唐建生1，2，夏日元1，2，李兆林1，2，徐远光2，蓝芙宁2
（1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.中国地质科学院岩溶地质研究所，桂林 541004）
资助项目：国家科技攻关2002BA901A13；中国地质调查局计划项目200310400043；广西科技攻关0133001-1。
作者简介：唐建生，男（1957—），瑶族，中国地质科学院岩溶地质研究所研究员；中国地质大学水资源与环境工程学院在读博士研究生。主要从事岩溶资源与环境研究。
摘要：从水土资源分布调查与资料分析着手，针对岩溶平原干旱区形成的基本因素、水土资源配置特征、岩溶水资源赋存与开发条件，揭示岩溶平原区发育地表、地下双层水文网和岩溶强烈发育的特点，即地下水文网与地表水文网有很高的流域边界和水流方向一致性，平原区夷平化程度较高，水力梯度平缓，以及受地下水排泄基准面的控制，地下岩溶层的厚度较小，但发育的强度高，岩溶空隙的均一性强于峰丛、峰林岩溶区。在新、老构造活动的影响下，形成了具有网络状的导储水岩溶介质系统。岩溶含水层具有较强的水资源储集和调蓄功能，在旱季，地表水枯竭或断流，地下水位下降5～8m，浅部（20m以内）岩溶含水层储集的水资源量可达300×104m3/km2。抽取地下水，增加1m水位降深，黎塘地下水系统内的岩溶平原区，可以多取水253×104m3，相当于增加2个小（一）型水库。在示范试验研究基础上，提出示范区地表/地下水联合开发、充分开发利用岩溶地下含水层的调蓄功能，采用分散浅井技术规避地质灾害，推广节水技术，提高水利利用率的岩溶区水资源可持续开发利用措施。
广西桂中地区以裸露和浅覆盖的岩溶平原为特征，主要有峰林平原、孤峰平原和峰林谷地等岩溶类型，岩溶系统表层的岩溶化极强，各类岩溶空隙构成地表物质与能量迅速渗漏转移的复杂介质结构系统。造成地表土层浅薄贫瘠，植物少，土壤结构疏松，涵、保水能力差，调节功能弱，以致处在南亚热带湿润季风气候带，降水量充沛（平均降雨量1451mm）的条件下，仍然存在严重的农田用水和人、畜饮水困难，旱灾频繁。据历年资料统计，桂中地区几乎每年都有不同程度的旱灾发生［1］。其中最大干旱年（1963年）受旱面积达29.3×104hm2；5年连续大面积干旱年（1988～1992年），平均每年受旱面积21.9×104hm2，占总耕地面积的48%，旱情对农业生产影响极为严重，为历史罕见，平均每年减收粮食18.34×104t，减收甘蔗55.41×104t，经济损失超过10亿元。可见，频繁的旱灾严重制约着本区的经济发展。岩溶平原区地下水分布广，储存量大，调蓄能力强，供水投资少［2］。作者针对岩溶干旱区的综合治理，提出了以岩溶水资源有效利用与土地资源合理利用为切入点，实施地表、地下水联合调配、开发，调整水资源与土地资源配置和农业生产结构，综合治理岩溶旱区农业生态环境技术途径。采用引水提水、水源调蓄、节水灌溉、土壤改良、高效农业、生态重建等综合治理技术进行典型示范，组织开展了“广西桂中旱片综合治理示范”和“桂中岩溶峰林平原典型水文地质调查与地下水资源示范”等项目。本文将部分示范研究成果进行总结。
1 地理、地质环境概况
1.1 自然地理、水文
黎塘示范区位于广西宾阳县东部（图1），地处东经109°02′～109°18′、北纬23°04′～23°20′之间地带。区内有铁路以黎塘为枢纽，北接柳州，西连南宁，东南通达贵港、湛江。公路交通网纵横交错，柳南高速公路呈南北向穿越本区，南捂高等级公路以东西向经过本区，交通便利。岩溶区分布面积占土地面积的66.86%，地形地貌为岩溶孤峰平原和岩溶丘陵地带。地处北回归线以南，属南亚热带季风气候区，年平均气温21.0℃，7月份气温最高，可达40.0℃，1月份是最冷月，最低气温为0.5℃。黎塘年降水量为1200～2000mm，多年平均降水量为1584mm，年内各月份降水量分布不均，多集中在5～9月份，约占全年降雨量的76%以上。
