王宇
（云南省地质调查院，昆明 650051）
基金项目：国土资源大调查项目“云南典型地区岩溶地下水调查与地质环境整治示范”（200310400024）；云南省科技计划项目“岩溶水有效开发技术方案研究”（2003PY04）。
作者简介：王宇（1960—），男，教授级高级工程师，主要从事水文、工程、环境地质调查研究。
摘要：为了指导因地制宜、有效地开发岩溶水资源，为岩溶石山地区石漠化综合治理提供技术支持，中国地质调查局选择了典型性突出的泸西小江流域开展岩溶水勘查开发示范研究，本文为这一工作的部分研究成果和经验总结。不同的岩溶生态地质环境条件下，主要的岩溶水源地类型和岩溶水的赋存特征及开发技术条件是不同的。因此，针对流域不同的生态地质环境分区，选择具有典型意义的岩溶水源地进行岩溶水勘查及开发实验和示范，开展了核磁共振、地质雷达等新技术在寻找岩溶水方面的实验研究，设计建设了9 项不同技术方案的岩溶水开发示范工程，总结出适合不同岩溶生态地质环境及其水源地类型的岩溶地下水勘查及开发技术方案，研究集成了岩溶盆地流域岩溶水有效开发的模式，供广大的岩溶石山地区推广应用，以达到提高岩溶水开发效益、有效整治石漠化的目的。
关键词：泸西小江流域；岩溶水源地类型；开发技术条件；勘查技术；开发工程方案
在西南岩溶石山地区的各级岩溶高原面或夷平面上，分布着许多耕地面积达数千到上万公顷、居住人口数万至上百万的岩溶盆地。主要江河水面大大低于主要耕地分布区、人口聚居区、经济活动区［1］，形成了“水土不配套”的问题。而岩溶水储水系统犹如江河上游一座座天然的调蓄水库，对其进行科学的勘查、规划、开发和调度，对解决“水土不配套”的问题，缓解日益紧张的水资源供需矛盾，将发挥非常重要的作用。沿着岩溶盆地流域岩溶水的补给、径流、排泄流程［2］，生态地质环境及其主要岩溶水源地类型急剧变化，岩溶水赋存与运动特征及勘查开发技术条件、供水需求也随之而变［3］。因此，研究这些变化，分别采用不同的先进适用技术，部署不同的岩溶水源地勘查开发实验工程，通过实验研究，取得适合不同生态地质环境条件和水源地类型的岩溶水有效勘查及开发技术方案，集成泸西小江流域这样中等空间尺度的岩溶盆地流域，岩溶水有效开发利用的模式，供广大的岩溶石山地区推广应用，对提高岩溶水开发效益、有效整治石漠化是非常必要和迫切的［4］。
1 地理概况
泸西小江流域位于云南省东部，东经103°30′～104°05′，北纬24°10′～24°45′，属南盘江水系一级支流。主体为红河哈尼族彝族自治州泸西县辖区。流域总面积1009.28km2，岩溶面积占70%以上。流域中上游为椭圆形的岩溶盆地，长轴呈北东—南西向延伸，盆底沉积平坝区海拔1700m左右，面积78.1km2，地形较平坦；盆地周围裸露型岩溶中山区海拔1800～2459m，各种岩溶形态发育齐全；盆地以南流域下游的小江河谷，为流域的排泄基准，最低点海拔820m，横剖面呈“V”形，切割深度500～1639m。
属亚热带高原季风气候，气候温和、雨量适中，枯、雨季分明。山区、坝区气候差异较大。区内多年平均气温15.2℃，最高气温36.1℃，最低气温-4.3℃。多年平均降水量966.8mm，最大1251.5mm，降水量80%以上集中于6～10月。水面蒸发量多年平均值在1204.1～1279.3mm之间。小江全长97.5km，落差1001m，流量0.52～39.83m3/s，年平均流量5.44m3/s。
流域内森林面积269.38km2，覆盖率为26.69%。石漠化总面积211.75km2，占流域面积的20.98%，主要分布于泸西盆地周围和小江河谷裸露型岩溶山区。
