喀斯特高原山地水資源賦存特征及其綜合利用方式
——以貴州省七星關(guān)區(qū)朝營(yíng)小流域?yàn)槔?/h1>
2015-03-22 10:46高漸飛蘇維詞陳永畢韋清章吳克華
中國(guó)水土保持 2015年9期
高漸飛，蘇維詞，陳永畢，韋清章，吳克華
(1.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001； 2.國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550001)
喀斯特高原山地水資源賦存特征及其綜合利用方式
——以貴州省七星關(guān)區(qū)朝營(yíng)小流域?yàn)槔?/p>
高漸飛1,2，蘇維詞1，陳永畢2，韋清章2，吳克華1
(1.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001； 2.國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550001)
水資源；賦存特點(diǎn)；綜合利用；喀斯特山地
為解決喀斯特山區(qū)人畜飲水困難，以貴州省七星關(guān)區(qū)朝營(yíng)小流域?yàn)槔?，分析了流域水資源賦存特征、利用條件和供需平衡狀況，結(jié)果顯示：流域山地、谷地、洼地相間分布，地表起伏給水資源利用帶來(lái)嚴(yán)重影響和限制；表層巖溶水可分為森林滯水型、溶蝕差異型和相對(duì)隔水型3種賦存類型；流域水源點(diǎn)共18處，枯水期流量不能滿足人畜飲水需求；人居格局具有 “大分散、小聚集” 的特征，單一水源或者利用方式不能解決缺水問(wèn)題。應(yīng)因地制宜，采用屋面雨水收集、表層分散泉點(diǎn)多級(jí)集蓄、地下水堵截提水、長(zhǎng)距離引水應(yīng)急等方式綜合開發(fā)，通過(guò)水池(窖)的調(diào)蓄，實(shí)現(xiàn)干旱期間同時(shí)有儲(chǔ)存水源和泉點(diǎn)來(lái)水補(bǔ)充，保障流域人畜飲水安全。
廣泛出露的碳酸鹽巖、復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和強(qiáng)烈的水動(dòng)力條件，導(dǎo)致以貴州高原為中心的中國(guó)南方喀斯特地區(qū)，地貌縱向發(fā)育強(qiáng)烈，地域景觀垂直分異明顯，地形延綿起伏，山高坡陡，喀斯特石漠化嚴(yán)重，地表持水和調(diào)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，可方便利用的水資源(經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件允許建取水工程)稀少，因此缺水問(wèn)題一直是該區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶頸。研究認(rèn)為，可以從淺層喀斯特水的開發(fā)利用、雨水收集、節(jié)水三個(gè)方面解決缺水問(wèn)題[1]。目前，形成了地下河天窗提水[2-3]、天窗旁打井提水[4]、淺層地下水開挖提水[5]、圍泉建池[6-7]、利用皮下水建池(窖)[8]等有效水資源利用模式與方式，但單個(gè)技術(shù)或模式只能解決某一個(gè)點(diǎn)或者一類環(huán)境缺水問(wèn)題?？λ固馗咴降氐孛柴薨檾嗔呀惶姘l(fā)育，殘存的高原剝夷面波狀起伏，山峰連綿、層巒疊嶂、坡陡谷深，流域內(nèi)山地、谷地、洼地相間分布，不同游段水系結(jié)構(gòu)、賦存特點(diǎn)各不相同[9]，加之人居格局呈現(xiàn)“大分散、小聚集”的特征，靠單一水源或者利用方式難以完全解決流域缺水問(wèn)題。為此，以貴州省七星關(guān)區(qū)朝營(yíng)小流域?yàn)槔?，在弄清流域水資源賦存特點(diǎn)及類型，分析開發(fā)利用條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)利用和新技術(shù)研發(fā)，因地制宜采取雨水收集、分散泉點(diǎn)多級(jí)集蓄、地下水堵截提水等方式，實(shí)現(xiàn)雨水、地表水、地下水資源綜合利用，合理調(diào)蓄，以期形成經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠的區(qū)域水資源優(yōu)化利用體系，為同類喀斯特山區(qū)提供參考。
1 研究區(qū)概況
