紅層缺水區(qū)地下水資源開發(fā)利用研究進(jìn)展及其現(xiàn)狀

成六三

(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 426600)

我國紅層出露面積超過80萬km2，主要分布在東部(中南和東南)、中部(四川、陜西)西北(陜甘寧、柴達(dá)木等盆地)、青藏高原四個(gè)區(qū)域.紅層成因基本上為典型的紅色陸相沉積，多形成于中生代至新生代，又特別集中在白堊紀(jì).紅層巖性較為復(fù)雜，涵蓋了礫巖到泥巖各個(gè)粒級的巖石，并可能夾有淡水灰?guī)r、石膏及巖鹽層等[1].從降雨量上，處于40—800 mm降雨量紅層主要分布在西北地區(qū)，屬于干旱—半干旱地區(qū)；處于1 000 mm以上降雨量紅層主要分布在東部和西南地區(qū)，屬于濕潤地區(qū).但實(shí)際上這些濕潤地區(qū)的水資源非常匱乏，人畜飲水較為困難，也有部分紅層地區(qū)分布“南方紅層荒漠”[2-3].如重慶紅層區(qū)人均水資源量為570 m3左右，為重慶人均水資源量的1/3，占全國人均水資源量的1/4，有近415萬人口處于嚴(yán)重缺水狀態(tài)[4-5].隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的深入實(shí)施，這些紅層地區(qū)的社會—經(jīng)濟(jì)—生態(tài)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展必然面臨水資源短缺問題的嚴(yán)重挑戰(zhàn).

紅層區(qū)人民經(jīng)過利用水資源實(shí)踐的不斷探索，形成了以小口徑機(jī)井開發(fā)淺層地下水，滿足紅層丘陵區(qū)分散農(nóng)戶家庭人畜飲水需求模式[6]，有效地緩解了紅層區(qū)缺水狀態(tài)，取得了巨大的社會效益[7].截至2017年，僅四川省和重慶市紅層丘陵區(qū)實(shí)施機(jī)井近130多萬口，解決了近1 000萬人口的飲水困難問題.但是，由于紅層特殊的巖性、地形地貌、構(gòu)造、降雨等控制的水文地質(zhì)條件[8-10]，和機(jī)井后續(xù)運(yùn)行維護(hù)[11]、農(nóng)戶不合理的開采制度以及水環(huán)境保護(hù)意識淡薄等方面原因，給這種模式的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)，如地下水水位不斷下降、棄井、水質(zhì)污染等問題[12]，據(jù)有關(guān)調(diào)查表明，機(jī)井的使用率比原來下降了30%左右，且這一下降速度趨于不斷增加的趨勢.因此，急需補(bǔ)充紅層區(qū)地下水資源開發(fā)利用的研究成果，以系統(tǒng)分析紅層缺水區(qū)開發(fā)利用的歷程和存在的主要問題，對該區(qū)的水資源可持續(xù)利用具有重要推動意義.

1 地下水資源開發(fā)利用研究的發(fā)展歷史

1.1 落后的原始取水狀態(tài)(20世紀(jì)70年代以前，如圖1A1—A3)

圖1 紅層缺水區(qū)取水水源

我國紅層缺水區(qū)主要分布在丘陵山區(qū)，由于紅層的巖性特征，降雨地表徑流很容易流失.廣大農(nóng)村的飲水方式基本上是依靠庭院附近的溪溝水、土井、泥水井等取水，衛(wèi)生條件極差[7].但也有小部分取水來自天然的泉水，水質(zhì)較好.農(nóng)業(yè)發(fā)展方面基本上是以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主，水利灌溉工程非常缺乏.這一時(shí)期中國紅層分布區(qū)地下水資源基本上處于無開發(fā)狀態(tài).

1.2區(qū)域水文地質(zhì)普查與基礎(chǔ)研究階段(20世紀(jì)70年代—20世紀(jì)末)

20世紀(jì)70年代至80年代，紅層區(qū)缺水區(qū)相繼開展了區(qū)域1∶20萬地質(zhì)和水文地質(zhì)普查，系統(tǒng)積累了紅層區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)基礎(chǔ)資料，為開發(fā)紅層區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)提供基礎(chǔ)資料支撐.

