烏江上游深切峽谷區(qū)平寨水庫伴生的巖溶地下水庫庫容計(jì)算

何 春，曾永軍，曾 成，龔效宇，陳旺光，鄧俊祖

(1.中國科學(xué)院 地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550081; 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081；4.東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

以巖石空隙作為蓄水空間，在人工干預(yù)作用下形成的具有一定調(diào)蓄能力的地下水庫是水資源有效開發(fā)利用的一種重要工程形式[1-2]。目前，國內(nèi)外的地下水庫主要分布于半濕潤、半干旱和干旱氣候下的松散堆積物區(qū)[3-6]，多以松散的孔隙介質(zhì)實(shí)現(xiàn)其儲(chǔ)水功能。基于中國巖溶區(qū)分布面積廣大的現(xiàn)實(shí)情況，以巖溶介質(zhì)為主的巖溶地下水庫是目前中國地下水庫建設(shè)中的主要類型，相應(yīng)的工程在中國南方和北方巖溶區(qū)均有分布。其中位于南方巖溶區(qū)的主要有貴州普定馬官[7]、仁懷長(zhǎng)崗[8-9]、獨(dú)山黃后地下水庫[10]，廣西來賓小平陽地下水庫[11-12]等，位于北方巖溶區(qū)的有北京房山張坊地下水庫[13]、山東萊蕪鋼鐵總廠傅家橋地下水庫[14]、山東日照兩城河地下水庫等，隨著這些工程的成功實(shí)踐，逐漸深化了業(yè)界對(duì)巖溶地下水庫相關(guān)水文地質(zhì)理論及工程建設(shè)要點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。

巖溶地下水庫的庫容計(jì)算一直以來是巖溶水文地質(zhì)勘察中的一個(gè)難點(diǎn)。已有文獻(xiàn)報(bào)道顯示，中國南方巖溶地下水庫的庫容計(jì)算方法主要有幾何形態(tài)概化法、水箱模擬法、集中參數(shù)估算法、分層計(jì)算法、巖溶率法和地下河系統(tǒng)分析法等。然而，由于中國南方巖溶系統(tǒng)發(fā)育的復(fù)雜性和水文地質(zhì)調(diào)查精度的限制，因此巖溶地下水庫的庫容計(jì)算結(jié)果常常精度不高，以至于在修建巖溶地下水庫之前甚至難以確定其庫容[9,15-16]。在水庫蓄水以后，地下水庫放水試驗(yàn)和運(yùn)營期水庫水量反算是準(zhǔn)確測(cè)定巖溶地下水庫實(shí)際庫容的有效方法，也是進(jìn)一步認(rèn)識(shí)巖溶地下水庫區(qū)水文地質(zhì)條件和巖溶發(fā)育規(guī)律的工作基礎(chǔ)。為此，選擇中國南方具有代表性的巖溶地下水庫開展庫容研究，對(duì)于豐富巖溶水文地質(zhì)勘察的相關(guān)認(rèn)識(shí)、服務(wù)于西南巖溶區(qū)的水資源有效開發(fā)利用具有重要意義。

貴州省(面積17.6萬km2)地處中國西南云貴高原東部，地勢(shì)為西部最高、中部稍低，自中部的黔中高原面向北、東、南三面傾斜，形成自西向東三級(jí)階梯、南北兩面斜坡的整體地勢(shì)格局[17]。該省同時(shí)又處于中國西南裸露型巖溶連片分布區(qū)的中心[18-19]，境內(nèi)碳酸鹽巖出露面積達(dá)12.8萬km2，在濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候條件下形成了聳立于廣西丘陵與四川盆地之間的一個(gè)強(qiáng)巖溶化的貴州高原[20]。貴州省巖溶地貌類型多樣[21]，由烏江和北盤江等大江大河深切所形成的巖溶峽谷眾多，蘊(yùn)藏著豐富的水力資源，從而為大型水利水電工程的開發(fā)提供了基礎(chǔ)。其中以烏江渡、普定和平寨等大型水庫為代表的烏江流域水電梯級(jí)開發(fā)工程項(xiàng)目，為由地表深切河谷筑壩所致的巖溶地下水庫庫容研究提供了重要的現(xiàn)實(shí)樣本。