朝營(yíng)小流域地處貴州省七星關(guān)區(qū)西部，屬長(zhǎng)江流域?yàn)踅盗鶝_河上游支流區(qū)，土地總面積39.70 km2。區(qū)內(nèi)出露二疊系茅口組(P1)厚層塊狀灰?guī)r和石炭系擺佐組(C1b)白云質(zhì)灰?guī)r，土壤以黃壤、黃色石灰土為主，為典型喀斯特峰叢山地地貌，海拔1 683～2 200 m。區(qū)內(nèi)喀斯特作用強(qiáng)烈，裂隙洞穴、地下水通道較發(fā)育，降雨下滲迅速，地表極易干旱。具有暖溫帶高原季風(fēng)濕潤(rùn)氣候特征，多年平均氣溫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，春冬兩季旱災(zāi)發(fā)生頻率分別為39.5%和29.0%。植被以次生林、灌木和灌草叢為主，多分布在峰叢山坡中上部，覆蓋率低。水土流失與石漠化嚴(yán)重，輕度及以上石漠化面積占總面積的51.9%。據(jù)農(nóng)戶調(diào)查統(tǒng)計(jì)：2012年流域總?cè)丝?3 449人，884戶，人口密度120人/km2；80%人群存在飲水困難；經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展較落后，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)單一，只能種植玉米和馬鈴薯；靠出售少量生豬(豬仔)、牛羊和外出務(wù)工的收入支撐家庭生活開支，貧困程度較重。
2 水資源評(píng)價(jià)分析
2.1 水資源賦存特點(diǎn)
2.1.1 雨水資源
據(jù)1951—2012年研究區(qū)降水量資料，年平均降水量907 mm，雨水資源豐富，但降水時(shí)間分布不均，5—9月降水量占全年總降水量的76.2%，其中6—8月的降水量占全年總降水量的53.2%。據(jù)徑流場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究區(qū)的平均地表徑流系數(shù)為0.35，理論上地表徑流量達(dá)12 602 m3/a，但坡面水只出現(xiàn)在雨季(5—9月)，而且要在中到大雨或連續(xù)多日小雨的情況下才有徑流產(chǎn)生，可收集利用水資源量少。
2.1.2 表層巖溶水資源
按照含水層結(jié)構(gòu)，可將研究區(qū)表層帶巖溶水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為三種類型(圖1)。
圖1 研究區(qū)表層帶巖溶水類型
第一類為森林滯水型(Ⅰ型)。研究區(qū)海子塘、茅坪處于流域分水嶺至上游的斜坡地段，植被保存較好，森林所形成的枯枝落葉層充滿并覆蓋喀斯特裂隙帶，有良好的吸水功能，不僅減弱了地表徑流，而且還形成了喀斯特森林滯留水層，雖然其補(bǔ)給徑流路徑短、水量小、動(dòng)態(tài)變化大，但排泄點(diǎn)多，泉點(diǎn)密集分布，水流常年不斷，出露點(diǎn)海拔高，便于利用。同時(shí)，由于降雨被森林?jǐn)r截和調(diào)蓄形成地表排水網(wǎng)，入滲系數(shù)較低，因此地表淺部喀斯特發(fā)育較弱，地下水系統(tǒng)尚未形成。
第二類為溶蝕差異型(Ⅱ型)。研究區(qū)西部雞爪洞，東部沖鋒、孫家地以峰叢洼地為主，巖溶發(fā)育極不均勻，表層帶水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本上是巖溶發(fā)育在垂向上的差異所致。該區(qū)域塊狀灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r連續(xù)分布，地表淺部各種成因的節(jié)理裂隙較為發(fā)育。同時(shí)，地表淺部是“四大圈層”的交匯地帶，碳—水—鈣循環(huán)強(qiáng)烈，溶蝕化學(xué)反應(yīng)迅速，而向地下深部，巖石中節(jié)理裂隙逐漸閉合，碳—水—鈣循環(huán)也逐漸減弱，巖溶作用強(qiáng)度逐漸降低，從而出現(xiàn)透水性相對(duì)降低的“隔水帶”。區(qū)內(nèi)無(wú)地表排水網(wǎng)，地表排泄點(diǎn)出露位置較低，泉點(diǎn)流量動(dòng)態(tài)變化大，但由于補(bǔ)給范圍大，枯季泉點(diǎn)流量較大。大氣降水絕大部分匯集于洼地中，通過(guò)落水洞、天窗直接“注入”地下，補(bǔ)給迅速、補(bǔ)給量大，促使地下形成一定規(guī)模的巖溶地下河管道，成為地下水賦存和運(yùn)移的主要空間。
第三類為相對(duì)隔水型(Ⅲ型)。研究區(qū)大水井、小樹林、鍋圈巖等為典型高原山地，山峰連綿，層巒疊嶂，坡陡谷深，非連續(xù)性、夾層型或互層型的不純灰?guī)r廣布，灰?guī)r下伏含云質(zhì)灰?guī)r和泥灰?guī)r，巖石本身的礦物和化學(xué)成分決定了表層巖溶帶垂向發(fā)育的差異，形成了強(qiáng)巖溶層下伏的相對(duì)“隔水層”。碳酸鹽巖中表層巖溶帶的上述結(jié)構(gòu)，有效地阻滯了地表大氣降水向地下深部飽水帶含水層的下滲，使得下滲水流從“垂向運(yùn)動(dòng)”改變?yōu)椤八竭\(yùn)動(dòng)”，構(gòu)成了良好的表層帶巖溶水系統(tǒng)，但泉點(diǎn)流量較小。區(qū)域地下水埋藏較深(區(qū)內(nèi)煤礦取水井深度為200 m)，利用難度大。
