溶蚀丘陵区岩溶水系统特征及开发利用 喀斯特地貌的特征及形成过程
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裴建国
（中国地质大学（北京），北京 100083；
中国地质科学院岩溶地质研究所，国土资源部岩溶动力学重点实验室，桂林 541004）
基金项目：地质调查项目（200310400044、200310400043）资助。
作者简介：裴建国（1957—），男，研究员，主要从事水文地质与水资源、环境地质研究。
摘要：溶蚀丘陵主要集中分布在湖南的湘中地区，在湘黔桂川渝等地的中低山峰丛地区也有分布。溶蚀丘陵区，岩溶发育，分布着较为丰富的岩溶水，具有较大的开发前景。溶蚀丘陵区岩溶水系统具有多块多层的结构特征，含水介质以裂隙-溶洞型为主，地下水动力场具有高度非连续水流的特点，而不具有统一的流场，岩溶水的动态对降水反应灵敏，滞后时间短，具有同步变化的特征。岩溶石山区脱贫致富和可持续发展的关键和前提是解决水的问题。岩溶水的开发利用要因地制宜，在开发方式上，要以蓄、引为主，蓄、引、提、排相结合；在工程规模上，以（中）小型为主；在工程布局上，以分散为主；在工程运行上，以自流为主。
关键词：溶蚀丘陵；岩溶水系统；开发利用
溶蚀丘陵是指岩溶丘陵、洼地、谷地的组合形态。根据我国岩溶区的地形地貌特征和地质环境背景，集中分布的溶蚀丘陵区主要有湖南的湘中地区。此外，在湘东、湘西、湘南、黔东北、鄂西、桂东北、川东、粤北等地的中低山峰丛地区，往往是周围为岩溶山地，山间广布着波状起伏的丘陵，属零星分布的岩溶丘陵地貌。溶蚀丘陵区分布着较为丰富的岩溶水资源，具有较大的开发前景。本文仅就湘中溶蚀丘陵区岩溶水系统的结构、流场、动态、输入和输出特征，以及岩溶水资源有效开发利用问题，作一概述。
1 自然地理及地质概况
湘中溶蚀丘陵区分布于雪峰山以东、衡阳盆地以西、沩山以南、阳明山以北的范围，总面积为29138km2，其中岩溶分布面积为20626km2，占总面积的70.79%。
本区四周环山，中部为以溶蚀丘陵为主的涟源、邵阳、零陵三个盆地，盆地内地貌组合形态主要表现为峰脊谷地、峰丘洼地、峰丘谷地、垄岗谷地等。北部涟源盆地总体地势是西北高、东南低，西北部地形标高为600～900m，东南部为100～300m；中部邵阳盆地地形标高多为300～500m；南部零陵盆地地形标高一般为100～300m。盆地四周的山地标高多在500～1300m之间。
区内地层发育较全，从中元古界至第四系均有出露。冷家溪群和板溪群主要分布于溶蚀丘陵区外围的中低山区，震旦系至志留系零星分布于盆地四周的山地，泥盆系至三叠系中统广泛分布于盆地中，连续沉积，厚度大，三叠系上统至侏罗系、白垩系至第三系、第四系多分布盆地中的谷地、洼地的底部或斜坡地带。泥盆系至三叠系中统以浅海相碳酸盐岩沉积为主，中间夹有8～10层滨海相或陆相碎屑岩沉积，其余地层主要为碎屑岩沉积，局部亦有碳酸盐岩沉积。本区的地质构造主要为一弧顶向西凸出的弧形构造，由一系列弧形展布的褶皱和断裂组成。
2 岩溶水系统特征
2.1 系统的结构特征
2.1.1 剖面结构
根据碳酸盐岩组成及岩层变化特征、岩溶发育特征、区域性隔水层的分布，在本区泥盆系至三叠系碳酸盐岩地层，在剖面上可划分为6个岩溶含水系统、13个岩溶含水岩组，每个岩溶含水系统的顶、底界均由碎屑岩地层构成，具有很好的隔水作用（表1）。由此可见，溶蚀丘陵区岩溶水系统具有多层结构的特征。