平寨水庫位于烏江南源(即三岔河)的深切峽谷中，峽谷兩側(cè)巖溶化的巨厚碳酸鹽巖地層廣泛分布，加之在水庫運(yùn)營初期的水文資料較為完備，使得相關(guān)研究得以開展。為此，本文擬以該水庫作為研究對(duì)象，開展巖溶地下水庫的庫容研究。

1 研究區(qū)概況

1.1 平寨水庫概況

平寨水庫是黔中水利樞紐工程的控制性水源工程，主要承擔(dān)向黔中地區(qū)進(jìn)行跨流域長(zhǎng)距離調(diào)水的任務(wù)。黔中地區(qū)是以貴陽和安順兩市為中心的一個(gè)高原面(圖1)，地形平坦，耕地面積廣闊，人口集中，城市密集，是貴州省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的核心區(qū)域[22]。然而，由于黔中高原面處于長(zhǎng)江與珠江兩大流域的寬緩分水嶺地帶(圖1)，加之巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，水資源漏失嚴(yán)重，因此本區(qū)水資源量總體上較為短缺[23]。為了優(yōu)化配置黔中地區(qū)的水資源量，保障農(nóng)業(yè)灌溉和城市供水的安全[24]，2009年11月啟動(dòng)了黔中水利樞紐工程建設(shè)項(xiàng)目。黔中水利樞紐工程由水源工程和輸配水工程兩部分組成，其中，水源工程(即平寨水庫)是在烏江南源—三岔河上游的峽谷區(qū)適當(dāng)位置修建高壩，蓄水成庫，然后再將蓄積的庫水通過輸配水干渠調(diào)往黔中地區(qū)。

圖1 黔中水利樞紐工程在貴州省的地理位置(底圖據(jù)參考文獻(xiàn)[17])

平寨水庫的壩址位于貴州省六盤水市六枝特區(qū)牛場(chǎng)鄉(xiāng)黔中村與畢節(jié)市織金縣雞場(chǎng)鄉(xiāng)平寨村交界處三岔河的峽谷中。采用混凝土面板堆石壩，壩高162.7 m，水庫正常蓄水位1 331.0 m，總庫容達(dá)10.89億m3，興利庫容為4.48億m3，屬大(1)型水庫。壩址以上集雨面積為3 492 km2，溯三岔河主河道回水長(zhǎng)度約38 km，水庫經(jīng)常淹沒區(qū)的水面面積為21 km2。本區(qū)屬濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，多年平均氣溫為15 ℃，多年平均降雨量為1 111 mm[23]。

1.2 庫區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

總體上，貴州高原在緯向上可分為三級(jí)階梯。三岔河的源頭區(qū)域位于一級(jí)階梯，而水源工程——平寨水庫地處一級(jí)和二級(jí)階梯的過渡地帶(圖1)。平寨水庫庫區(qū)以巖溶地貌為主，受烏江南源溯源侵蝕的影響，呈現(xiàn)烏江期峽谷深切于山盆期殘丘波地、峰叢洼地的貴州型巖溶地貌景觀。

平寨水庫溯三岔河干流回水至納雍縣陽長(zhǎng)鎮(zhèn)，陽長(zhǎng)斷面以下至平寨水庫壩址之間的區(qū)間流域面積為815 km2，水文地質(zhì)條件見圖2。該區(qū)間流域內(nèi)出露的地層主要有二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)含燧石結(jié)核灰?guī)r和茅口組(P1m)微晶灰?guī)r、峨嵋山玄武巖和凝灰?guī)r(Pβ)，二疊系上統(tǒng)(P2)砂頁巖、泥巖夾煤層；三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)泥巖、砂巖、頁巖夾泥灰?guī)r，永寧鎮(zhèn)組(T1yn)中厚層致密灰?guī)r、含白云質(zhì)灰?guī)r，及上部中薄層白云巖，三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組(T2g)下部泥巖及上部中厚層石灰?guī)r。本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬于燕山運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，以百興向斜、納雍河背斜、水公河向斜和三塘向斜4個(gè)褶皺構(gòu)造為主，其中NW向的百興和NEE向的三塘褶皺及三疊系下統(tǒng)石灰?guī)r和含白云質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成了本區(qū)最主要的向斜儲(chǔ)水構(gòu)造。