2.2 水資源開發(fā)利用條件分析
2.2.1 雨水資源較多，但可利用量少
研究區(qū)水土流失嚴(yán)重，坡面徑流泥沙含量高，衛(wèi)生條件差，主要靠屋面收集雨水。但由于雨水資源時(shí)間分布不均衡，單次降雨的強(qiáng)度過(guò)小，雨水多被蒸發(fā)或滯留于屋面，因此徑流難以形成，也就無(wú)雨水可以收集。另外，研究區(qū)土坯、木架和石砌墻結(jié)構(gòu)的瓦屋面房屋比例較大(占56.5%)，這些屋頂呈“人”字形結(jié)構(gòu)，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，根據(jù)公式(1)[10]初步估算，年集雨量約3.66萬(wàn)m3。但因缺乏集雨水窖(池)，雨水水質(zhì)差，故一般情況不作為飲用水源，這些雨水資源僅能保存在屋頂上，除少量被利用外，其余被蒸發(fā)干。
W=F·P·a/1 000
(1)
式中：W為可蓄積水量，m3/a；F為集流面水平投影面積，混凝土屋面共54戶，面積50 403 m2；P為多年平均降雨量，907 mm；a為年集雨效率，取值80%。
2.2.2 巖溶泉點(diǎn)分散，利用難度大
對(duì)研究區(qū)實(shí)測(cè)的18個(gè)泉點(diǎn)流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，枯季水量約140 m3/d。但單個(gè)泉點(diǎn)流量較小，相對(duì)隔水層型平均泉點(diǎn)流量分布僅為5 m3/d，開發(fā)利用經(jīng)濟(jì)性不高；溶蝕差異型平均泉點(diǎn)流量為11 m3/d，但出露位置較低，受地表起伏限制，需要提升30～50 m，翻越埡口才能利用，開發(fā)利用成本高。
2.2.3 地下水資源埋藏深，開發(fā)利用成本高
根據(jù)貴州省地下水資源分布圖[5]，研究區(qū)屬于Ⅰ1地段碳酸鹽巖含水巖類型，含水層徑流模數(shù)6.41 L/(km2·s)，枯季地下水量為1.59萬(wàn) m3/d。但地下水埋藏深度50～200 m，取水工程投資大，用水成本高。
3 水資源開發(fā)利用方式與技術(shù)
研究區(qū)總?cè)丝? 449人，有大型牲畜3 536頭(匹)，按區(qū)域?qū)嶋H用水量人為25 L/d、牲畜(豬、牛)為20 L/d，需水量為157 m3/d。正常年份枯水期從12月初至次年3月底共120 d，人畜飲水需水量為1.88萬(wàn)m3，這期間降雨量不足以產(chǎn)生徑流，表層巖溶水在100%被利用條件下，枯季缺水為0.21萬(wàn)m3。需通過(guò)各種技術(shù)手段，將雨水收集利用、分散泉點(diǎn)集蓄利用、地下水堵截利用、長(zhǎng)距離定向引水等方式綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)雨水、地表水、地下水資源綜合利用。
3.1 雨水資源利用
根據(jù)研究區(qū)月降雨量時(shí)序特征，在雨季最大可能地將雨水儲(chǔ)存起來(lái)，可以解決居住位置高、分散農(nóng)戶的生活用水，或作為其他區(qū)域的居民洗滌用水和牲畜飲用水。其利用方式為：瓦屋面結(jié)構(gòu)住房，選用直徑110 cm的PVC塑料管，沿中間鋸開成兩半，用鐵絲將其固定(懸掛)在屋檐下方的檁子上，向一端略傾斜制成集水槽，末端安裝引流軟管(用膠水粘牢)，最后引入水池(水窖)；混凝土平頂房屋，屋頂四周加砌0.3 m高女兒墻，在位置較低的地方放置排水管，連接引水管直接引入蓄水設(shè)施中。
3.2 表層泉點(diǎn)集蓄利用
森林滯水型類型區(qū)沒(méi)有明顯的出水點(diǎn)，枯枝落葉墊積層中的水慢慢滲出匯流后形成溪流，這些溪溝將斜坡帶分割成不同的集水區(qū)，流入低洼地區(qū)時(shí)匯流在一起。為能自流供水，在較高位置將溪溝水截流引用，需用泥土將溪溝攔截后形成小水塘，安裝引水管道引水。由于單個(gè)溪流水流小，用小管徑(DN15)塑料管道同時(shí)引幾條溪流匯入較大管徑(DN32)管道引入村寨，再分流向農(nóng)戶供水。采用“分散收集—匯(合)流—分流供水”的利用方式，解決了海子塘、草子灣兩個(gè)村民組785人和近900頭(匹)牲畜的飲水問(wèn)題。另外，由于處于上游分水嶺地區(qū)，溪流匯集的低洼地帶海拔也高達(dá)2 000 m，流量0.230 L/s，因此通過(guò)安裝埋設(shè)PE管道，可自流向流域中游鍋圈巖、槽子地等區(qū)域供水，并作為下游營(yíng)沖組、營(yíng)寨組的補(bǔ)充水源，進(jìn)入調(diào)節(jié)蓄水池，與區(qū)域性集水工程結(jié)合起來(lái)，增加應(yīng)對(duì)干旱能力。
