川北地區(qū)巖溶發(fā)育特征及水資源利用前景淺析
——以曾家山地區(qū)為例

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九〇九水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，四川 綿陽 621000）

曾家山地區(qū)位于廣元市朝天區(qū)東北部，地處川陜兩省的結(jié)合部之秦巴山南麓，轄六鄉(xiāng)一鎮(zhèn)，面積約580km2。該區(qū)屬巖溶臺地，碳酸鹽巖集中分布，溶洞、暗河等巖溶地貌景觀十分發(fā)育，享有“石林洞鄉(xiāng)”之美稱，隨著縣域旅游資源的持續(xù)開發(fā)，水資源短缺矛盾日益成為發(fā)展制約因素。區(qū)內(nèi)降雨充沛，水資源補給條件優(yōu)越，具有較好水資源利用前景。通過系統(tǒng)研究工作區(qū)地質(zhì)背景、巖溶發(fā)育特征、水文地質(zhì)條件、計算水資源量，為合理規(guī)劃利用水資源，促進當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展提供保障。

圖1 工作區(qū)地質(zhì)背景及主要泉點、巖溶地貌點分布圖

1 區(qū)域地質(zhì)背景

評價區(qū)地處四川盆地北邊緣，揚子準地臺之龍門大巴臺緣坳陷與四川臺坳過渡帶內(nèi)，強烈的構(gòu)造運動塑造了區(qū)域自北向南傾斜的典型地臺-地槽過渡地形，海拔標高+687～+1610m，切割劇烈。區(qū)內(nèi)構(gòu)造體系以NE50°～80°展布為主，褶皺多具下褶上疊、前滑后沖變形特征，形成復(fù)背斜及格槽式復(fù)向斜，斷層多發(fā)育于褶皺翼部及核部轉(zhuǎn)折端，以由北向南逆沖的斷裂為主。

區(qū)內(nèi)出露地層有志留系韓家店組、二疊系、三疊系中下統(tǒng)及第四系（圖1）第四系地層分布面積小；三疊系飛仙關(guān)組主要分布于南北的向斜核部，為一套淺海頁巖-泥灰?guī)r相沉積；志留系一般在局部背斜核部或溝壑深切割處可見露頭，與上覆的二疊系呈平行不整合接觸，巖性為黃綠色泥巖夾薄層粉砂巖。二疊系是區(qū)內(nèi)分布最廣泛地層，其中下二疊系為一套淺海相-濱海邊緣相的碳酸鹽建造，以純質(zhì)厚層灰?guī)r為主，厚320m；上二疊系為海陸交互相-濱海邊緣沼澤相的淺海相碳酸鹽-硅質(zhì)巖建造，灰?guī)r中多含燧石結(jié)核，頂部發(fā)育硅質(zhì)層，厚60m，二疊系總厚385m，發(fā)育齊全，具有自下而上灰?guī)r雜質(zhì)逐漸增多的特點。

表1 巖溶發(fā)育程度評判表

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 巖溶發(fā)育程度分區(qū)

巖溶發(fā)育強度取決于巖石的可溶性、透水性，水的溶蝕性、流動性四個因素。按所含礦物成分重量百分比，碳酸鹽巖可分為七個類型[1]。工作區(qū)二疊系下統(tǒng)地層以純質(zhì)厚層灰?guī)r，屬高溶解度巖石，上統(tǒng)灰?guī)r中含燧石條塊和硅質(zhì)層，溶解性相對較弱；原生碳酸鹽類巖石的孔隙度40%～70%，透水性較好，區(qū)域地處板塊過渡帶，沿構(gòu)造線兩側(cè)透水性更佳，常見管狀巖溶通道；區(qū)內(nèi)多年平均降雨量1119.27mm，自北向南降水量和水位差逐漸減?。粴鉁厮疁刈兓淮?，水溶蝕性差異很小；地下水北部多以垂直循環(huán)帶為主，南部排泄區(qū)附近逐漸轉(zhuǎn)為水平循環(huán)帶，自北向南流動性逐漸減弱。根據(jù)上述四個巖溶發(fā)育影響因素，利用模糊綜合評判法對工作區(qū)巖溶發(fā)育程度建立評價矩陣見表1，巖溶發(fā)育程度分區(qū)見表2。

表2 曾家山地區(qū)巖溶發(fā)育程度分區(qū)

2.2 巖溶分布規(guī)律

根據(jù)上述分區(qū)，巖溶發(fā)育程度在平面上具有很強的差異性，差異性由地層差異、構(gòu)造發(fā)育情況及現(xiàn)代地表水網(wǎng)分布三因素形成。