平寨水庫的封閉條件較好[25]。在區(qū)間流域內(nèi)三岔河干流的右岸(圖2)，緩傾的二疊系峨嵋山玄武巖與凝灰?guī)r、二疊系上統(tǒng)泥頁巖夾煤系地層、三疊系下統(tǒng)夜郎組泥頁巖夾泥灰?guī)r三套相對(duì)隔水地層的延伸方向大體與三岔河平行，并且這些地層總體傾向庫盆；庫盆南東側(cè)由于三疊系下統(tǒng)夜郎組泥頁巖隔水層的阻隔，基本不產(chǎn)生遠(yuǎn)谷滲漏問題。平寨水庫的庫首部位雖然有三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組石灰?guī)r中的巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，但經(jīng)高強(qiáng)度的帷幕灌漿防滲處理后，基本上不存在水庫滲漏問題。為此，可將三疊系下統(tǒng)夜郎組的泥質(zhì)巖作為平寨水庫庫盆的隔水基底，將該層上部的三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組概化為碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組。本區(qū)以三岔河干流作為巖溶侵蝕基準(zhǔn)面，平寨水庫壩址處的河床海拔為1 189 m。

圖2 平寨水庫壩址—干流回水末端之間的區(qū)間流域水文地質(zhì)略圖

2 伴生的巖溶地下水庫庫容計(jì)算

在巖溶峽谷區(qū)修建大型地表水庫，通常會(huì)形成地表和地下兩個(gè)水庫子系統(tǒng)。其中，地表水庫子系統(tǒng)即是被水庫蓄水淹沒的地表河道與峽谷，它的存在形式較為直觀，其庫容可通過水庫特性曲線中的水位容積關(guān)系由水庫蓄水位直接求得；而與之相伴生的地下水庫子系統(tǒng)的存在形式則較為復(fù)雜，由于其中的地下水主要賦存于河道兩側(cè)巖溶化巖體內(nèi)的溶孔、溶隙和溶洞中，因此常不易被直接觀察到，它僅在水庫初始蓄水階段以及正式運(yùn)營過程中調(diào)洪演算時(shí)以水量不均衡的問題體現(xiàn)出來，并常被視為水文計(jì)算中的誤差而被忽視掉。

總的來說，巖溶地下水庫的庫容計(jì)算方法可歸納為傳統(tǒng)水文地質(zhì)學(xué)方法和水庫運(yùn)營期水量反算法。后一種方法實(shí)際上就是對(duì)水庫運(yùn)營期的水量不均衡問題進(jìn)行研究，該方法依據(jù)的是水均衡原理，計(jì)算時(shí)概念清晰、過程簡(jiǎn)潔，可通過水庫初始蓄水期的均衡要素準(zhǔn)確快速地反算巖溶地下水庫的庫容，并且可對(duì)通過傳統(tǒng)水文地質(zhì)學(xué)方法獲得的相關(guān)認(rèn)識(shí)進(jìn)行深化。本文擬采用水均衡法計(jì)算與平寨水庫相伴生的巖溶地下水庫的庫容量。

2.1 計(jì)算方法簡(jiǎn)介

本文以平寨水庫庫區(qū)作為均衡區(qū)，總面積為21 km2。輸入水量主要有平寨水庫沿三岔河干流回水末端陽長(zhǎng)斷面的入流量、區(qū)間流域的側(cè)向入流量、水庫水面直接承納的降水量，輸出水量主要有水庫發(fā)電和泄洪的出庫水量、水庫水面蒸發(fā)量。在上述輸入和輸出要素中，除了區(qū)間流域的側(cè)向入流量為降雨—徑流模型計(jì)算值以外，其余各項(xiàng)要素主要由水庫運(yùn)營單位與水文水資源局通過水文測(cè)驗(yàn)獲得。

