蒋忠诚，覃小群，劳文科，唐建生，邓艳
（中国地质科学院岩溶地质研究所，桂林 541004）
摘要：广西马山弄拉与平果龙何都是典型的岩溶峰丛洼地，但前者森林已经恢复，后者石漠化仍比较严重。所以，两地的表层岩溶水资源及其动态存在显著差异，弄拉表层岩溶水资源丰富，泉水动态稳定；龙何表层岩溶水为季节性资源，泉水动态不稳定。不同环境的表层岩溶水，开发利用的方式不同，先查明表层岩溶水资源特征及其环境状况，再因地制宜选取表层岩溶水引蓄和利用方式是其基本经验。发展水源林，增加环境对表层岩溶水的调蓄能力是解决峰丛岩溶山区缺水问题的根本途径。
关键词：表层岩溶水；地质调查；岩溶水开发；弄拉；龙何
岩溶峰丛山区是我国西南最典型的岩溶地区，其地下河深埋，开发难度大、成本高，分散居住的农民难以利用，导致居民饮用水困难。缺水是该地区居民面临众多严重问题的主要矛盾。因缺水，土地生产率低，群众生活条件差，导致贫困；由于贫困，当地居民过度垦荒和砍伐，生态环境破坏，水土流失和石漠化严重，“缺水—贫困—石漠化”恶性循环，成为全球关注的生态环境脆弱区之一，极大地阻碍了我国全面建设小康社会的步伐。
表层岩溶水主要是储存于表层岩溶带的地下水。表层岩溶泉水的普遍分布是西南岩溶峰丛山区居民历史上聚集和繁衍的重要条件。由于表层岩溶水位置高，开发利用便利，也为当前各级政府和有关部门解决当地贫困居民缺水问题提供了有利条件。但随着森林的破坏，石漠化加剧，环境调蓄表层水的功能减弱，水土流失速度加快，泉水衰减、水质恶化，大多数表层岩溶水只有在大暴雨期间才形成超渗产流，以表层岩溶泉水的形式流出地表。旱季，表层岩溶泉水普遍断流，从而使得当地居民普遍丧失原有的饮用水供水条件，存在严重的干旱缺水问题。因此，探索生态环境对表层岩溶水的调蓄功能和途径，重建表层岩溶水对居民供水的生态水文环境，对于解决西南岩溶峰丛山区的干旱缺水问题，促进其经济和生态环境的可持续发展具有重要的现实意义和深远的历史意义。
1 广西马山弄拉表层岩溶水的调查与开发
2000～2001年，对弄拉屯开展了1:5万的详细水文地质调查，查明了岩溶地质条件和表层岩溶水的发育规律和泉水的分布，建立了兰电堂表层岩溶泉监测站，2003年后又加强了自动化监测。
1.1 弄拉的岩溶地质条件
弄拉地理坐标为108°19′E，23°19′N，是典型的峰丛岩溶地貌，主要由弄拉和弄团两个峰丛洼地构成。共有连座的石峰25座，海拔600～740m，石峰高峻、陡峭，占地80%，坡度一般在50°以上。洼地深嵌于石峰之间，峰洼高差120～260m，最低高程410m，共占地约20%，洼地底部有深的漏斗消水。
弄拉出露的地层为泥盆系东岗岭组中段（D2d2），岩性比较复杂，以含泥硅质的白云岩为主，兰电堂附近有纯的灰岩，西南角有纯白云岩出露，弄团西北部山坡为白云岩夹钙质页岩，区内一些地点的裂隙中还充填有红色角砾等。
地质构造属于广西山字型构造前弧西翼，为大明山背斜核部的西北端。区内构造比较平缓，绝大多数岩层倾角小于5°。新构造运动时期，地壳掀斜性抬升，抬升量北部大于南部。
弄拉地势较高，处于北面的红水河流域和南部右江流域的分水岭地带，属于右江流域。缺乏地表排水网，受地壳掀斜性抬升的影响，水流主要通过洼地中的落水洞及岩溶管道排入南面的古零河（图1）。
图1 广西马山弄拉峰丛洼地水系统剖面结构
1.2 表层带岩溶泉水系统