與此同時(shí)，以川中紅層區(qū)率先開展地下水資源開發(fā)利用試點(diǎn)工程，以滿足農(nóng)業(yè)灌溉水源的需求和人畜飲水困難問題，并取得了一定的效果，如四川省在1972—1973年就打井132 000口，主要利用紅層侏羅系遂寧組地下水并對其富水條件從巖性、構(gòu)造、地形地貌上進(jìn)行探討等[13].進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，四川和重慶渝西紅層區(qū)開展了1∶10萬或1∶5萬農(nóng)業(yè)供水水文地質(zhì)勘察，來緩解和解決農(nóng)業(yè)抗旱問題，這時(shí)期形成了紅層區(qū)地下水富集規(guī)律的基本認(rèn)識.如遂寧組紅層地下水主要富集于中下部泥巖的風(fēng)化裂隙帶中；遂寧組泥巖的巖性特點(diǎn)有利于蓄水裂隙的發(fā)育等[14].隨后也伴隨全國第一輪地下水評價(jià)的開展，較為深入地研究了紅層地下水資源形成條件、分布、規(guī)模以及可利用狀態(tài)[15-16].如紅層地區(qū)存在六種蓄水構(gòu)造類型：1)富含鈣質(zhì)粉、砂巖、泥巖風(fēng)化卸荷帶巖溶裂隙型；2)鈣質(zhì)膠結(jié)灰?guī)r質(zhì)礫巖裂隙巖溶型；3)紅層層間裂隙或?qū)娱g裂隙孔隙型；4)紅層與巖漿侵入接觸帶型；5)構(gòu)造裂隙及斷裂接觸帶脈狀型；6)紅層覆蓋層下部基巖型.滿足飲用水水質(zhì)要求應(yīng)從紅層古地理環(huán)境及膏鹽礦存在形態(tài)及含量考慮[17]，因?yàn)榧t層中常夾有石膏和含鹽層，而使地下水水質(zhì)變壞.其界限深度隨地區(qū)不同而有所變化.這個(gè)時(shí)期針對紅層深層地下水資源開發(fā)的認(rèn)識，井深基本上大于50 m以上，通過水文地質(zhì)鉆孔涌水量50 m3/d指標(biāo)判斷集中供水價(jià)值的指標(biāo).對淺層地下水(小于30 m)含十層被認(rèn)為貧水區(qū)，無開發(fā)利用的價(jià)值.可以看出，這一時(shí)期地下水資源的開發(fā)利用是從主要針對農(nóng)業(yè)灌溉和集中供水的角度出發(fā)的，未能針對山區(qū)分散農(nóng)戶供水進(jìn)行探討.

直至20世紀(jì)末期，隨著對紅層地下水資源的深入研究，人們對淺層地下水資源的開發(fā)利用有了更深的認(rèn)識[18-19]，在西南四川紅層區(qū)，淺層地下水水量受控于氣候、地形地貌、地表水文網(wǎng)、巖性、構(gòu)造運(yùn)動等環(huán)境因素.并且根據(jù)紅層富水的特點(diǎn)，如紅層富水具不均一性、垂向?qū)涌匦浴⑵矫娣謳约皹?gòu)造控水明顯性等富水特征.進(jìn)一步劃分了地下水類型，如地下水類型可分為風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水、孔隙裂隙層間水、斷裂帶脈狀水3種類型；在華南湖南紅層區(qū)巖性為鈣泥巖砂、礫巖和鈣質(zhì)粗碎屑巖三大類.結(jié)合水循環(huán)特點(diǎn)，地下水類型可以分為風(fēng)化孔隙裂隙水、鈣質(zhì)泥巖溶蝕溶孔水、砂礫巖孔隙裂隙層間水、灰礫巖巖溶水和斷裂構(gòu)造水共5種類型.在找水技術(shù)方法上提出了運(yùn)用3S技術(shù)和地球物理勘探手段來勘查地下水，并取得較好的應(yīng)用效果等.這一時(shí)期淺層地下水被列為重點(diǎn)研究方向，總的研究表明，不同的紅層分布區(qū)因紅層的形成條件不同，巖性及構(gòu)造的水文地質(zhì)意義差異較大.但淺層含水層供水水量基本上能夠滿足分散農(nóng)戶家庭人蓄飲水水量(<50 m3/d).這些研究成果積極地推動了淺層地下水開發(fā)利用的可能性.