图1 黎塘示范区交通位置
区内以新埠江为主干河流，全长25km，属珠江流域红水系红水河流域清水江一级支流的次级河流，平均水力坡度3‰，由北东向西南转向北汇入清江。除主干流外，有细江支流为间歇性河流，枯水年份一般在11月至次年3月断流。主干流河流平水期流量约为4～6m3/s，主要补给源为大气降水和地下水。
示范区地势开阔平坦，基岩地层岩性为泥盆系—石炭系的碳酸盐岩，地下岩溶极为发育。地下水位埋深一般小于10m，年可利用资源量25.15×104m3/a·km2，主要用于黎塘镇工业和居民生活。区内水利工程老化，且多已废弃，农田用水多为农民自行抽取新埠河水进行灌溉，且多为漫灌方式，水资源利用效率很低。距河道较远的地带则为“望天田”和旱地，干旱缺水问题严重。
1.2 地质环境
本区岩溶含水层由泥盆系下统郁江组上段至石炭系上统的碳酸盐岩组成，非岩溶区主要分布寒武系至泥盆系下统郁江组下段的碎屑岩，部分地段近地表浅部分布有白垩系碎屑岩，局部分布厚1～10m的第四系。本区地下水主要赋存空间为碳酸盐岩溶洞管道—裂隙介质。
该区主要分布灰岩、白云岩，构造裂隙发育，根据岩性、构造、岩溶发育程度及水文地质现象等资料，含水岩组分为富含水层、中等含水层、弱含水层、相对隔水层。富含水层包括马平组灰岩、大塘阶灰岩夹白云岩、融县组下段灰岩、东岗岭中段灰岩夹白云岩；中等含水层为黄龙组灰岩白云岩、融县组上段白云岩、东岗岭上段、下段灰岩白云岩；弱含水层为莲花山组粉砂岩及榴江组上部不纯灰岩夹白云岩；相对隔水层包括榴江组硅质岩、郁江组页岩及那高岭组泥页岩。地下岩溶非常发育，据钻探揭露资料显示，在地下10～88m都有大小不等的溶洞发育，大者达7～17m，为地下水的储存、富集创造了有利条件。
本区在构造上位于广西山字型弧顶内侧，属镇龙山复背斜的北翼。地层走向大致是北东东—南西西，向北西倾斜，倾角20°～40°。由于中部凌村—志广F5断层呈北东东—南西西向一组逆断层的影响，地层有缺失和重复现象。伴随着该组断层产生的北北西—南南东向平推断层，使得中部及西部地层沿走向方向上都发生了不同程度的位移。
从黎塘镇附近点的统计资料看，高角度（50°以上）的张裂隙及剪切裂隙发育，主要是310°～340°、50°～90°两组裂隙。一般宽0.01～0.15m，长数米，可见深0.1～1m不等，多为岩石碎屑及粘土充填。部分裂隙经地下水长期溶蚀作用后，相互连通成为富水的岩溶通道。
受构造、地层控制，东南面是由中下泥盆统碎屑岩系组成的低山丘陵，标高250～650m，沟谷呈扇形向北西、北东发育，季节性有水外流，补给平原区。东部为中泥盆统至石炭系碳酸盐组成的峰林谷地，标高210～320m，基岩裸露，其间有洼地及漏斗发育，是大气降雨补给地下水的主要地带。西部、北部为孤峰平原，平原标高90～105m，覆盖层较厚。北部的平原间有一上泥盆统榴江组硅质岩组成的局部隔水层，呈北东—南西向延伸，阻隔黎塘平原地下水径流区的水力联系，形成了南部林山—白水塘富水段和北部鸦乌—石龙富水段。
2 岩溶地下水的蓄积条件
2.1 岩溶地下水蓄水建造特征
图2 黎塘地区岩溶含水层电测解译密度分布图
（据广西水文地质工程队黎塘地区电测资料编绘）
