裴建國
（中國地質大學（北京），北京 100083；
中國地質科學院巖溶地質研究所，國土資源部巖溶動力學重點實驗室，桂林 541004）
基金項目：地質調查項目（200310400044、200310400043）資助。
作者簡介：裴建國（1957—），男，研究員，主要從事水文地質與水資源、環境地質研究。
摘要：溶蝕丘陵主要集中分布在湖南的湘中地區，在湘黔桂川渝等地的中低山峰叢地區也有分布。溶蝕丘陵區，巖溶發育，分布著較為豐富的巖溶水，具有較大的開發前景。溶蝕丘陵區巖溶水系統具有多塊多層的結構特征，含水介質以裂隙-溶洞型為主，地下水動力場具有高度非連續水流的特點，而不具有統壹的流場，巖溶水的動態對降水反應靈敏，滯後時間短，具有同步變化的特征。巖溶石山區脫貧致富和可持續發展的關鍵和前提是解決水的問題。巖溶水的開發利用要因地制宜，在開發方式上，要以蓄、引為主，蓄、引、提、排相結合；在工程規模上，以（中）小型為主；在工程布局上，以分散為主；在工程運行上，以自流為主。
關鍵詞：溶蝕丘陵；巖溶水系統；開發利用
溶蝕丘陵是指巖溶丘陵、窪地、谷地的組合形態。根據我國巖溶區的地形地貌特征和地質環境背景，集中分布的溶蝕丘陵區主要有湖南的湘中地區。此外，在湘東、湘西、湘南、黔東北、鄂西、桂東北、川東、粵北等地的中低山峰叢地區，往往是周圍為巖溶山地，山間廣布著波狀起伏的丘陵，屬零星分布的巖溶丘陵地貌。溶蝕丘陵區分布著較為豐富的巖溶水資源，具有較大的開發前景。本文僅就湘中溶蝕丘陵區巖溶水系統的結構、流場、動態、輸入和輸出特征，以及巖溶水資源有效開發利用問題，作壹概述。
1 自然地理及地質概況
湘中溶蝕丘陵區分布於雪峰山以東、衡陽盆地以西、溈山以南、陽明山以北的範圍，總面積為29138km2，其中巖溶分布面積為20626km2，占總面積的70.79%。
本區四周環山，中部為以溶蝕丘陵為主的漣源、邵陽、零陵三個盆地，盆地內地貌組合形態主要表現為峰脊谷地、峰丘窪地、峰丘谷地、壟崗谷地等。北部漣源盆地總體地勢是西北高、東南低，西北部地形標高為600～900m，東南部為100～300m；中部邵陽盆地地形標高多為300～500m；南部零陵盆地地形標高壹般為100～300m。盆地四周的山地標高多在500～1300m之間。
區內地層發育較全，從中元古界至第四系均有出露。冷家溪群和板溪群主要分布於溶蝕丘陵區外圍的中低山區，震旦系至誌留系零星分布於盆地四周的山地，泥盆系至三疊系中統廣泛分布於盆地中，連續沈積，厚度大，三疊系上統至侏羅系、白堊系至第三系、第四系多分布盆地中的谷地、窪地的底部或斜坡地帶。泥盆系至三疊系中統以淺海相碳酸鹽巖沈積為主，中間夾有8～10層濱海相或陸相碎屑巖沈積，其余地層主要為碎屑巖沈積，局部亦有碳酸鹽巖沈積。本區的地質構造主要為壹弧頂向西凸出的弧形構造，由壹系列弧形展布的褶皺和斷裂組成。
2 巖溶水系統特征
2.1 系統的結構特征
2.1.1 剖面結構
根據碳酸鹽巖組成及巖層變化特征、巖溶發育特征、區域性隔水層的分布，在本區泥盆系至三疊系碳酸鹽巖地層，在剖面上可劃分為6個巖溶含水系統、13個巖溶含水巖組，每個巖溶含水系統的頂、底界均由碎屑巖地層構成，具有很好的隔水作用（表1）。由此可見，溶蝕丘陵區巖溶水系統具有多層結構的特征。
表1 巖溶含水系統結構表
續表
2.1.2 平面結構
