羅 崴
(廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院,廣西 南寧 530023)
地下水資源是我國淡水資源的主要來源[1],隨著經(jīng)濟快速發(fā)展,人口不斷增加,水資源短缺問題日益嚴重[2]。近些年,我國多個城市由于地下水嚴重超采或不合理開發(fā),出現(xiàn)地面沉降、海水入侵、地下水污染等問題[3]。為實現(xiàn)水資源的合理開發(fā)利用,降低地下水資源開采的環(huán)境危害[4],資源評價必不可少[5]。常見地下水資源評價方法有水量均衡法、地下水開采實驗法[4]、比擬法、解析法、數(shù)值模擬法[6]、GIS概念模型[7]、潛力指數(shù)法、長期動態(tài)分析法、單因子評價法[8]等,這些方法為地下水資源評價提供了重要手段,能定量反映出地下水系統(tǒng)的運動規(guī)律、含水介質(zhì)、水量等特征,對地下水資源可持續(xù)利用和科學(xué)管理[9]具有重大意義。本文根據(jù)凌云縣水文地質(zhì)條件、巖溶發(fā)育等特征,劃分地下水系統(tǒng),依據(jù)實地調(diào)查結(jié)果和長期觀測數(shù)據(jù)資料,采用降水入滲系數(shù)法和枯季徑流模數(shù)法,分析與評價凌云縣的地下水資源量。
研究區(qū)位于廣西西北部紅水河上游布柳河流域、坡心河流域及右江上游澄碧河流域(圖1),地處北回歸線附近,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),雨量充沛,氣候溫和,四季分明。多年平均氣溫20.5 ℃,多年平均降雨量1 708.3 mm,5—10月份為雨季,多年平均相對濕度78%。
研究區(qū)總體地勢北高南低,由西北向東南方向傾斜。區(qū)內(nèi)地表河流主要為澄碧河、布柳河及其支流。澄碧河從中部向南流,平均徑流量為36.72 m3/s;布柳河自西南向北東流,平均徑流量為11.10 m3/s。
研究區(qū)為典型的山地地形,分為巖溶地貌和非巖溶地貌,總體山高谷深,落差較大。地下水資源豐富,空間分布總體較為均勻,集中排泄于澄碧河河谷、溝谷等地勢低洼處。而巖溶臺地峰叢區(qū),水位埋藏普遍較深,溶蝕強烈,入滲快速,地表蓄水能力差,出現(xiàn)集中連片功能性缺水,形成眾多季節(jié)性干旱洼地,存在典型的巖溶區(qū)干旱缺水問題。碎屑巖山地區(qū),發(fā)育流量不大的泉水,供水能力有限。據(jù)統(tǒng)計,目前區(qū)內(nèi)約有2.83萬畝(1畝=1/15 hm2)耕地缺水,缺水人口約5 346人,飲水安全與農(nóng)田干旱問題比較突出。
1.二疊系—石炭系—泥盆系灰?guī)r、白云巖;2.三疊系—二疊系—石炭系碳酸鹽巖夾碎屑巖;3.三疊系上統(tǒng)碎屑巖;4.地層界線;5.地層界線(平行不整合);6.斷層;7.推測斷層;8.地表水系;9.地表水;10.縣界。圖1 研究區(qū)地質(zhì)及構(gòu)造概況Fig.1 Geological and structural sketch map of the study area
研究區(qū)出露的主要地層從老到新依次有泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、白堊系、古近系,其中三疊系分布最廣,第四系只在河谷、洼地零星分布。泥盆系融縣組(D3r)、東崗嶺組(D2d)、桂林組(D3g)、唐家灣組(D2t)為灰色、深灰色中厚層灰?guī)r;石炭系馬平組(C2P1m)、威寧組(C2P1h-m)、黃龍組(C2h)、南丹組(C2P1n)、都安組(C1-2d)、巴平組(C1b)、隆安組(C1la)、鹿寨組(C1lz)為淺灰、深灰色中厚層至塊狀生物屑灰?guī)r、白云巖;二疊系合山組(P3h)、領(lǐng)薅組(P3lh)、茅口組(P2m)、棲霞組(P2q)、四大寨組(P2s)為淺灰色、灰色薄至中層生物屑灰?guī)r、灰?guī)r;三疊系蘭木組(T2l)為砂巖、泥巖,百逢組(T2b)為泥巖、砂巖、泥巖夾粉砂巖,羅樓組(T1l)為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r,石炮組(T1s)為泥巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r;古近系邕寧群(Ey)為泥巖、粉砂巖、礫巖。