黎塘地区处于广西山字形构造前弧，主控构造为新华夏构造体系。随着中-新生带的区域构造演变，形成以NNE或NE向与NWW或NW向的两组构造控制下的碳酸盐岩单斜储水建造。岩溶含水层中溶洞和溶蚀缝隙的发育与两组构造密切相关，溶蚀洞缝的发育方向与构造裂隙展布方向相近。本区岩溶管道或地下河多沿NNE或NE向断裂带或地层接触带发育，形成地下水自北东向南西运移的主径流带，而NWW或NW向溶蚀裂隙则往往成为区域地下水向主径流带汇集的主要途径。地球物理探测结果表明，岩溶发育带具有较低的视电阻率，在黎塘地区相对较低的视电阻率地带，除了沿主要断裂带展布外，同时与本区的两组构造裂隙的岩溶化密切相关，在区域上形成网络状格局（图2），由此构成岩溶地下水的蓄积和运移网络体系。
在垂向上，地下水储存空间的分布，取决于不同深度的岩溶发育程度，受区域侵蚀基准面的影响，据钻探资料分析，孤峰平原区，基岩埋深一般4～9m，局部裸露［3］。地下岩溶随深度可分为强发育带，发育深度小于20m；较强发育带的深度为20～60m；中等发育带的深度为60～90m；岩溶弱发育带在90m之下。可见，本区岩溶水主要赋存于地下60m以内的岩溶含水介质空间。
2.2 岩溶水动态
观测结果表明，岩溶水系统中自补给区到径流区至汇水排泄区，地下水的埋藏深度变浅，地下水位的变化幅度变小（见下表）。岩溶平原区地形起伏平缓，一般3～5m，即使与水位变幅叠加，该区域的枯季地下水埋深一般小于10m，多在2～6m，降雨后水位变化滞后时间短。丰水期地下水出露地表，形成溶潭、凌或岩溶湖、季节性泉水，为推广浅井灌溉技术奠定了物质基础。
黎塘新埠江流域岩溶地下水动态观测结果表
注：为2004年丰水期至2005年枯水期观测结果。
2.3 岩溶含水层的调蓄功能
如前所述，岩溶平原区表生带岩溶发育强烈且相对均匀，岩溶管道多呈网络状；中层岩溶带未充填洞穴和管道十分发育，侧向水流通畅。经过长期发育演化，岩溶平原岩溶系统内部结构有序度已达到最佳状态［4］。在本区主要表现为：岩溶水系统的径流排泄区具有孤峰平原特征，岩溶平原面起伏高差小，一般2～6m，接近水平的二维平面；地表和地下水文网的流域面积和水流方向已趋向一致；平原区地层的夷平化程度，与其含水性能和形成地下暗河的性能好坏相对应，强岩溶含水层在地表已基本被夷平，仅遗留极个别孤峰。岩溶储水建造由岩溶化强的溶洞管道—裂隙介质构成，具有较均一的地下水导储网络，宏观上起着汇聚和储存地下水的作用。
根据钻孔揭露情况，岩溶发育具明显垂直分带性（图3），浅层（表生）岩溶带、中层溶洞带和深层溶洞带，其深度界线大致在地面之下20m以内、20～60m和60～90m，在90m以下岩溶发育微弱。①浅层岩溶带（0～20m段）以溶沟、石牙、漏斗为主，溶隙宽大，多与浅部风化裂隙重叠，溶洞管道发育，总岩溶率高，但充填强烈。②中层溶洞带（20～60m段）平均总岩溶率下降，但空洞率增大至4.5%，以充水的溶洞、溶缝为主。洞穴形态的特点之一是串珠状发育，即由较宽阔的洞穴和相对狭窄的喉结相间组成，喉结的瓶颈效应限制着表生带碎屑物质下移，从而形成充填程度较低的中层溶洞带。由于岩溶发育程度相当高，洞穴管道连通性好，侧向水流通畅。③深层溶洞带（60～90m段）对该深度段岩溶研究程度低，洞穴管道主要沿大型近直立的结构面（岩性或构造）发育，管道的孤立性表现渐趋明显，岩溶发育不均一性加强。
图3 黎塘地区溶洞发育垂直分带
（据广西地质局贵县幅1/20水文地质调查报告修改）
从钻孔抽水试验可知，含水层释放的水量实际上表示岩溶含水空间充填物质——水、气交换，对于浅埋藏、开放型的含水层岩溶介质空间，当所含水分析出并充气时，它就具有再充水的功能。由上述可知，本区岩溶含水层厚度可达90m，较强岩溶带发育深度达50～60m，而自然条件下的年际水位变幅一般小于10m，可见自然条件下，岩溶含水层以充水为主，含水介质空间的水、气交换只占用了约20%岩溶空间，仍具有很大的调节潜力。
