岩溶地下水库现状及保护分析

钱少甫

（贵州省盘县水利局，贵州 盘县 553537）

引言

贵州位于我国西南地区东部,云贵高原东部梯级状大斜坡地带。气候温暖,雨量充沛。全省多年平均降水量1191mm,多年平均径流深589mm。多年平均水资源总量1035亿立方米,其中地下水259亿立方米。人均占有量(3530m3)和平均每亩耕地拥有水量(3720m3)均略高于全国平均水平。

尽管水资源量丰富,但由于地层岩性、地质构造等条件的影响,贵州山高谷深,地形破碎,水资源的利用率却比较低。同时,贵州省又是世界岩溶地貌发育最典型的地区之一,全省岩溶地区面积12.8万平方公里,占全省国土面积的73%。岩溶地下水的发育造成我省形成“土在楼上,水在楼下”(土地在各级高原面上,水在地下河及峡谷中)的水土资源不配套的基本格局,水源漏失严重。地表水十分缺乏,能够拦取的地表水量少,取水工程难度大,费用高。岩溶发育区生态系统脆弱,由于人类长期不合理的经济活动干扰破坏,大大减弱了森林水文效应,森林调蓄地表水和地下水能力不强,形成水贵如油的现状。据调查,目前全省有超过150万人存在饮水困难,每年要花费巨大精力去解决饮水问题。因此中国科学院地学部(2005)在其提交的《关于推进西南岩溶地区石漠化综合治理的若干建议》中特别提出“必须进行综合开发治理,即首先抓住开发治理岩溶水,保障人民生活的基本条件”。贵州岩溶地下水资源非常丰富,资源总量为215亿立方米,占全省地下水总量的83%。据调查统计,全省流量大于50L/s的岩溶地下河和大泉2840条(个),地下河 1130 条,总长 6610km,平水期流量679m3/s,多年平均枯季流量226m3/s,全省境内大于1000L/s的大泉9个。而整个西南岩溶地区地下河达3066条,岩溶大泉7 997个,岩溶水可利用资源量620亿m3/a,而且水质良好,开发利用前景十分广阔。

1 岩溶地下水库的基本原理、类型

1.1 岩溶地下水库成库的基本原理

对地下水库目前还没有一个统一的定义。在十九世纪美国就提出了“水银行”(drought waterbank)的概念,后来又相继提出了“含水层储存和回采”(aquifer storage and recovery)和“地下水人工补给”(artificial recharge),这些概念与我国的地下水库(underground reservoir)的概念基本相当。一般认为,地下水库是指修建于地下并主要以含水层为调蓄空间的蓄水实体,它在取水、用水和调节水资源方面与地表水库具有相似的功能。修建岩溶地下水库的原理,就是在含水层中具有地下库盆的岩溶地下水集中径流带的狭窄排泄口或排泄口之外的地表河谷,或集中径流带的某个部位修建拦水坝,抬高地下水位.利用含水层中的溶孔、溶隙、溶洞组成的地下空间蓄水,或与之相连的地表洼地、谷地联合蓄水,形成地下水库。

1.2 岩溶地下水库的基本类型

由于对地下水库研究还处于探索阶段,因此对岩溶地下水库的分类也没有统一。将岩溶地下水库分为封闭型和半封闭型,地下水库的蓄水形式、调蓄能力、水源补给方式、用途和施工方式等的不同进行了分类。根据地下水库的定义提出先将其分为岩溶地下水库和地表-地下水库两大类,然后根据水库的库容将其分级:

大型:库容大于5000万立方米

中型:库容为1000～5000万立方米

小型:库容为100～10000万立方米

小(一)型:库容为 100～1000 万立方米

小(二)型:库容为 10～100 万立方米

该分类系统简单方便,实用性强。

2 岩溶地下水库的工程地质条件

岩溶地下水库修建受当时的社会经济和技术条件等的限制,从水文地质与工程地质的角度来说,主要考虑以下几个方面的问题:

2.1 岩溶地下水库的库容问题

与地表水库一样,岩溶地下水库必须有一定的库容,才能满足当地工农业生产或饮用水量的要求。其中地表-地下岩溶水库的库容计算与地表水库类似,而岩溶地下水库库容的计算则要复杂得多,受喀斯特系统发育和勘查精度的控制。而由于喀斯特系统发育的复杂性,岩溶地下水库库容的计算结果往往精度不高。目前岩溶地下水库库容的计算方法有以下4种。

2.1.1 集中参数估算

其原理是根据实测水文地质资料计算出库盆内岩溶地下水位平均坡降,然后根据地下水库坝前设计水位抬升值圈定回水范围内的灰岩面积。从勘探试验中计算出平均岩溶率或平均给水度。将平均岩溶率或平均给水度乘以计算的库盆体积,即可算出地下水库的库容。其假设条件是计算的库盆中岩溶裂隙、管道和孔隙等的分布必须是均匀的。