通过在弄拉范围内开展表层岩溶带的详细调查，发现表层岩溶带厚度可达10m，广泛分布于峰顶、垭口和峰麓地带，涵养了表层岩溶水，发育表层岩溶泉11个，为主要的饮用水源。对其中三个不同环境（森林环境、灌木环境、石漠化环境）的泉进行水质水量动态监测，结果表明表层岩溶泉水量一般不大，常在旱季断流，只有森林环境才长年不断。这一工作和认识对涵养和开发表层岩溶水解决峰丛山区居民的饮水具有重要意义。
弄拉兰电堂泉是森林环境下的表层岩溶泉（图2），它的补给范围很少，主要为鸡蛋堡山峰及大山山峰的北面部分，总面积约0.02km2，全是20世纪60年代发展起来的茂密次生林。表层岩溶泉的出露条件有二，一是地貌部位为山峰向垭口的转折部位；二是白云岩与石灰岩交界。
兰电堂泉的水循环主要为表层岩溶带水浅循环，即雨水-入渗至表层岩溶带-表层岩溶泉。泉水出露后又排入洼地中，加入到峰丛洼地岩溶水系统中。峰丛洼地地下水循环的格局为：洼地汇水-落水洞-岩溶地下水-饱水带泉。
图2 弄拉兰电堂表层岩溶泉出露位置
1.3 表层岩溶泉水资源
弄拉的表层岩溶泉一般流量不大，且动态变化大，多数雨季有水，冬季断流。但随着森林的恢复，水流量增加且趋向动态稳定。以兰电堂表层泉为例，20世纪70年代以前，为季节性泉；随着封山育林，泉流量已常年不断，成为常流泉。年流量可达2万多 m3（表1），成为当地宝贵的饮用水水源。
表1 2000年弄拉兰电堂表层岩溶泉流量和降雨量情况统计
弄拉表层岩溶水的动态总体与降雨动态一致，洪峰出现在5～6月份，枯水位出现在冬季末，并且随着大暴雨的出现，水位迅速上升，表明表层岩溶带对降雨的调蓄有一定限度。表层岩溶带调蓄水的能力虽然相对于岩溶地下河水系统来说要小得多，但如果植被覆盖条件好，调蓄能力也很强，尤其对中小雨水的调蓄意义很大。它不但能够使雨水保存在岩溶水系统中很长时间且泉水常流不断，并可使小的降雨在泉水动态中没有反应（图3）。这就是为什么有的月份虽然降雨量较大，反而泉水流量较少。
图3 泉水水位对降雨的响应变化过程曲线
1.4 表层岩溶泉水的开发
表层岩溶泉流量较少，因此，开发表层岩溶泉，要建设水柜蓄水配套工程。1999年以前，当地居民就已在兰电堂的一个表层岩溶泉引水，引到一个封闭的水柜储存作为该村的主要饮用水源。还在下弄拉和弄团结合其附近的表层岩溶泉，修建3个大水柜，集水用于饮用和灌溉。
但由于表层岩溶泉的流路比较分散，常常有几个出水点，所以某一个泉水的流量较小，以前开发的兰电堂泉就如此，以至于不能满足当地的水量需要。对此，开发表层岩溶水就要进行表层岩溶水的补、径、排条件调查，查明其发育规律。在此基础上，兴建一些小的水利工程，将分散的表层岩溶水截留和归并集水，以增加了泉水的水量。虽然兰电堂泉补给区范围仅约0.02km2，但通过截留和归并到水柜蓄水，可保持水柜蓄水1000多m3，供全村人饮用有余。
1.5 取得的效益
整个弄拉屯全靠表层岩溶泉供水饮用，4个表层岩溶泉-水柜解决了130人的饮用水问题，而且均是自来水，其中兰电堂泉解决了106人。而且，作为主要的灌溉水源，发展了金银花、柑橘、柿子、旱藕等药材、果树和经济作物，还建立了苗圃。弄拉年人均收入4000多元，森林覆盖率达到了90%，成为了生态与经济协调发展的典型样板。
1.6 主要经验