根据本区钻孔抽水试验结果分析，浅层岩溶带和中层岩溶带平均给水度分别为0.022、0.015。对浅层岩溶带而言，相当于每米厚度有22mm水柱的调蓄能力；20m厚的浅层岩溶带整体调蓄能力相应为440mm（相当于44万m3/km2），相当于当地年平均降雨量（1584mm）的27.8%，表明具有较强的地下水调蓄的能力，水位下降1m，形成的调蓄空间达2.2×104m3/km2。
2.4 岩溶地下水资源状况与开发潜力
黎塘新埠江地下水系统是一个具有边界完整封闭、相对独立的补给、径流、排泄水流循环系统，岩溶含水介质具有溶蚀管道-裂隙特征，岩溶储水建造接受大气降水和系统内非碳酸盐岩地区地下水的侧向补给。
根据多年平均降水量计算，黎塘新埠江地下水系统的降水资源量为6.50×108m3/a，该区多年平均径流总量3.18×108m3/a，水库蓄水量0.062×108m3/a，地下水系统的天然资源量为（1.65～1.68）×108m3/a，地下水可利用资源量为0.69×108m3/a，探明可采资源量0.44×108m3/a。
目前，该区地下水开采，主要用于生活饮用、工业生产及农田灌溉，地下水开采已形成了一定规模，主要集中在黎塘镇人口、工业密集分布区，开采方式以机井为主，少数挖大口井或直接提取天然岩溶水点的地下水。据调查统计，全区仅以机械抽取（2002年）地下水的开采量达0.082×108m3/a，其中生活饮用水约占47.4%，工业生产用水占32.8%，农田灌溉用水占19.8%；利用民井分散取水方式，用于农村人、畜供水的地下水开采量达0.062×108m3/a，每年地下水开采量共计0.144×108m3/a，占探明地下水可采资源量的32.7%。地表水开采量0.73×108m3/a，其中生活和工业用水占21.5%，农业用水占78.5%。
由上所述，黎塘新埠江流域地下水系统的降水资源总量多年平均达6.50×108m3/a，平均年径流量3.18×108m3/a，其中地下水天然资源量为（1.65～1.68）×108m3/a，探明的地下水可采资源量0.44×108m3/a。目前已开采的地表、地下水量为0.908×108m3/a，占平均年径流量的28.55%；已探明地下水资源中还有2/3未利用，可见该区的地表、地下水资源仍具有较大的开发利用潜力。
3 岩溶平原区水资源有效利用措施
黎塘镇耕地面积5267hm2，其中水田3267hm2，旱地2000hm2。现有水库的总库容803万m3，电灌站总装机容量120万kW，设计总灌溉面积367hm2。由于水库工程老化失修、干渠及配套设施水毁渗漏，没能发挥应有的灌溉效益，致使367hm2保水田变成单造田，有647hm2水田改成旱田。每年缺水量为340万m3。研究区内，地下水与地表水水力联系密切，本区地表水和地下水为一个不可分割的系统，开发利用地下水应上下统筹考虑。因此，地表水与地下水合理安排，才能做到有效地合理地利用水资源，提高防旱抗旱能力，保障水资源的持续利用［5］。
3.1 地表、地下水联合开发，强化地下水防旱抗旱功能
