地表溶蚀盆地-地下岩溶联合成库条件分析——以弄岩水库为例

地表溶蚀盆地-地下岩溶联合成库条件分析——以弄岩水库为
例
唐智德
【期刊名称】《《中国岩溶》》
【年(卷),期】2019(038)005
【总页数】9页(P682-690)
【关键词】地下岩溶水; 地表水; 联合开发; 地下岩溶库容; 地表库容; 面发育率; 岩溶通道封堵
【作者】唐智德
【作者单位】桂林市水利电力勘测设计研究院广西桂林 541001
【正文语种】中文
【中图分类】TV221.1
0 引言
地表—地下水相互转换、地表—地下联合水库的研究及开发愈来愈受到国内外诸多学者的重视，地下水库按其储存介质可分为孔隙型、裂隙型、矿山采空型及岩溶型。

一些国家或地区从20世纪20～30年代就已经开始利用地下水库调蓄水资源的工程实践。

近年来统计资料表明，美国每年人工补给地下水量可占到每年总抽水量的30%，德国有20 个大城市达到40%，荷兰达到20%［1］。

我国岩溶分布广泛，岩溶型地下水库最具开发前景。

目前我国岩溶地下水的开发利
用多以钻井直接抽取为主［2］，但因其时空分布极不均匀，供水保障率低，同时容易导致岩溶地下水资源枯竭、地面沉降、塌陷等人为的地质灾害［3-4］，而通过修建地表—地下水库进行拦蓄，合理开发，将有效避免或降低人为地质灾害。

近年来，我国在地下水库建设的关键技术研究得到了迅速的发展［1，5-6］，如孔隙型的北京西郊地下水库；如矿山采空型的陕西榆林市神木县神东矿区煤矿地下水库群；如构造型的天山北麓中段拗陷带地下水库的特征及其开发利用建议；如岩溶型的贵州马官地下水库、后寨地下水库及广西来宾县小平阳地下水库等。

而随我国岩溶地区1∶5 万水文地质、环境地质调查项目的推进与完善，将有力支撑岩溶地区水资源的合理综合开发利用［3］。

目前，国内外专家常用的研究方法有如下几种［7］：
（1）解析法研究岩溶区地下岩溶水库—地表水库联合调蓄［7］；
（2）数值模型法，包括确定性的数值模拟模型［9-10］、地表及地下水集成模型［7］；
（3）水文地球化学方法，如日本的Hamada［11］利用Rn222来研究地表和地下水相互转换关系；
（4）智能化方法［12］，是目前新兴的研究方法，可用来获得水量和水质变化的关系；
（5）3S（GIS、RS、GPS）技术、水量平衡法；
（6）水文地质实际调查、勘探及数理统计相关分析法是实际开发应用常用的方法［5，9，13］。

上述研究方法中水文地质实际调查、勘探及统计分析法，主要采用实测数据分析计算，较为直观、数据来源可靠，计算便捷，在工程实施阶段应用较为广泛，本文采用此方法，以弄岩水库为例进行相关研究。

1 工程概况
弄岩水库位于我国西南岩溶区广西桂林市全州县白宝乡，距全州县城约30 km。

该地区属中亚热带季风气候，多年平均降雨量1 556.6 mm，降雨时空分布不均，地表年径流变化较大，洪灾与旱灾并存，制约了当地工农业发展，危及人畜饮水安全。

特殊的地表—地下双层岩溶结构导致地表水匮乏、地下水深埋大，如何合理
调度水资源、有效解决旱涝灾害是这类岩溶区面临的一个难题［3］。

弄岩水库便是利用地表溶蚀盆地—地下岩溶联合成库开发应用地表—地下水，相应的人畜饮水、灌溉等配套设施的建成，合理调度水资源，有效地解决了当地人民生产生活用水及旱、涝灾害问题［2］。

2 地质与水文地质条件
2.1 地质条件
工程区属半裸露型岩溶山地，地貌形态属低山峰林洼地丘陵，正负地形交替出现，山峰高程一般500～700 m，多呈浑圆状；洼地高程一般400～450 m，多呈长
条形，相对高差100～200 m。