巖溶水系統的邊界受制於地質環境條件，特別是地形、地貌、地層和構造條件。就溶蝕丘陵區而言，壹個完整的巖溶水系統，不論其規模大小，根據系統的水文地質特征和水循環原理，都可進壹步劃分成許多個亞系統或更次壹級的子系統，每個子系統都是相對獨立且完整的地下水系統，但它們的匯水範圍壹般都不大，小者不足1km2，大者可超過20km2。同壹亞系統的每個子系統都具有相同或相似的結構和功能。
由於受地質構造的控制和區域隔水層的影響，溶蝕丘陵區巖溶水系統還具有多塊結構的特點。本區巖溶水的富集主要受向斜和背斜構造制約，總體而言，北部向斜構造比較開闊，背斜緊密，斷裂發育，形成較完整的向斜蓄水構造；南部背斜比較完整，向斜狹窄，巖溶含水層往往分布於背斜的四周。這些蓄水構造往往構成壹個或數個巖溶水系統。同壹蓄水構造的巖溶水系統具有相似的水文地質特征。
漣源盆地的蓄水構造多以向斜蓄水構造為主，向斜的核部地層壹般為三疊系下統麒麟山組和大冶組，翼部地層為二疊系、石炭系和泥盆系。因受巖性的影響，向斜核部不富水，而翼部富水，主要含水巖組為二疊系茅口組、石炭系黃龍組和船山組灰巖或白雲巖，常常構成巖溶水的富集區或富集帶，具有較好的開發前景。邵陽和零陵盆地，褶皺發育，斷裂密集分布，在構造的有利部位常形成富水帶，是中小型水源地開發的靶區。
2.1.3 系統的邊界類型
巖溶水系統的結構具有多塊性，也就是說巖溶水系統可進壹步劃分成亞系統和子系統，其依據主要是地質環境背景和水文地質條件，在最後落實到系統及系統內部的邊界條件和系統範圍的確定。這是巖溶水資源評價和開發利用的基本條件之壹，也是系統的結構特征之壹。溶蝕丘陵區巖溶水系統的邊界主要有以下幾種類型：
（1）分水嶺型。壹般而言，谷間地塊存在地下分水嶺。有時，窪地或谷地中也存在地下分水嶺。
（2）隔水型或阻水型。這壹類邊界往往是碳酸鹽巖地區的碎屑巖地層、弱巖溶化地層、緊密褶皺帶以及斷裂擠壓帶。
（3）導水型。由於受斷裂構造的影響，常使相對獨立的巖溶水系統之間發生水力聯系，以潛流的形式發生水量交換。
（4）排泄型。當區域性或局部性的巖溶排泄基準面構成巖溶水系統的排泄邊界，巖溶泉或地下河出口呈線狀排泄。
2.1.4 含水介質特征
根據含水介質的骨架、空隙及其組合特征，溶蝕丘陵區含水介質以裂隙-溶洞型為主，可歸納為泥晶灰巖和顆粒泥晶灰巖密集裂隙-溶洞型、泥晶顆粒灰巖裂隙-溶洞型、亮晶顆粒灰巖稀疏裂隙-溶洞型、細-粗晶白雲巖稀疏裂隙-孔隙溶洞型等四類。
2.2 系統的輸入與輸出特征
2.2.1 輸入特征
巖溶水系統的輸入方式主要有兩種：壹是面狀分散入滲補給，這種方式是普遍存在的，尤其是叢丘谷地、峰丘谷地分布區；二是點狀補給，大氣降水和地表水通過漏鬥、落水洞、地下河入口，以滲漏或直接註入的形式補給巖溶水，這種方式在地域上具有點狀且集中的特點，主要發生在裸露型巖溶區。在高位的峰叢窪地、峰丘谷地，當大氣降水入滲形成地下水，通過巖溶含水系統的調節，在相對低的窪地或谷地中以泉或地下河的形式出露地表，形成地表徑流，經短途徑流再壹次通過落水洞、地下河入口等補給巖溶水（二次補給）。雨季時在這些窪地或谷地中，大氣降水超滲產流形成的地表徑流，也是通過低位窪地的落水洞或地下河入口補給巖溶水，這壹種水源的補給多為瞬時性的。
2.2.2 輸出特征