研究區(qū)處于右江褶皺系百色凹陷內(nèi),褶皺和斷裂構(gòu)造發(fā)育,形成巴馬區(qū)域性大斷裂及凌云環(huán)形斷裂2個構(gòu)造單元。主要發(fā)育NE向和NW向構(gòu)造形跡,地下河也主要沿這2組構(gòu)造方向發(fā)育。
研究區(qū)碳酸鹽巖區(qū)巖溶發(fā)育強烈。地表巖溶形態(tài)豐富,宏觀以巖溶洼地、槽谷、峰叢、巖溶湖、天窗、消水洞、溶洞為主,微觀有溶痕、溶隙等。區(qū)內(nèi)巖溶洞穴共有29個,以垂向為主,水平洞穴中部多發(fā)育有寬大洞廳,大多發(fā)育于地下水徑流較為集中的部位。主要發(fā)育于石炭系、二疊系中厚層狀生物屑灰?guī)r地層中,以茅口組(P2m)發(fā)育溶洞最多,占比為34.4%。溶洞主要沿北東向、北西向構(gòu)造發(fā)育,其中NW—SE方向最為發(fā)育。
本區(qū)65個鉆孔中,有22個揭露溶洞,鉆孔遇洞率為33.8%。共揭露40個溶洞,洞高0.2~47.4 m,平均線巖溶率2.00%。根據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(圖2),區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育規(guī)律在垂向上具有分帶性:310~370 m、470~690 m高程段巖溶最為發(fā)育,巖溶發(fā)育高程跨度大,最低發(fā)育于316.13 m,最高于1 008.8 m仍可見溶洞發(fā)育。
圖2 研究區(qū)巖溶發(fā)育隨高程變化曲線Fig.2 Diagram of karst development with elevation variation in the study area
研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖地層廣泛分布,面積約為905 km2,占總面積的44.1%,其余主要為碎屑巖,巖漿巖少量分布。結(jié)合地層巖性分布特征,研究區(qū)可分為紅層碎屑巖含水巖組、碎屑巖含水巖組、碳酸鹽巖(灰?guī)r、白云巖)含水巖組、碳酸鹽巖夾碎屑巖含水巖組。根據(jù)地下水賦存條件和含水巖組巖性及層組結(jié)構(gòu),研究區(qū)地下水可分為巖溶水、基巖裂隙水和孔隙裂隙水3個大類。其中孔隙裂隙水賦存于邕寧群地層孔隙裂隙中,基巖裂隙水主要賦存于其余非碳酸鹽巖類地層基巖裂隙中,包括碎屑巖類構(gòu)造裂隙水和巖漿巖網(wǎng)狀風(fēng)化裂隙水;而巖溶水則主要分布于碳酸鹽巖地層以溶洞為主的含水介質(zhì)中和碳酸鹽巖夾碎屑巖地層以溶蝕裂隙為主的含水介質(zhì)中。根據(jù)含水巖組含水介質(zhì)的特征,區(qū)內(nèi)巖溶水又可細分為碳酸鹽巖類裂隙溶洞水、碳酸鹽巖夾碎屑巖溶洞裂隙水2種類型。而孔隙裂隙水零星分布,水量貧乏,面積小,與基巖裂隙水合并計算。不同地層單元及其所賦存的地下水類型見表1和圖3。
表1 研究區(qū)地下水含水巖組及富水性Tab.1 Water-bearing rock formation and water-rich groundwater in the study area
1.富水性豐富;2.富水性中等;3.富水性貧乏;4.富水性豐富;5.富水性中等;6.富水性豐富;7.富水性中等;8.富水性貧乏;9.地表水體;10.水文地質(zhì)界線。圖3 研究區(qū)地下水類型劃分及富水性分區(qū)Fig.3 Division of groundwater types and water-rich zoning map of the study area