我国南方地下水位深埋的峰丛岩溶山区开发表层岩溶水具有重要的供水意义。这不是因为其表层岩溶带的含水量很大，而是因为表层岩溶带具有一定的调蓄功能，能够形成表层岩溶泉。表层岩溶带调蓄表现在两个方面，一是水量上的调蓄，增加入渗补给量；二是岩溶水流过程的调蓄，即通过复杂的表层岩溶系统延缓降雨后雨水在岩溶水系统停留的时间，使旱季也有水流。这就要发展生态，特别是森林植被，来增强表层岩溶带的调蓄水资源的能力。兰电堂表层岩溶泉就是由于鸡蛋堡森林茂密，所以泉水四季长流不断。因此，发展水源林对表层岩溶水的开发非常重要。
表层岩溶水一般水量不大，在冬季水量更小，需要人工调蓄才能满足人饮用水的要求。其有效的方法有二：一是将分散的表层岩溶水截留和归并，增加水的出流量；二是与水柜蓄水结合起来，形成集中供水。
2 广西平果果化龙何屯表层岩溶水的调查与开发
2001年8月以来开展1∶1万的水文地质调查20km2，查明了工作区的岩溶水文地质条件及地下水的分布特征。根据水文地质条件及其分布特征，将工作区内的岩溶地下水划分为龙槐、龙船和龙何三个岩溶地下水系统，并将各个岩溶地下水系统进一步划分为饱水带地下水子系统和表层岩溶带地下水子系统。对各系统岩溶地下水的天然资源量和水质进行了初步计算和评价。对3处有代表性的表层岩溶带泉（布洋1号、布洋2号和龙何下）进行长期动态观测，建立了气象观测站1个，取得了22个月的观测资料，并对表层岩溶带地下水的可采资源量进行了计算。
2.1 岩溶地质条件
龙何屯位于广西平果县果化镇210°方向约5km处，面积20km2，属亚热带季风气候区，多年年平均气温为20.2～22.6℃，多年年平均降雨量1322.3m，日平均湿度为72.06%。根据多年月平均降雨量分配，5～9月为丰水期，12月～次年3月为枯水期，4月、10月、11月为平水期。这种春雨不足、夏雨暴涝、秋雨剧减、冬雨稀少的特点，造成区内虽然降雨量丰富，但由于分配不均，往往给该地区带来旱涝交加的结果。
该工作区属于典型的岩溶峰丛洼地地貌，峰丛洼地由众多高低错落的锥状连座尖峭山峰与其间形态各异的多边形封闭洼地组成（当地居民称为“弄”），全屯共有35个弄。洼地底部标高150～400m不等，峰顶标高可达500多m。
区内植被发育不好，植被覆盖率小于1%，在岩石裸露的峰丛上主要生长着一种耐旱速生树种——砍头树（又名任豆树）。
该工作区岩溶发育，岩石表层破碎，山高坡陡，水土流失严重，石漠化加剧，地表水资源匮乏，生态环境脆弱，可谓“山多土少，雨多地漏”。
龙何地区出露的主要地层有石炭系上统（C3）和二叠系下统（P1），局部出露有二叠系上统（P2）和三叠系下统（T1）。石炭系上统为厚层块状灰岩、燧石灰岩，夹硅质岩，厚0～463m。二叠系下统栖霞阶为中—厚层状灰岩，局部夹泥质灰岩，厚0～219m。二叠系上统为燧石灰岩（底部为铝土岩、煤铁矿层、铁铝岩）或硅质岩夹硅质页岩，厚19～376m。三叠系下统为页岩、砂质页岩夹泥质灰岩或硅质页岩，部分地区为泥质条带灰岩，厚层鲕状灰岩，厚83～116m。
龙何地区在区域构造上位于龙味背斜北翼，区域上北西向断裂发育。工作区内有F1断裂发育，走向310°，倾向40°，倾角82°。断裂破碎带宽2～3m不等，为钙泥质或方解石充填胶结。
2.2 岩溶水文地质特征
区内岩溶水的主要补给来源是大气降水，补给方式有两种，一种是通过裂隙等以面状分散的形式补给表层岩溶带岩溶地下水；二是通过落水洞、深大溶隙、溶井等以集中注入的形式直接补给饱水带岩溶地下水（图4）。
图4 果化示范区岩溶水剖面及概念模型
岩溶水在表层岩溶带以分散的裂隙流为主要形式，而在饱水带则以集中的管道流为主要形式。