流域内共有人口20.04万人，其中农业人口17.43万人，占总人口的86.98%。2003年国内生产总值（GDP）50791.72万元，其中农业产值占总产值的68.02%，人均有粮391kg，农民人均纯收入1426元，处于岩溶高中山区的三塘乡人均纯收仅688元。耕地总面积4.72万hm2，其中水田6540hm2，旱地4.06万hm2，人均占有耕地约0.24hm2。目前缺水人口5.17万人，缺水耕地2.61万hm2。
2 地质背景
小江流域属华南褶皱系滇东南褶皱带，构造以北东和北东东向的一系列断裂和褶皱为主。主要发育雨龙断裂、白水向斜、杨梅山背斜。构造控制了小江流域的地貌特征及岩溶水的分布，是北东向暗河管道形成的主控因素，通常沿断裂走向出露泉点，发育串珠状的洼地、落水洞及溶洞等。
小江流域出露地层以中生界三叠系为主，局部地段分布古生界二叠系、新生界古近系，坝区、河谷区及山区洼地内分布有新生界第四系。古生界地层仅出露二叠系中统宣威组（P2x）泥岩、砂页岩、粉砂岩；中生界三叠系：上统鸟格组（T3n）、火把冲组（T3h）砂泥岩，中统个旧组（T2g）、法郎组（T2f）灰岩、白云岩为主夹少量薄层泥质灰岩、砂泥岩，下统飞仙关组（T1f）砂泥岩、永宁镇组（T1y）薄层灰岩夹砂泥岩；新生界古近系路美邑组（E1l）为砾岩；新生界第四系（Q）为红粘土、砂质粘土、细砂、砂砾。流域内地层以个旧组（T2g）灰岩、白云岩分布最广。
3 岩溶生态地质环境及水文地质特征
小江流域岩溶生态地质环境类型复杂多样，从岩溶水的补给区到排泄区，历经岩溶山地、岩溶槽谷、岩溶丘陵、峰丛洼地、岩溶平坝、岩溶河谷等不同类型的岩溶形态组合单元（图1）。
岩溶山地山高坡陡，气候冷凉，基岩裸露，土层浅薄，分布零散，土壤贫瘠，多属宜林区，耕地多为旱地，以旱作农业为主产业，主要种植玉米、荞、土豆等作物。交通不便，村镇规模小，居住分散。地表岩溶洼地、谷地发育，漏斗、落水洞密布，降水漏失严重，是岩溶水的主要补给区，建库条件极差，水资源严重匮乏。地下岩溶发育极不均匀，岩溶饱水带深埋，导储水空间以洞管为主，岩溶水主要为溶洞管道流，沿暗河有许多漏斗、落水洞与其沟通，岩溶水主要通过这些通道获得补给，岩溶水系统储存调节能力弱，水位流量季节变化剧烈。岩溶水很大一部分以大泉、暗河形式在盆谷底边缘排泄，饱水带岩溶水的开发十分困难，形成了地带性的资源性缺水。农村生活用水、抗旱保苗用水都十分紧缺。但岩溶石山区表层泉出露位置较高，水质较好，开发技术难度小，水量基本能满足岩溶山区分散居住的农村生活及抗旱保苗用水。因此，在饱水带深埋的岩溶石山区具有很大的供水意义和开发价值。
图1 泸西小江流域水文地质结构概化图
1—松散土覆盖层；2—表层岩溶带；3—岩溶空隙；4—导水溶洞管道；5—岩溶上升和下降泉；6—岩溶水流向；7—岩溶落水洞；8—地表河流及水位；9—地表河流及流向；10—高程点
岩溶槽谷、岩溶丘陵、峰丛洼地主要分布于盆地外围山区与盆底平坝之间，气候温和，地势起伏较小，植被覆盖率低，洼地、谷地发育，地形破碎，土层较薄，土壤肥力差，水土流失强烈，石漠化严重，灌溉条件较差，以旱地为主，水田次之，主要种植玉米、荞、土豆、水稻，经济作物和林果种植也较普遍。交通方便，人口稠密，村镇密布。地表落水洞、溶井、脚洞、溶沟溶槽发育，水库渗漏强烈，地下岩溶发育不均匀，岩溶饱水带埋藏较深，导储水空间以洞管隙构成网络，岩溶水为溶洞管道流及溶隙扩散流并存，沟谷、洼地内泉点较多，但流量动态变幅较大。此类地区因地表水严重渗漏、岩溶水埋藏分布不均匀、成井率低形成了工程性缺水［5］。导致农村生活用水、发展种养殖业和庭院经济、抗旱保苗、岩溶石山名特优果林规模经营、生态环境建设用水困难。适宜通过开发隐伏的饱水带和表层带富水块段岩溶水，解决农村生活和生产用水困难。
