凤丛洼地区地下水资源开发模式——以贵州普定马关水洞地下河为例

(贵州地质调查院，贵阳550004)

文摘:岩溶峰丛洼地地表岩溶和地下岩溶都极为发育，它们相互联系，成为一个水力联系紧密的统一岩溶空间系统。基于岩溶系统的调查，充分利用地下、地表岩溶洼地和地下溶洞空间形成水库是重要途径之一。以贵州省普定县马关水洞地下河为例，总结了该类型地下河的开发利用经验，为岩溶地区类似岩溶水系统的开发利用提供了参考范例。

关键词:地下河；开发利用；总结经验

我国西南岩溶山区发育了大面积的岩溶峰丛洼地，地表基岩裸露，岩溶洼地、天坑等岩溶个体形态密集，地下洞穴、管道、地下河极为发育，地上地下岩溶空间相互连通，成为水力联系紧密的统一岩溶空间系统。由于岩溶发育强烈且不均匀的特点，该区地表干旱缺水与岩溶洪水并存，生态环境脆弱。因此，摸清岩溶系统，充分利用地表岩溶洼地、地下河和溶洞空间，共同修建地下水库，尽可能将地下水开发与生态环境改善结合起来，是该类地区开发利用岩溶地下水的重要途径之一。

1马关地下水库工程概况

马关镇地处黔中高原台地，岩溶发育造成地表水资源极度匮乏，严重阻碍了该地区的社会经济发展。由于水质差，历史上曾多次造成伤寒病例。寻找和开发地下水资源是改善当地生态环境、促进当地社会和国民经济发展的关键。

20世纪70年代，为解决马关地区干旱缺水问题，贵州省地矿局、贵州师范大学、成都地质研究所、普定县岩溶研究站等单位以开发岩溶水资源为目的，在该地区开展科技攻关，摸清了岩溶发育规律、水文地质条件、地下水动态特征和地下河系统开发利用条件，提出了地下河空间与地表岩溶洼地、跨流域调水、水资源开发与岩溶联合建设。65438至0990工程实施并顺利完成，解决了当地人畜饮水和工农业生产用水，促进了当地经济发展和生态环境改善，取得了良好的社会效益和经济效益。

2区域岩溶水文地质条件

马关地区碳酸盐岩地层大面积分布，地貌处于溶蚀峰丛谷。马关集镇和农田分布在山谷中，周边处于峰丛洼地。区内出露地层为中三叠统关岭组二段(T2g2)，岩性为薄层至中厚层灰岩、泥灰岩夹泥岩，根据其水文地质特征，具体划分为以下岩段:

(1)T2g2-1，中厚层泥质微晶灰岩，甲壳类生物灰岩，岩溶发育，厚度120m。

(2)T2g2-2，厚度91 ~ 115m。该段可进一步分为三个亚段:①T2g2-2-1，泥岩夹泥质白云岩和泥灰岩薄层，厚度6 ~ 15m。具有良好的抗水性，并分隔了T2g2-1与T2g2-2-2之间的液压连接。②T2g2-2-2，薄至中厚灰岩，厚约40m，岩溶发育，富水性好，隧洞、暗河发育。③T2g2-2-3，薄白云岩夹杂色泥岩，厚度5 ~ 10m，隔水性能好，隔断了T2g2-3与T2g2-2-2之间的水力联系。

(3)T2g2-3，中厚灰岩、白云质灰岩，厚约10m，岩溶发育，富水性好。

地质上，马关镇位于普定复式向斜东南大新二级向斜的西北翼。地层倾角4 ~ 15，构造节理发育，主要为走向40 ~ 50，310 ~ 320的陡倾节理。马关地区的地下河基本上都是沿着这组节理发育的。

马关地区岩溶水属于后寨地下河系统，由羊皮寨、大有寨等5条支流地下河组成。地下水一般由东北流向西南，最终排入马关镇以南的后宅河，流入乌江上游的支流三岔河。马关镇位于后宅地下河上游，羊皮寨和大有寨地下河在马关河谷由东北向西南在后宅地下河主通道交汇(图1)。在羊皮寨和大有寨之间的山谷里，有一条小型的地下河，水洞高高悬挂。其出水口位于马关山谷东坡，上游通过水洞与冲洼相连，自成一体。与水东地下河南侧相邻的是羊皮寨地下河系统。汇水区地表多为封闭的喀斯特洼地，分布有农田和分散的农户。雨季暴雨后，地下河排水不畅，洼地被淹，往往会引发洪水。