区内表层岩溶带主要由溶沟、溶槽、浅部溶隙、溶孔、溶穴、溶痕及石芽等个体形态组合而成。其总体形态为不规则的强岩溶岩体呈片状或带状分布于地表面附近浅层。表层岩溶带发育深度大多有1～3m不等，局部深度可达4.5～7m。
表层岩溶带水文地质结构如下：
（1）由溶沟、溶槽、浅部溶隙、溶孔、溶穴、溶痕等个体形态构成其含水、蓄水空间；
（2）表层岩溶带底界无明显的隔水层，由相对完整的可溶岩带构成局部隔（阻）水底界；
（3）由裸露区表层岩溶带和覆盖区表层岩溶带分别构成单一结构型和复合结构型（表层岩溶带-土层-植被）表层岩溶带水位地质系统；
（4）由汇流状和片流状水动力条件类型的表层岩溶带，分别构成表层岩溶带泉域系统和以潜流形式补给下层饱水带管道的分散径流的表层岩溶带地下水系统；
（5）表层岩溶带与其下部饱水带之间，具有一定厚度岩溶弱发育带，常具有双层水位现象。
2.3 表层岩溶带岩溶水流量动态特征及水化学特征
根据2002年3月～12月对布洋1号、龙何下泉的长期观测资料，区内表层岩溶带地下水的流量动态特征见表2及图5、图6。
表2 龙何屯岩溶带泉观测点动态特征统计表
图5 布洋1号泉流量动态变化图
图6 龙何下泉流量动态变化图
由表2及图5、图6可以看出：
（1）泉水流量大小了取决于表岩溶带的发育程度，汇水面积、汇水区的生态植被条件及土壤等诸多因素；
（2）两泉均出现断流情况，说明表层岩溶带水的流量有动态不稳定的特征。最小泉流量与最大泉流量之间相差较大，说明流量变化幅度较大的特征；
（3）龙何地区表层带岩溶泉的动态对降水反映灵敏滞后时间短，具有同步变化的特征。流量峰值与降水峰值一般同一天出现，高峰持续时间短及流量变化大，曲线表现为陡直的尖峰；
（4）由图可分析出区内岩溶泉在年不同季节水量分布情况。如布洋1号泉丰水期为5～9月，水资源量占全年总量的85.8%，9～12月为枯水期，水资源量占全年总量的4.13%。
2.4 表层岩溶带水资源计算
2.4.1 表层岩溶带水资源总量计算
用入渗系数法对龙怀、龙何两系统表层岩溶带地下水资源总量计算（表3）。根据区内代表性岩溶泉的长期观测资料分别求得龙怀系统表层岩溶带的入渗系数为0.316，龙何系统表层岩溶带的入渗系数为0.365。根据监测记录，年降雨量为1308.22mm。
按式Q＝S·P·λ计算，其中
Q——资源总量（m3）；
S——汇水面积（m2）；
P——年平均降雨量（m）；
λ——入渗系数（无量纲）。
表3 龙怀龙何两系统水资源总量计算结果表
2.4.2 可开采资源量
在目前条件下，区内表层岩溶带地下水可采资源量只有布洋1号、龙何上及龙何下等三处泉域的地下水可以开发利用。其中布洋1号和龙何下两泉的可开采资源量根据流量动态观测资料，用排泄量法分别求得66916.800m3/a和86207.328m3/a。对龙何上泉则采用入渗系数法进行计算，入渗系数取0.321，汇水面积为27500m2，水资源可开采量为11548.312m3/a。
2.4.3 表层岩溶带水资源的分布特征
（1）从时间分布上，区内不同季节的水资源分布不均匀。其中，5～9月为丰水期，排泄量占全年总量的75.5%；12月～次年3月为枯水期，排泄量占全年总量的占全年9%；4月、10月、11月为平水期，雨量排泄量占全年总量的15.5%（图7）。
（2）在平面上，表层岩溶带地下水具有分布不连续不均匀的特征。
图7 布洋1号、龙何下泉流量年内分布图
