喀斯特高原山地水资源赋存特征及其综合利用方式——以贵州省七星关区朝营小流域为例

高渐飞，苏维词，陈永毕，韦清章，吴克华

(1.贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001； 2.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州 贵阳 550001)

喀斯特高原山地水资源赋存特征及其综合利用方式
——以贵州省七星关区朝营小流域为例

高渐飞1,2，苏维词1，陈永毕2，韦清章2，吴克华1

(1.贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001； 2.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州 贵阳 550001)

水资源；赋存特点；综合利用；喀斯特山地

为解决喀斯特山区人畜饮水困难，以贵州省七星关区朝营小流域为例，分析了流域水资源赋存特征、利用条件和供需平衡状况，结果显示：流域山地、谷地、洼地相间分布，地表起伏给水资源利用带来严重影响和限制；表层岩溶水可分为森林滞水型、溶蚀差异型和相对隔水型3种赋存类型；流域水源点共18处，枯水期流量不能满足人畜饮水需求；人居格局具有 “大分散、小聚集” 的特征，单一水源或者利用方式不能解决缺水问题。应因地制宜，采用屋面雨水收集、表层分散泉点多级集蓄、地下水堵截提水、长距离引水应急等方式综合开发，通过水池(窖)的调蓄，实现干旱期间同时有储存水源和泉点来水补充，保障流域人畜饮水安全。

广泛出露的碳酸盐岩、复杂的地质构造和强烈的水动力条件，导致以贵州高原为中心的中国南方喀斯特地区，地貌纵向发育强烈，地域景观垂直分异明显，地形延绵起伏，山高坡陡，喀斯特石漠化严重，地表持水和调控能力低，降雨很快沿裂隙、漏斗、落水洞和缺土缺林的坡面注入地下和深切河谷，可方便利用的水资源(经济、技术条件允许建取水工程)稀少，因此缺水问题一直是该区经济社会发展的瓶颈。研究认为，可以从浅层喀斯特水的开发利用、雨水收集、节水三个方面解决缺水问题[1]。目前，形成了地下河天窗提水[2-3]、天窗旁打井提水[4]、浅层地下水开挖提水[5]、围泉建池[6-7]、利用皮下水建池(窖)[8]等有效水资源利用模式与方式，但单个技术或模式只能解决某一个点或者一类环境缺水问题。喀斯特高原山地地貌褶皱断裂交替发育，残存的高原剥夷面波状起伏，山峰连绵、层峦叠嶂、坡陡谷深，流域内山地、谷地、洼地相间分布，不同游段水系结构、赋存特点各不相同[9]，加之人居格局呈现“大分散、小聚集”的特征，靠单一水源或者利用方式难以完全解决流域缺水问题。为此，以贵州省七星关区朝营小流域为例，在弄清流域水资源赋存特点及类型，分析开发利用条件的基础上，通过现有技术利用和新技术研发，因地制宜采取雨水收集、分散泉点多级集蓄、地下水堵截提水等方式，实现雨水、地表水、地下水资源综合利用，合理调蓄，以期形成经济实用、稳定可靠的区域水资源优化利用体系，为同类喀斯特山区提供参考。

1 研究区概况

朝营小流域地处贵州省七星关区西部，属长江流域乌江水系六冲河上游支流区，土地总面积39.70 km2。区内出露二叠系茅口组(P1)厚层块状灰岩和石炭系摆佐组(C1b)白云质灰岩，土壤以黄壤、黄色石灰土为主，为典型喀斯特峰丛山地地貌，海拔1 683～2 200 m。区内喀斯特作用强烈，裂隙洞穴、地下水通道较发育，降雨下渗迅速，地表极易干旱。具有暖温带高原季风湿润气候特征，多年平均气温13.2 ℃，降水量907 mm，其中4—10月降水量占全年降水量的90%以上，春冬两季旱灾发生频率分别为39.5%和29.0%。植被以次生林、灌木和灌草丛为主，多分布在峰丛山坡中上部，覆盖率低。水土流失与石漠化严重，轻度及以上石漠化面积占总面积的51.9%。据农户调查统计：2012年流域总人口 3 449人，884户，人口密度120人/km2；80%人群存在饮水困难；经济社会发展较落后，农业结构单一，只能种植玉米和马铃薯；靠出售少量生猪(猪仔)、牛羊和外出务工的收入支撑家庭生活开支，贫困程度较重。