由于本研究區(qū)主要為深切峽谷區(qū)域，地形切割劇烈，水系密度大，因此絕大部分區(qū)間陸面上的大氣降水轉(zhuǎn)化為地表徑流，并經(jīng)由三岔河的支流水系快速匯流至平寨水庫中。此外，本區(qū)已有巖溶地下水?dāng)?shù)值模型初步顯示，由三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組碳酸鹽巖地層形成的百興和三塘兩大向斜儲(chǔ)水構(gòu)造的水平滲透系數(shù)比垂直滲透系數(shù)要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)[26]。有鑒于此，筆者提出平寨水庫及其伴生的側(cè)向巖溶地下水庫庫容計(jì)算的水均衡模型(圖3)。該模型將平寨水庫在初始蓄水階段的水量分配過程分為兩個(gè)密切聯(lián)系的階段:一是陽長(zhǎng)斷面與區(qū)間流域的入流量快速進(jìn)入地表水庫；二是地表水庫在蓄水的同時(shí)，部分水量往側(cè)向并聯(lián)的巖溶地下水庫滲入，從而造成地表水庫與巖溶地下水庫的聯(lián)合蓄水。模型所采用的水均衡方程如下:

圖3 平寨水庫及其伴生巖溶地下水庫的水均衡模型

ΔS=ΔSs+ΔSg

(1)

(2)

Qin=Qmr+Rts+Prs

(3)

Qout=Qpg+Qfd+Ers

(4)

式中：ΔS為水庫庫區(qū)的水資源變化總量；ΔSs為地表水庫儲(chǔ)存量變化值；ΔSg為地下水庫儲(chǔ)存量變化值；Qin為整個(gè)庫區(qū)的輸入水量；Qout為整個(gè)庫區(qū)的輸出水量；t1和t2分別為均衡期的時(shí)間起點(diǎn)和終點(diǎn)；Qmr為水庫沿干流河道回水末端的入庫水量；Rts為水庫區(qū)間流域的補(bǔ)給流量；Prs為水庫水面直接承納的降水量；Qpg為水庫發(fā)電流量；Qfd為水庫泄洪流量；Ers為水庫水面蒸發(fā)量。

2.2 水均衡要素值及地下水庫庫容計(jì)算

均衡期選擇為平寨水庫的初始蓄水期，該期從2015年4月開始，至2016年12月結(jié)束，水庫水位從1 189.4 m抬升至1 320.1 m。該水庫庫區(qū)水資源的輸入要素有水庫干流回水末端陽長(zhǎng)斷面的入庫流量(Qmr)、水庫區(qū)間陸面的補(bǔ)給流量(Rts)、水庫水面直接承納的降水量(Prs)；輸出要素有水庫發(fā)電流量(Qpg)、水庫泄洪流量(Qfd)、水庫水面蒸發(fā)量(Ers)，這些均衡要素均為月值數(shù)據(jù)(圖4)。庫區(qū)水資源存儲(chǔ)要素有地表水庫儲(chǔ)存量(ΔSs，可由實(shí)測(cè)水庫水位通過水庫特性曲線(圖5)換算得出)和地下水庫儲(chǔ)存量(ΔSg，此為未知量，可通過其它均衡要素的反算求得)。

圖4 平寨水庫初始蓄水階段水均衡要素的月值變化

圖5 平寨水庫特性曲線

在平寨水庫初始蓄水的均衡期內(nèi)，三岔河干流回水末端的陽長(zhǎng)斷面入庫量為22.86億m3，區(qū)間入庫總量為5.55億m3，水庫水面直接承納的降水量為0.21億m3，庫區(qū)的輸入水量為28.62億m3；水庫水面蒸發(fā)量為0.17億m3，水庫發(fā)電和泄洪出庫量為17.10億m3，整個(gè)庫區(qū)的輸出水量為17.27億m3；2016年12月末平寨水庫實(shí)測(cè)水位為1 320.1 m，由水庫特性曲線得地表水庫的儲(chǔ)存量變化值為8.24億m3。根據(jù)上述水均衡要素值，由式(1)和式(2)可計(jì)算出地下水庫的儲(chǔ)存量變化值為3.11億m3，其計(jì)算方式如下：