表1 岩溶含水系统结构表
续表
2.1.2 平面结构
岩溶水系统的边界受制于地质环境条件，特别是地形、地貌、地层和构造条件。就溶蚀丘陵区而言，一个完整的岩溶水系统，不论其规模大小，根据系统的水文地质特征和水循环原理，都可进一步划分成许多个亚系统或更次一级的子系统，每个子系统都是相对独立且完整的地下水系统，但它们的汇水范围一般都不大，小者不足1km2，大者可超过20km2。同一亚系统的每个子系统都具有相同或相似的结构和功能。
由于受地质构造的控制和区域隔水层的影响，溶蚀丘陵区岩溶水系统还具有多块结构的特点。本区岩溶水的富集主要受向斜和背斜构造制约，总体而言，北部向斜构造比较开阔，背斜紧密，断裂发育，形成较完整的向斜蓄水构造；南部背斜比较完整，向斜狭窄，岩溶含水层往往分布于背斜的四周。这些蓄水构造往往构成一个或数个岩溶水系统。同一蓄水构造的岩溶水系统具有相似的水文地质特征。
涟源盆地的蓄水构造多以向斜蓄水构造为主，向斜的核部地层一般为三叠系下统麒麟山组和大冶组，翼部地层为二叠系、石炭系和泥盆系。因受岩性的影响，向斜核部不富水，而翼部富水，主要含水岩组为二叠系茅口组、石炭系黄龙组和船山组灰岩或白云岩，常常构成岩溶水的富集区或富集带，具有较好的开发前景。邵阳和零陵盆地，褶皱发育，断裂密集分布，在构造的有利部位常形成富水带，是中小型水源地开发的靶区。
2.1.3 系统的边界类型
岩溶水系统的结构具有多块性，也就是说岩溶水系统可进一步划分成亚系统和子系统，其依据主要是地质环境背景和水文地质条件，在最后落实到系统及系统内部的边界条件和系统范围的确定。这是岩溶水资源评价和开发利用的基本条件之一，也是系统的结构特征之一。溶蚀丘陵区岩溶水系统的边界主要有以下几种类型：
（1）分水岭型。一般而言，谷间地块存在地下分水岭。有时，洼地或谷地中也存在地下分水岭。
（2）隔水型或阻水型。这一类边界往往是碳酸盐岩地区的碎屑岩地层、弱岩溶化地层、紧密褶皱带以及断裂挤压带。
（3）导水型。由于受断裂构造的影响，常使相对独立的岩溶水系统之间发生水力联系，以潜流的形式发生水量交换。
（4）排泄型。当区域性或局部性的岩溶排泄基准面构成岩溶水系统的排泄边界，岩溶泉或地下河出口呈线状排泄。
2.1.4 含水介质特征
根据含水介质的骨架、空隙及其组合特征，溶蚀丘陵区含水介质以裂隙-溶洞型为主，可归纳为泥晶灰岩和颗粒泥晶灰岩密集裂隙-溶洞型、泥晶颗粒灰岩裂隙-溶洞型、亮晶颗粒灰岩稀疏裂隙-溶洞型、细-粗晶白云岩稀疏裂隙-孔隙溶洞型等四类。
2.2 系统的输入与输出特征
2.2.1 输入特征
岩溶水系统的输入方式主要有两种：一是面状分散入渗补给，这种方式是普遍存在的，尤其是丛丘谷地、峰丘谷地分布区；二是点状补给，大气降水和地表水通过漏斗、落水洞、地下河入口，以渗漏或直接注入的形式补给岩溶水，这种方式在地域上具有点状且集中的特点，主要发生在裸露型岩溶区。在高位的峰丛洼地、峰丘谷地，当大气降水入渗形成地下水，通过岩溶含水系统的调节，在相对低的洼地或谷地中以泉或地下河的形式出露地表，形成地表径流，经短途径流再一次通过落水洞、地下河入口等补给岩溶水（二次补给）。雨季时在这些洼地或谷地中，大气降水超渗产流形成的地表径流，也是通过低位洼地的落水洞或地下河入口补给岩溶水，这一种水源的补给多为瞬时性的。
2.2.2 输出特征