盆底沉积平坝地势平坦，气候温和，土层深厚，土壤肥沃，土地连片、平整，水资源较丰富，灌溉条件好，交通方便，最为适宜工农业生产与城镇建设。所以，人口稠密，城镇规模大，分布密集，工厂较多，农业生产发达，是传统的农业主产区。由此也造成了地表水和浅层孔隙水的严重污染，大兴堡一带取样化验分析表明亚硝酸盐超标2925倍，氨氮超标3019倍，细菌超标75倍，大肠杆菌超标大于800倍，造成了严重的水质性缺水，导致农村生活用水困难，周边岩溶台地区旱地的干旱缺水也很严重。该区岩溶水主要是来自周围裸露型岩溶山区的侧向径流，其次有少量的大气降水通过松散覆盖层孔隙的垂向渗透补给。在侧向径流中，一部分来自盆地底面以上上层径流带的岩溶水，以盆地底面为排泄基准，沿盆地边缘形成大泉、暗河排泄；盆地底面以下下层径流带的岩溶水，继续向深部呈近水平二维溶隙扩散流向盆地下游径流，通过盆地南部存在的落水洞和岩溶洞管，向小江峡谷区汇集排泄。大兴堡一带是岩溶水由浅变深，由较均匀的水平二维溶隙扩散流向不均匀的三维溶洞管道流过渡的转换地带，岩溶水埋深逐渐增大，径流逐渐集中。该区岩溶水汇集，且覆盖型岩溶含水层组具有很大的储存资源可以发挥调节作用，允许开采量大，岩溶发育较均匀，是一般供水钻井开发的主要分区，适宜将大泉或暗河与富水块段联合规划开发，有效调节开发利用岩溶水。
南部岩溶河谷纵坡降大，地形切割深，谷坡陡峻，沟谷发育，植被覆盖率较低，土层浅薄，土地零散，以坡地为主，上游多种小麦、玉米，下游种植柑橘、黄竹等，水土流失强烈，石漠化严重。交通极差，人口稀少，村落稀疏。谷坡之上地表径流很快，岩溶水深埋，空间分布极不均匀，以溶洞管道流为主，在谷底集中排泄，水资源短缺。以表层泉开发解决农村生活用水困难。由于小江河谷为全流域地表水和地下水的集中排泄带，水能资源富集，而土地及其他自然资源和环境条件差，因此，适宜建设中小型水电站开发水能资源。
小江流域岩溶水是由大气降水入渗而形成，其上层径流以泉、暗河的形式以泸西盆地底面为排泄基准排泄而转化成地表水，最终汇集于盆地南部通过工农隧洞及落水洞排向小江；下层径流则以小江水面为基准而通过深层径流排泄（图1）。流域岩溶水的年平均补给量，减去以泸西盆地为基准的上层径流排泄量及小江流域岩溶水开采利用后的损耗量，应等于小江流域岩溶水的下层径流量。
流域岩溶水均衡方程：
QR-Q1-Q2＝QD-Q3
式中：
QR——小江流域岩溶水天然补给量（万m3/a）；
QD——小江河谷岩溶水排泄量（万m3/a）；
Q1——以泸西盆地底面为排泄基准的上层径流排泄量（万m3/a）；
Q2——小江流域岩溶水开采利用后的损耗量（万m3/a）；
Q3——泸西岩溶盆地南端落水洞、排水隧道地表水泄流量（万m3/a）。
QR采用渗入法计算，补给面积取全流域裸露型岩溶面积，降雨量取泸西县气象站2003年降雨量；Q1采用泉流、暗河流量汇总法，即累加2003年野外调查期间泸西岩溶盆地汇水范围内的所有天然出露点的排泄量（实测流量）；Q2为全流域合计开采量减去退水量，计算式：Q2＝QK（1-tS），式中：QK为2003年小江流域岩溶水的开采量，tS为退水系数，根据区域经验取0.85；Q3为工农隧道及盆地南端落水洞2003年的排泄量；QD为未知量。