相對(duì)隔水型類型區(qū)表層巖溶水以泉點(diǎn)形式出露，且位置較高，但局部區(qū)域整個(gè)隔水層都在滲水，為盡可能收集到水源，依據(jù)實(shí)際地形，用漿砌石將出露范圍包圍成不規(guī)則水池，再安裝引水管道引水。該類型泉點(diǎn)單個(gè)流量較小，可在收集小范圍泉點(diǎn)水流基礎(chǔ)上，用小管徑(DN15)塑料管道引水，經(jīng)多級(jí)匯流后自流供水，或者引入?yún)^(qū)域大容量蓄水池自流供水(圖3)。通過(guò)“分散泉點(diǎn)多級(jí)收集蓄引”方式，將大水井附近的幾個(gè)泉點(diǎn)水流收集到大水井蓄水池(20 m3)中，小樹林附近的泉點(diǎn)收集到小樹林蓄水池(30 m3)中，兩個(gè)區(qū)域的水資源同時(shí)引入下小寨調(diào)節(jié)水池(500 m3)，再供給營(yíng)沖組和雙營(yíng)組404人、550頭(匹)牲畜飲水。
溶蝕差異型類型區(qū)水流排泄點(diǎn)在洼地底部，需要電力提水翻過(guò)埡口才能自流供水。如孫家地洼地底部有幾個(gè)泉點(diǎn)，與埡口高差35 m，將泉點(diǎn)多級(jí)收集流量達(dá)到0.444 L/s匯入100 m3蓄水池后，用水泵將水提至坡頂高位水池(200 m3)，然后自流供給沖鋒組600人、700頭(匹)牲畜飲水(圖2)。
圖2 表層分散泉點(diǎn)多級(jí)收集蓄引(左)、提(右)利用方式
3.3 地下水堵截利用
溶蝕差異類型區(qū)東部雞爪洞等區(qū)域，具有峰叢洼地水文地貌特征[8]，地表水極度缺乏，水全部匯入洼地，從落水洞、天窗流入地下管道。在雞爪洞發(fā)現(xiàn)有與地下管道連接的天窗出露，豐水期涌出形成泉點(diǎn)，但直接從天窗(漏斗)提水路線曲折，不利于管道、水泵的安裝、使用和維護(hù)，而采取天窗旁機(jī)井開采方式成本又比較高。為此，在準(zhǔn)確判斷地下管道走向基礎(chǔ)上，沿水流方向在天窗下游附近易開挖地段開挖找到地下管道后，利用混凝土將巖溶管道堵截，使局部水位上升，在枯水期便可涌出天窗形成穩(wěn)定上升的泉點(diǎn)，再通過(guò)水泵將水提至坡頂高位水池，安裝管網(wǎng)自流供給中山村818人、約1 000頭(匹)牲畜飲水(圖3)。
圖3 地下水堵截利用方式
4 結(jié)論與討論
從含水層巖組結(jié)構(gòu)的角度可將研究區(qū)表層帶巖溶水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為森林滯水型(Ⅰ型)、溶蝕差異型(Ⅱ型)和相對(duì)隔水型(Ⅲ型)三種類型，其中：類型Ⅰ和Ⅲ出露泉點(diǎn)流量很小，但數(shù)量多、位置較高，將多個(gè)泉點(diǎn)分級(jí)收集后利用，經(jīng)濟(jì)性較高；類型Ⅱ泉點(diǎn)流量較大，穩(wěn)定性也較好，但一般在洼地坡麓部分出露，需要用水泵提升才能獲得較高水頭，利用成本偏高。為短時(shí)間就將高位水池灌滿，方便利用與管理，提水工程一般要求水量大，應(yīng)將幾處泉點(diǎn)水流收集后再提水。
研究區(qū)正常年份缺水時(shí)間為4個(gè)月，表層巖溶水不能滿足干旱期間人畜飲水需求量。地表起伏極大地增加了水資源利用成本，考慮用水經(jīng)濟(jì)性，依據(jù)研究區(qū)水資源賦存特點(diǎn)，以及山區(qū) “大分散、小聚集”的人居格局，靠單一水源或者利用方式不能解決缺水問(wèn)題。通過(guò)“分散集流—匯(合)流—分流供水”和“分散泉點(diǎn)多級(jí)收集引、蓄、提”、地下水堵截提水、長(zhǎng)距離引水等方式，豐水期將農(nóng)戶水池(窖)灌滿，干旱期間有水池(窖)儲(chǔ)存水源利用、引水工程水源補(bǔ)充，使人畜飲水安全得到保障。但水量安全得到保障的情況下，小型蓄水設(shè)施水質(zhì)安全仍然存在一定隱患，經(jīng)濟(jì)適用的水質(zhì)凈化處理技術(shù)需求較為迫切。
受水資源賦存特點(diǎn)與人居格局影響，喀斯特山區(qū)多以小型、微小型水利工程為主，非常容易遭受破壞，如果沒(méi)有有效的管理，短時(shí)間就會(huì)閑置荒廢。研究區(qū)居民自我組織能力差，目前，農(nóng)戶自建水窖自己管理，區(qū)域性工程委托了村寨有威望的人管理，村寨間工程則由各村寨管理人員共同組織協(xié)商管理，工程實(shí)施后水利設(shè)施運(yùn)行正常，但仍然缺乏規(guī)范管理機(jī)制，有效的水資源管理模式有待進(jìn)一步建立。
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(責(zé)任編輯 徐素霞)
國(guó)家“十二五”科技支撐重大項(xiàng)目(2011BAC09B01)
TV211.1；TV213.9
