...地表联合成库地下水资源开发模式——以贵州普定马官水洞地下河为例...

发布网友 发布时间：2024-09-15 09:11

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热心网友 时间：2024-09-15 09:22

王明章

（贵州省地质调查院，贵阳 550004）

摘要：岩溶峰丛洼地区地表和地下岩溶均极为发育，并相互连通，成为统一的、有密切水力联系的岩溶空间系统。在查清岩溶系统的基础上，充分利用地下、地表岩溶洼地与地下洞穴空间联合成库，是岩溶地下水开发利用的重要方式之一。本文以贵州省普定县马官水洞地下河为例，对该类型地下河的开发利用经验进行了总结，为岩溶地区同类岩溶水系统的开发利用提供参考例证。

关键词：地下河；开发利用；经验总结

我国西南岩溶石山区发育了大面积的岩溶峰丛洼地地貌，地表基岩裸露，岩溶洼地、落水洞等岩溶个体形态密布，地下溶洞、管道及地下河极为发育，地上与地下岩溶空间相互连通，成为统一的、有密切水力联系的岩溶空间系统。由于岩溶强烈且不均匀的发育特征，该类地区地表干旱缺水与岩溶洪涝的灾害并存，生态环境脆弱。因此，查清岩溶系统，充分利用地表岩溶洼地与地下河及岩溶洞穴空间联合修建地下水库，并尽可能将地下水开发与生态环境改善相结合，是该类地区岩溶地下水开发利用的重要方式之一。

1 马官地下水库工程概况

马官镇位于黔中高原台面上，岩溶发育造成了地表水资源极为缺乏，严重地阻碍了区内社会和经济发展；由于水质差，历史上多次引发伤寒病例。寻找并开发地下水资源，是改善当地生态环境、促使当地社会与国民经济发展的关键。

20世纪70年代，为解决马官地区干旱缺水问题，贵州省地质矿产局、贵州师范大学、成都地质学院、普定县岩溶研究站等单位在该区开展了以岩溶水资源开发为目的的科技攻关，发现并查清了水洞地下河系统的岩溶发育规律、水文地质条件、地下水动态特征及开发利用条件，提出了利用地下河空间与地表岩溶洼地联合建库、跨流域调水、水资源开发与岩溶洪涝灾害治理相结合的岩溶水开发工程方案。1990年该工程进行了实施并成功完成，解决了当地人、畜的饮水及工农业生产用水，并推动了地方经济发展和生态环境的改善，取得了良好的社会与经济效益。

2 区域岩溶水文地质条件

马官地区碳酸盐岩地层大面积分布，地貌呈溶蚀峰丛谷地，谷地分布马官集镇和农田，周边呈峰丛洼地。区内出露地层为三叠系中统关岭组第二段（T2g2），岩性为薄至中厚层石灰岩、泥灰岩夹泥岩，根据其水文地质性质详细划分为如下岩段：

（1）T2g2-1，中厚层泥质微晶灰岩、介壳生物灰岩，岩溶发育，厚120m。

（2）T2g2-2，厚91～115m。该段可进一步划分为三个亚段：①T2g2-2-1，泥岩与薄层泥质白云岩和泥灰岩互层，厚6～15m。具良好的隔水性，隔断了T2g2-1和T2g2-2-2的水力联系。②T2g2-2-2，薄至中厚层石灰岩，厚约40m，岩溶发育，含水性好，水洞地下河发育在该亚层中。③T2g2-2-3，薄层白云岩与杂色泥岩互层，厚5～10m，具良好的隔水性能，隔断了T2g2-3和T2g2-2-2的水力联系。

（3）T2g2-3，中厚层灰岩及白云质灰岩，厚约10m，岩溶发育，含水性好。

在地质构造上，马官镇处在普定复式向斜东南大新次级向斜的北西翼，岩层倾角4°～15°，构造节理发育，以走向40°～50°与310°～320°的陡倾角节理为主，马官地区地下河基本上都沿该组节理追踪发育。

马官地区岩溶水属后寨地下河系统，该系统由羊皮寨、打油寨等5条支流地下河组成，地下水总体从北东向南西径流，最后集中排泄于马关镇以南的后寨河中，汇入乌江上游支流三岔河。马官镇处在后寨地下河的上游地带，羊皮寨、打油寨地下河从北东向南西在马官谷地交会于后寨地下河主通道中（图1）。在羊皮寨、打油寨地下河之间发育了一条小规模的、高悬于谷地的水洞地下河，其出口位于马官谷地东侧坡麓地带，上游通过落水洞与冲头洼地相通，并自成系统。与水洞地下河南侧相邻为羊皮寨地下河系统，汇水区内地表多成封闭的岩溶洼地，洼地中分布农田及分散住户，在雨季暴雨后常因地下河道排泄不畅，洼地被淹没导致洪涝灾害。