图1马关地区水文地质图

1—大有寨地下河；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-岩溶池；7-落水洞；8—地下河及其出口

3水洞地下河系统的特点

水洞地下河规模较小，全长约740m，从出口延伸至东北冲洼地，通过洼地内的天坑与地下河相连。暗河隧道断面多为矩形，高度1 ~ 5m，平均3.7m，宽度2 ~ 1~5m，平均5.4m，隧道完整，河床内有少量崩塌和砂、砾石、粘土沉积。地下河出口高程为1323.056m，高于马关槽谷底15m。一般暴雨过后，打孔洼地多被积水淹没，雨停后2 ~ 3小时，洼地积水通过地下河排出。地下河出口最大洪峰流量为3.5m3/s，最低为1L/s，流量动态变化较大，雨后流量衰减较快，说明地下河系统主要以管道为空间，岩体中节理、溶蚀裂隙不发育，是一条以单管、单层、唯一出口为特征的悬空地下河。

4工程地质条件及其库容

根据隧道暗河系统的结构，马关水库的建设将地表冲坑洼地与隧道暗河结合起来，形成水库统一的蓄水盆地。

4.1库区工程地质条件分析

4.1.1水库渗漏问题

(1)水库底部渗漏。水东地下河发育于T2g2-2-2层位，地下河底部分布有T2g2-2-1泥岩、薄层泥质白云岩、泥灰岩。虽然厚度小，但由于没有被断层破坏，防水性能好，成为地下河的防水底板，隔断了T2g2-1和T2g2-2-2之间的水力联系。根据水化学分析资料，T2g2-2层位发育的水洞地下河水的水化学特征与T2g2-1的下伏泉水有较大差异(见下表)，进一步证实了上述结论。

T2g2-2-1含水层上下含水层岩溶水化学特征(单位:mg/L)

(2)库区侧向渗漏。库区东南部和西北部分别为羊皮寨地下河和大有寨地下河流域。经调查，确认相邻的两条地下河和水东地下河为独立的地下河系统，其间存在地下分水岭，羊皮寨地下河地下水位比马关地下河高42m。因此，地下水库建成后，不会有侧向邻谷渗漏。

4.1.2大坝渗漏和稳定问题

地下河为单层、单支、独特出水口。出口岩性为中厚石灰岩，平均洞径2.5m，洞身断面规则，无断层、裂隙，节理不发育，岩石完整性好，河床沉积物少。因此，入口是暗河筑坝的理想坝址，坝址区稳定，坝周和坝底渗漏的可能性小。

4.2存储容量的计算

4.2.1存储空间分析

根据马关水库的设计，水库的库容由地下和地表两部分组成，按以下公式估算:

V=V1+V2

其中:V是总存储容量；V1为地下库容；V2是潘趣洼的库容。

水洞暗河总长740m，洞身断面1 ~ 5m，平均3.7m，宽度2 ~ 1~5m，平均5.4m，不考虑暗河主通道外岩体裂隙空间，估算地下空间1.48万m3。打孔凹陷(照片1)面积0.25km2，平均凹陷深度约25m，估算有效空间约625万m3，共计626万m3。

4.2.2水库水文分析

根据相邻木子洞水文站观测资料，本区年最大降水量1687.9mm，年最小降水量840.4mm，年平均1267.6mm，日最高气温32℃，最低-7℃，年平均气温15.1℃。

水洞暗河是一个完整的水文地质单元(图2)，属于完全补给型，单元内大气降水除蒸发外全部进入地下水库。

照片1马关水库冲坑

图2水洞地下河系统结构图

由于水东地下河流域汇水面积为0.47km2，枯水年(p = 75%)出水量仅为23.78万m3/a，远小于库区有效空间(625万m3)。很明显，流域本身出水量不足。为了充分发挥水库的有效空间功能，需要从外盆调水作为隧道内暗河水库的补充水源。

与水东地下河流域相邻的羊皮寨地下河流域往往形成峰丛洼地。由于地表和地下排水不畅，洼地往往在雨季形成洪水洼地，导致耕地和村民房屋被淹没。滴水滩上方地下河汇水面积1.77km2，比水东地下河高出42m。可以从滴水滩上修一条运河，使雨季洪水造成打孔洼地，一方面可以补充水东地下水库的水源，另一方面可以消除羊皮寨地下河流域的岩溶洪水灾害。