在壹些大中城市和礦區，巖溶水系統的輸出以人工開采和礦區疏幹排水為主。而在絕大部分巖溶山區巖溶水的開發利用程度較低，未受到人工的幹擾和破壞，其排泄方式仍以地下河和巖溶泉為主。因受地形、地貌和地質條件的控制，地下河和巖溶泉的分布，具有壹定的規律，多在碳酸鹽巖和碎屑巖地層接觸帶、強巖溶化與弱巖溶化地層接觸帶、壓性斷裂帶旁側、褶皺的兩端、谷地的後緣和河谷地帶形成地下河和巖溶泉。
2.3 系統的流場和動態特征
2.3.1 流場特征
溶蝕丘陵區巖溶水系統因具多塊多層的結構特征和多層隔水層的存在以及巖溶發育的不均勻性，從而使本區巖溶水不具有統壹的流場，具有高度非連續水流的特點，而且流向嚴格受地形、地貌、地層巖性和地質構造的控制。巖溶水徑流可分為管道型和裂隙型兩種方式。管道型主要分布於二疊系茅口組上段、石炭系船山組和黃龍組以及泥盆系棋子橋組和佘田橋組，而其他層位的巖溶水主要以裂隙運移為主，在壹些巖溶發育帶中，局部也存在管道型水流。
2.3.2 動態特征
巖溶水的動態與系統的結構、輸入和流場的關系極為密切。以管道型為主的巖溶水動態對降水反映靈敏、滯後時間短，具有同步變化的特征。在雨季，巖溶泉或地下河流量的峰值多在降水量峰值之後2～10個小時出現，高峰的持續時間短，流量變化大，暴漲暴落，極不穩定，巖溶大泉（下降泉）或地下河的流量的三日增幅多為20～100L/s，大者可達500L/s以上。在旱季，降水量很小，甚至無雨，流量呈自然衰減狀態。年最大流量和最小流量壹般相差數十至數百倍，大者可上千倍。
以裂隙型為主的巖溶水多以泉的形式出露地表，少數為地下河，其流量動態仍與降水關系密切，流量變化也不穩定，流量峰值略滯後於降水量峰值，滯後時間壹般為2～3天，在雨季巖溶泉的三日增幅為20～50L/s，大者可超100L/s，地下河則更大，年最大流量與最小流量壹般相差數十倍，大可達數百倍。
完全以裂隙為主的巖溶水是以分散的小型巖溶泉出露地表，泉流量的動態變化相對穩定，流量的峰值滯後於降水的峰值，滯後時間壹般為10～50天，三日增幅小於5L/s，年最大流量與最小流量相差1～10倍，大者可達20倍。這類泉水流量在枯季多小於1L/s。
3 巖溶水開發利用
3.1 開發利用模式
巖溶水的開發利用，要根據巖溶水系統的結構特征和水動力條件，采取易於操作且有效的方式方法，主要有蓄、引、提、排等，以及這些方式方法的結合使用。而應以蓄、引為主，並與水能資源開發結合起來，使巖溶水資源的開發利用更合理、更經濟。
巖溶水開發利用的基本模式主要有以下幾種：
（1）蓄水模式。包括溶窪成庫模式、溶谷成庫模式、地下河堵洞成庫模式。
（2）引水模式。包括直接引水模式（位置較高的巖溶泉和地下河）、築壩引水模式（擡高水位引水）、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（巖溶排泄帶）、提取庫水模式（蓄水成庫後提水）、地下河天窗或豎井提水模式。
（4）排水模式。在解決供水問題的同時，必須註意防止洪澇災害。本區很多窪地，地勢低平，排水不暢，壹遇暴雨，即成內澇，又不易建庫，只能開挖隧洞或其他方式進行排洪，以減輕洪澇災害的損失。應統壹考慮資源與洪澇問題，采取洪澇的治理與資源的開發利用壹起抓，因此在此也將排水作為開發模式之壹。