图1 马官地区水文地质图

1—打油寨地下河；2—水洞地下河；3—羊皮寨地下河；4—岩溶洼地；5—地下河天窗；6—岩溶潭；7—落水洞；8—地下河及出口

3 水洞地下河系统特征

水洞地下河规模较小，总长度约740m，从出口向北东冲头洼地延伸，冲头洼地通过洼地内的落水洞与地下河相通。水洞地下河洞身断面多为矩形，高1～5m，平均3.7m，宽2～10m，平均5.4m，洞身完整，河床中少见崩塌体和沙、砾、粘土沉积物。地下河出口高程1323.056m，高于马官槽谷底15m。一般在暴雨后，冲头洼地多被积水淹没，雨停后2～3h，洼地积水通过地下河排泄疏干。地下河出口最大洪峰流量3.5m3/s，最枯为1L/s，流量动态变化极大，雨后流量衰减速度快，说明地下河系统主要以管道为空间，岩体中节理及溶蚀裂隙发育程度低，为一条单管道、单层、唯一出口为特征的悬挂式地下河。

4 工程地质条件及其库容

根据水洞地下河系统的结构，马官水库建设将地表冲头洼地与水洞地下河组合，构成了该水库统一的蓄水库盆。

4.1 库区工程地质条件分析

4.1.1 库区渗漏问题

（1）库底渗漏问题。水洞地下河发育于T2g2-2-2层位中，地下河底部分布着T2g2-2-1泥岩与薄层泥质白云岩和泥灰岩，尽管厚度小，但由于未受断裂破坏，具有良好的隔水性能，成为地下河隔水底板，隔断了T2g2-1和T2g2-2-2的水力联系。根据水化学分析资料，发育于T2g2-2层位中的水洞地下河水与下伏T2g2-1中泉水的水化学特征差异较大（见下表），进一步证实了上述结论。

T2g2-2-1隔水层上、下含水层岩溶水化学特征表　（单位：mg/L）

（2）库区侧向渗漏问题。库区南东和北西分别为羊皮寨地下河及打油寨地下河流域，经调查证实，相邻的两地下河与水洞地下河均为独立的地下河系统，其间存在地下分水岭，并且羊皮寨地下河地下水位高于马官地下河42m。因此，地下水库建成后，不会产生侧向的邻谷渗漏。

4.1.2 坝区渗漏及稳定问题

地下河为单层、单支、唯一出口，出口处岩性为中厚层石灰岩，洞径平均2.5m，洞身断面形状规则，无断层、裂隙，节理不发育，岩石完整性好，河床堆积物少。因此，洞口处是理想的地下河筑坝的坝址，坝址区稳定，绕坝及坝底渗漏的可能性小。

4.2 库容计算

4.2.1 库容空间分析

根据马官水库建库设计，水库库容分别由地下和地表两部分空间组成，按下式估算：

V＝V1＋V2

式中：V为总库容；V1为地下库容；V2为冲头洼地库容。

水洞地下河总长740m，洞身横断面高1～5m，平均3.7m，宽2～10m，平均5.4m，在不考虑地下河主通道外岩体中裂隙空间，估算地下空间为1.48万m3；冲头洼地（照片1）面积0.25km2，洼地深度平均约25m，估算有效空间约625万m3，合计626万m3。

4.2.2 水库水文分析

根据相邻的母猪洞水文站观测资料，区内最大年降水量1687.9mm，最小年降水量840.4mm，年平均1267.6mm，日最高气温32℃，最低-7℃，年平均气温15.1℃。

水洞地下河为一完整的水文地质单元（图2），属完全补给类型，单元内大气降水量除蒸发外，全部进入地下水库。

照片1 马官水库冲头洼地

图2 水洞地下河系统结构图

由于水洞地下河流域汇水面积0.47km2，枯水年份（P＝75%）产水量仅23.78万m3/a，远小于库区有效空间（625万m3），显然，流域本身产水量不足。为充分发挥水库有效空间作用，必须从外流域调水作为水洞地下河水库的补充水源。

与水洞地下河流域相邻的羊皮寨地下河流域地貌上多形成峰丛洼地，由于地表和地下排泄不畅，洼地在雨季常形成洪涝洼地，造成耕地和村民住宅淹没。该地下河滴水滩以上汇水面积1.77km2，高于水洞地下河42m，可从滴水滩处筑渠将雨季洪水引致冲头洼地，一方面补充水洞地下水库的水源，另一方面消除羊皮寨地下河流域内的岩溶洪涝灾害。