5岩溶水开发项目

根据水洞暗河的空间结构特点，采用在暗河出口筑坝封堵隧道，利用地下溶蚀空间和地表岩溶洼地形成蓄水空间，在地下和地表之间联合修建水库开发岩溶地下水的方案。鉴于水东地下河流域面积小，自然条件下供水量有限，流域内可利用的蓄水空间大，设计一条渠道将邻近的羊皮寨地下河流域的水引至涌头洼地，作为马关地下水库的补充水源。

工程设计是在输水隧洞暗河出口处修建全封闭大坝，从羊皮寨暗河引水渠至冲头洼地。运河设计引水量为89.87万m3/a，水东暗河流域自产水量为23.78万m3/a，因此枯水期水库库容为1135600 m3，特殊季节为103438+03(p = 95%)。

本工程于3月8日开工，1990。50天时间，地下河出口处一座4m厚的圆柱形拱坝建成，彻底封闭了地下河，把隧道堵成了联合水库(图3)。工程造价19.3万元，后期完成工程，实现当年建设，当年受益。利用地下地表空间开发利用岩溶地下水是非常成功的。

水东地下水库模型图。

(引自蒋忠诚)

6社会、经济和环境效益

水库建成后，将发挥四大效益:

(1)解决了马关镇、马关村5000人、1200头大牲畜的饮水问题，实现了自来水；还解决了乡镇企业的生产用水，促进了乡镇经济的发展。

(2)工程控制灌溉面积约333hm2，自流灌溉面积200hm2，实现水利化。根据产量的统计对比，粮食产量从每公顷6000kg增加到每公顷9000kg，整个灌溉面积增加了654.38+0万kg。人均粮食占有量由380kg增加到471kg，增长23.9%；人均纯收入从980元增加到1.46元，480元净增48.9个百分点。

(3)森林覆盖率从190年到10年，从8.41%增加到30.7%。石漠化土地面积明显减少。

(4)羊皮寨洪水在雨季诱发，消除了洪水灾害对20 ~ 30 hm ~ 2良田的危害。

(5)居民健康水平得到提高。从1990开始，没有出现伤寒病例。

7成功经验总结

精心的基础地质工作，合理充分利用岩溶空间资源，将水资源开发利用与水害治理有机结合，是马关地下水库建设成功经验的主要精髓，使其成为同类型地下河系统岩溶水资源开发的典范。总结水库建设的成功经验，主要包括:

(1)高度重视基础地质工作。工程前期投入了大量的基础地质工作，摸清了流域系统的地质构造、岩溶特征、水文地质条件、岩溶水资源和水库、大坝的工程地质条件，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的地表和地下空间结构。虽然隧道地下河本身是一个小规模的地下河系统，但它已经建成并发挥了小(I)水库的作用。其特点是:一是工程的设计和建设巧妙地利用了岩溶空间结构的优势，将地表和地下空间结合起来，减少了地表土地的淹没，增加了蓄水的库容；其次，岩溶水资源与相邻地下水流域系统联合调度，充分利用水资源，增加水库库容，扩大效益。

(3)把开发水资源与改善环境紧密结合起来。水库工程的建设将在雨季引出羊皮寨暗河流域系统中的部分水，不仅补充和调节输水隧洞暗河系统的水资源，而且在雨季起到对羊皮寨暗河流域系统的分洪作用，从而消除羊皮寨暗河流域雨季岩溶洪水灾害，更好地达到兴利除弊的目的。

8结论

岩溶山区岩溶盆地系统小而多样，对于不同类型的地下河系统，岩溶水文地质条件和开发利用条件差异较大。岩溶水资源的开发利用应建立在对岩溶发育特征、水文地质条件和开发利用条件调查的基础上，尽可能将岩溶地下水资源的开发与环境改善和当地社会经济发展紧密结合，因地制宜合理确定开发利用方式，以达到最佳效果。水东地下水库工程的设计和建设遵循了这一规律，取得了良好的社会、经济和环境效益，为岩溶峰丛地区地下河系统的开发利用提供了典范。

参考

贵州普定岩溶研究综合实验站。1991.普定试验站岩溶水资源模型及开发利用研究。

杨，等1990。中国喀斯特地貌发育的典型研究。北京:科学出版社。