ΔSg=∑(Qmr+Rts+Prs-(Ers+Qpg+Qfd))-ΔSs

=∑Qmr+∑Rts+∑Prs-∑Ers-∑Qpg-∑Qfd-ΔS

=22.86+5.55+0.21-(0.17+17.10)-8.24(億m3)

=3.11(億m3)

此即為平寨水庫伴生的巖溶地下水庫的總庫容(對(duì)應(yīng)的蓄水位為1 320.1 m)。

3 討論

如上所述，在利用水均衡模型反算平寨水庫伴生的巖溶地下水庫總庫容時(shí)，所用的輸入與輸出要素中除了區(qū)間陸面的側(cè)向入流量外，其余要素值主要通過可靠性較高的水文測(cè)驗(yàn)方法獲得，因此區(qū)間陸面入庫量(Rts)的計(jì)算值關(guān)系到巖溶地下水庫庫容量的準(zhǔn)確性。

平寨水庫壩址與三岔河干流回水末端陽長(zhǎng)斷面之間的區(qū)間流域面積為815 km2，扣除水庫庫面面積21 km2后的區(qū)間陸面面積為794 km2。陽長(zhǎng)斷面以上流域面積為2 677 km2，多年平均降水量為1 105 mm，斷面多年平均流量為41.97 m3/s(統(tǒng)計(jì)時(shí)段為1958—2016年)。采用面積比擬法，可估算出平寨水庫在初始蓄水階段的區(qū)間陸面入庫量為6.77億m3，該值與水均衡模型中所用5.55億m3區(qū)間陸面入庫量值的相對(duì)誤差為22%。根據(jù)平寨水庫區(qū)間陸面的植被覆蓋度要遠(yuǎn)好于陽長(zhǎng)斷面上游流域的實(shí)際情況，按照中小流域(集水面積為101～103km2量級(jí))尺度上森林蒸散發(fā)量隨植被覆蓋度升高而增大、年徑流量隨植被覆蓋度升高而減小的普遍規(guī)律[27-30]，水均衡模型中選用的區(qū)間陸面入庫量值(5.55億m3)具有一定的合理性，因此計(jì)算出的與平寨水庫伴生的巖溶地下水庫的庫容量3.11億m3可信度較高。

4 結(jié)論與建議

位于烏江南源巖溶峽谷段的平寨水庫，庫區(qū)內(nèi)分布有巨厚碳酸鹽巖地層，其中，由三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1yn)中厚層石灰?guī)r形成的百興和三塘兩大向斜儲(chǔ)水構(gòu)造與水庫回水河段有著緊密的水力聯(lián)系，形成由該地表水庫激發(fā)的地下水庫的巖溶含水介質(zhì)。平寨水庫的庫盆封閉條件較好，在未發(fā)生庫首滲漏的條件下，采用水庫運(yùn)營期水量反算法計(jì)算伴生的巖溶地下水庫的庫容量可靠性較高。平寨水庫蓄水后，當(dāng)蓄水位抬升至1 320.1 m時(shí)，伴生的巖溶地下水庫的總庫容達(dá)3.11億m3，占平寨水庫地表總庫容的29%，屬于大(2)型地下水庫。

平寨水庫現(xiàn)已正式運(yùn)營，擔(dān)負(fù)著向黔中地區(qū)供水的重要任務(wù)。然而在該地表水庫的徑流調(diào)節(jié)中，還未考慮到與其伴生的巖溶地下水庫的蓄水量。鑒于該地下水庫的總庫容較大，建議相關(guān)部門在庫區(qū)范圍內(nèi)合理布設(shè)一定的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)，以期對(duì)這一地下水庫開展進(jìn)一步的動(dòng)態(tài)評(píng)估，進(jìn)而為黔中水利樞紐水源區(qū)的地表地下水庫聯(lián)合管理提供參考依據(jù)。

致謝：在項(xiàng)目研究與論文寫作過程中，得到了中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉再華研究員、王世杰研究員，以及貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院周德全教授的啟發(fā)與指導(dǎo)，貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司黔中分公司李作孝高級(jí)工程師和貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一○五地質(zhì)大隊(duì)胡德勇高級(jí)工程師提供了大力支持與幫助，在此向他們表示誠摯的謝意。