（3）在垂向方向上，由调查结果显示，表层岩溶带泉在区内主要分布于标高300m以上的不同高程上，如龙何上泉出口标高为374.2m，布洋1号为360.8m，龙何下泉为317.1m；300m以下偶有分布，例如果化泉为126.2m。
2.5 表层岩溶水开发利用工程及效益和效果
对6处岩溶地下水（表层岩溶带地下水5处）进行了开发示范，配套修建蓄水池（柜）4个，引水主管道1666m。修建集雨水柜11个。具体分述如下：
（1）对布洋1号和龙何上的高位表层岩溶带泉采取蓄-引的技术方法进行开发示范，并配套修建水柜蓄水池3个及引水主管道1030m。解决了龙何、龙情、龙怀一带164hm2农作物的自流灌溉。
（2）对布尧村东南坡坡麓地带的散流状表层岩溶带地下水采取截-蓄-引的技术方法进行开发示范，解决了布尧村多户村民的饮水问题。
（3）对位于高洼地底部的龙何地下水天窗采取提-蓄-引的方式进行开发示范，将地下水提到高处，并配套修建水柜蓄水池1个及引水主管道250m，解决了龙何屯114户共530人的自流饮用水（日用水量为28.5t）及龙何洼地内（约10hm2）全部农作物的自流灌溉。
（4）在峰丛洼地与峰林平原交界地带的哽咪饱水带岩溶泉采取提-蓄-引的技术方法进行开发示范并配套修建水柜蓄水池1个及引水管道500m，解决了妙冠屯164户共805人的自流饮用水问题，日用水量为41t。
（5）在大型开口洼地（或谷地）区的龙怀村采用开挖大口井的方式对径流岩溶地下进行开发示范，解决了龙怀自然村11户共64人的饮水问题。
（6）在区内修建集雨水柜11个，水柜增加雨水的积蓄量共200m3，解决了11户共54人的饮水及少量农作物的灌溉问题。
2.6 表层水资源开发的经验
通过开展水文地质条件与开发利用条件的调查和研究，并应用上述五种表层岩溶地下水和一种岩溶管道水开发及修建集雨水柜等有效技术进行开发示范，将龙怀岩溶地下水系统原来几乎未被利用的表层岩溶带地下水的利用率提高10%左右，取得了良好的经济效益和社会效益。通过以上的实践，总结了以下一整套峰丛洼地区表层水资源有效开发利用模式，可供类似的峰丛洼地区借鉴。
（1）在峰丛山区高位的汇流状表层岩溶带地下水分布区（有表层岩溶带泉出露），可引泉蓄水并通过配套的管、渠自流引用，可获得较好的效果。
（2）在峰丛山区坡麓地带的散流状表层岩溶带地下水分布区（无表层岩溶带泉出露），通过修建截集水槽和蓄水池，截取坡面流和表层岩溶水，成本低效益明显。
（3）在高洼地底部的表层岩溶水，利用竖井、天窗等地下水天然露头修建提水站，将地下水提到高处储蓄后自流引用，效益显著。
（4）在洼地（或谷地）地下水浅埋的径流区，采用开挖大口井的方式进行开发，是经济、有效的方法之一。在地下水埋藏较深的地带，应采用钻井的方式进行开发。
（5）在表层岩溶带调蓄能力低、饱水带地下水埋藏较深又无地表水的地区，通过修建集雨水柜、塘堰等积蓄雨水，以解决峰丛山区居民的饮水和部分农作物的灌溉，也不失为峰丛山区水资源开发的一种有效的方式。
（6）石漠化不但破坏了生态环境，也加剧了表层岩溶水的漏失。因此，对于石漠化比较严重的地区，要尽可能尽快恢复生态，发展水源林，提高表层岩溶带的水源涵养和对水循环的调蓄能力，以增大表层岩溶泉的水资源量和出流时间，提高表层岩溶水资源开发的潜力和效果。
参考文献
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