5 岩溶水开发工程

根据水洞地下河空间结构特征，采用在地下河出口筑坝堵洞，利用地下溶蚀空间和地表冲头岩溶洼地共同构成蓄水空间，地下地表联合建库开发岩溶地下水的方案。鉴于水洞地下河流域面积小，天然条件下水源补给有限，而流域内可利用蓄水空间较大的特点，设计采用渠道从相邻羊皮寨地下河流域引水调入冲头洼地，作为马官地下水库水源的补充源。

工程设计为在水洞地下河出口建拦全封闭水坝一座，从羊皮寨地下河至冲头洼地建引水渠道一条。设计渠道引水量89.87万m3/a，加上水洞地下河流域自产水量23.78万m3/a，水库库容枯水年（P＝75%）113.56万m3，特库年（P＝95%）103.13万m3。

该工程建设于1990年3月8日动工，50天即完成水洞地下河出口4m厚的圆筒拱坝一座，将地下河全封闭，堵洞成为一联合水库（图3），工程费用19.3万元，并经后期配套完成了工程实施，做到了当年施工、当年受益，是一项非常成功的利用地下地表空间联合开发岩溶地下水开发利用工程。

图3 水洞地下水库工程模型图

（引自蒋忠诚）

6 社会、经济、环境效益

该水库建成后发挥四方面的效益：

（1）解决了马官集镇及马官村5000人、1200头大牲畜的饮水问题，实现了自来水化；并解决了乡镇企业生产用水，推动了乡镇经济的发展。

（2）工程控制灌溉面积约333hm2，自流保灌面积200hm2，实现了水利化。据产量统计对比，粮食产量由原来的每公顷6000kg增至每公顷9000kg，全灌区增产100万kg。人均占有粮食从原来380kg增到471kg，增长23.9%；人均纯收入从980元增到1460元，净增480元，增长48.9个百分点。

（3）1990年以来10年内森林覆盖率由原来的8.41%增加到30.7%。石漠化土地面积明显减少。

（4）雨季将羊皮寨的洪水引出，消除了洪涝灾害对20～30hm2良田的危害。

（5）提高了居民的身体健康水平，自1990年以来，未再发生一例伤寒病例。

7 成功经验总结

细致的基础地质工作，岩溶空间资源合理和充分的利用，水资源开发利用与水害治理有机结合，是马官地下水库建设成功经验的主要精髓，并使其成为同类型地下河系统岩溶水资源开发的范例。总结该水库建设成功的经验，主要有：

（1）对基础地质工作的高度重视。工程的前期投入了大量的基础地质工作，查清了流域系统内的地质结构、岩溶特征，水文地质条件、岩溶水资源及库、坝区工程地质条件，为工程的设计和建设奠定了坚实的基础。

（2）因地制宜合理利用岩溶地区地表和地下空间结构。水洞地下河本身虽为一小规模的地下河系统，但却建成并发挥了小（一）型水库的作用。其特色在于：一是该工程设计和建设巧妙地利用了岩溶空间结构优势，将地表和地下空间结合起来，减少了地表土地的淹没，增大了蓄水的库容；二是与相邻地下水流域系统联合调度岩溶水资源，做到了水资源的充分利用，增大水库库容，扩大了效益。

（3）将水资源的开发和环境改善紧密地结合起来。该水库工程的建设，在雨季将羊皮寨地下水流域系统中部分水量引出，不但对水洞地下河系统水资源量进行了补充调节，而且对羊皮寨地下河流域系统雨季洪水起到分洪作用，从而达到消除雨季羊皮寨地下河流域的岩溶洪涝灾害，较好地起到了兴利除弊的目的。

8 结语

岩溶石山区岩溶流域系统具有小型、多样的特点，不同的地下河系统类型，其岩溶水文地质条件和开发利用条件均差别较大。岩溶水资源的开发利用，应在查清系统岩溶发育特征、水文地质条件和开发利用条件的基础上，尽可能将岩溶地下水资源的开发与环境改善、当地社会和经济的发展紧密结合起来，因地制宜地合理确定开发利用方式，才能达到最佳的效果。水洞地下水库工程的设计和建设，正是遵循了这一规律，取得了良好的社会、经济和环境效益，并为岩溶峰丛洼地区地下河系统的开发利用提供了典范。

参考文献

贵州省普定岩溶研究综合实验站.1991.普定试验场岩溶水资源模式及开发利用研究

杨立铮等.1990.中国喀斯特发育瑰丽典型研究.北京：科学出版社