A
1000-0941(2015)09-0046-04
高漸飛(1985—)，男，貴州威寧縣人，助理研究員，碩士，主要從事喀斯特石漠化治理研究工作。
2014-12-10
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——以貴州省七星關(guān)區(qū)朝營(yíng)小流域?yàn)槔?/p>
高漸飛1,2，蘇維詞1，陳永畢2，韋清章2，吳克華1
(1.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001； 2.國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550001)
水資源；賦存特點(diǎn)；綜合利用；喀斯特山地
為解決喀斯特山區(qū)人畜飲水困難，以貴州省七星關(guān)區(qū)朝營(yíng)小流域?yàn)槔?，分析了流域水資源賦存特征、利用條件和供需平衡狀況，結(jié)果顯示：流域山地、谷地、洼地相間分布，地表起伏給水資源利用帶來(lái)嚴(yán)重影響和限制；表層巖溶水可分為森林滯水型、溶蝕差異型和相對(duì)隔水型3種賦存類型；流域水源點(diǎn)共18處，枯水期流量不能滿足人畜飲水需求；人居格局具有 “大分散、小聚集” 的特征，單一水源或者利用方式不能解決缺水問(wèn)題。應(yīng)因地制宜，采用屋面雨水收集、表層分散泉點(diǎn)多級(jí)集蓄、地下水堵截提水、長(zhǎng)距離引水應(yīng)急等方式綜合開發(fā)，通過(guò)水池(窖)的調(diào)蓄，實(shí)現(xiàn)干旱期間同時(shí)有儲(chǔ)存水源和泉點(diǎn)來(lái)水補(bǔ)充，保障流域人畜飲水安全。
廣泛出露的碳酸鹽巖、復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和強(qiáng)烈的水動(dòng)力條件，導(dǎo)致以貴州高原為中心的中國(guó)南方喀斯特地區(qū)，地貌縱向發(fā)育強(qiáng)烈，地域景觀垂直分異明顯，地形延綿起伏，山高坡陡，喀斯特石漠化嚴(yán)重，地表持水和調(diào)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，可方便利用的水資源(經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件允許建取水工程)稀少，因此缺水問(wèn)題一直是該區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶頸。研究認(rèn)為，可以從淺層喀斯特水的開發(fā)利用、雨水收集、節(jié)水三個(gè)方面解決缺水問(wèn)題[1]。目前，形成了地下河天窗提水[2-3]、天窗旁打井提水[4]、淺層地下水開挖提水[5]、圍泉建池[6-7]、利用皮下水建池(窖)[8]等有效水資源利用模式與方式，但單個(gè)技術(shù)或模式只能解決某一個(gè)點(diǎn)或者一類環(huán)境缺水問(wèn)題?？λ固馗咴降氐孛柴薨檾嗔呀惶姘l(fā)育，殘存的高原剝夷面波狀起伏，山峰連綿、層巒疊嶂、坡陡谷深，流域內(nèi)山地、谷地、洼地相間分布，不同游段水系結(jié)構(gòu)、賦存特點(diǎn)各不相同[9]，加之人居格局呈現(xiàn)“大分散、小聚集”的特征，靠單一水源或者利用方式難以完全解決流域缺水問(wèn)題。為此，以貴州省七星關(guān)區(qū)朝營(yíng)小流域?yàn)槔?，在弄清流域水資源賦存特點(diǎn)及類型，分析開發(fā)利用條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)利用和新技術(shù)研發(fā)，因地制宜采取雨水收集、分散泉點(diǎn)多級(jí)集蓄、地下水堵截提水等方式，實(shí)現(xiàn)雨水、地表水、地下水資源綜合利用，合理調(diào)蓄，以期形成經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠的區(qū)域水資源優(yōu)化利用體系，為同類喀斯特山區(qū)提供參考。
1 研究區(qū)概況
