乌蒙山岩溶缺水地区表层岩溶泉有效开发模式研究

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(四川省地质工程勘察院，四川 成都 610072)

岩溶山区地层分布以碳酸盐岩为主，强烈的溶蚀作用下，溶洞、落水洞、岩溶洼地、漏斗等岩溶地形发育，地表水快速渗透补给岩溶地下水，导致地表径流量小，多数地区干旱缺水[1]。岩溶地下水具有埋藏深度大、分布不均匀、开采利用难度大的特征[2]。地表缺水和地下水资源未能得到充分利用形成了一对尖锐的矛盾，并严重影响了岩溶地区的社会经济发展。

乌蒙山是我国老少边穷山区之一。包括云南、贵州、四川三省毗邻地区的38个县(市、区)，面积11万 km2。区内碳酸盐岩广泛分布，以二叠系(P)、三叠系(T)、志留系(S)、奥陶系(O)和寒武系(∈)等地层为主。主要为碳酸盐岩深山、石山，干旱缺水和石漠化严重。该区域是我国彝族、苗族等少数民族聚集区，发展相对滞后，农村生产、生活水平低。地理位置、交通条件以及环境条件差，农村生产单一，经济长期得不到长足发展，经济社会发展滞后。

山区群众生产、生活用水主要靠溪沟、泉水解决，若遇干旱或大旱，溪沟、泉水断流，基本生活饮用水就愈发困难，且长期得不到解决。表层岩溶带会生成许多水质优越的天然表层岩溶泉，合理开发表层岩溶泉，对解决岩溶缺水山区人民的日常饮水问题具有重要的现实意义[3]。

本文依托中国地质调查局2014年-2015年《乌蒙山重点地区水文地质填图(摩尼幅(G48E001015))》项目(项目编码：12120114030401)，选择营山乡仙洞村一处表层岩溶泉作为示范工程进行开发，对该表层泉补径排特征、水资源量、动态特征、开发方式等进行研究，为区内表层岩溶泉开发提供参考。

1 表层泉及其开发模式

表层泉为表层岩溶带中出露的泉水，表层岩溶带是碳酸盐岩类岩石近地表部分因强烈溶蚀作用形成的具有一定规模、并由不同岩溶形态组合而成的强岩溶化带，从剖面上反映，是岩溶垂向作用的第一个岩溶层，储存于其中的岩溶水被称为表层岩溶水[4]。表层岩溶地下水接受大气降水补给，补给有一定保证，且循环交替速度快，水质优良，但地下水水量较小，多以小流量的表层泉的形式排泄，或向下补给下部含水层。

岩溶山区人口零星分散，村落之间距离较远，开发利用好表层岩溶水资源是解决缺水地区人畜用水的最佳方式。对表层带岩溶泉的开发利用主要可分为利用天然露头点形式和人工开挖形式，利用方式则根据不同的岩溶地貌及植被覆盖条件又分为蓄、引，蓄、提和蓄、引、提、人工大井、人工隧洞、人工浅井、人工浅槽、人工小水窖等形式[5]。

表层岩溶泉的水资源在通常在时间上分配很不均匀，利用蓄水池蓄水，可以将雨季剩余的水量储存下来供枯季使用[6]，即储引法。储引法具有是经济实惠，并能有效开采利用表层泉的一种常用的方法。对表层泉的水资源量进行估算、合计设计蓄水池的规模，可以达到充分利用水资源、节约建设费用的目的。

2 乌蒙山区营山乡地区表层泉开发示例

2.1 地下水利用现状

营山乡属于泸州市叙永县管辖，位于县城南侧约46 km。营山乡仙洞村，农户居住地较分散，主要有桂花树、皮匠铺和窝坑3处聚居点，均位于石灰岩裸露区的缺水地区。大气降水沿消水洞、落水洞向下垂向径流，区内无地表溪流、大泉、地下河出露，地下水径流、排泄受区域侵蚀基准面控制，地下水埋深大，农户生活、生产用水多为分散引用表层岩溶泉水的方式。

