湖南省岩溶区抗旱找水方法

杨贵花 曹顺红 康方平

湖南省地质调查所 湖南 长沙 410016

1 缺水概况

岩溶石山分布区虽处亚热带，水热条件较好，但由于长期岩溶作用，地表、地下岩溶发育，水土流失严重，土壤贫瘠，水源流失，以及严重石漠化。石漠化和岩溶渗漏造成地表少土缺水的生态环境，人类生存较为困难[1]。岩溶石山区地下河、大型溶洞和岩溶管道十分发育，岩溶地下水资源虽然丰富，但由于岩溶动力系统十分复杂，分布不均，有些地下水位埋深大于100m，开发利用困难。

湖南省面积21.18万km2，岩溶石山分布区面积5.4946万km2，占全省国土总面积的25.94%。湘南、湘东南、湘西北、湘中为湖南省岩溶石山干旱缺水严重区，主要集中在郴州、永州、衡阳、邵阳、怀化、湘潭、长沙等地。

2 水文地质条件及找水方向

湖南省岩溶石山区分布面积几乎遍布全省，岩溶石山区地下水类型碳酸盐岩裂隙溶洞水，主要赋存于古生界寒武系、奥陶系、泥盆系、石炭系、二叠系和中生界的三叠系灰岩、白云岩等碳酸盐岩地层中。含水层富水性极不均匀，具有厚度大、岩性纯、水量大、水质好，以管流、地下河为主、集中排泄等特点，水位、水量随时间、季节变化大，开发利用困难。岩溶水的形成和分布，主要受区域构造、可溶盐性质、地形地貌等条件控制。

广泛分布的质纯、厚层、时代老而坚硬的灰岩的岩溶作用和新生代地壳抬升，长期温暖湿润的季风气候、地表地下岩溶形态及其组合方式等，形成了湖南省岩溶地区地表、地下双层结构的水文地质条件，地表岩溶渗漏、水土流失和严重石漠化等、地下岩溶系统发育，而且分布不均，地下水网复杂，以地下河为主体，并形成集中排泄带。形成岩溶石山区人、地、水空间分布不匹配，水位深埋，开发利用困难大等，造成人、畜饮水困难。

岩溶石山区大气降水是岩溶水的主要补给来源，大气降水通过岩溶裂隙或构造裂隙渗入地下并赋存。地层岩性是岩溶水富集的基础条件，地质构造控制岩溶水的运移和富集，地貌条件制约岩溶水的埋深与补给条件[2]。岩溶石山地区岩溶水主要富集于岩石破碎的褶皱轴部谷地和断裂带附近或断块之间谷地的一些储水构造中[3]。由于褶皱轴部谷地或断裂带附近，岩石破碎，裂隙发育，岩溶水径流通畅，水交替积极，溶蚀作用好，溶洞、地下管道、地下河发育，水量往往丰富；岩溶洼地、溶蚀槽谷、溶蚀平原，往往是因断陷作用而形成断陷盆地，在这些盆地中岩溶洼地、漏斗、暗河等大都沿构造线方向发育，岩溶水丰富。

3 找水方法

岩溶石山缺水区找水，主要解决三个方面的问题[4]：调查岩溶地下水赖以储存、运移的岩溶通道的分布情况及规律；调查岩溶地下水的活动规律；调查岩溶地下水的开采条件。

为解决上述问题，可采用地面调查、岩溶地下水动态观测、洞穴调查、连通试验、钻探、抽水试验、地球物理勘探、遥感等各种技术手段。在紧密褶皱区，可溶岩与非可溶岩相间分布，岩溶地貌形态以峰丛洼地为主地区要加大遥感技术和物探新技术的应用，通过遥感技术分析岩溶地下水的露头点、泉、地下河入口、地下河出口、落水洞等的分布，通过物探电阻率法，尤以视电阻率联合剖面和电测深为主，及其它多种物探新方法，经综合分析，探测岩溶地下水的富水地段。在宽缓褶皱分布区，灰岩广布，地貌形态以峰林洼地为主，在地面地质调查的基础上，通过多种物探手段，如核磁共振等新技术及电测深、音频大地电场等传统物探方法，确定富水部位或伏流地段。岩溶区找水一般工作程序如图1，具体工作方法分以下几个阶段：

图1 工作程序框图

3.1 地面水文地质

在充分收集研究区域水文地质资料的基础上开展野外调查，调查访问找水区居民用水实际情况、缺水人口数量及缺水程度，对工作区地层岩性、地质构造、是否有地下泉点出露、机民井水量、水质、水位等进行水文地质调查[5]。