朝營(yíng)小流域地處貴州省七星關(guān)區(qū)西部，屬長(zhǎng)江流域?yàn)踅盗鶝_河上游支流區(qū)，土地總面積39.70 km2。區(qū)內(nèi)出露二疊系茅口組(P1)厚層塊狀灰?guī)r和石炭系擺佐組(C1b)白云質(zhì)灰?guī)r，土壤以黃壤、黃色石灰土為主，為典型喀斯特峰叢山地地貌，海拔1 683～2 200 m。區(qū)內(nèi)喀斯特作用強(qiáng)烈，裂隙洞穴、地下水通道較發(fā)育，降雨下滲迅速，地表極易干旱。具有暖溫帶高原季風(fēng)濕潤(rùn)氣候特征，多年平均氣溫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，春冬兩季旱災(zāi)發(fā)生頻率分別為39.5%和29.0%。植被以次生林、灌木和灌草叢為主，多分布在峰叢山坡中上部，覆蓋率低。水土流失與石漠化嚴(yán)重，輕度及以上石漠化面積占總面積的51.9%。據(jù)農(nóng)戶調(diào)查統(tǒng)計(jì)：2012年流域總?cè)丝?3 449人，884戶，人口密度120人/km2；80%人群存在飲水困難；經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展較落后，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)單一，只能種植玉米和馬鈴薯；靠出售少量生豬(豬仔)、牛羊和外出務(wù)工的收入支撐家庭生活開支，貧困程度較重。
2 水資源評(píng)價(jià)分析
2.1 水資源賦存特點(diǎn)
2.1.1 雨水資源
據(jù)1951—2012年研究區(qū)降水量資料，年平均降水量907 mm，雨水資源豐富，但降水時(shí)間分布不均，5—9月降水量占全年總降水量的76.2%，其中6—8月的降水量占全年總降水量的53.2%。據(jù)徑流場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究區(qū)的平均地表徑流系數(shù)為0.35，理論上地表徑流量達(dá)12 602 m3/a，但坡面水只出現(xiàn)在雨季(5—9月)，而且要在中到大雨或連續(xù)多日小雨的情況下才有徑流產(chǎn)生，可收集利用水資源量少。
2.1.2 表層巖溶水資源
按照含水層結(jié)構(gòu)，可將研究區(qū)表層帶巖溶水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為三種類型(圖1)。
圖1 研究區(qū)表層帶巖溶水類型
第一類為森林滯水型(Ⅰ型)。研究區(qū)海子塘、茅坪處于流域分水嶺至上游的斜坡地段，植被保存較好，森林所形成的枯枝落葉層充滿并覆蓋喀斯特裂隙帶，有良好的吸水功能，不僅減弱了地表徑流，而且還形成了喀斯特森林滯留水層，雖然其補(bǔ)給徑流路徑短、水量小、動(dòng)態(tài)變化大，但排泄點(diǎn)多，泉點(diǎn)密集分布，水流常年不斷，出露點(diǎn)海拔高，便于利用。同時(shí)，由于降雨被森林?jǐn)r截和調(diào)蓄形成地表排水網(wǎng)，入滲系數(shù)較低，因此地表淺部喀斯特發(fā)育較弱，地下水系統(tǒng)尚未形成。
第二類為溶蝕差異型(Ⅱ型)。研究區(qū)西部雞爪洞，東部沖鋒、孫家地以峰叢洼地為主，巖溶發(fā)育極不均勻，表層帶水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本上是巖溶發(fā)育在垂向上的差異所致。該區(qū)域塊狀灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r連續(xù)分布，地表淺部各種成因的節(jié)理裂隙較為發(fā)育。同時(shí)，地表淺部是“四大圈層”的交匯地帶，碳—水—鈣循環(huán)強(qiáng)烈，溶蝕化學(xué)反應(yīng)迅速，而向地下深部，巖石中節(jié)理裂隙逐漸閉合，碳—水—鈣循環(huán)也逐漸減弱，巖溶作用強(qiáng)度逐漸降低，從而出現(xiàn)透水性相對(duì)降低的“隔水帶”。區(qū)內(nèi)無(wú)地表排水網(wǎng)，地表排泄點(diǎn)出露位置較低，泉點(diǎn)流量動(dòng)態(tài)變化大，但由于補(bǔ)給范圍大，枯季泉點(diǎn)流量較大。大氣降水絕大部分匯集于洼地中，通過(guò)落水洞、天窗直接“注入”地下，補(bǔ)給迅速、補(bǔ)給量大，促使地下形成一定規(guī)模的巖溶地下河管道，成為地下水賦存和運(yùn)移的主要空間。
第三類為相對(duì)隔水型(Ⅲ型)。研究區(qū)大水井、小樹林、鍋圈巖等為典型高原山地，山峰連綿，層巒疊嶂，坡陡谷深，非連續(xù)性、夾層型或互層型的不純灰?guī)r廣布，灰?guī)r下伏含云質(zhì)灰?guī)r和泥灰?guī)r，巖石本身的礦物和化學(xué)成分決定了表層巖溶帶垂向發(fā)育的差異，形成了強(qiáng)巖溶層下伏的相對(duì)“隔水層”。碳酸鹽巖中表層巖溶帶的上述結(jié)構(gòu)，有效地阻滯了地表大氣降水向地下深部飽水帶含水層的下滲，使得下滲水流從“垂向運(yùn)動(dòng)”改變?yōu)椤八竭\(yùn)動(dòng)”，構(gòu)成了良好的表層帶巖溶水系統(tǒng)，但泉點(diǎn)流量較小。區(qū)域地下水埋藏較深(區(qū)內(nèi)煤礦取水井深度為200 m)，利用難度大。
2.2 水資源開發(fā)利用條件分析
2.2.1 雨水資源較多，但可利用量少