仙洞村共有4处表层岩溶泉水源供附近农户使用(见图1和表1)，农户一般采用直接分散引泉开采方式，S1表层岩溶泉修建2 m3水柜，枯、丰水期调节作用极差，抗干旱能力极差。

表1 表层岩溶泉示范开发区内泉水水源基本情况一览表

图1 表层岩溶泉与聚居点分布位置图

结合经费预算、用水人数、缺水情况、场地条件等综合分析，本次表层岩溶泉开发示范工程水源主要为S1，S2表层泉作为备用水源。表层岩溶泉出露于浅部的垂直径流带，出露位置均高于聚居点(见图2)，可通过从蓄水池引水的方式，引到农户家中使用。

图2 表层岩溶泉与聚居点高程位置示意图

2.2 水文地质条件

2.2.1 岩溶发育特征

仙洞村为二叠系下统茅口组(P1m)石灰岩裸露区，地表溶蚀强烈，多沿陡倾裂隙形成溶沟、溶槽等。地表多发育岩溶漏斗、洼地，底部直径一般10～30 m，在底部多有落水洞、消水洞与地下溶蚀管道相连。区内发育溶洞多为干洞，洞体宽大，部分溶洞有溶蚀管道与地表相连，地表水流进入溶洞后在溶洞内再次进入地下管道。

2.2.2 地下水类型及富水性

区内地下水含水岩组为茅口组石灰岩，地下水类型为裸露型碳酸盐岩溶洞裂隙水。石灰岩裂隙较发育，且可溶性强，在地下水作用下多形成溶蚀裂隙、管道和孔洞，地下水主要赋存于此类介质中。区域地下水富水性好，暗河流量可达900 L/s，但受侵蚀基准面控制，地下水埋深大。表层岩溶泉出露多，但流量均小于1 L/s，表层岩溶带地下水富水性差。

2.2.3 地下水补径排特征

地下水主要受大气降水补给，补给区覆盖层厚度较薄，多为基岩出露，降水形成坡面水流后，向漏斗、洼地汇流，通过裂隙、落水洞和消水洞直接补给进入石灰岩岩体中。地下水径流主要通过溶隙、裂隙，向大尺寸的溶蚀管道、地下河通道径流，形成树枝状的地下河径流形式，最终受侵蚀基准面和地形切割控制，以地下河的形式排泄。

表层岩溶带地下水主要受大气降水的补给，赋存于浅表层的裂隙、溶蚀孔洞中，受地形控制向低处径流，受地形切割及含水层下部的厚层石灰岩的控制，以表层岩溶泉的形式排泄。

2.2.4 表层岩溶泉的地下水动态特征

表层岩溶泉的补径排特征表现为：即时补给，短径流，就地排泄。含水层由浅表层风化裂隙、溶蚀孔洞构成的含水层，一般厚度较小，降水后补给快速，沿地形在重力作用下径流，径流路径短，受下伏较完整基岩(相对隔水层)和地形控制排泄。

拟开发利用的S1表层岩溶泉地下水动态监测及访问情况，表层岩溶泉的水量动态变化大，泉水受降雨影响的敏感度高，大雨后水量陡增。丰期水量持续位于高位，枯期水量减小，长时间不降雨部分泉水干涸。通过2014年8月～2015年7月的监测数据，水量枯丰比大于1:10。水质基本无变化，部分泉水降雨后略浑浊。

2.2.5 表层岩溶泉水质特征

对S1表层岩溶泉采集地下水样，进行水质全分析和饮用水水源水质常规指标检测，地下水化学类型为HCO3-Ca型，矿化度一般0.17 g/L，pH值7.5，其他指标均满足《生活饮用水水源水质标准》(CJ 3020-1993)一级水源水的标准。

