用方式則根據(jù)不同的巖溶地貌及植被覆蓋條件又分為蓄、引，蓄、提和蓄、引、提、人工大井、人工隧洞、人工淺井、人工淺槽、人工小水窖等形式[5]。

表層巖溶泉的水資源在通常在時間上分配很不均勻，利用蓄水池蓄水，可以將雨季剩余的水量儲存下來供枯季使用[6]，即儲引法。儲引法具有是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，并能有效開采利用表層泉的一種常用的方法。對表層泉的水資源量進(jìn)行估算、合計(jì)設(shè)計(jì)蓄水池的規(guī)模，可以達(dá)到充分利用水資源、節(jié)約建設(shè)費(fèi)用的目的。

2 烏蒙山區(qū)營山鄉(xiāng)地區(qū)表層泉開發(fā)示例

2.1 地下水利用現(xiàn)狀

營山鄉(xiāng)屬于瀘州市敘永縣管轄，位于縣城南側(cè)約46 km。營山鄉(xiāng)仙洞村，農(nóng)戶居住地較分散，主要有桂花樹、皮匠鋪和窩坑3處聚居點(diǎn)，均位于石灰?guī)r裸露區(qū)的缺水地區(qū)。大氣降水沿消水洞、落水洞向下垂向徑流，區(qū)內(nèi)無地表溪流、大泉、地下河出露，地下水徑流、排泄受區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面控制，地下水埋深大，農(nóng)戶生活、生產(chǎn)用水多為分散引用表層巖溶泉水的方式。

仙洞村共有4處表層巖溶泉水源供附近農(nóng)戶使用(見圖1和表1)，農(nóng)戶一般采用直接分散引泉開采方式，S1表層巖溶泉修建2 m3水柜，枯、豐水期調(diào)節(jié)作用極差，抗干旱能力極差。

表1 表層巖溶泉示范開發(fā)區(qū)內(nèi)泉水水源基本情況一覽表

圖1 表層巖溶泉與聚居點(diǎn)分布位置圖

結(jié)合經(jīng)費(fèi)預(yù)算、用水人數(shù)、缺水情況、場地條件等綜合分析，本次表層巖溶泉開發(fā)示范工程水源主要為S1，S2表層泉作為備用水源。表層巖溶泉出露于淺部的垂直徑流帶，出露位置均高于聚居點(diǎn)(見圖2)，可通過從蓄水池引水的方式，引到農(nóng)戶家中使用。

圖2 表層巖溶泉與聚居點(diǎn)高程位置示意圖

2.2 水文地質(zhì)條件

2.2.1 巖溶發(fā)育特征

仙洞村為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)石灰?guī)r裸露區(qū)，地表溶蝕強(qiáng)烈，多沿陡傾裂隙形成溶溝、溶槽等。地表多發(fā)育巖溶漏斗、洼地，底部直徑一般10～30 m，在底部多有落水洞、消水洞與地下溶蝕管道相連。區(qū)內(nèi)發(fā)育溶洞多為干洞，洞體寬大，部分溶洞有溶蝕管道與地表相連，地表水流進(jìn)入溶洞后在溶洞內(nèi)再次進(jìn)入地下管道。

2.2.2 地下水類型及富水性

區(qū)內(nèi)地下水含水巖組為茅口組石灰?guī)r，地下水類型為裸露型碳酸鹽巖溶洞裂隙水。石灰?guī)r裂隙較發(fā)育，且可溶性強(qiáng)，在地下水作用下多形成溶蝕裂隙、管道和孔洞，地下水主要賦存于此類介質(zhì)中。區(qū)域地下水富水性好，暗河流量可達(dá)900 L/s，但受侵蝕基準(zhǔn)面控制，地下水埋深大。表層巖溶泉出露多，但流量均小于1 L/s，表層巖溶帶地下水富水性差。

2.2.3 地下水補(bǔ)徑排特征

地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，補(bǔ)給區(qū)覆蓋層厚度較薄，多為基巖出露，降水形成坡面水流后，向漏斗、洼地匯流，通過裂隙、落水洞和消水洞直接補(bǔ)給進(jìn)入石灰?guī)r巖體中。地下水徑流主要通過溶隙、裂隙，向大尺寸的溶蝕管道、地下河通道徑流，形成樹枝狀的地下河徑流形式，最終受侵蝕基準(zhǔn)面和地形切割控制，以地下河的形式排泄。

表層巖溶帶地下水主要受大氣降水的補(bǔ)給，賦存于淺表層的裂隙、溶蝕孔洞中，受地形控制向低處徑流，受地形切割及含水層下部的厚層石灰?guī)r的控制，以表層巖溶泉的形式排泄。

2.2.4 表層巖溶泉的地下水動態(tài)特征

表層巖溶泉的補(bǔ)徑排特征表現(xiàn)為：即時補(bǔ)給，短徑流，就地排泄。含水層由淺表層風(fēng)化裂隙、溶蝕孔洞構(gòu)成的含水層，一般厚度較小，降水后補(bǔ)給快速，沿地形在重力作用下徑流，徑流路徑短，受下伏較完整基巖(相對隔水層)和地形控制排泄。

擬開發(fā)利用的S1表層巖溶泉地下水動態(tài)監(jiān)測及訪問情況，表層巖溶泉的水量動態(tài)變化大，泉水受降雨影響的敏感度高，大雨后水量陡增。豐期水量持續(xù)位于高位，枯期水量減小，長時間不降雨部分泉水干涸。通過2014年8月～2015年7月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，水量枯豐比大于1:10。水質(zhì)基本無變化，部分泉水降雨后略渾濁。