水系统的物质循环，最重要的是水的循环，大气降水、地表水、地下水三者之间在一定尺度空间下产生水量的交换和运移。地表水与地下水通过岩溶裂隙、管道相互转化，并且随季节而变化。枯水期，地下水补给地表水，成为河道的基流；洪水期，地表水通过岩溶管道倒灌，补给地下含水层，使地下水位升高［6］。而岩溶水系统的地下储水介质空间是有限的，降水补给量超过其储集能力时，地下水溢出地表，通过地表径流排出系统。在枯水季节，大气降水急剧减少，区内新埠江地表水均由地下水排泄所补给，上游支流随着地下水位下降河道干枯、断流。这段时间是该区旱情高发季节，地表水资源不足，地下水资源是农业生产的唯一供水水源。在此条件下，开展地表、地下水联合开发，地表水采取泵站提水，地下水则兴建与灌渠或耕地配套的浅井群网，建立水田-旱地复合灌区。在旱象发生时或枯水季节，采用浅井抽取地下水，保障农田和旱作蔬菜、瓜果生产供水。
3.2 充分开发利用岩溶地下含水层的调蓄功能
岩溶平原区地形平坦，地下水埋深较浅，天然露头较少。地下水分布的基本特征是东北部峰林谷地区地下水埋深较大，多在10～15m。天然露头以溶洞、竖井为主，在和吉一带向峰林平原过渡区，地下水天然露头以溶井、溶潭（凌塘）为主。黎塘一带以孤峰平原为主，地形平坦开阔，除见到一些溶潭外，河流两岸可见到岩溶泉、地下河出口，地下水埋藏浅，多在2～8m，地下水的基本运动规律是以峰丛山区为补给区，峰林平原为径流区，孤残峰平原则为溢出带。如前所述，受区域排泄基准面控制，钻孔揭露本岩溶平原区的岩溶含水层厚度可达90m，较强岩溶带发育深度达50～60m，而自然条件下，随季节变化从含水层中排出地下水而形成的调蓄空间只在地面以下的8～10m之内，可见对于整个岩溶含水层来说，含水层的调蓄功能只发挥约20%的作用。
根据岩溶含水介质系统调蓄功能分析结果，如果抽取地下水，使得水位多下降1m，形成的调蓄空间达2.2×104m3/km2，本地下水系统内岩溶平原区面积约115km2，地下水开采增加1m的降深，可以多取水253×104m3，相当于增加2个小（一）型水库。而所需补充的水量仅为本区径流资源量的8‰或地下水可开采资源量的3.7%。
3.3 科学布井，合理开发浅层岩溶水资源，规避地质灾害风险
根据岩溶平原区岩溶发育规律和地下水系统介质结构特征，按照地下含水层的管道-裂隙网络兴建浅井灌溉体系，采用浅井、大口井等开发方式，解决旱片灌溉用水。分散布井，开发浅层地下水，具有规模小、投资省、见效快等特点。同时，可以避免水源区局部形成大降深，地下水位强烈变化，有利于激发地下含水层的调蓄能力和地下水回补，可以避免岩溶塌陷产生所造成的危害。
3.4 推广节水技术，提高水利利用率
岩溶平原区耕地面积广、人口密度大，水资源供需矛盾突出。农业用水量占水资源总量的2/3，现有农田水利工程大部分于20世纪五、六十年代建设，设计标准低，运行时间长，输水渠道年久失修，田间配套斗、支渠不全或破损、渗漏严重，水利有效利用率低，有效灌耕比低于30%［6］，平均灌溉水有效利用率仅在40%左右。因此，必须坚持开源与节流并重的原则，在重视兴建新水源工程的同时，加强节流、节水水利工程建设，推广节水农业技术，提高抗旱能力。主要包括①灌区节水灌溉渠道网络配套工程，健全灌区斗、支渠防渗渠道系统，提高供水利用率，增加有效灌溉面积。②旱地节水灌溉工程，采用喷灌、管灌、滴灌技术，解决甘蔗、蔬菜、果园灌溉。旱地分布区往往是地表水利工程的水尾区，灌溉水源多采取地下水，其供水成本较高。通过旱地种植园区建设，引进高效优质作物品种，采用节水灌溉，提高单井灌溉面积和供水增值率，以获取更大的经济效益。③农艺节水技术推广，采用地膜种植技术，解决春、秋季节降水不足，防止强烈蒸发，保水保肥，保障作物生长；引进耐旱新品种，针对本区秋旱频率高、旱象严重的特点，选育或引进成熟早或生长期短、适应性强的优质作物品种，避免旱象影响的同时获得好的生产效益；调整种植结构，改两季水田种植为水旱交替种植，改善秋季耕作需水与供水资源的矛盾，水稻种植安排在雨季，降水资源丰富，引进高产优质品种，保障粮食生产；旱作种植蔬菜、瓜果等生长过程中不需要短时间大量供水的作物，可充分利用地下水含水层的调蓄供水功能，从时间上调整水土资源配置，达到防旱抗旱效果。