2 水资源评价分析

2.1 水资源赋存特点

2.1.1 雨水资源

据1951—2012年研究区降水量资料，年平均降水量907 mm，雨水资源丰富，但降水时间分布不均，5—9月降水量占全年总降水量的76.2%，其中6—8月的降水量占全年总降水量的53.2%。据径流场监测数据，研究区的平均地表径流系数为0.35，理论上地表径流量达12 602 m3/a，但坡面水只出现在雨季(5—9月)，而且要在中到大雨或连续多日小雨的情况下才有径流产生，可收集利用水资源量少。

2.1.2 表层岩溶水资源

按照含水层结构，可将研究区表层带岩溶水系统结构划分为三种类型(图1)。

图1 研究区表层带岩溶水类型

第一类为森林滞水型(Ⅰ型)。研究区海子塘、茅坪处于流域分水岭至上游的斜坡地段，植被保存较好，森林所形成的枯枝落叶层充满并覆盖喀斯特裂隙带，有良好的吸水功能，不仅减弱了地表径流，而且还形成了喀斯特森林滞留水层，虽然其补给径流路径短、水量小、动态变化大，但排泄点多，泉点密集分布，水流常年不断，出露点海拔高，便于利用。同时，由于降雨被森林拦截和调蓄形成地表排水网，入渗系数较低，因此地表浅部喀斯特发育较弱，地下水系统尚未形成。

第二类为溶蚀差异型(Ⅱ型)。研究区西部鸡爪洞，东部冲锋、孙家地以峰丛洼地为主，岩溶发育极不均匀，表层带水系统结构基本上是岩溶发育在垂向上的差异所致。该区域块状灰岩和白云质灰岩连续分布，地表浅部各种成因的节理裂隙较为发育。同时，地表浅部是“四大圈层”的交汇地带，碳—水—钙循环强烈，溶蚀化学反应迅速，而向地下深部，岩石中节理裂隙逐渐闭合，碳—水—钙循环也逐渐减弱，岩溶作用强度逐渐降低，从而出现透水性相对降低的“隔水带”。区内无地表排水网，地表排泄点出露位置较低，泉点流量动态变化大，但由于补给范围大，枯季泉点流量较大。大气降水绝大部分汇集于洼地中，通过落水洞、天窗直接“注入”地下，补给迅速、补给量大，促使地下形成一定规模的岩溶地下河管道，成为地下水赋存和运移的主要空间。

第三类为相对隔水型(Ⅲ型)。研究区大水井、小树林、锅圈岩等为典型高原山地，山峰连绵，层峦叠嶂，坡陡谷深，非连续性、夹层型或互层型的不纯灰岩广布，灰岩下伏含云质灰岩和泥灰岩，岩石本身的矿物和化学成分决定了表层岩溶带垂向发育的差异，形成了强岩溶层下伏的相对“隔水层”。碳酸盐岩中表层岩溶带的上述结构，有效地阻滞了地表大气降水向地下深部饱水带含水层的下渗，使得下渗水流从“垂向运动”改变为“水平运动”，构成了良好的表层带岩溶水系统，但泉点流量较小。区域地下水埋藏较深(区内煤矿取水井深度为200 m)，利用难度大。

2.2 水资源开发利用条件分析

2.2.1 雨水资源较多，但可利用量少

研究区水土流失严重，坡面径流泥沙含量高，卫生条件差，主要靠屋面收集雨水。但由于雨水资源时间分布不均衡，单次降雨的强度过小，雨水多被蒸发或滞留于屋面，因此径流难以形成，也就无雨水可以收集。另外，研究区土坯、木架和石砌墙结构的瓦屋面房屋比例较大(占56.5%)，这些屋顶呈“人”字形结构，雨水沿屋檐滴下，不便于收集利用。目前，只有混凝土屋面可收集雨水，根据公式(1)[10]初步估算，年集雨量约3.66万m3。但因缺乏集雨水窖(池)，雨水水质差，故一般情况不作为饮用水源，这些雨水资源仅能保存在屋顶上，除少量被利用外，其余被蒸发干。

W=F·P·a/1 000

(1)

式中：W为可蓄积水量，m3/a；F为集流面水平投影面积，混凝土屋面共54户，面积50 403 m2；P为多年平均降雨量，907 mm；a为年集雨效率，取值80%。