區(qū)內(nèi)地下水主要受大氣降水補給。在巖溶區(qū)可分為面狀補給和點狀補給2種方式。當降水較小且地形坡度較緩時,降水沿巖溶裂隙較為均勻地呈面狀補給巖溶地下水;而當降水較大且地形較陡時,形成坡流水,順著地形向巖溶洼地底部快速流動,然后經(jīng)消水洞、漏斗等以點狀灌入式快速補給巖溶地下水。巖溶槽谷與非巖溶區(qū)接觸帶,常伴生有較大的巖溶構(gòu)造發(fā)育,外源水通過消水洞或地下河入口等直接進入巖溶管道,成為地下水的主要補給水源。非巖溶區(qū)降水入滲率較小,降雨到達地面后,少量經(jīng)孔隙、風(fēng)化裂隙均勻入滲地下,大部分以地表產(chǎn)流方式流走。地表河流豐枯季水位漲落明顯,枯季河水位較低,為地下水排泄基準;豐季河水暴漲,河水反補地下水。水庫水體在水頭差作用下向地下入滲,也成為附近地下水不可忽視的補給來源。
研究區(qū)中部巖溶區(qū)地下水總體經(jīng)巖溶管道往南徑流,在澄碧河沿岸排泄,絕大部分水流匯集于幾條地下河出口處,少量以巖溶泉、溢流溶洞形式排泄。西北側(cè)八里、龍平巖溶槽谷一帶,地下水向南東徑流;北側(cè)上傘屯以北巖溶區(qū)地下水向北徑流,均主要以地下河形式向布柳河排泄。東側(cè)巖溶區(qū)受邏樓背斜及其核部碎屑巖地層展布的控制,地下水進入巖溶管道中,向南東徑流出區(qū)外,進入坡心地下河管道。非巖溶區(qū)地下水以淺循環(huán)為主,運輸距離較短。深切溝谷的中上部為地下水天然露頭集中的部位,以眾多規(guī)模較小的下降泉排泄。溝谷下部地下水難以形成集中排泄,以分散流的形式進入沖溝中,地表溪流逐漸變大(圖4)。
1.地下河出口、入口;2.巖溶泉;3.落水洞;4.溶井;5.溢流天窗;6.天窗;7.地下水流向;8.地下河管道;9.地表水系;10.地表水體。圖4 研究區(qū)地下水補徑排示意圖Fig.4 Schematic diagram of groundwater diameter in the study area
研究區(qū)地下水埋深地段差異性較大。巖溶區(qū)地下水埋深普遍較深,非巖溶區(qū)地下水埋深普遍較淺。根據(jù)水位長期觀測資料,巖溶區(qū)地下水補給區(qū)和徑流區(qū),枯季水位埋深一般>50 m,局部80~100 m;巖溶谷地、河谷等排泄區(qū),枯季水位埋深一般<10 m。非巖溶區(qū)地下水枯季水位埋深一般<10 m(圖5)。區(qū)內(nèi)不同地段地下水位動態(tài)對短期的大氣降水和季節(jié)性氣候變化的響應(yīng)程度存在一定的差異。
圖5 研究區(qū)地下水埋深分區(qū)Fig.5 Division plot of groundwater burial depth in the study area
研究區(qū)水位長期觀測資料表明,巖溶區(qū)不同地段水位年變幅差異較大。補給、徑流區(qū)水位年變幅多大于30 m,最大者達71.2 m;排泄區(qū)水位年變幅多在10 m以下;整體上,巖溶地下水補給、徑流區(qū)水位年變幅遠大于排泄區(qū)。大部分地段的巖溶地下水位對大氣降水的響應(yīng)比較敏感,一般情況下,5 d內(nèi)降水量超過30 mm時,在本頻次或下一個頻次的水位動態(tài)曲線上有明顯的反應(yīng)(圖6)。同時巖溶地下水位動態(tài)隨季節(jié)變化明顯,水位動態(tài)曲線在豐水季與枯水季有明顯的峰谷變化。峰谷多數(shù)具有不對稱性,水位上升的時間很短,在1~2個月內(nèi)即可達到峰值,但下降延續(xù)時間較長,常常在12月甚至次年1月份才降至最低谷(圖7),延續(xù)時間長達4~5個月。
圖6 沙里小學(xué)機井(KCJ17)水位動態(tài)變化曲線Fig.6 Graph of dynamic variation of water level in machine well (KCJ17)of Shali Primary School
圖7 堡上屯機井(KCJ05)水位動態(tài)變化曲線Fig.7 Curve of dynamic variation of water level in machine well (KCJ05)of Baoshangtun