2.2.5 表層巖溶泉水質(zhì)特征

對S1表層巖溶泉采集地下水樣，進(jìn)行水質(zhì)全分析和飲用水水源水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)檢測，地下水化學(xué)類型為HCO3-Ca型，礦化度一般0.17 g/L，pH值7.5，其他指標(biāo)均滿足《生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 3020-1993)一級水源水的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 表層巖溶泉水資源量計(jì)算

通過區(qū)域氣象站、自建雨量站、1處地下河和表層巖溶泉監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)(圖3)，根據(jù)比擬法分析，1#表層巖溶泉枯水期(12月～次年3月)平均流量0.075 L/s，平水期(4月、10月和11月)平均流量0.145 L/s，豐水期(5月～9月)平均流量0.725 L/s，泉水流量季節(jié)性變化幅度較大。

圖3 表層巖溶泉流量監(jiān)測與降雨監(jiān)測關(guān)系圖

水資源可開采量與泉徑流量基本一致。根據(jù)地下水動態(tài)監(jiān)測成果，依據(jù)徑流模數(shù)理論，按公式1計(jì)算可開采量。計(jì)算結(jié)果見表1。

(1)

表1 S1表層巖溶泉可開采資源量計(jì)算表

全年可開采資源量11 508 m3，但是枯豐期資源量極不均衡，枯豐比約1：12，豐水期可開采資源量占全年的83%。

2.4 開發(fā)方式評價

表層巖溶泉水資源管理的目標(biāo)是使水資源的利用量最大且水窖容積最小(開發(fā)工程設(shè)計(jì))。根據(jù)表層巖溶泉地下水可開發(fā)量、需求量、泉點(diǎn)位置、供給區(qū)位置和投資成本等因素綜合考慮，可通過儲引的方式進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)評價過程中，計(jì)算出一個滿足用水需求且經(jīng)濟(jì)的儲水容積是工程有效性的關(guān)鍵。計(jì)算過程中充分考慮泉流量、用水人數(shù)隨時間的動態(tài)變化。

其中，人均用水量參考《四川省用水定額》按90 L/人·d，泉流量通過監(jiān)測資料獲得，用水人數(shù)根據(jù)實(shí)際調(diào)查訪問，默認(rèn)該工程修建后，每個計(jì)算月水池均為滿載，計(jì)算見表2。

由表2可知，4月～11月平水期和豐水期，表層巖溶泉流量可以滿足每人每天90 L的用水定額，12月至次年3月，泉流量不能保證基本用水定額，此時，需修建儲水池解決枯水期的用水需求。

通過計(jì)算，12月至次年3月共有用水缺口97 750.8 L，若修建蓄水池，在11月末池中水量應(yīng)不少于12月至次年3月的用水缺口，11月每日可余泉水5 151.6 L，全月可余154 548 L，具備補(bǔ)充枯水期用水缺口的可開采量。因此，為解決基本用水需求，修建儲水池容積應(yīng)不小于97.75 m3,見圖4。利用原有小型蓄水池作為泉室，作為水量較大時的蓄水、沉淀池，再通過引水管，把泉水引入儲水池中。

表2 表層巖溶泉供給計(jì)算表

圖4 泉室示意圖

3 結(jié)語

表層巖溶泉是巖溶石山區(qū)的農(nóng)戶的主要水源，具有水質(zhì)好、開發(fā)難度小、經(jīng)濟(jì)效益高等特征，現(xiàn)階段農(nóng)戶多采用分散引水或修建小型水柜的方式開發(fā)利用，基本無調(diào)蓄作用，抗干旱能力差。修建儲水池進(jìn)行枯豐調(diào)蓄的方式開發(fā)，可以增加抵抗枯水或干旱的能力。在開發(fā)過程中，選擇合適、經(jīng)濟(jì)的儲水池容積，是開發(fā)效率的關(guān)鍵指標(biāo)。通過對表層巖溶泉的流量動態(tài)觀測，計(jì)算其資源排泄量及規(guī)律，調(diào)查供給端蓄水情況，通過對資源量和需求量的分析，計(jì)算儲水池尺寸，對采用儲引方式開發(fā)表層巖溶泉提供最優(yōu)方案。

[1]覃小群,蔣忠誠.表層巖溶帶及其水循環(huán)的研究進(jìn)展與發(fā)展方向[J].中國巖溶. 2005.9:250-252.

[2]蔣忠誠,夏日元,時堅(jiān)，等. 西南巖溶地下水資源開發(fā)利用效應(yīng)與潛力分析[J].地球?qū)W報(bào).2006.10:495-502.

[3]朱海彬,任曉冬,李開忠.貴州喀斯特地區(qū)表層巖溶帶水資源開發(fā)利用研究[J].中國農(nóng)村水利水電.2015.2:60-63.

[4]王偉.基于層次分析法的表層帶巖溶水資源評價方法探討——以大小井流域?yàn)槔齕J].貴州地質(zhì).2007.24:17-21.

[5]李東.貴州表層帶巖溶水特征及有效開發(fā)利用[J].金屬材料與冶金工程.2010.8:60-636.

[6]高漸飛,熊康寧,覃煥勛.基于極度干旱條件下的喀斯特峽谷區(qū)水資源利用方式[J]. 中國農(nóng)村水利水電.2015.9:119-127.