1.3 2000—2011年紅層地下水開發(fā)利用理論發(fā)展成熟與實(shí)踐研究階段(如圖1B1—B3)

21世紀(jì)前十年，特別是中國地質(zhì)環(huán)境局組織實(shí)施的“西南紅層水嚴(yán)重缺水區(qū)地下勘查、地下水調(diào)查與開發(fā)利用規(guī)劃及找水打井示范”項(xiàng)目，取得了豐碩的成果[7,20-28].如西南地區(qū)總結(jié)了紅層區(qū)淺層地下水勘查的規(guī)范等，標(biāo)志著紅層淺層地下水資源開發(fā)利用是有價(jià)值的，改變了紅層區(qū)“貧水區(qū)”說法.首先，從紅層找水途徑的實(shí)踐與研究，各個(gè)紅層區(qū)都較為系統(tǒng)地研究了富水的規(guī)律及其水循環(huán)，即從構(gòu)造、巖性、地貌以及降雨的綜合關(guān)系上，分別闡述了找水地質(zhì)條件.有代表性的如圖2A-C所示；其次，紅層區(qū)淺層地下水水質(zhì)分布規(guī)律，不存在統(tǒng)一的咸淡水界面，僅在部分地層和地區(qū)的點(diǎn)上分布有咸淡水界面.最后，依據(jù)試點(diǎn)淺層地下水找水打井工程實(shí)踐，迅速推廣富水模式，取得巨大成效.這一實(shí)踐—理論—實(shí)踐的找水打井的過程，最終形成以淺層風(fēng)化裂隙水為主，主要特點(diǎn)是分布廣，埋藏淺，易開采，淡水水質(zhì)為主的特征，與紅層丘陵區(qū)農(nóng)村人口居住分散，人畜需水量相對較少特點(diǎn)等相吻合，以分散小口徑(130 mm)機(jī)井開采為主的“庭院式自來水”供水模式和小型集中供水模式.

圖2 西南紅層區(qū)主要的宜井區(qū)

1.4 2012年至今為地下水資源開發(fā)的可持續(xù)利用探討階段(如圖1C1—C3)

紅層丘陵區(qū)淺層地下水被機(jī)井開發(fā)利用5-10年后，據(jù)有關(guān)實(shí)際調(diào)查[29-30]，機(jī)井的使用率大幅度下降，其中某些地區(qū)的使用率從97%下降到56%，其可持續(xù)性引起了社會廣泛的關(guān)注.很多學(xué)者從水量、水質(zhì)和管理進(jìn)行了淺層地下水地下水資源開發(fā)可持續(xù)利用的探討.水量方面主要小于1 m3/d流量機(jī)井所占比例較大，因成井含水層時(shí)本身受巖性、構(gòu)造地形等限制，加之過度抽取，導(dǎo)致含水層供水能力下降，地下水位持續(xù)下降；在水質(zhì)方面主要受人類活動的影響，如農(nóng)業(yè)污染源(化肥、農(nóng)藥、家禽養(yǎng)殖糞便等)和土地利用等，污染淺層地下水水質(zhì)，嚴(yán)重影響了人畜飲水安全，如重慶西部的“三氮”污染物超標(biāo)占49.7%樣本，成都市紅層水質(zhì)抽樣檢測表明42%機(jī)井水質(zhì)不合格等[31-35].從管理方面主要從淺層風(fēng)化裂隙-孔隙水含水層的資源功能弱、生態(tài)功能強(qiáng)和地質(zhì)環(huán)境功能弱評價(jià)來探討可持續(xù)性[36].但實(shí)質(zhì)上地下水資源持續(xù)開發(fā)利用前提是含水層的儲存量即儲存調(diào)節(jié)功能以豐補(bǔ)歉的原則，否則含水層難以持續(xù)供水.總的來說，紅層丘陵區(qū)地下水開發(fā)利用的可持續(xù)性開始受到學(xué)者和社會的廣泛注意，但目前從點(diǎn)到面上評價(jià)，還存在缺乏一定的可靠度，地下水資源可持續(xù)利用受多種因素影響.因此，有學(xué)者建議加快推進(jìn)地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)[30]，獲得較長時(shí)期地下水動態(tài)變化過程，對區(qū)域紅層丘陵區(qū)地下水評價(jià)的可靠性具有重要意義.