微地貌上石牙、漏斗、落水洞、地下暗河、溶沟、溶槽发育，属典型山地岩溶区［3］。

区域构造属湘桂走廊中段，桂林弧形断褶带北端，都庞岭西侧余脉，受北东向的桂林～来宾断裂带控制，受其影响，工程区褶皱发育，次级断层以压性、压扭性为主。

地层主要为上古生界泥盆系上统（D3）及石炭系下统（C1）的浅海碳酸盐岩相为主，次为滨海或海陆交互相碎屑沉积（图1）。

2.2 水文地质条件、岩溶发育形成机制及特征
受断层、节理裂隙及褶皱影响，岩溶十分发育，地表降水通过岩溶通道汇入地下形成地下水，地表产水量相应减少，而地下水相对增加，因此，岩溶水为本地区主要地下水类型。

褶皱、断裂交错发育，各时代地层被切割成不同形态的断块，岩溶含水层与非岩溶相对隔水层在垂向上的间隔状分布，形成了诸多以地下河或岩溶大泉为主的岩溶地
下水子系统［14］。

通过综合性工程地质测绘及针对性的水文地质勘探，查明工
程区域的地下岩溶水相互之间、地下岩溶水与地表水之间的补排关系、地下岩溶水动力学类型及渗漏情况，划分水文地质单元及地表、地下分水岭［3，15-16］。

工程枢纽以上集水面积约为40.68 km2（图1）。

在该区域地层中（图1），泥盆系上统佘田组（D3s）、锡矿山组下段（D3x1）、石炭系下统岩关组下段（C1y1）主要成分为白云岩、石灰岩及隐晶-微粒灰岩等质地较纯的碳酸盐岩，其含量在90%以上，GaO/MgO≥10，比溶蚀度＞1，正负地形高差大，岩溶洼地密度大于15 个/km2，属碳酸盐岩类裂隙溶洞水，溶洞地下
河强烈发育，地下河流量＞100 L·S-1，径流模数＞10 L·（s.km²）-1。

泥盆系上统锡矿山组上段（D3x2）、石炭系下统岩关组上段（C1y2）地层为碳酸盐岩与非碳酸盐岩的夹层组合，其中非碳酸盐占20%～30%，GaO/MgO 在1～10，比溶蚀度＜1，由于非碳酸盐夹层的存在，不同程度地限制了地下水的活动或地表水与地下水的转化，使得岩溶的发育受到一定的影响，正负地形高差小，岩溶洼地密度在5～15 个/km2，属碳酸盐岩夹碎屑岩裂隙溶洞水，溶洞地下河不发育，地下河流量＜5 L·S，径流模数1～5 L·（s.km²）-1［15-16］。

受区域构造影响，集水区域为带状向斜构造区，有利于地下水的汇集，同时岩层在褶皱过程中产生大量张裂缝，加剧了地表水与地下水的循环交替［17］；F4、F5
断层的发育进一步影响了该区岩溶的发育，同时控制着岩溶发育的方向及格局。

本区域岩溶发育具体表现为上游为溶蚀低洼盆地，各地表支流在盆地最低处汇合，因下游地势突起，水流受阻，沿F5断层转入地下暗河。

上游地下河入水口至弄岩落水洞的岩溶地下暗河流经段，在断裂带之上或断裂带附近，分布有串珠、群落状落水洞或漏斗。

图1 水文地质简图Fig. 1 Hydrogeological map of study area
3 水资源储量分析计算
3.1 水资源来源及构成
水资源总量为地表水和地下水的总和，二者均通过大气降水补给，对水资源的利用可合理地开发地表水及地下水。

作者根据本流域水文地质特征，对水资源利用开发流程进行了概化（图2）。

研究区属中亚热带季风气候，四季分明，根据当地雨量站统计资料，多年年平均降雨为1 556.6 mm，多年年陆面蒸发系数为0.28，集水面积为40.68 km2，则多
年年平均年大气降水补给水量约为6 332.22 万m3，多年年平均陆面蒸发量为1 773.02 万m3，地表及地下水资源多年年平均总量为4 559.20 万m3。