在一些大中城市和矿区，岩溶水系统的输出以人工开采和矿区疏干排水为主。而在绝大部分岩溶山区岩溶水的开发利用程度较低，未受到人工的干扰和破坏，其排泄方式仍以地下河和岩溶泉为主。因受地形、地貌和地质条件的控制，地下河和岩溶泉的分布，具有一定的规律，多在碳酸盐岩和碎屑岩地层接触带、强岩溶化与弱岩溶化地层接触带、压性断裂带旁侧、褶皱的两端、谷地的后缘和河谷地带形成地下河和岩溶泉。
2.3 系统的流场和动态特征
2.3.1 流场特征
溶蚀丘陵区岩溶水系统因具多块多层的结构特征和多层隔水层的存在以及岩溶发育的不均匀性，从而使本区岩溶水不具有统一的流场，具有高度非连续水流的特点，而且流向严格受地形、地貌、地层岩性和地质构造的控制。岩溶水径流可分为管道型和裂隙型两种方式。管道型主要分布于二叠系茅口组上段、石炭系船山组和黄龙组以及泥盆系棋子桥组和佘田桥组，而其他层位的岩溶水主要以裂隙运移为主，在一些岩溶发育带中，局部也存在管道型水流。
2.3.2 动态特征
岩溶水的动态与系统的结构、输入和流场的关系极为密切。以管道型为主的岩溶水动态对降水反映灵敏、滞后时间短，具有同步变化的特征。在雨季，岩溶泉或地下河流量的峰值多在降水量峰值之后2～10个小时出现，高峰的持续时间短，流量变化大，暴涨暴落，极不稳定，岩溶大泉（下降泉）或地下河的流量的三日增幅多为20～100L/s，大者可达500L/s以上。在旱季，降水量很小，甚至无雨，流量呈自然衰减状态。年最大流量和最小流量一般相差数十至数百倍，大者可上千倍。
以裂隙型为主的岩溶水多以泉的形式出露地表，少数为地下河，其流量动态仍与降水关系密切，流量变化也不稳定，流量峰值略滞后于降水量峰值，滞后时间一般为2～3天，在雨季岩溶泉的三日增幅为20～50L/s，大者可超100L/s，地下河则更大，年最大流量与最小流量一般相差数十倍，大可达数百倍。
完全以裂隙为主的岩溶水是以分散的小型岩溶泉出露地表，泉流量的动态变化相对稳定，流量的峰值滞后于降水的峰值，滞后时间一般为10～50天，三日增幅小于5L/s，年最大流量与最小流量相差1～10倍，大者可达20倍。这类泉水流量在枯季多小于1L/s。
3 岩溶水开发利用
3.1 开发利用模式
岩溶水的开发利用，要根据岩溶水系统的结构特征和水动力条件，采取易于操作且有效的方式方法，主要有蓄、引、提、排等，以及这些方式方法的结合使用。而应以蓄、引为主，并与水能资源开发结合起来，使岩溶水资源的开发利用更合理、更经济。
岩溶水开发利用的基本模式主要有以下几种：
（1）蓄水模式。包括溶洼成库模式、溶谷成库模式、地下河堵洞成库模式。
（2）引水模式。包括直接引水模式（位置较高的岩溶泉和地下河）、筑坝引水模式（抬高水位引水）、堵洞截流引水模式、隧洞截流引水模式。
（3）提水模式。包括提取泉水模式（含地下河出口）、打井提水模式、提取河水模式（岩溶排泄带）、提取库水模式（蓄水成库后提水）、地下河天窗或竖井提水模式。
（4）排水模式。在解决供水问题的同时，必须注意防止洪涝灾害。本区很多洼地，地势低平，排水不畅，一遇暴雨，即成内涝，又不易建库，只能开挖隧洞或其他方式进行排洪，以减轻洪涝灾害的损失。应统一考虑资源与洪涝问题，采取洪涝的治理与资源的开发利用一起抓，因此在此也将排水作为开发模式之一。