2.2.1 地層差異

區(qū)內(nèi)可溶巖主要為二疊系地層，二疊系下統(tǒng)棲霞茅口灰?guī)r質(zhì)純厚度大，除底部存在數(shù)層厚度以厘米為單位的炭質(zhì)頁巖外，可溶性極佳，較大水頭差促使了巖溶持續(xù)向下發(fā)育形成垂直管狀巖溶，形成溶蝕漏斗、豎井、天坑等典型垂直循環(huán)帶巖溶地貌。二疊上統(tǒng)吳家坪、大隆組灰?guī)r厚度相對較小，自下而上含難溶的硅、碳質(zhì)成分逐漸增高，到大隆組頂部形成難溶的硅質(zhì)層，阻隔了地層內(nèi)巖溶發(fā)育與連通，以蜂窩狀溶孔、溶隙等小規(guī)模溶蝕為主，鮮見溶洞。局部發(fā)育非可溶巖地層完整連續(xù)形成相對隔水層，溶洞多發(fā)育于巖性變化、隔水層界面之上。只有隔水層遭受構(gòu)造作用破壞，可向下溶蝕，這是區(qū)內(nèi)常形成多層次巖溶分層的原因之一。

2.2.2 構(gòu)造分布

工作區(qū)巖溶發(fā)育方向以NE-SE向為主，與區(qū)域構(gòu)造軸線方向基本一致，構(gòu)造作用形成順走向及橫張裂隙，為地下水的富集及溶蝕形成提供有利空間，控制了暗河、管狀巖溶通道發(fā)育展布方向。如吊灘河自兩河口喬皮洞出口變?yōu)榈乇砻髁骱?，沿魚兒洞～雙廟子背斜徑流，穿過背斜核部才得以繼續(xù)向下溶蝕轉(zhuǎn)為潛流。背斜傾伏端和向斜翼部、楊起端往往地勢較高，形成地下水補給地段，發(fā)育落水洞、豎井等垂直巖溶地貌；水平溶洞少而分散，背斜傾伏端和向斜槽谷往往是地下水匯集的地方，發(fā)育水平溶洞規(guī)模大。升降運動是形成多層巖溶發(fā)育的重要原因。

2.2.3 現(xiàn)代地表水網(wǎng)

曾家山地區(qū)地處旺蒼西河與朝天嘉陵江干流間地塊，寬度10～20km，各級夷平面保存較好，成高臺地形。地下水系中、上游段自第四紀初發(fā)育至今，成脈狀管道系統(tǒng)，地下水力坡度2‰～15‰，相對穩(wěn)定，使臺原面巖溶發(fā)育較均勻。到下游現(xiàn)代水文網(wǎng)切割經(jīng)影響臺原邊緣，如麻柳峽里一帶，水力坡度可達50‰以上，巖溶發(fā)育極不均勻，更為集中，形成大規(guī)模巖溶管道。

此區(qū)巖溶垂直分帶十分明顯，如川洞庵天坑最上部以垂向落水洞、漏斗、豎井為主，屬垂直循環(huán)帶，海拔標高+1 350～1 400m；坑底標高+1 350m左右，未見大規(guī)模巖溶溶洞發(fā)育。發(fā)育縱向溶隙及季節(jié)性巖溶泉，巖溶地貌多變，屬季節(jié)變動帶；位于枯水期潛水面下，至可溶巖底板之上，成為飽水帶(水平循環(huán)帶)，終年呈飽水狀態(tài)，亦為暗河發(fā)育地段，如坑底南部發(fā)育煙云洞暗河水平循環(huán)帶，水位標高1 300m，有自由水面，水流方向近水平。當有新的水流匯入或流速加大時，原水平循環(huán)帶溶蝕強度會迅速增大，并向下游加大而改變原水平循環(huán)帶的平衡條件。

3 水文地質(zhì)條件

工作區(qū)鮮有地表水系發(fā)育，中部吊灘河因背斜核部韓家店組難溶地層形成隔水底板，發(fā)育一段長5km的NE-W向明流，穿過核部進入二疊下統(tǒng)地層后變?yōu)闈摿?；在明洞子處、地洞河處亦有類似明流發(fā)育，分布長度不到1km，地表水出露皆因隔水層發(fā)育于淺部，阻礙溶蝕垂向發(fā)育。區(qū)內(nèi)以暗河為主，地表地下水交替，明流、潛流交替展布延伸。