图2 可利用水资源开发流程概化图Fig. 2 Generalized diagram of the development process of utilizable water resources
3.2 地表水、地下水资源量分析计算
3.2.1 计算分析方法
研究区内灰岩流域的全州龙水水文站有1959-2000 年实测长系列的水文观测资料，利用该资料进行相关分析，分别求出地表、地下水资源量。

该水文站集水面积（S）为228.0 km2，根据各年分实测的年平均流量（Q）及对应的降雨量（Y）（表1），可计算出相应年径流深（X）（表1），以径流深为横坐标（X），以降雨为纵坐标（Y），绘出散点图（图3）。

计算公式为：
式中：X 径流深（mm）；Q 年平均流量（m3/s）；S 积水面积（km2）。

3.2.2 相关分析计算
由图3可看出，径流深X 与降雨量Y 总体呈正相关的线性关系，可建立一元线性
方程，用最小二乘法求得线性方程参数。

二者的相关系数r为0.90，相关性较好，方程式为：
3.2.3 地表及地下水资源量计算
弄岩水库集水区多年年平均降雨量（Y）为1 556.6 mm，将其代入公式2 或在图3中利用内插法，求得地表多年平均年径流深（X）：
进而可求得：
多年年平均地表水资源量
W表=X×S/10=785.25×40.68/10=3 194.20（万m3）；
图3 实测年降雨与年径流深关系图Fig. 3 Relation of measured annual rainfall-annual runoff depth
表1 水文站实测年平均流量、年降雨量及径流深成果表Table 1 Annual average flow，annual rainfall and runoff depth measured at hydrological stations 年份年降雨量Y/mm年平均流量Q/m3·s-1径流深X/mm年份年降雨量Y/mm 年平均流量Q/m3·s-1径流深X/mm年份年降雨量Y/mm年平均流量Q/m3·s-1径流深X/mm 1959 1 898.3 6.10 844.4 1973 1 533.8 6.17 853.1 1987 1 826.3 6.38 883.1 1960 1 586.0 5.08 703.3 1974 1 372.6 4.85 670.2 1988 1 592.8 5.57 783.8 1961 2 100.3 8.40 1 161.9 1975 1 826.4 6.69 925.7 1989 1 666.6 5.87 811.3 1962 1 971.8 8.35 1 154.9 1976 2 001.3 8.25 1 140.7 1990 1 585.9 4.89 676.5 1963 1 653.8 5.72 791.7 1977 1 934.5 7.05 975.1 1991 1 420.8 4.77 659.9 1964 1 962.3 7.32 1 012.1 1978 1 356.8 4.26 658.4 1992 1 896.3 6.86 948.5 1965 1 798.9 5.46 755.1 1979 1 676.6 5.98 826.5 1993 1 987.3 7.74 1 070.2 1966 1 220.5 4.64 642.0 1980 1 930.6 6.89 952.7 1994 2 001.7 7.45 1 168.1 1967 1 925.0 6.66 921.6 1981 1 943.5 6.99 967.0 1995 1 293.2 4.35 601.2 1968 1 863.1 7.37 1 074.1 1982 1 773.0 6.62 915.5 1996 1
646.6 6.39 884.1 1969 1 270.4 5.33 723.5 1983 2 136.9 10.23 1 414.4 1997 1 909.9 8.06 1 115.3 1970 2 118.5 9.60 1 328.4 1984 1 765.3 6.49 898.1 1998 2 306.8 10.53 1 456.0 1971 1 379.9 5.02 694.5 1985 1 479.6 5.54 765.8 1999 1 452.6 6.03 833.6 1972 1 793.8 6.25 864.3 1986 1 384.0 4.49 621.2 2000 1 887.3 6.79 939.8
多年年平均岩溶地下水资源量
W下=W总-W表=4 559.20-3 194.20=1 365.00（万m3）；
多年年平均地表径流系数
m=W表/W降=3 316.07/6 332.22=0.52；
多年年平均降水入渗系数
α=W下/W降=1 365.00/6 332.22=0.20。