根據(jù)研究區(qū)長期觀測資料分析,巖溶區(qū)內(nèi)的地下水露頭的流量對單次大氣降水的響應(yīng)較為敏感。地下河流量動態(tài)類型多為“極不穩(wěn)定”型,隨降雨呈暴漲暴落的特征;在徑流區(qū)溢洪溶井、天窗等具有一定承壓性,流量動態(tài)多呈“不穩(wěn)定”型;而大多數(shù)下降泉流量動態(tài)為“較穩(wěn)定”型。巖溶區(qū)內(nèi)的地下水露頭流量對單次大氣降水的響應(yīng)較為敏感,無論是地下河還是巖溶泉,幾乎每場大于20 mm的降水都會引起流量的增漲(圖8)。非巖溶區(qū)下降泉受季節(jié)性降雨的影響明顯,流量相差懸殊,地表溪流豐枯水季流量相差明顯,隨季節(jié)性變化十分顯著(圖9)。
圖8 彩架下降泉(S342)流量動態(tài)變化曲線Fig.8 Curve of flow dynamics of Caijia Spring (S342)
圖9 床屯溪流(LS146)流量動態(tài)變化曲線Fig.9 Curve of flow dynamics of Chuangtun Flow (LS146)
研究區(qū)屬西江水系的紅水河水系和右江水系。按地表水系統(tǒng)的劃分方法,珠江為一級水系統(tǒng),西江為二級水系統(tǒng),紅水河和右江為三級水系統(tǒng)。研究區(qū)主要位于紅水河上游布柳河水系、坡心河水系及右江上游澄碧河水系,為四級水系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上進一步劃分地下水五級子系統(tǒng)。根據(jù)地形地貌、含水層特征和地下水補給、徑流、排泄條件,將研究區(qū)地下水五級子系統(tǒng)劃分為巖溶地下河系統(tǒng)(I)、巖溶大泉系統(tǒng)(II)和基巖分散流系統(tǒng)(III)3大類。根據(jù)各系統(tǒng)內(nèi)不同含水巖組的特征細分為孔隙裂隙水區(qū)、裂隙溶洞水區(qū)、溶洞裂隙水區(qū)、基巖裂隙水區(qū)4種亞區(qū)。因此,區(qū)內(nèi)共分為7個地下河系統(tǒng)、1個巖溶泉系統(tǒng)和5個基巖分散流系統(tǒng)(表2,圖10)。
表2 研究區(qū)地下水系統(tǒng)劃分表Tab.2 Classification of the groundwater system in the research area
圖10 研究區(qū)地下水系統(tǒng)分布Fig.10 Distribution diagram of the groundwater system in the study area
在地下水系統(tǒng)劃分的基礎(chǔ)上,進行地下水資源計算單元劃分,主要遵循以下劃分原則。
(1)為便于具體開發(fā)利用規(guī)劃,以五級地下水系統(tǒng)中的地下河系統(tǒng)、巖溶泉系統(tǒng)和分散流子系統(tǒng)為一級分區(qū),作為地下水資源評價的計算大單元。單元內(nèi)地下水的補徑排自成體系,保證水資源計算不重復(fù)。
(2)根據(jù)地下河系統(tǒng)、巖溶泉系統(tǒng)和分散流子系統(tǒng)內(nèi)含水巖組類型進行二級分區(qū),主要分為碳酸鹽巖裂隙溶洞水區(qū)、碳酸鹽巖夾碎屑巖溶洞裂隙水區(qū)、碎屑巖基巖裂隙水區(qū)3個亞區(qū),其中孔隙裂隙水區(qū)因分布零散,面積較小,合并到碎屑巖基巖裂隙水區(qū)。
(3)同一含水巖組中,根據(jù)所處位置、含水巖組富水性及水文地質(zhì)條件的不同進行三級分區(qū),作為最終的地下水資源評價塊段。
(4)為了方便計算,將五級地下水系統(tǒng)內(nèi)相對孤立且面積小于0.75 km2、位于系統(tǒng)邊界部位、不能單獨構(gòu)成有效含水層的塊段,根據(jù)含水巖組和富水性相近相似的原則進行合并處理。
