岩溶峰丛洼地区地下与地表岩溶空间系统关系研究

岩溶峰丛洼地区地下与地表岩溶空间系统关系研究

0生态环境分析中国西南部的溶岩山区发育着大面积的溶峰洼地，地表岩石裸露，溶岩洼地和落水洞等溶解个体状况良好。地下洞穴、管道和地下河的发育非常丰富。土壤和地下岩石空间的连接已经成为一个统一的、紧密相连的系统。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当地社会和国民经济发展的关键马官镇处在黔中高原台面上,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,并由于水质差,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,贵州省地矿局、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建成,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泥质及地下水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。T2g2-2-1: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。T2g2-2-2: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。T2g2-2-3:薄层白云岩与杂色泥岩互层,厚5至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。3冲头路下河冲头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,河床中少见崩塌体积沙、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,冲头洼地多积水淹没,雨停后2~3小时,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工程地质条件和储藏室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库什峰技术条件分析4.1.1库丢失检测(1)云岩和泥灰岩隔水作用水洞地下河发育于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(表1),进一步证实了上述结论。(2)邻谷渗漏的状况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。4.1.2洞身断面形状地下河为单层、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计算库的成本4.2.1地下库容开展地下空间估算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——总库容V1——地下库容V2——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1.47万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125万m3,合计126万m3。4.2.2地下水水库及其补充水源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,多年平均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。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/年,远小于库区有效空间(125万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,造成耕地和村民住宅淹没。该系统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渠道水系设计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。鉴于水洞地下河系统流域面积小,天然条件下水源补给有限,而系统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/年,加上水洞地下河流域自产水量23.78万米3/年,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。6粮食、粮食和森林覆盖率增加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6000kg/hm2增至9000kg/hm2,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20~33hm2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地下水工程地质条件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,在于:(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,作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害的目的。地下水资源开发方式的确定岩溶石山区岩溶