岩溶山区雨水资源有效利用研究——以贵州省普定县马官地下水库为例_地理论文

摘要：以贵州省普定县马官地下水库为例，从区域岩溶地质概况、成库条件、库容分析和降雨量及补给量计算、工程效益等方面，对马官地下水库进行了研究，阐述了马官地下水库是岩溶山区雨水资源有效开发利用的典型，具有推广意义。

关键词：岩溶；山区；雨水；利用

中图分类号：P426.62

文献标识码：A

文章编号：1000-3037(2001)05-0467-07

1 引言

　　贵州是亚热带强烈岩溶化山区，岩溶化的碳盐岩出露面积达 13×10⁴km²，占全省总面积的 73%，碳酸盐岩的总厚度占贵州沉积岩总厚度的 70%；该省发育岩溶母岩分布面积之广、厚度之大、相对面积比重之高，在全国不仅是独一无二，就是世界上也属罕见。贵州山区在宏观地域上基本上是高原—峡谷地貌景观，即由岩溶高原区和岩溶峡谷两大地貌单元组成。贵州属于湿润亚热带季风气候，年平均温度 15～18℃，年降雨量 1100～1400mm，雨量丰沛。因此，贵州有“天无三日晴”之称，按理说，贵州雨水资源丰富，光、热条件又好，农业发展有着极为有利的条件；但岩溶山区具有地表、地下两大系统构成的二元空间结构特征，不利于水资源的开发利用。特别是岩溶高原上峰丛洼地、峰林谷地及峰林盆地区，峰丛及峰林山坡基本上均已石漠化，植被覆盖度差，残留于坡脚洼地的土层也已瘠薄；地表漏斗、落水洞、竖井及溶隙发育，并常与地下溶洞、地下河及管道系统相联通。由此可见，岩溶山区地表破碎，渗漏严重，地表雨水均以注入式快速补给地下系统；地下水系因受岩性、构造影响，紊乱无序，埋深又较大，不易开采。因此，地表雨水资源无法拦蓄利用，进而影响着农业的深度发展，只能以耕种业为主，粗放经营，以毁林、毁草方式扩大耕地面积，增加粮食产量，维持人口逐年增加的低标准口粮。盲目垦荒，扩大耕地，导致水土流失加剧，无水源涵养之地，旱灾加重，甚至畜饮用水困难，据 1999 年统计，全省尚有约 100 万人口未解决人畜饮用水问题。

　　普定县位于岩溶高原区，距黔中安顺市 25km，全县面积为 1108km²，碳酸盐岩层分布面积占全县面积的 84.27%，水土流失面积为全县面积的 27.4%，土地石漠化面积每年增加约 550hm²，成为国家级贫困县。境内的岩溶地貌景观主要是峰丛洼地、峰林谷地及峰林丘陵盆地。每一单元流域内均具有二元三维空间结构特征，地表河与地下河流频繁交替转换，沿程明暗相间；普定多年降雨量为 1400mm，高于全省平均年降雨量，雨水资源较为丰沛。如何根据县内岩溶环境条件，二元三维空间结构系统特征，以及雨水、地表水和地下水转换规律，充分拦蓄和有效利用雨水资源，成为全县发展农业、调整农业结构，推动社会经济发展的关键之一。贵州省普定县岩溶综合试验站自 20 世纪 70 年代以来，经过 20 余年的岩溶地质与地貌、岩溶水资源评价与开发利用、岩溶山区水土资源合理利用等攻关项目的研究，极大地推动了社会经济的发展，并为今后生态工程建设奠定了坚实的基础。本文以普定县马官地下水库为例，就峰丛洼地岩溶地质地貌特征、地下河发育规律、扩大集雨面积，增加雨水资源拦蓄量及其效益，略予探讨。

2 区域岩溶地质概况

　　马官地下水库位于峰丛洼地向峰林谷地过渡带的地区，利用该地区发育的水洞地下河及其连通的冲头洼地联合蓄水，形成地下水库。水洞地下河经冲头洼地底部，在水洞出口流入马官峰林谷中。地势由东向西降低。峰林海拔高程 1425～1550m，洼地高程 1306～1420m，相对高差 110～210m。冲头洼地底部高程 1342m，周围峰林高程 1425～1550m。