选择2003年为均衡年，通过计算，小江流域岩溶水2003年补给量为14013.12万m3/a，上层径流量为6917.89万m3/a，下层径流量为6124.51万m3/a（表1），下层径流量占年平均补给量的44%。本文首次定量说明了岩溶盆地流域岩溶水开发的资源前景及潜力。
表1 泸西小江流域岩溶水均衡计算结果表 （单位：万m3/a）
从空间分布来看，泸西盆地周围裸露型岩溶山区，岩溶水水质较好，多为良好和较好，大多适宜饮用；泸西盆地底部覆盖型岩溶坝区，水质以良好为主，少部分为较好，适宜饮用及工农业用水；小江裸露型岩溶河谷区水质较差，主要因为地表水大量转化为地下水，受污染严重，大部分岩溶水已不适宜饮用。反映出在岩溶水的溶解与搬运作用下，污染物质逐渐向下游累积的过程。
4 岩溶水源地类型及开发技术条件
根据影响岩溶水的勘查和开发工程技术方案选择及设计的地质因素，即：开发技术条件，对流域内能满足一般生产和生活供水要求的岩溶水天然出露点或隐伏富水块段进行分类评价。首先按岩溶含水层的埋藏分布、岩溶水出露状态，将岩溶水源地划分为天然出露的岩溶水源地及隐伏的岩溶水源地两类［6］。再根据岩溶水源地的岩溶含水介质特征：导水和赋水空间形态、结构及水动力特征，进一步将天然出露的岩溶水源地划分为暗河、泉、表层泉三个亚类；将隐伏的岩溶水源地划分为饱水带富水块段、表层带富水块段两个亚类（表2）。
表2 岩溶水源地分类统计表
天然出露的岩溶水源地宜采用地质测绘、观测、试验等方法进行勘查评价，隐伏的岩溶水源地适宜采用地球物理探测、钻探、地质分析、观测、试验等多种方法进行勘查评价。天然出露的岩溶水源地中，暗河水源地主要有阿庐古洞暗河、冒水洞暗河、永宁暗河、下寨暗河，多数分布于岩溶峡谷区，流量一般100～1400L/s，可作为生产生活用水、生态建设用水、能源开发的主要水源，适宜在出口或下游堵截建库调蓄及提引开采。泉流水源地主要有皮家寨大泉、阿路发大泉等，多分布在盆地边缘、岩溶槽谷中，流量一般20～1200L/s，是生产生活用水、生态建设用水等的主要水源，适宜在出口束流调压壅水引流开采或提引开采。表层泉水源地主要有湾半孔表层泉、李子箐表层泉等，多分布在岩溶山地、岩溶槽谷、岩溶丘陵、峰丛洼地、盆底边缘台地区，流量一般0.5～15L/s，但枯、雨季变化大，枯季多断流，是岩溶石山地区分散农村生活用水和发展名特优经济作物用水的主要水源，适宜用小水窖、水池积蓄、小水沟、水管蓄引开发。隐伏的岩溶水源地中，饱水带富水块段主要有泸西、白水两个富水块段，面积约70km2，对城市、村镇及厂矿集中供水意义最大，适宜深井开采。表层带富水块段主要有纳堡富水块段、善导富水块段，面积约3km2，对区位较高的农村庭院供水意义最大，适宜采用浅井开采。
按水源地类型评价，目前所有暗河均受到一定程度的污染，水质均为较差，水质旱、雨季基本无变化；岩溶泉水质以良好为主，部分优良和较差；表层泉水质均为较差—极差；饱水带富水块段水质以优良—良好为主，主要在盆地下游有部分含水层受到了轻微污染，水质较差；表层带富水块段水质一般为较差。
5 岩溶水探测技术方案
流域内岩溶发育在平面和垂向上都不均匀，富水性差异极大，找水的难度非常大。在盆底南部大兴堡一带钻孔成井率仅20%左右，一般单井涌水量在每日数十立方米，但最大涌水量则可超过1000m3/d。本次研究采用了目前最为先进的地球物理探测技术，并进行了有效的方法组合实验。选择了分布于不同的生态地质环境条件下的隐伏岩溶水源地饱水带富水块段、表层带富水块段，天然出露的岩溶大泉，共7个示范点开展工作，研究物探方法的技术有效性、取得技术经验和有关参数，集成有效的探测技术方案。主要选择了视电阻率测深、激电测深、核磁共振法、瞬变电磁法、联合剖面法、地质雷达、高密度电法共7种方法。