研究區(qū)水土流失嚴(yán)重，坡面徑流泥沙含量高，衛(wèi)生條件差，主要靠屋面收集雨水。但由于雨水資源時(shí)間分布不均衡，單次降雨的強(qiáng)度過(guò)小，雨水多被蒸發(fā)或滯留于屋面，因此徑流難以形成，也就無(wú)雨水可以收集。另外，研究區(qū)土坯、木架和石砌墻結(jié)構(gòu)的瓦屋面房屋比例較大(占56.5%)，這些屋頂呈“人”字形結(jié)構(gòu)，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，根據(jù)公式(1)[10]初步估算，年集雨量約3.66萬(wàn)m3。但因缺乏集雨水窖(池)，雨水水質(zhì)差，故一般情況不作為飲用水源，這些雨水資源僅能保存在屋頂上，除少量被利用外，其余被蒸發(fā)干。
W=F·P·a/1 000
(1)
式中：W為可蓄積水量，m3/a；F為集流面水平投影面積，混凝土屋面共54戶，面積50 403 m2；P為多年平均降雨量，907 mm；a為年集雨效率，取值80%。
2.2.2 巖溶泉點(diǎn)分散，利用難度大
對(duì)研究區(qū)實(shí)測(cè)的18個(gè)泉點(diǎn)流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，枯季水量約140 m3/d。但單個(gè)泉點(diǎn)流量較小，相對(duì)隔水層型平均泉點(diǎn)流量分布僅為5 m3/d，開發(fā)利用經(jīng)濟(jì)性不高；溶蝕差異型平均泉點(diǎn)流量為11 m3/d，但出露位置較低，受地表起伏限制，需要提升30～50 m，翻越埡口才能利用，開發(fā)利用成本高。
2.2.3 地下水資源埋藏深，開發(fā)利用成本高
根據(jù)貴州省地下水資源分布圖[5]，研究區(qū)屬于Ⅰ1地段碳酸鹽巖含水巖類型，含水層徑流模數(shù)6.41 L/(km2·s)，枯季地下水量為1.59萬(wàn) m3/d。但地下水埋藏深度50～200 m，取水工程投資大，用水成本高。
3 水資源開發(fā)利用方式與技術(shù)
研究區(qū)總?cè)丝? 449人，有大型牲畜3 536頭(匹)，按區(qū)域?qū)嶋H用水量人為25 L/d、牲畜(豬、牛)為20 L/d，需水量為157 m3/d。正常年份枯水期從12月初至次年3月底共120 d，人畜飲水需水量為1.88萬(wàn)m3，這期間降雨量不足以產(chǎn)生徑流，表層巖溶水在100%被利用條件下，枯季缺水為0.21萬(wàn)m3。需通過(guò)各種技術(shù)手段，將雨水收集利用、分散泉點(diǎn)集蓄利用、地下水堵截利用、長(zhǎng)距離定向引水等方式綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)雨水、地表水、地下水資源綜合利用。
3.1 雨水資源利用
根據(jù)研究區(qū)月降雨量時(shí)序特征，在雨季最大可能地將雨水儲(chǔ)存起來(lái)，可以解決居住位置高、分散農(nóng)戶的生活用水，或作為其他區(qū)域的居民洗滌用水和牲畜飲用水。其利用方式為：瓦屋面結(jié)構(gòu)住房，選用直徑110 cm的PVC塑料管，沿中間鋸開成兩半，用鐵絲將其固定(懸掛)在屋檐下方的檁子上，向一端略傾斜制成集水槽，末端安裝引流軟管(用膠水粘牢)，最后引入水池(水窖)；混凝土平頂房屋，屋頂四周加砌0.3 m高女兒墻，在位置較低的地方放置排水管，連接引水管直接引入蓄水設(shè)施中。
3.2 表層泉點(diǎn)集蓄利用
森林滯水型類型區(qū)沒(méi)有明顯的出水點(diǎn)，枯枝落葉墊積層中的水慢慢滲出匯流后形成溪流，這些溪溝將斜坡帶分割成不同的集水區(qū)，流入低洼地區(qū)時(shí)匯流在一起。為能自流供水，在較高位置將溪溝水截流引用，需用泥土將溪溝攔截后形成小水塘，安裝引水管道引水。由于單個(gè)溪流水流小，用小管徑(DN15)塑料管道同時(shí)引幾條溪流匯入較大管徑(DN32)管道引入村寨，再分流向農(nóng)戶供水。采用“分散收集—匯(合)流—分流供水”的利用方式，解決了海子塘、草子灣兩個(gè)村民組785人和近900頭(匹)牲畜的飲水問(wèn)題。另外，由于處于上游分水嶺地區(qū)，溪流匯集的低洼地帶海拔也高達(dá)2 000 m，流量0.230 L/s，因此通過(guò)安裝埋設(shè)PE管道，可自流向流域中游鍋圈巖、槽子地等區(qū)域供水，并作為下游營(yíng)沖組、營(yíng)寨組的補(bǔ)充水源，進(jìn)入調(diào)節(jié)蓄水池，與區(qū)域性集水工程結(jié)合起來(lái)，增加應(yīng)對(duì)干旱能力。