2.2.2 岩溶泉点分散，利用难度大

对研究区实测的18个泉点流量进行统计，枯季水量约140 m3/d。但单个泉点流量较小，相对隔水层型平均泉点流量分布仅为5 m3/d，开发利用经济性不高；溶蚀差异型平均泉点流量为11 m3/d，但出露位置较低，受地表起伏限制，需要提升30～50 m，翻越垭口才能利用，开发利用成本高。

2.2.3 地下水资源埋藏深，开发利用成本高

根据贵州省地下水资源分布图[5]，研究区属于Ⅰ1地段碳酸盐岩含水岩类型，含水层径流模数6.41 L/(km2·s)，枯季地下水量为1.59万 m3/d。但地下水埋藏深度50～200 m，取水工程投资大，用水成本高。

3 水资源开发利用方式与技术

研究区总人口3 449人，有大型牲畜3 536头(匹)，按区域实际用水量人为25 L/d、牲畜(猪、牛)为20 L/d，需水量为157 m3/d。正常年份枯水期从12月初至次年3月底共120 d，人畜饮水需水量为1.88万m3，这期间降雨量不足以产生径流，表层岩溶水在100%被利用条件下，枯季缺水为0.21万m3。需通过各种技术手段，将雨水收集利用、分散泉点集蓄利用、地下水堵截利用、长距离定向引水等方式综合运用，实现雨水、地表水、地下水资源综合利用。

3.1 雨水资源利用

根据研究区月降雨量时序特征，在雨季最大可能地将雨水储存起来，可以解决居住位置高、分散农户的生活用水，或作为其他区域的居民洗涤用水和牲畜饮用水。其利用方式为：瓦屋面结构住房，选用直径110 cm的PVC塑料管，沿中间锯开成两半，用铁丝将其固定(悬挂)在屋檐下方的檩子上，向一端略倾斜制成集水槽，末端安装引流软管(用胶水粘牢)，最后引入水池(水窖)；混凝土平顶房屋，屋顶四周加砌0.3 m高女儿墙，在位置较低的地方放置排水管，连接引水管直接引入蓄水设施中。

3.2 表层泉点集蓄利用

森林滞水型类型区没有明显的出水点，枯枝落叶垫积层中的水慢慢渗出汇流后形成溪流，这些溪沟将斜坡带分割成不同的集水区，流入低洼地区时汇流在一起。为能自流供水，在较高位置将溪沟水截流引用，需用泥土将溪沟拦截后形成小水塘，安装引水管道引水。由于单个溪流水流小，用小管径(DN15)塑料管道同时引几条溪流汇入较大管径(DN32)管道引入村寨，再分流向农户供水。采用“分散收集—汇(合)流—分流供水”的利用方式，解决了海子塘、草子湾两个村民组785人和近900头(匹)牲畜的饮水问题。另外，由于处于上游分水岭地区，溪流汇集的低洼地带海拔也高达2 000 m，流量0.230 L/s，因此通过安装埋设PE管道，可自流向流域中游锅圈岩、槽子地等区域供水，并作为下游营冲组、营寨组的补充水源，进入调节蓄水池，与区域性集水工程结合起来，增加应对干旱能力。

相对隔水型类型区表层岩溶水以泉点形式出露，且位置较高，但局部区域整个隔水层都在渗水，为尽可能收集到水源，依据实际地形，用浆砌石将出露范围包围成不规则水池，再安装引水管道引水。该类型泉点单个流量较小，可在收集小范围泉点水流基础上，用小管径(DN15)塑料管道引水，经多级汇流后自流供水，或者引入区域大容量蓄水池自流供水(图3)。通过“分散泉点多级收集蓄引”方式，将大水井附近的几个泉点水流收集到大水井蓄水池(20 m3)中，小树林附近的泉点收集到小树林蓄水池(30 m3)中，两个区域的水资源同时引入下小寨调节水池(500 m3)，再供给营冲组和双营组404人、550头(匹)牲畜饮水。

溶蚀差异型类型区水流排泄点在洼地底部，需要电力提水翻过垭口才能自流供水。如孙家地洼地底部有几个泉点，与垭口高差35 m，将泉点多级收集流量达到0.444 L/s汇入100 m3蓄水池后，用水泵将水提至坡顶高位水池(200 m3)，然后自流供给冲锋组600人、700头(匹)牲畜饮水(图2)。