5.1 隐伏的岩溶水源地
5.1.1 饱水带富水块段
电测深视电阻率（ρs）曲线类型以A型为主，部分为KHA、HA型。各个钻孔岩溶含水段都表现为ρs值100～500Ω·m的低阻带，且对应探测点的单支曲线有明显的平缓段。岩溶垂向分层变化大，位于盆地上游岩溶槽谷底部的大衣村，岩溶发育段共有4段，分布深度7.9～9.0m、18～30m、40～60m、130～160m；盆底平坝区下游的三家村，岩溶发育段2段，分布深度8.9～20m、100～150m。电测深ρs剖面曲线反映，岩溶横向变化也很大。如：大衣村岩溶发育强度中等，环形测深ρs极形图长短轴之比为1.1～1.3，显示平面上岩溶发育相对较均匀；三家村岩溶以中等发育为主，局部为强发育，环形测深ρs极形图长短轴之比为2.2～4.0，显示各向异性特征明显，岩溶发育主要受三家村断裂控制。
核磁共振方法是首次在云南应用于岩溶水的探测，在4个示范点布置了15个点。在有效探测深度内，其电性分层能够反映岩溶含水层的成层结构特征及其相对富水性强弱。基本查明了拟选孔位100m深度内含水层埋深、含水量及孔隙度，与钻探结果基本吻合。实验发现，流域主要岩溶含水段对应的NMR信号的弛豫时间一般在100～200ms范围内，含水量为1.4%～6%，如：万亩果园1号点推断有3层含水层，分别位于15～27m、27～40m、62～100m，含水量以第三层（62～100m）最大，达6%。钻孔揭示5～31m为第一层含水层，溶孔粘土充填，富水性弱，与NMR第一层相对应，弛豫时间191ms，含水量2.7%；第二层31～65m，岩石较完整，富水性弱，对应NMR第二层含水层，弛豫时间640ms，含水量1.1%；第三层65～200m，溶隙、溶孔发育，富水性中等，是主要的含水层，对应NMR的第三含水层，弛豫时间157ms，含水量5.9%。
实验采用多方法的组合方案，首先利用视电阻率测深进行面积控制，初步确定富水地段，利用地质调查与电测深工作结果，综合选择多个备选孔位；再围绕备选孔位，采用核磁共振探测，确定每个75m×75m的正方形天线围成的小面元的相对富水程度，优选出其中最富水的小面元；最后在最为富水的小面元内，用10m点距的激电测深或加密的视电阻率深测，确定岩溶储水空隙的具体埋藏分布位置。这一方案，大大提高了定孔位的准确性，所施工的5口深井，成井率100%。
5.1.2 表层带富水块段
由于测区内普遍存在表层岩溶水，但分布不均匀。为了探测表层带岩溶发育情况，为庭院式供水浅井的布置提供依据，在纳堡村共布置了66条地质雷达剖面。实测结果，第四系覆盖层，表现为能量强、频率较高、连续性较好的波组特征，厚度在2～6m，时窗为0～100ns；第二层为三叠系风化灰岩，表现为能量较弱且变化大、频率较低、连续性差的波组特征，厚度8～16m，时窗为50～300ns；向下则表现为无明显反射或杂乱零星反射的“平静带”，表明已进入基岩。当富含水的岩溶发育时，可形成强反射波。通过地质雷达探测，选择了3个异常点施工先导孔，均获得了成功。表明地质雷达对浅层小于30m的岩性分层、岩溶破碎带的探查，精度较高。
5.2 天然出露的岩溶水源
选择皮家寨大泉作为示范点，布置高密度电法剖面12条，总长7995m。地质雷达剖面6条，总长370m，电测深点13个。高密度电阻率法施测结果，以皮家寨泉点南部18线为界，南北电性层差异明显，南部视电阻率断面成层状分布，电性层结构稳定，泉口向下游一侧为高阻隆起，显示岩溶不发育，成为了地下潜坝，这是壅水工程得以成立的前提条件；北部视电阻率断面横向变化大，高低阻相间排列，显示出电性层结构变化复杂、不稳定，岩溶较为发育，泉点为多通道来水，大致可分为南北向三条，北西向一条，除东侧1条向南延伸外，其他三条均向泉点处汇集，接近泉口段管道埋深约10～20余m。据钻孔验证，推测的地表粘土层厚度与实际情况接近，推断的岩溶发育带均已钻遇导水通道。