　　地层为三叠系关岭组中段（T₂g²) 的薄层至中厚层泥质灰岩夹少量泥页岩。按照水文工程地质性质可划分为以下几个岩组（图 1)。

图 1 马官地下水库水文地质图
Fig.1 Hydrogeological map of Maguan underground reservoir

　　(1)T₂g^2-1：下部为中厚层泥质微晶灰岩，上部是介壳灰岩和虫迹灰岩，岩溶发育，厚 120m。

(2)T₂g^2-2：薄层至中厚层灰夹页岩，厚 91～115m，该组可划为 3 个亚组。①T₂g^2-2-1：泥页岩与极薄层

　　(3)T₂g^2-3：中厚层灰岩及白云质灰岩，厚约 40m。分布于马官地下水库周围峰丛山顶及羊皮寨地下河流域。岩溶强烈发育，与水洞地下河为邻的羊皮寨地下河发育在本组地层中。

3 马官地下水库成库条件分析

3.1 地下河及溶道系统结构

　　水洞地下河是一条具有单管状、单层状、单一出口特征的悬挂式尖灭型地下河。该地下河平面展布呈单管状，无支流汇入，从水洞口向冲头洼地伸延，尖灭于洼地内，并与洼地中的落水洞竖井相通，经地面勘测，估计长度约 740m，可测长度 200m。

　　在垂直方向上，该地下河水平溶道只有一层，出口也只有一个，出口高程 1323m，悬挂于尖山坡脚，比前沿马官谷地高 15m 左右。从实测洞段来看，溶道洞腔多呈矩形，宽 2～10m，平均约 3.7m。高 0.5～5m，平均约 1.6m。河床比降约 10‰，崩塌石块很少，有少量砂砾和粘土沉积于河床。洞口最大洪水流量约 3.5m³/s，最小枯流量约 1l/s。

　　地下河管道系统简单，即由单一的水平溶道与 3 个垂直竖井组成岩溶管道系统，并镶嵌在溶隙系统中（图 2)。T₂g^2-2-2 灰岩中的溶隙发育良好，其原因是受 T₂g^2-2-3 隔水顶板的制约，雨水难渗入该层灰岩。实地观察中看到，在一般暴雨之后，冲头洼地会积水，经 2～3h 才能被管道排完。洞口在 2～3h 全部排完暴雨之后，流量又变得很小，这一现象也说明溶隙发育极弱。

图 2 马官地下水库形态纵剖面示意图
Fig.2 Sketch of morphologic profile of Maguan underground reservoir

3.2 库盆结构及渗漏问题

　　马官地下水库库盆为两个，即地表库盆和地下库盆，地表库盆为闭合的冲头峰丛洼地，洼地为椭圆形，长约 300m，宽约 150m，地下库盆为地下河管道及其管道可测段的洞腔，前者利用洼地蓄水，后者利用地下河流域的地下水位凹槽蓄水，二者由洼地中的漏斗、落水洞连通，构成马官地下水库的统一蓄水库盆。这个库盆能否蓄水，其关键是库区渗漏问题。

3.2.1 库底渗漏

　　从水库地质结构可知，库底下部有 T₂g^2-2-1 泥质隔水层分布，该隔水层虽然不厚，但未受断层及大裂隙破坏，隔水性仍然良好。水洞地下河就是沿隔水层顶面流出。水化学分析资料也证实隔水层上（T₂g^2-2-2) 下（T₂g^2-1) 灰岩含水层无水力联系，两层地下水类型截然不同（表 1)。T₂g^2-2-2 中的岩溶水为重酸碳钙镁型水，而 T₂g^2-1 中的岩溶水是碳酸重碳酸钙镁型水。矿水度及电导率几乎相差 2 倍。隔水层可成功地阻止库水向底部渗漏。