2.1.2 分层计算法

与计算地表水水库库容相似,将库盆内的地下水面与地表水库的坡面相类比,从而将各层地下水库库容计算后叠加而成。其应用条件是必须要有相当精度的勘查资料,确定出库盆内的等水位线。

2.1.3 几何形态概化法

通常情况下,岩溶地下水库的空间主要由地下河的洞腔组成,其次才是岩溶裂隙与孔隙。几何形态概化法的基本原理就是将岩溶地下水库的库容分解为地下河形成的库容与岩溶裂隙与孔隙体积之和。该法计算的精度主要取决于对岩溶地下河几何形态及控制程度。

2.1.4 水箱模拟法

该计算方法是将库盆内的地下河洞腔和孔隙、裂隙一起等同于一个水箱。岩溶地下水库的补给和排泄就等同于水箱的进水和放水。水箱蓄水量(相当于岩溶地下水库的库容)与放水量(岩溶地下水库的排泄量)之间具有一定的函数关系,当然该函数关系可以是线性的,也可以是非线性的。计算地下水库的库容就转化为找出蓄水量与排泄量之间的关系。将某一水头对应的时间段的排泄量累加后,即可得到某一水头处的蓄水量,进而推算出地下水库修建后所形成的相应水头时对应的库容。

2.2 岩溶地下水库的渗漏问题

岩溶地下水库修建之后,其渗漏问题包括3个方面,一是库底渗漏,二为侧向渗漏,三为坝体渗漏。理想的岩溶地下水库库盆内的地层组成应该是具有良好的隔水层,没有破坏隔水层的导水断层或节理,裂隙,贵州省普定县马官地下水库就是一例。岩溶地下水库的侧向一般多为灰岩、白云岩组成,是否产生侧向渗漏取决于岩性、岩层产状、岩体的完整性、岩溶发育程度及连通性、有无地下分水岭及分水岩的性质等。地下水库修建过程中坝体修建不当也会引起渗漏,如湖南省保靖县白龙洞岩溶地下水库,在上世纪70年代曾经进行过堵洞成库工作,但未取得成功,不成功的原因就是蓄水后坝基被击穿造成渗漏。

2.3 坝址选择

受地层、岩性、构造及地下河发育阶段等因素的影响,岩溶地区地下河的发育呈现出不同的特点。根据地下河的平面结构类型,邓自民将岩溶地下河分为简单、中等和复杂3种类型。其中简单型地下河平面结构为单管型,只有一个单一的出口,中等型地下河平面结构为树枝型,有一至两个集中排泄口;而复杂型地下河的平面结构则为网格型,集中排泄口多,分散泄流也多。从修建地下河水库的选址来说,简单型地下河是首选目标,其次则是中等型,复杂型地下河由于选址复杂、施工技术复杂、难度大且成功率低而极少采用。具体到坝址的选择,则需要选择风化程度弱、岩石坚硬、断层及构造裂隙不发育的位置。

2.4 足够的补给区域

不言而喻,要使岩溶地下水库有足够的水蓄积,必须要有足够大的地下水补给区。计算岩溶地下水库补给量的方法主要是要了解补给区域的范围,补给区内各种岩性的分布面积,补给区内多年平均平均降水量,以及各类岩石的入渗量。

3 岩溶地下水库的水质保护问题

贵州岩溶地下水虽然多数能满足生产和生活要求,但在城镇、工矿集中区和人口稠密区的浅层地下水已受到不同程度的污染。由于岩溶地区地表水与地下水的转换频繁,加之岩溶地下水的流速一般要低于地表水,因此岩溶地下水的自净能力较弱。即使较为偏远的农村地区,由于农业生产使用的化肥、农药等的施放,岩溶地下水正在受到越来越大的威胁。Panno等应用同位素技术研究发现,美国伊利诺斯州岩溶地下水中较高含量的NO3主要来源于当地的农业生产。由于岩溶地下水库的补给区面积较大,因此,必须对补给区地下水、地表水的水量和水质进行监测和控制,根据地下水补给特点和周围的环境现状,合理划定水源保护区的范围,规范保护区内的工农业活动。结合石漠化防治的实施,逐步实施退耕还林还草及封山育林,加强对上游地区农药、化肥使用的管理和控制。大力推广测土配方施肥法,有效减少进入岩溶地下水中的营养盐份含量,确保地表水、地下水不受污染,从而保证地下岩溶水库的正常运转。

[1]肖进原.贵州岩溶大泉及地下河赋存条件、分布及特征研究[J].贵州科学,2002,2:48～52