3.2 水文地质物探

在地面调查的基础上，确定找水靶区及技术手段，根据地形地貌准确进行遥感及水文地质物探工作，对遥感及物探资料进行综合分析后确定岩溶地下水的富水地段及类型[6]。

3.3 水文地质钻探及抽水试验

在确定的钻探孔位上进行水文地质钻探，钻探完成后进行抽水试验，确定水量能否达到缺水要求，如果水量不通满足要求则继续开始后续钻孔及抽水试验工作，直到满足缺水要求建成水厂为止。

4 实例分析

4.1 新邵县潭溪镇高梓村抗旱找水

4.1.1 缺水状况

该区位于新邵县中东部，村域面积2.6km2，共有农业人口356户1226人，地形复杂，地表水流失严重，群众饱受干旱困扰，人畜饮水、农田灌溉困难。

4.1.2 水文地质条件

高梓村总体地势东南、北西、西南高，东北低，呈簸箕状向东北开口，属中丘陵谷地地形。高程一般320～450m，相对高差一般小于110m，地形坡度一般20°～35°。地貌类型分为侵蚀堆积地貌、剥蚀构造和溶蚀构造三种地貌类型。区内出露地层主要为泥盆系、第四系，就出露面积来说，主要分布泥盆系七里江组、锡矿山组泥粉晶灰岩等，构造位置处于潭溪向斜的东南翼，其东为龙山穹窿，区内断层发育，有彭家冲正断裂（F2），见图2。地下水类型主要有碎屑岩裂隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水、松散岩类孔隙水。

图2 高梓村抗旱找水构造位置图

4.1.3 地球物理勘探

根据找水任务和岩土特征，结合高梓村实际地质情况，选择采用联合剖面法、高密度电法和天然电场选频法等物探工作手段。具体实施方法为：联合剖面法采用A0=50m，MN=20m与A0=100m，MN=40m两个极距进行工作，无穷远C极垂直于测线方向布置在超过5倍AO的位置；高密度电法采用α排列（温纳装置AMNB），测量断面为倒梯形，测量时，AM=MN=NB为一个电极间距，A、M、N、B从一头逐点同时向一个方向移动，得到第一条剖面，接着AM、MN、NB增大一个电极间距，A、M、N、B又从一头逐点同时向一个方向移动，得到另一条剖面；这样不断扫描测量，得到倒梯形断面，电极距采用5m极距，一共排列为60根电极，滚动次数为58次；天然电场选频法使用S-500型选频仪，采集模式为150m，采集频率为36个，见图3。

图3 1220线高密度电法反演断面

根据物探勘查结果，结合地质资料及实地情况，可以判断：区内下伏基岩有一条分界线，其北西侧以含炭泥灰岩为主，呈相对低阻；南东侧则以泥晶灰岩为主，呈相对高阻。泥晶灰岩为主的下伏基岩局部还存在岩溶、裂隙发育。综合判断上述岩性分界线附近靠可溶岩一侧与泥晶灰岩下伏岩溶、裂隙发育带为区内富水相对有利地段。

4.1.4 钻探施工及抽水试验

在前期工作圈定的富水靶区实施水文地质钻探2孔，其中，SK01采用Φ172mm合金钻头干钻钻进以及Φ172mm、Φ150mm、Φ130mm、Φ110mm金刚石钻头正循环钻进等技术，终孔深度：151.48m，经抽水试验确定涌水量104 m3/d；SK02终孔深度：75.79m，经抽水试验确定涌水量70.8m3/d。

4.1.5 效果分析

两个钻孔的实施，获取的总涌水量为222.28m3/d，达到预期效果。高梓村利用SK01钻孔成井一口，并修建蓄水池等配套设施，为1226位村民提供生活用水，解决了该村饮用水缺乏的难题。

4.2 祁东县黄土铺镇泉溪村抗旱找水

4.2.1 缺水状况

该区地处祁东县黄土铺镇北部山区，全村总面积6.2km2，共有1087 户3500 人，当地属于典型的岩溶地区，地表蓄水功能较差，每到旱季该村百姓饮水十分困难。

4.2.2 水文地质条件

泉溪村地形总体起伏不大，标高 146.6～209.6m，相对高差 30～50 m，总体地势西北高、东南低。地貌类型主要为溶蚀丘宽谷。主要出露泥盆系和石炭系灰岩、白云质灰岩泥灰岩及砂页岩等，构造较发育。