針對溶蝕丘陵區巖溶水系統具有多塊多層的結構特征和高度非連續水流的動力場特征，以及地形、地貌和水資源分布規律，溶蝕丘陵區巖溶水有效開發利用要因地制宜。在開發方式上，要以蓄、引為主，蓄、引、提、排相結合。人、畜飲水工程以引為主，引、提結合，合理開發利用地下水；農田灌溉工程以蓄、引為主，地表水和地下水綜合開發利用。在工程規模上，以（中）小型為主。在工程布局上，以分散為主。在工程運行上，以自流為主。
3.2 開發利用實例
3.2.1 大慶坪地區的成功經驗
大慶坪地區巖溶水開發利用的經驗值得我們借鑒。大慶坪地區位於永州市的西南部，為壹典型的溶蝕丘陵區。出露地層有泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、白堊系等，碳酸鹽巖出露面積達70%以上。近40年來，***建巖溶水利水電工程16處，據不完全統計，灌溉面積約1.33萬hm2，裝機約3000kW，從根本上改變了巖溶地區的幹旱面貌。其主要開發利用方式為溶窪成庫，引水工程、地下水庫、提灌工程，而骨幹工程為溶窪水庫（表2）。最大的引水工程為五星隧洞，隧洞長 1826m，引水量為 43200m3/d，裝機2500kW，灌溉農田200hm2。
表2 大慶坪地區溶窪水庫壹覽表
溶窪成庫的關鍵主要取決於地下分水嶺和相對隔水層的存在及其所處的位置高度。大慶坪地區溶窪成庫的經驗表明，充分利用四周的（相對）隔水層是建成溶窪水庫的可靠的水文地質邊界條件，在不具備或不完全具備完整的（相對）隔水層時，地下分水嶺的存在是建庫的必要條件。淺部巖溶管道是溶窪水庫滲漏的主要通道，作好巖溶水系統的結構和流場分析、輸入和輸出條件分析以及淺部巖溶管隙的處理是主要的防滲措施。
3.2.2 吉慶地區的教訓
吉慶地區位於新化縣東北部，出露地層主要為石炭系黃龍組和船山組。該地有多處病害水庫。如南山水庫，坐落在壹北東向展布的窪地中，設計庫容104萬m3，因庫底滲漏，達不到設計要求，後逐漸變為幹庫。其主要原因是建庫前未查明巖溶分布規律和發育特征，庫底被松散層覆蓋，水庫蓄水後，隨著水頭壓力的增大和地下溶洞水的潛蝕，落水洞和溶蝕裂隙的充填物隨著下塌，並形成庫底塌陷，致使落水洞完全暴露，使水庫不能蓄水。又如朝輝水庫，20世紀50年代末建成，正常運行近20年後，在原壩體加高2m左右，致使庫底、壩體下遊約100m內，形成串珠狀塌陷，使水庫不能正常蓄水。
4 結語
溶蝕丘陵區多為經濟較發達的地區，但在廣大巖溶石漠化區，由於自然環境的脆弱性，還不同程度地存在著旱澇災害、水土流失嚴重、生態環境惡劣等問題，長期以來得不到有效的解決和改善，制約著當地社會經濟的持續發展，造成人民的貧困。其根本原因就在於缺水，或是水資源未能合理有效地開發利用。因此，巖溶貧困山區脫貧致富的關鍵和前提是解決水的問題。
根據溶蝕丘陵區巖溶水系統的特征，巖溶水的開發應以巖溶水系統（亞系統、子系統）為整體，進行科學合理的規劃，首先是解決生活用水和農田灌溉用水問題，使農民達到溫飽水平。在解決溫飽問題以後，應及時地指導農民積極地退耕還林，恢復和擴大森林面積，減少水土流失和石漠化，改善生態環境，通過產業結構調整，促使傳統農業向生態農業轉變，促進社會經濟與生態環境呈良性循環，走人口、資源、環境統壹協調的可持續發展的道路。
參考文獻
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