根據(jù)以上劃分原則,將表2所列的13個地下水系統(tǒng)劃分為54個含水塊段進行水資源量評價。
采用降水入滲系數(shù)法計算地下水天然補給量,計算公式為
Q補=100·α·A·P。
(1)
式中:Q補為天然補給量,萬m3/a;α為降水入滲系數(shù);A為計算區(qū)面積,km2;P為計算期降水量,m。
各個計算區(qū)面積在1∶5萬數(shù)字地圖上直接讀取。根據(jù)研究區(qū)氣象站1961—2004年降水量資料進行統(tǒng)計,50%保證率的年降水量為1 697.9 mm,75%保證率的年降水量為1 449.4 mm,95%保證率的年降水量為1 183.1 mm,多年平均降水量為1 677.3 mm。
根據(jù)地下河出口和巖溶大泉的流量動態(tài)長期觀測資料及溶井、天窗和鉆孔等出水點的水位動態(tài)長期觀測資料,推算相應(yīng)區(qū)段的降水入滲系數(shù)α,其中相似條件下的α取加權(quán)平均值,最終確定α的取值(表3)。
表3 各單元降雨入滲系數(shù)取值表Tab.3 Values of rainfall infiltration coefficients for each unit
將上述參數(shù)代入公式(1),得到研究區(qū)地下水多年平均天然補給量(Q補)為112 619.73萬m3/a,50%保證率的Q補為114 002.92萬m3/a,75%保證率的Q補為97 317.77萬m3/a,95%保證率的Q補為79 437.42萬m3/a,其中巖溶地下水多年平均天然補給量為69 797.68萬m3/a,基巖裂隙水多年平均天然補給量為42 822.05萬m3/a。
采用枯季徑流模數(shù)法計算地下水可開采資源量,計算塊段的劃分與前面一致,計算公式為
Q允=3.153 6×M枯·A。
(2)
式中:Q允為計算塊段地下水允許開采量,萬m3/a;M枯為計算塊段地下水枯季徑流模數(shù),L/(s·2);A為計算塊段面積,2。
地下水枯季徑流模數(shù)(M枯)采用公式M枯=Q枯/A’計算,其中M枯為枯季徑流模數(shù)(L /(s·km2)),Q枯為地下河系統(tǒng)、巖溶泉系統(tǒng)、基巖分散流系統(tǒng)枯季流量(L/s),A’為地下河系統(tǒng)、巖溶泉系統(tǒng)、基巖分散流系統(tǒng)匯水面積(km2)。全排型地下河或巖溶泉點根據(jù)枯季統(tǒng)測流量計算枯季徑流模數(shù)(M枯)。碎屑巖區(qū)根據(jù)溪溝測流點的枯季流量數(shù)據(jù)可求出相應(yīng)塊段的徑流模數(shù)。對于既有巖溶區(qū)又有非巖溶區(qū)的地下水系統(tǒng),首先通過溪溝測流數(shù)據(jù)求取非巖溶區(qū)枯季徑流模數(shù),然后根據(jù)地下水系統(tǒng)總排泄量求取平均徑流模數(shù)來反求巖溶區(qū)枯季徑流模數(shù)值。其他無實測資料的地段,根據(jù)水文地質(zhì)條件的相似性,采用比擬法進行取值。各區(qū)枯季徑流模數(shù)值的計算結(jié)果見表4。
表4 各單元枯季徑流模數(shù)取值表Tab.4 Value of runoff modulus of each unit in dry season
將各參數(shù)代入式(3),計算得到區(qū)內(nèi)地下水總允許開采資源量為14 057.67萬m3/a,再按30%的比例扣除生態(tài)需水后,可得允許可開采資源量為9 840.37萬m3/a,占多年平均天然補給量的8.74%。
區(qū)內(nèi)地下水賦存狀態(tài)相對比較簡單,地下水資源空間分布相對較為均勻。以四級地下水系統(tǒng)為空間尺度進行統(tǒng)計,其地下水資源空間配比關(guān)系見表5和圖11。根據(jù)圖表可知,在四級地下水系統(tǒng)的空間尺度上,地下水在不同流域的空間賦存狀態(tài)較為相似,地下水的空間分布相對較為均勻。
表5 四級地下水系統(tǒng)地下水資源量分布情況Tab.5 Distribution of underground water resources in level 4 Groundwater System