图2 表层分散泉点多级收集蓄引(左)、提(右)利用方式

3.3 地下水堵截利用

溶蚀差异类型区东部鸡爪洞等区域，具有峰丛洼地水文地貌特征[8]，地表水极度缺乏，水全部汇入洼地，从落水洞、天窗流入地下管道。在鸡爪洞发现有与地下管道连接的天窗出露，丰水期涌出形成泉点，但直接从天窗(漏斗)提水路线曲折，不利于管道、水泵的安装、使用和维护，而采取天窗旁机井开采方式成本又比较高。为此，在准确判断地下管道走向基础上，沿水流方向在天窗下游附近易开挖地段开挖找到地下管道后，利用混凝土将岩溶管道堵截，使局部水位上升，在枯水期便可涌出天窗形成稳定上升的泉点，再通过水泵将水提至坡顶高位水池，安装管网自流供给中山村818人、约1 000头(匹)牲畜饮水(图3)。

图3 地下水堵截利用方式

4 结论与讨论

从含水层岩组结构的角度可将研究区表层带岩溶水系统结构划分为森林滞水型(Ⅰ型)、溶蚀差异型(Ⅱ型)和相对隔水型(Ⅲ型)三种类型，其中：类型Ⅰ和Ⅲ出露泉点流量很小，但数量多、位置较高，将多个泉点分级收集后利用，经济性较高；类型Ⅱ泉点流量较大，稳定性也较好，但一般在洼地坡麓部分出露，需要用水泵提升才能获得较高水头，利用成本偏高。为短时间就将高位水池灌满，方便利用与管理，提水工程一般要求水量大，应将几处泉点水流收集后再提水。

研究区正常年份缺水时间为4个月，表层岩溶水不能满足干旱期间人畜饮水需求量。地表起伏极大地增加了水资源利用成本，考虑用水经济性，依据研究区水资源赋存特点，以及山区 “大分散、小聚集”的人居格局，靠单一水源或者利用方式不能解决缺水问题。通过“分散集流—汇(合)流—分流供水”和“分散泉点多级收集引、蓄、提”、地下水堵截提水、长距离引水等方式，丰水期将农户水池(窖)灌满，干旱期间有水池(窖)储存水源利用、引水工程水源补充，使人畜饮水安全得到保障。但水量安全得到保障的情况下，小型蓄水设施水质安全仍然存在一定隐患，经济适用的水质净化处理技术需求较为迫切。

受水资源赋存特点与人居格局影响，喀斯特山区多以小型、微小型水利工程为主，非常容易遭受破坏，如果没有有效的管理，短时间就会闲置荒废。研究区居民自我组织能力差，目前，农户自建水窖自己管理，区域性工程委托了村寨有威望的人管理，村寨间工程则由各村寨管理人员共同组织协商管理，工程实施后水利设施运行正常，但仍然缺乏规范管理机制，有效的水资源管理模式有待进一步建立。

[1] 朱文孝,李坡,贺卫,等.贵州喀斯特山区工程性缺水解决的出路与关键科技问题[J].贵州科学,2006,24(1):1-7.

[2] 杨明德.论贵州岩溶水赋存的地貌规律性[G]//杨明德.喀斯特研究——杨明德论文选集.贵阳:贵州民族出版社,2003:102-105.

[3] 王宇.云南沪西小江流域岩溶水有效开发模式研究[D].昆明:昆明理工大学,2006.

[4] 莫日生.广西岩溶地下水资源开发与利用[J].广西地质,2006(3):121-127.

[5] 韩至钧,金占省.贵州省水文地质志[M].北京:地震出版社,1996:27-385.

[6] 苏维词.花江喀斯特峡石漠化治理示范区水资源赋存特点及开发条件评价[J].水文地质工程地质,2007,34(6):37-40.

[7] 梁彬,李兆林.西南岩溶石山地区岩溶水资源合理开发利用模式——以湖南龙山洛塔为例[J].长江流域资源与环境,2008,17(1):62-67.

[8] 杨明德,梁虹.峰丛洼地形成动力过程与水资源开发利用[J].中国岩溶,2000,19(1):44-51.

[9] 杨明德.喀斯特流域结构特性及其水文效益[G]//杨明德.喀斯特研究——杨明德论文选集.贵阳：贵州民族出版社,2003:127-136.

[10] 中华人民共和国水利部.SL 310—2004 村镇供水工程技术规范[S].北京：中国水利水电出版社.

(责任编辑 徐素霞)

国家“十二五”科技支撑重大项目(2011BAC09B01)

TV211.1；TV213.9

A

1000-0941(2015)09-0046-04

高渐飞(1985—)，男，贵州威宁县人，助理研究员，硕士，主要从事喀斯特石漠化治理研究工作。

2014-12-10