3.1 地下水類型

根據(jù)含水介質(zhì)巖性、地下水賦存條件律及含水層間水力聯(lián)系，劃分本區(qū)地下水類型為：松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水三類。

松散堆積層孔隙水僅在少量槽谷、洼地的第四系地層中賦存，分布零星易受人類活動污染，不具備集中利用價值；基巖裂隙水發(fā)育于韓家店組和飛仙關(guān)組的頁、泥巖地層中，單斜構(gòu)造中常形成富水段，單位涌水量在5～50 m3/d·m，具有一定的開采價值。該類地下水常因地層產(chǎn)狀陡，出現(xiàn)水頭值高、涌水量小，產(chǎn)狀緩時出現(xiàn)水頭值低、涌水量較大的特征。總體富水性較差，無構(gòu)造影響的部位常施工出干孔，或暫時涌水，常因地下水補給條件差、動儲量不足而疏干。

區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖巖溶水發(fā)育區(qū)面積580km2，按溶洞、暗河的發(fā)育程度劃分為強烈發(fā)育、中等發(fā)育、不發(fā)育三個亞類。①溶洞暗河強烈發(fā)育巖溶水：賦存于二疊系下統(tǒng)棲霞茅口灰?guī)r，是區(qū)內(nèi)主要地下水類型，以巖溶管道流為主，部分形成脈狀巖溶管道系統(tǒng)，流量常在200L/s以上；遠離巖溶管流的完整灰?guī)r富水性差，地下水富水性各向異性明顯；②溶洞暗河中等發(fā)育的巖溶水：賦存于三疊系銅街子組泥灰?guī)r夾白云巖中，巖溶管流較發(fā)育，暗河、大泉流量一般在1～30L/s，分布于工作區(qū)南邊緣；③溶洞暗河不發(fā)育的巖溶裂隙水：包括二疊系上統(tǒng)及三疊系飛仙關(guān)含灰?guī)r段，一般泉流量0.1～5L/s，由于灰?guī)r中常含較多雜質(zhì)而富水性較不均勻，是區(qū)內(nèi)較重要的一種地下水類型，常與①類地下水相間分布。

3.2 補徑排條件

工作區(qū)大都位于地下水補給區(qū)，地下水的補給、運動與巖溶發(fā)育規(guī)律密切相關(guān)?；鶐r裂隙水分散分布分水嶺或非可溶含水層中。巖溶發(fā)育程度差，相對隔水層存在；大氣降雨入滲地下后沿裂隙通道形成上層滯水，向橫谷、斜谷底運動，形成下降泉或暫時性地表水。有就地補給就地排泄的特點。碳酸鹽巖巖溶水接受大氣降雨補給，還可接受地表水、基巖裂隙水向溶蝕孔洞、暗河排泄式補給，在巖溶管道或巖溶裂隙聚集，沿地形坡度降向自北向南徑流，在遇深切割或最低侵蝕基準面時，以巖溶大泉形式排泄轉(zhuǎn)換成地表水。區(qū)域地下水排泄帶位于南部的麻柳峽附近，成為南河地表水源頭，河岸兩邊發(fā)育多處暗河出口，最大巖溶大泉枯期流量達807L/s。

表3 年降水量頻率計算表

4 水資源量計算

4.1 地表水資源量

因工作區(qū)地表水發(fā)育較少，實測徑流深資料缺乏，根據(jù)相關(guān)研究，在降水量800mm以上的降水豐沛地區(qū)，在較長時段分析時降水與徑流的形成頻率基本一致[2]，本次選擇降水徑流頻率相應(yīng)法對區(qū)內(nèi)地表水資源量計算。

根據(jù)工作區(qū)1986～2015年降水量統(tǒng)計，計算保證率90%的年降水量見表3。計算公式為經(jīng)驗頻率P=m/（n+1）模比系數(shù)k=xi(X)1/2，式中m為序號，n為總年數(shù)。按各年份計算的模比系數(shù)和經(jīng)驗頻率，將X-P對應(yīng)點繪制于概率格紙與皮爾遜Ⅲ型理論曲線配線見圖2，符合度較好。根據(jù)配線，工作區(qū)降水變差系數(shù)Cv=0.3，偏態(tài)系數(shù)Cs=2Cv=0.6，保證率為90%的年降水量為795.83mm。