圖11 四級地下水系統(tǒng)地下水資源量與系統(tǒng)空間規(guī)模的關(guān)系Fig.11 Relationship between groundwater resources quantity and spatial scale in Level 4 Groundwater System
同樣,以五級地下水系統(tǒng)為空間尺度進行水資源空間分布統(tǒng)計,結(jié)果見圖12和表6。由此可知,五級地下水系統(tǒng)地下水的空間分布總體也較為均勻,只在個別系統(tǒng)因地形地貌、巖溶發(fā)育和植被對地下水調(diào)蓄能力不同而導(dǎo)致其資源量評價值比其他地下水系統(tǒng)的值要大。
圖12 五級地下水系統(tǒng)地下水資源量與系統(tǒng)空間規(guī)模的關(guān)系Fig.12 Relationship between groundwater resources and spatial scale in Level 5 Groundwater System
表6 五級地下水系統(tǒng)地下水資源量分布情況Tab.6 Distribution of underground water resources in Level 5 Groundwater System
巖溶水為研究區(qū)最主要的地下水資源,同時也是重要的供水水源。因此,有必要對巖溶水的空間分布特征進行單獨論述。以四級地下水系統(tǒng)為空間尺度進行統(tǒng)計,各系統(tǒng)內(nèi)巖溶水資源量的空間分布見表7和圖13。可見,四級地下水系統(tǒng)巖溶水在空間分布上相對較為均勻。以五級地下水系統(tǒng)為空間尺度進行統(tǒng)計時(圖14,表8),巖溶水的不均一性會有所彰顯,但整體上依然較為均勻(圖13)。受到個別地下水系統(tǒng)參數(shù)的差異的影響,其相關(guān)系數(shù)明顯降低。
圖13 四級地下水系統(tǒng)巖溶水資源量與系統(tǒng)空間規(guī)模的關(guān)系Fig.13 Relationship between karst water resources quantity and spatial scale in Level 4 Groundwater System
圖14 五級地下水系統(tǒng)巖溶水資源量與系統(tǒng)空間規(guī)模的關(guān)系Fig.14 Relationship between karst water resources quantity and spatial scale in Level 5 Groundwater System
表8 五級地下水系統(tǒng)巖溶水資源量分布情況Tab.8 Distribution of karst water resources quantity in Level 5 Groundwater System
(1)廣西凌云縣區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖區(qū)巖溶發(fā)育較強烈,地表巖溶形態(tài)豐富,共發(fā)育8條地下河,巖溶發(fā)育在垂向上具有一定分帶性:310~370 m、470~690 m高程段巖溶最為發(fā)育,巖溶發(fā)育高程跨度大。
(2)區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水補給,地下水類型主要劃分為碳酸鹽巖裂隙溶洞水、碳酸鹽巖夾碎屑巖溶洞裂隙水、碎屑巖基巖裂隙水3種子類型。
(3)全區(qū)地下水多年平均天然補給量為112 619.73萬m3/a,其中巖溶地下水多年平均天然補給量為69 797.68萬m3/a,基巖裂隙水多年平均天然補給量為42 822.05萬m3/a。可開采資源量為9 840.37萬m3/a。
(4)區(qū)內(nèi)地下水賦存狀態(tài)相對比較簡單,地下水資源空間分布總體相對較為均勻。