2.3 表层岩溶泉水资源量计算

通过区域气象站、自建雨量站、1处地下河和表层岩溶泉监测点数据(图3)，根据比拟法分析，1#表层岩溶泉枯水期(12月～次年3月)平均流量0.075 L/s，平水期(4月、10月和11月)平均流量0.145 L/s，丰水期(5月～9月)平均流量0.725 L/s，泉水流量季节性变化幅度较大。

图3 表层岩溶泉流量监测与降雨监测关系图

水资源可开采量与泉径流量基本一致。根据地下水动态监测成果，依据径流模数理论，按公式1计算可开采量。计算结果见表1。

(1)

表1 S1表层岩溶泉可开采资源量计算表

全年可开采资源量11 508 m3，但是枯丰期资源量极不均衡，枯丰比约1：12，丰水期可开采资源量占全年的83%。

2.4 开发方式评价

表层岩溶泉水资源管理的目标是使水资源的利用量最大且水窖容积最小(开发工程设计)。根据表层岩溶泉地下水可开发量、需求量、泉点位置、供给区位置和投资成本等因素综合考虑，可通过储引的方式进行开发。开发评价过程中，计算出一个满足用水需求且经济的储水容积是工程有效性的关键。计算过程中充分考虑泉流量、用水人数随时间的动态变化。

其中，人均用水量参考《四川省用水定额》按90 L/人·d，泉流量通过监测资料获得，用水人数根据实际调查访问，默认该工程修建后，每个计算月水池均为满载，计算见表2。

由表2可知，4月～11月平水期和丰水期，表层岩溶泉流量可以满足每人每天90 L的用水定额，12月至次年3月，泉流量不能保证基本用水定额，此时，需修建储水池解决枯水期的用水需求。

通过计算，12月至次年3月共有用水缺口97 750.8 L，若修建蓄水池，在11月末池中水量应不少于12月至次年3月的用水缺口，11月每日可余泉水5 151.6 L，全月可余154 548 L，具备补充枯水期用水缺口的可开采量。因此，为解决基本用水需求，修建储水池容积应不小于97.75 m3,见图4。利用原有小型蓄水池作为泉室，作为水量较大时的蓄水、沉淀池，再通过引水管，把泉水引入储水池中。

表2 表层岩溶泉供给计算表

图4 泉室示意图

3 结语

表层岩溶泉是岩溶石山区的农户的主要水源，具有水质好、开发难度小、经济效益高等特征，现阶段农户多采用分散引水或修建小型水柜的方式开发利用，基本无调蓄作用，抗干旱能力差。修建储水池进行枯丰调蓄的方式开发，可以增加抵抗枯水或干旱的能力。在开发过程中，选择合适、经济的储水池容积，是开发效率的关键指标。通过对表层岩溶泉的流量动态观测，计算其资源排泄量及规律，调查供给端蓄水情况，通过对资源量和需求量的分析，计算储水池尺寸，对采用储引方式开发表层岩溶泉提供最优方案。

[1]覃小群,蒋忠诚.表层岩溶带及其水循环的研究进展与发展方向[J].中国岩溶. 2005.9:250-252.

[2]蒋忠诚,夏日元,时坚，等. 西南岩溶地下水资源开发利用效应与潜力分析[J].地球学报.2006.10:495-502.

[3]朱海彬,任晓冬,李开忠.贵州喀斯特地区表层岩溶带水资源开发利用研究[J].中国农村水利水电.2015.2:60-63.

[4]王伟.基于层次分析法的表层带岩溶水资源评价方法探讨——以大小井流域为例[J].贵州地质.2007.24:17-21.

[5]李东.贵州表层带岩溶水特征及有效开发利用[J].金属材料与冶金工程.2010.8:60-636.

[6]高渐飞,熊康宁,覃焕勋.基于极度干旱条件下的喀斯特峡谷区水资源利用方式[J]. 中国农村水利水电.2015.9:119-127.