表 1 T2g 2-2-1 隔水层上下含水层（T₂g^2-2-1，T₂g^2-1) 岩溶水化学成分对照表
Table.1 Comparison of karstic hydrogeochemical composition of aquiclude T₂g^2-2-1 with aquifer above or
underneath T₂g^2-2-2,T₂g^2-1

注：据普定岩溶试验站资料

3.2.2 侧向渗漏

　　库区侧向均为灰岩，无隔水层分布，是否产生侧向渗漏取决于岩溶发育的均一性和地下分水岭是否存在。

　　库区以东和以北是羊皮寨地下河集水区，实地勘测工作表明，羊皮寨地下河与水洞地下河之间有一地下分水岭存在。羊皮寨地下河水位比水洞地下河水位高 42m，分水岭水位亦高于 42m，因此，水库蓄水后不可能向北和向东渗漏。

　　库区以西和以南为马官谷地，低于水库正常蓄水位 56m，山体单薄，是可能渗漏地段。经野外调查研究证实，该山体岩溶发育极弱，无一洞穴出现，实际上是一段岩溶极弱发育的相对隔水层。

　　另外，用水洞地下河测流资料反算汇流面积，其结果与所圈定的汇流面积匹配。连通试验也未发现除水洞以外的其它出口。

　　基于上述认识，这个库盆不会产生库区渗漏^[1]。

3.3 筑坝条件

　　由于地下河管道为单层、单管状，又只有一个出口。出口段形状规则，岩石坚硬，无断层分布，构造裂隙不发育，河床底部堆积物极少，基岩裸露，因此，在洞的出口段选择河体小、易施工的最佳位置为筑坝坝址，大坝为全封闭重力圆筒拱坝，洞腔封闭后即可形成地下水库。

3.4 库容

　　马官地下水库蓄水空间为单管状地下河与洼地相连，地下岩溶空间经可测段洞穴和岩溶发展分析，蓄水库容不大。考虑到库容由地下库容和地表库容联合组成，因此，先分别计算地下库容和地表库容，二者之和即为总库容。地下库容的计算方法利用等水位线分层计算法。基本依据是认为能修建地下水库的地方都有一个地下水凹槽形成的地下水盆，并能绘制出地下水等水位线。若将等水位线视为地形等高线，就可以求出地下水库的回水高程与地下水库面积的关系，再把回水高程分成若干级，查出相应的面积。相邻面积的平均值乘以等水位线间距高程和相应该层的岩体孔隙率就得到分层地下库容容积，各层累计之和即为地下总库容。马官地下水库地下水凹槽结构简单，经计算，总地下库容为 1.442×10⁴m³。地表库容计算方法与一般地表水库相同，可达 131.1×10⁴m³，并绘制库容曲线（图 3)，总库容可达 132.5×10⁴m³（表 2)。

图 3 马官地下水库库容曲线图
Fig.3 Capacity curve of Maguan underground reservoir

表 2 马官地下水库库容表
Table.2 Capacity of Maguan underground reservoir
注：据普定岩溶试验站资料。

4 降雨量及补给量计算

4.1 降雨及时空分布

　　根据普定岩溶野外试验场内马官地下水库附近母猪洞水文站资料，多年平均降雨量 1408.1mm，5～10 月为雨季，占年降雨量的 83.0%～88.2%，11 月至翌年的 4 月为枯季，仅占总量的 11.8%～17.0%，时空分布不均。又因岩溶发育，大量的降雨经地表孔隙、裂隙、落水洞很快渗入地下，由地下河排走，地表超渗部分除少量蒸散发外，其余由地表河排走。降雨被农业生产直接利用的少，绝大部分无法利用，尤其是大暴雨，大量雨水资源不仅难以利用而浪费流走，而且还会造成坝下水害。

4.2 天然补给量

　　马官地下水库集雨区为一完整的水文地质单元，集雨面积为 0.47km²。集水区水循环属完全补给类型^[2]，即降雨扣除蒸散发量全部汇集地下水库。不同设计年入库水量见表 3。

表 3 马官地下水库不同设计年入库水量
Table.3 Input amount of water to Maguan underground reservoir in different designing years