4 水资源有效利用示范
在示范区的核心示范片——吴江村，开展地表、地下水联合开发与浅层地下水含水层调蓄示范。该村处于岩溶平原区，发育季节性地表河溪，河床到地面2.5～3.5m，是本区农田供水的主要水源。据访，一般年份断流2个月左右，枯水年份9月开始流量剧减，11月中旬至次年3月初断流。因此，秋冬农业生产依赖于地下水源供水，岩溶含水层为石炭系下统夹薄层泥灰岩的中厚层白云质灰岩、白云岩、灰岩，富水程度中等，为岩溶管道-裂隙水。地下水埋深0.5～6m。设计开展地表、地下水联合开发，地表水采取泵站提水，地下水则兴建浅井群网，建立水田-旱地复合灌区。
该示范片现有人口3370人，有耕地面积354hm2，其中水田137hm2、旱地217hm2，项目实施以来，先后投资320万元，修建一个地表水提水站，配套建设6000m的三面光防渗引水渠道；开挖六处地下水浅水井，修建一个100m3的蓄水池和约27hm2的管灌管网，确保了农田的正常灌溉。实现有效灌溉面积233hm2，从而彻底地改变了该村以往“靠天吃饭”的状况。在此基础上，开发20hm2的经济果林示范基地和167hm2优质蔬菜基地，农业种植形成了水稻、蔬菜、玉米、糖蔗、水果的多元结构。通过示范工程项目的实施，并不断地引进新品种、新技术，并以特色品种注册了“桥美萝卜”品牌。由于改善水源和灌溉条件，2004年种植白萝卜、胡萝卜200多hm2，平均产量52500kg/hm2，比2001年增产40%，家家建起了“萝卜楼”；玉米平均产量6750kg/hm2，比2001年增产50%。通过水资源有效利用开发示范，使该村委的农业经济发展较快。2004年农民人均纯收入2302元，比2001年增加682元，年增长率达14%。
5 结论
岩溶平原区发育地表和地下水网同时并存的双层水文网。因旱期盆地抬升与后期排泄基面下移，岩溶水向下切蚀形成地下河道，与谷地表面地表河网构成双层排泄系统。雨季河水位顶托，盆地地下水位上涨，埋深仅0.5～1m，甚至溢出地面与地表河相连。旱季，地下水回落，地表尚有一定降雨径流，形成间隔5～8m的双层排泄。最枯季节，地表河断流干涸。地下水沿岩溶管道、裂隙运移排泄。该区NE断裂构造和NW向挽近期构造裂隙十分发育及岩溶化也较为强烈，为地下水的赋存提供了良好的空间；受排泄基准面控制水力梯度很小，径流缓慢。地下水埋层浅、回补快、水质优，开发条件优越。近期年开采量不足总量的5%，应加大地表、地下水联合开发力度，充分发挥岩溶含水层的调蓄功能。
采用浅井、大口井等开发方式，属微型水利，群众有建设能力，地下水开发具有规模小、投资省、见效快等特点。在干旱区建设供水系统，按照地下含水层的管道-裂隙网络兴建浅井灌溉体系，解决旱片灌溉用水，供水保证率和利用率高。可以通过行之有效的“以奖代补”政策等刺激措施，实行“谁建设、谁拥有、谁管理、谁受益”的优惠政策发动群众兴建，以降低投资风险和管理风险，形成规模化效益。但地下水开发应适度进行，原则上控制在可采资源量的75%，即年开采规模0.52×108m3以内，可大大缓解农业灌溉、中小型企业生产用水和农村生活用水的矛盾。从该区水文地质环境条件看，不宜过分集中开采地下水，避免出现降落漏斗，发生地面塌陷等地质灾害问题。
参考文献
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