相對(duì)隔水型類型區(qū)表層巖溶水以泉點(diǎn)形式出露，且位置較高，但局部區(qū)域整個(gè)隔水層都在滲水，為盡可能收集到水源，依據(jù)實(shí)際地形，用漿砌石將出露范圍包圍成不規(guī)則水池，再安裝引水管道引水。該類型泉點(diǎn)單個(gè)流量較小，可在收集小范圍泉點(diǎn)水流基礎(chǔ)上，用小管徑(DN15)塑料管道引水，經(jīng)多級(jí)匯流后自流供水，或者引入?yún)^(qū)域大容量蓄水池自流供水(圖3)。通過(guò)“分散泉點(diǎn)多級(jí)收集蓄引”方式，將大水井附近的幾個(gè)泉點(diǎn)水流收集到大水井蓄水池(20 m3)中，小樹林附近的泉點(diǎn)收集到小樹林蓄水池(30 m3)中，兩個(gè)區(qū)域的水資源同時(shí)引入下小寨調(diào)節(jié)水池(500 m3)，再供給營(yíng)沖組和雙營(yíng)組404人、550頭(匹)牲畜飲水。
溶蝕差異型類型區(qū)水流排泄點(diǎn)在洼地底部，需要電力提水翻過(guò)埡口才能自流供水。如孫家地洼地底部有幾個(gè)泉點(diǎn)，與埡口高差35 m，將泉點(diǎn)多級(jí)收集流量達(dá)到0.444 L/s匯入100 m3蓄水池后，用水泵將水提至坡頂高位水池(200 m3)，然后自流供給沖鋒組600人、700頭(匹)牲畜飲水(圖2)。
圖2 表層分散泉點(diǎn)多級(jí)收集蓄引(左)、提(右)利用方式
3.3 地下水堵截利用
溶蝕差異類型區(qū)東部雞爪洞等區(qū)域，具有峰叢洼地水文地貌特征[8]，地表水極度缺乏，水全部匯入洼地，從落水洞、天窗流入地下管道。在雞爪洞發(fā)現(xiàn)有與地下管道連接的天窗出露，豐水期涌出形成泉點(diǎn)，但直接從天窗(漏斗)提水路線曲折，不利于管道、水泵的安裝、使用和維護(hù)，而采取天窗旁機(jī)井開采方式成本又比較高。為此，在準(zhǔn)確判斷地下管道走向基礎(chǔ)上，沿水流方向在天窗下游附近易開挖地段開挖找到地下管道后，利用混凝土將巖溶管道堵截，使局部水位上升，在枯水期便可涌出天窗形成穩(wěn)定上升的泉點(diǎn)，再通過(guò)水泵將水提至坡頂高位水池，安裝管網(wǎng)自流供給中山村818人、約1 000頭(匹)牲畜飲水(圖3)。
圖3 地下水堵截利用方式
4 結(jié)論與討論
從含水層巖組結(jié)構(gòu)的角度可將研究區(qū)表層帶巖溶水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為森林滯水型(Ⅰ型)、溶蝕差異型(Ⅱ型)和相對(duì)隔水型(Ⅲ型)三種類型，其中：類型Ⅰ和Ⅲ出露泉點(diǎn)流量很小，但數(shù)量多、位置較高，將多個(gè)泉點(diǎn)分級(jí)收集后利用，經(jīng)濟(jì)性較高；類型Ⅱ泉點(diǎn)流量較大，穩(wěn)定性也較好，但一般在洼地坡麓部分出露，需要用水泵提升才能獲得較高水頭，利用成本偏高。為短時(shí)間就將高位水池灌滿，方便利用與管理，提水工程一般要求水量大，應(yīng)將幾處泉點(diǎn)水流收集后再提水。
研究區(qū)正常年份缺水時(shí)間為4個(gè)月，表層巖溶水不能滿足干旱期間人畜飲水需求量。地表起伏極大地增加了水資源利用成本，考慮用水經(jīng)濟(jì)性，依據(jù)研究區(qū)水資源賦存特點(diǎn)，以及山區(qū) “大分散、小聚集”的人居格局，靠單一水源或者利用方式不能解決缺水問(wèn)題。通過(guò)“分散集流—匯(合)流—分流供水”和“分散泉點(diǎn)多級(jí)收集引、蓄、提”、地下水堵截提水、長(zhǎng)距離引水等方式，豐水期將農(nóng)戶水池(窖)灌滿，干旱期間有水池(窖)儲(chǔ)存水源利用、引水工程水源補(bǔ)充，使人畜飲水安全得到保障。但水量安全得到保障的情況下，小型蓄水設(shè)施水質(zhì)安全仍然存在一定隱患，經(jīng)濟(jì)適用的水質(zhì)凈化處理技術(shù)需求較為迫切。
受水資源賦存特點(diǎn)與人居格局影響，喀斯特山區(qū)多以小型、微小型水利工程為主，非常容易遭受破壞，如果沒(méi)有有效的管理，短時(shí)間就會(huì)閑置荒廢。研究區(qū)居民自我組織能力差，目前，農(nóng)戶自建水窖自己管理，區(qū)域性工程委托了村寨有威望的人管理，村寨間工程則由各村寨管理人員共同組織協(xié)商管理，工程實(shí)施后水利設(shè)施運(yùn)行正常，但仍然缺乏規(guī)范管理機(jī)制，有效的水資源管理模式有待進(jìn)一步建立。
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(責(zé)任編輯 徐素霞)
國(guó)家“十二五”科技支撐重大項(xiàng)目(2011BAC09B01)
TV211.1；TV213.9
A
1000-0941(2015)09-0046-04
高漸飛(1985—)，男，貴州威寧縣人，助理研究員，碩士，主要從事喀斯特石漠化治理研究工作。
2014-12-10
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