按同樣方法（圖3）求得區(qū)內(nèi)保證率為90%的徑流深為461.5mm。

由以上求得的工作年降雨量和年徑流深，扣除了水面與陸地蒸發(fā)量，用面積加權(quán)求出90%保證率的地表水資源量為26 767.00萬m3/a。

圖2 工作區(qū)年降水量頻率曲線

圖3 工作區(qū)年徑流深頻率曲線

4.2 地下水資源量

曾家山地區(qū)地處補給區(qū)，無常年河水入滲補給，灌溉用水來自當?shù)厮?，為循環(huán)內(nèi)水；大氣降雨為區(qū)內(nèi)地下水唯一補給來源。由于缺乏當?shù)乜萜跍y流數(shù)據(jù)，難于采取徑流模數(shù)法計算地下水資源。本次選用降雨入滲法對區(qū)內(nèi)地下水資源量進行計算。以工作區(qū)地下類型為基礎(chǔ)，根據(jù)含水巖組的特征及富水性差異，將全區(qū)劃分為41個入滲率不同塊段；由于松散堆積層形成孔隙含水層分布面積小而零散，未單獨劃分計算。降雨補給的地下水資源量按Q=2.74*λ*h*F計算，式中入滲系數(shù)依據(jù)經(jīng)驗值及類似地區(qū)含水層取值；降雨量按保證率為90%的年降水量795.83mm計算計算結(jié)果見表4。

表4 工作區(qū)地下水資源量計算表

4.3 水質(zhì)評價

根據(jù)在曾家山地區(qū)采樣測試的4組地表水樣和30組地下水樣檢測成果，地下水水化學類型主要為HCO3-Ca型，pH7.3～8.2，屬弱堿性水，依據(jù)《地下水質(zhì)量標準》均屬Ⅰ-Ⅲ類水，水質(zhì)整體較好。地表、地下水水化學類型基本一致，說明兩者之間聯(lián)系緊密，循環(huán)轉(zhuǎn)換頻繁。

5 水資源開發(fā)現(xiàn)狀及利用前景

我國巖溶地區(qū)水資源利用方式主要有修建地表地下聯(lián)合水庫，溶洼成庫，堵、截、引地下暗河、擴泉圍堰，利用天窗或溶潭提水、鉆井取水等[3]。目前工作區(qū)內(nèi)主要利用方式為擴泉引水、零散水窖蓄水以及少量天窗提水?，F(xiàn)有生活用水供水量130.2萬m3/a。隨縣域旅游經(jīng)濟的發(fā)展，按居民生活用水定額取80L/人·d，規(guī)劃未來五年曾家山地區(qū)生活用水猛增至299.3萬m3/a[4]，形成較大的供需水缺口，成為制約未來經(jīng)濟的發(fā)展重要自然資源要素。

前述計算工作區(qū)年產(chǎn)流地表水資源量26 767.00萬m3/a，地下水資源資源量8 627.97萬m3/a，可見地表、地下水資源具有較大的開發(fā)潛力。參考國內(nèi)巖溶地區(qū)水資源利用經(jīng)驗，針對本區(qū)巖溶發(fā)育特征及水資源現(xiàn)狀，本地區(qū)水資源利用宜以地下水、地表水結(jié)合為主的綜合利用方式，概括如下：

1）在查明地下水分水嶺及其變化的基礎(chǔ)上，立項開展攔截地下水排泄區(qū)地下暗河出口及巖溶大泉，修建地表地下聯(lián)合水庫及聯(lián)合調(diào)度工程的調(diào)查、可行性研究、工程規(guī)劃方案等前期工作；作為解決本區(qū)用水問題、納入國土空間規(guī)劃，地下水資源科學利用的依據(jù)；

2）立項開展利用地表水明流段，攔蓄地表水引水：充分利用暗河轉(zhuǎn)明流段發(fā)育志留系非可溶巖，可修筑水壩及引水渠利用地表水可解決周邊供水，用于旅游、發(fā)電等專題調(diào)查與項目可行性研究；

3）對可溶巖中非可溶巖接觸帶發(fā)育上層滯水形成的下降泉，采取擴泉修建儲水池，蓄水提引利用：解決部分周邊用水；開展系統(tǒng)調(diào)查與評價，作為規(guī)劃開發(fā)利用的依據(jù)。

4）鑿井開采地下水：區(qū)內(nèi)二疊系上統(tǒng)及三疊系飛仙關(guān)含灰?guī)r段地層發(fā)育溶洞暗河不發(fā)育的巖溶裂隙水，富水性較為均勻，可在地質(zhì)構(gòu)造有利部位鑿井取水，緩解地表水及泉不發(fā)育地區(qū)的用水問題。