针对溶蚀丘陵区岩溶水系统具有多块多层的结构特征和高度非连续水流的动力场特征，以及地形、地貌和水资源分布规律，溶蚀丘陵区岩溶水有效开发利用要因地制宜。在开发方式上，要以蓄、引为主，蓄、引、提、排相结合。人、畜饮水工程以引为主，引、提结合，合理开发利用地下水；农田灌溉工程以蓄、引为主，地表水和地下水综合开发利用。在工程规模上，以（中）小型为主。在工程布局上，以分散为主。在工程运行上，以自流为主。
3.2 开发利用实例
3.2.1 大庆坪地区的成功经验
大庆坪地区岩溶水开发利用的经验值得我们借鉴。大庆坪地区位于永州市的西南部，为一典型的溶蚀丘陵区。出露地层有泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、白垩系等，碳酸盐岩出露面积达70%以上。近40年来，共建岩溶水利水电工程16处，据不完全统计，灌溉面积约1.33万hm2，装机约3000kW，从根本上改变了岩溶地区的干旱面貌。其主要开发利用方式为溶洼成库，引水工程、地下水库、提灌工程，而骨干工程为溶洼水库（表2）。最大的引水工程为五星隧洞，隧洞长 1826m，引水量为 43200m3/d，装机2500kW，灌溉农田200hm2。
表2 大庆坪地区溶洼水库一览表
溶洼成库的关键主要取决于地下分水岭和相对隔水层的存在及其所处的位置高度。大庆坪地区溶洼成库的经验表明，充分利用四周的（相对）隔水层是建成溶洼水库的可靠的水文地质边界条件，在不具备或不完全具备完整的（相对）隔水层时，地下分水岭的存在是建库的必要条件。浅部岩溶管道是溶洼水库渗漏的主要通道，作好岩溶水系统的结构和流场分析、输入和输出条件分析以及浅部岩溶管隙的处理是主要的防渗措施。
3.2.2 吉庆地区的教训
吉庆地区位于新化县东北部，出露地层主要为石炭系黄龙组和船山组。该地有多处病害水库。如南山水库，坐落在一北东向展布的洼地中，设计库容104万m3，因库底渗漏，达不到设计要求，后逐渐变为干库。其主要原因是建库前未查明岩溶分布规律和发育特征，库底被松散层覆盖，水库蓄水后，随着水头压力的增大和地下溶洞水的潜蚀，落水洞和溶蚀裂隙的充填物随着下塌，并形成库底塌陷，致使落水洞完全暴露，使水库不能蓄水。又如朝辉水库，20世纪50年代末建成，正常运行近20年后，在原坝体加高2m左右，致使库底、坝体下游约100m内，形成串珠状塌陷，使水库不能正常蓄水。
4 结语
溶蚀丘陵区多为经济较发达的地区，但在广大岩溶石漠化区，由于自然环境的脆弱性，还不同程度地存在着旱涝灾害、水土流失严重、生态环境恶劣等问题，长期以来得不到有效的解决和改善，制约着当地社会经济的持续发展，造成人民的贫困。其根本原因就在于缺水，或是水资源未能合理有效地开发利用。因此，岩溶贫困山区脱贫致富的关键和前提是解决水的问题。
根据溶蚀丘陵区岩溶水系统的特征，岩溶水的开发应以岩溶水系统（亚系统、子系统）为整体，进行科学合理的规划，首先是解决生活用水和农田灌溉用水问题，使农民达到温饱水平。在解决温饱问题以后，应及时地指导农民积极地退耕还林，恢复和扩大森林面积，减少水土流失和石漠化，改善生态环境，通过产业结构调整，促使传统农业向生态农业转变，促进社会经济与生态环境呈良性循环，走人口、资源、环境统一协调的可持续发展的道路。
参考文献
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韩行瑞，陈定容等.1997.岩溶单元流域综合开发与治理.桂林：广西师范大学出版社
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