4.2.3 地球物理勘探

根据找水任务和地球物理特征，结合高梓村实际地质情况，选择采用高密度电法和天然电场选频法等物探工作手段。具体实施方法为：高密度电法电极距采用5m极距，一共排列为120根电极，滚动次数为118次；天然电场选频法使用S-500型选频仪，采集模式为150m，采集频率为36个。根据物探勘查结果，结合地质资料及实地情况，可以判断：400线240-280号测点、420线240-320号测点均位于断层F3附近，F3断层位于岩溶地区，规模较大，影响范围广，附近有数个泉出露，是地下水的富水地段，见图4、图5。

图4 420线高密度电法反演断面图

图5 420线综合地质解释剖面图

4.2.4 钻探施工及抽水试验

在前期工作圈定的富水靶区实施水文地质钻探2孔，其中，SK01采用Φ172mm合金钻头干钻钻进以及Φ172mm、Φ150mm、Φ130mm、Φ110mm金刚石钻头正循环钻进等技术，终孔深度：138.41m，经抽水试验确定涌水量小于10 m3/d；SK02终孔深度：122.70m，经抽水试验确定涌水量336.09 m3/d。

4.2.5 效果分析

两个钻孔的实施，获取的总涌水量超过340 m3/d，达到预期效果。泉溪村利用SK02钻孔成井一口，并在村部北侧山腰修建蓄水池等配套设施，为两千余名缺水村民提供生活用水，助其走出了饮用水匮乏的困境。

4.3 耒阳市长坪乡谭湖村抗旱找水

4.3.1 缺水状况

缺水人口约2000人，其仅依靠浅水井或受污染的地表水维持生产生活，在干旱季节人畜饮水困难，存在极大的安全隐患。

4.3.2 水文地质条件

谭湖村总体地势东、南、西高，北低，呈簸箕状向北开口。高程一般 250～420m，相对高差50～150m，区内地形坡度一般20～40°。出露地层主要为第四系松散层和石炭系泥晶灰岩、粉砂岩等，以泥晶灰岩为主。构造活动强烈，主要发育南北走向的断裂和褶皱。区内发育两处泉点，流量均为0.5L/s。

4.3.3 地球物理勘探

根据找水任务和岩土特征，结合谭湖村实际地质情况，实施联合剖面法测线1条，测点57点；高密度电法测线4条，测点共252点；天然电场选频法测线1条，测点10点。具体实施方法为：联合剖面法采用AO=50m，MN=20m与AO=100m，MN=40m两个极距进行工作，无穷远C极垂直于测线方向布置在超过5倍AO的位置；高密度电法电极距采用5m极距，一共排列为60根电极，滚动次数为58次；天然电场选频法使用S-500型选频仪，采集模式为150m，采集频率为36个，见图6。

图6 330线（95-140号）天然场分频法剖面

根据物探勘查结果，结合地质资料及实地情况，可以判断：320线470-490号附近有断层穿过，310线85-110号测点、330线120-140号测点等部位为岩溶裂隙相对发育带，上述区域是找水潜力较大的富水。

4.3.4 钻探施工及抽水试验

在前期工作圈定的富水靶区实施水文地质钻探2孔，其中，SK01终孔深度：138.86m，经抽水试验确定涌水量50.98t/d；SK02终孔深度：152.79m，经抽水试验确定涌水量150.34 m3/d。

4.3.5 效果分析

两个钻孔的实施，获取的总涌水量为201.32 m3/d，达到预期效果。谭湖村利用SK01、SK02钻孔成井两口，并在村部东侧山腰上部修建蓄水池等配套设施，为近2000名缺水村民提供生活用水，为乡村振兴工作打牢基础。

5 结语

湖南省岩溶石山分布区，地下水资源丰富，但分布不均且复杂，旱灾频发，为解决频发的旱灾问题，必须加强抗旱找水工作。

（1）探寻有利于岩溶地下水赋存的基础水文地质条件：在岩溶区找水优先考虑覆盖型缓丘、谷地、断裂较发育等地形地貌区域，灰岩比白云岩更有利，质纯比不纯更有利，中厚层构造比巨厚层构造及薄层构造更有利，在岩性差异相对较大的接触处岩溶较发育，对地下水运移和储水有利。

（2）积极推广采用地面调查、岩溶地下水动态观测、洞穴调查、连通试验、钻探、抽水试验、地球物理勘探、遥感等各种技术手段，查明岩溶地下水的通道分布规律、活动规律和开采条件，充分开发利用当地下水资源，解决频发的旱灾问题。