对于天然出露的岩溶水源地，探测深度小于60m时，高密度电阻率法可提供直接的二维地电断面图，分辨率高。在异常地段再利用电测深法、地质雷达进行验证，可较准确提供岩溶分布位置与埋深。
6 岩溶水开发工程方案
选择不同的生态地质环境条件，部署了不同类型的岩溶水源地勘查开发示范工程9项（图2）。
图2 泸西小江流域岩溶水有效勘查开发示范工程布置图
1—深管井开发示范点；2—岩溶大泉束流调压壅水开发示范点；3—浅管井开发示范点；4—表层泉蓄引开发示范点；5—盆底界线；6—水体；7—流域边界
在盆地外围岩溶高中山岩溶水补给区的三塘乡，部署了湾半孔表层泉蓄引、李子菁表层泉调蓄示范工程2项；在盆地上游溶丘台地槽谷和峰丛洼地，暗河系统上游及分水岭不均匀岩溶水补给—径流区的大衣村、万亩果林，部署了裸露型饱水带富水块段深井开发示范工程2项；在盆地上游盆底边缘岩溶山麓谷地上层岩溶水排泄带，部署了皮家寨岩溶大泉束流调压壅水开发示范工程1项；在盆地中、下游盆底边缘溶丘台地岩溶水补给—径流区的纳保村，部署了表层带富水块段浅井开发、庭院式自来水供水示范工程1项；在处于岩溶水径流区的三家村、径流转换带附近的大兴堡，部署了覆盖型饱水带富水块段深井开发示范工程2项；在盆底沉积平坝区的丁合村东部，部署了埋藏型饱水带富水块段深井开发示范工程1项。在小江上已建成梯级水电站7座，总装机容量为35380kW。
这些示范工程体现了因地制宜、多元取水、综合利用的原则［7］，取得了突出的经济、社会和环境效益（表3）。
表3 泸西小江流域岩溶地下水开发示范工程成果统计表
经过示范总结，得出了岩溶盆地流域岩溶水有效开发模式（图3）。即：沿着流域岩溶水循环的全过程，应用常规技术与先进技术相结合，查明在岩溶水的补给、径流、排泄及中间转换过程中，岩溶水的富集规律、水源地类型及开发技术条件、岩溶水资源；与生态地质环境条件及其变化相适应，针对流域不同岩溶生态地质环境区内主要的岩溶水源地类型和岩溶水的赋存特征及开发技术条件，结合需水特点规划部署岩溶水开发工程。在盆地外围裸露型岩溶山地补给区，主要布置表层泉、泉流蓄引工程；在盆底周边岩溶槽谷、峰丛洼地、岩溶台地区，主要布置暗河、泉流引、提、堵与凿井开采饱水带和表层带富水块段相结合；在盆地底部沉积平坝区，以凿井开采饱水带富水块段为主，与暗河、泉流引、提、堵等相结合；在盆地下游河谷区，主要是梯级筑坝建库，建设梯级电站，开发丰富的水力资源［8］。
图3 岩溶盆地流域岩溶水有效开发模式图
1—松散覆盖层；2—表层岩溶带；3—岩溶空隙；4—导水溶洞管道；5—地表河流；6—表层泉蓄引工程；7—大泉壅水引流工程；8—饱水带富水块段深井工程；9—表层带富水块段浅井工程；10—梯级水电站工程
7 结语
泸西小江流域岩溶水有效开发模式，充分体现了因地制宜及多源、多方式取水的特点，达到了预定的示范目标，取得了显著的经济、社会和环境效益。2005年，云南遭遇25年来最严重的春旱。但各项示范工程运转正常，抗旱效果非常显著，多家新闻媒体进行了采访报道，盛赞：“天降大旱，地质科技为云南引来‘保苗水’”。
参考文献
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