2 存在問題與展望

經(jīng)過這幾個(gè)階段的發(fā)展，紅層缺水區(qū)地下水資源開發(fā)利用研究和推廣應(yīng)用取得了很大的發(fā)展，這種淺層地下水利用形成的小口徑機(jī)井供水模式在紅層丘陵缺水區(qū)已經(jīng)基本解決了人畜飲水困難的問題.但有些基礎(chǔ)理論研究、技術(shù)應(yīng)用和管理方面還需要深入研究.如紅層含水層供需平衡問題、相鄰機(jī)井相互干擾問題和機(jī)井周圍水環(huán)境保護(hù)等方面[37].另一方面，在紅層淺層地下水含水層供水能力的可持續(xù)性及其對機(jī)井周圍環(huán)境的影響等方面缺乏系統(tǒng)深入的研究[11,37].因此，當(dāng)前淺層地下水開發(fā)利用與推廣應(yīng)用要因地制宜，特別是機(jī)井的井位和井深，在不同水文地質(zhì)單元要依據(jù)巖性、構(gòu)造和地形地貌綜合確定，切忌流于形式.畢竟紅層區(qū)巖性和水文地質(zhì)條件決定了含水層供水能力有限，大部分機(jī)井流量低于10 m3/d，持續(xù)開采抽水會影響地下水位的不斷下降，所以平衡含水層的儲存調(diào)節(jié)功能成為可持續(xù)開采的關(guān)鍵.但含水層的儲存調(diào)節(jié)功能強(qiáng)弱決定于其分布面積、厚度、孔隙度、給水度和彈性釋水系數(shù)大小，因此不同成因類型的含水層或地下水的儲存調(diào)節(jié)功能強(qiáng)弱有很大的差別[38].而分散農(nóng)戶家庭需水程度也有差別，這種差別的匹配的矛盾影響機(jī)井的高效使用.這種地下水開采利用模式的持續(xù)發(fā)展要考慮其他水源量的輸入，雨水資源利用完全可以充當(dāng)機(jī)井含水層的補(bǔ)給功能，機(jī)井本來就以家庭農(nóng)戶為單元，這與以家庭庭院雨水集流系統(tǒng)非常相匹配，可以形成一個(gè)家庭擁有小口徑機(jī)井和雨水集流系統(tǒng)兩種方式供水，不僅可以解決含水層供水不足問題，而且可以補(bǔ)充一部分農(nóng)業(yè)灌溉水量，才能發(fā)揮水資源利用的最佳效益.如重慶大足區(qū)2014-2016年年雨水資源量為90 000 m2，可相當(dāng)于308口水井在0.8 m3/d流量下的年開采量.

目前，紅層丘陵區(qū)利用淺層地下水技術(shù)有效地減緩缺水程度，在找水布井方面進(jìn)行了較深入的研究與系統(tǒng)集成.但在紅層區(qū)水資源短缺背景下，如何協(xié)調(diào)與日俱增的淡水需求量和有限的淡水資源之間的矛盾，還面臨較大挑戰(zhàn).為此，建議今后淺層地下水可持續(xù)發(fā)開發(fā)利用還需要進(jìn)行以下研究：

1)開展小口徑機(jī)井工程和家庭雨水集雨工程聯(lián)合供水的模式研究與推廣應(yīng)用.從含水層供水能力分析，用雨水資源補(bǔ)充含水層儲存調(diào)節(jié)平衡.

2)研究淺層地下水水質(zhì)保護(hù)問題.從生活污染源、農(nóng)業(yè)面源污染等與機(jī)井含水層水循環(huán)的補(bǔ)給區(qū)、排泄區(qū)之間的關(guān)系出發(fā)，控制其流經(jīng)的路徑和方向，保護(hù)地下水資源免受污染.

3)紅層“打井工程”開發(fā)對社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的影響研究.社會經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)比較成熟，但生態(tài)影響較為滯后.因此，科學(xué)規(guī)劃和建設(shè)地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為客觀評價(jià)綜合效益提供數(shù)據(jù)支撐.

4)特殊水質(zhì)處理方法的研究.因紅層區(qū)有一部分水井存在高M(jìn)n/Fe水質(zhì)或鹵水[39]，所以開展處理高M(jìn)n/Fe水質(zhì)或鹵水水質(zhì)處理工藝，使其具有低成本、工藝簡單、移動方便等特點(diǎn)，這將推動農(nóng)村人畜飲水安全有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

5)現(xiàn)實(shí)研究部分家庭灌溉農(nóng)業(yè)與水資源開發(fā)利用相結(jié)合模式.