3.3 水资源的合理开发利用分析
3.3.2 地表水水资源的合理开发利用
类比相关工程及规程规范的统计分析，地表水开发按地表水资源量的95%计算［15，18］，可利用地表水资源量为：W表开=3 194.20×95%=3 034.49 万
m3。

3.3.3 地下水资源的合理开发利用
本区岩溶地下水与地表水系大致相似，地下径流通过各级裂隙、断层汇集到地下各支流暗河，再归属到弄岩以下的地下主流暗河。

因此，在上游地下暗河入口及弄岩以下地下暗河主流出口，实测出入口多年平均流量之差，即为该区域的地下水自由排泄量，亦为合理开发的地下水资源量。

实测资料表明，二者之间的多年平均差值在763 万m3左右，约占地下水资源量的55.89%，故地下水合理开采量按55%计算较为合理。

可利用地下水资源
W下开=1 365.00×55%=750.75 万m3。

可利用水资源总量
W总=W表开+W下开=3 034.49+750.75=3 785.24 万m3
由此可看出，根据多年平均的数据资料，可开发水资源量达到中型水库规模，其中地下岩溶水约占19.83%。

3.4 水资源开发应用及建库条件分析
工程区总体地势为南高北低。

受地壳运动、地质构造及岩性抗风化溶蚀能力差异性等因素影响，局部地段出现正负地形的交替变化，在下游弄岩一带地势呈较大的正地形突起，形成周边地形高，高程在510 m 以上，中心地形低，最低高程为430 m 左右，最大高差达80 m 的喀斯特溶蚀盆地，有利于地表成库。

地下暗河入口至弄岩落水洞段分布的串珠、群落状落水洞或漏斗，在地下成为相互连通暗河的各支流，地表水流入弄岩落水洞后，归属到两条集中的岩溶通道内，其主溶洞洞径约40.0 m，次溶洞约15.0 m。

溶洞底高程在420 m 左右，为岩溶水
最低基准排泄面；顶高程在470 m左右。

溶洞两侧的分水岭高程在520 m左右，岩溶通道未发育延伸至两侧分水岭，地下水流向岩溶通道，岩溶水动力学属补给型，不存在岩溶水向临谷渗漏问题［15-16］。

地表水、地下水集中于岩溶通道向下游排泄，边界封闭条件较好，为利用岩溶通道拦蓄成库提供了良好的地形地貌及水文地质条件［13］。

弄岩落水洞上部宽为250.0 m，底部宽为200.0 m，洞高度约100.0 m，是上宽下窄宽阔的落水洞，便于溶洞封堵施工及水利设施布置（图4）。

3.5 库容计算及正常蓄水位选择建议
正常蓄水位为当水库蓄水到该高程时，地表—地下联合库容量能满足水资源量的
蓄装及调节要求。

地下拦蓄工程使地下水积极参与到水循环中，易于开发利用，同时要求不能对流域生态环境及地下水环境产生重大影响，建成后低成本运行，安全可靠，经济合理［5］。

3.5.1 岩溶库容分析计算
根据溶蚀盆地及地下岩溶发育特征，建立库容数学计算模型：
式中：V总总库容（万m3）；VA地表总库容（万m3）；VB地下岩溶总库容（万m3）；Va（i….n）地表区间库容；Vb（i….n）地下区间库容；Sai、Sa
（i+1）-相邻某区间高程地表水域面积（万m2）；Sbi、Sb（i+1）相邻某区间高程地下岩溶水域面积（万m2）；h为计算区间高程步长，本工程取5.0 m。

（1）地表库容计算
地表库容计算相对简单，利用实测等高线求得相应高程的水域面积，代入公式3累计求得（表3）。

（2）地下岩溶库容计算
地下岩溶库容较为复杂，它是利用可溶岩岩体内部发育形成的洞穴蓄水的特殊地下水库，其库容大小需根据岩溶发育程度、平面分布及岩溶洞穴在岩体内部空间分布等综合因素合理分析，推算求得［3］。

本文通过统计岩体内部不同高程岩溶面发育率计算区间库容，累计求得。

图4 弄岩水库枢纽工程地质图Fig. 4 Geological plane map of pivotal project of Nong Yan Reservoir
（3）平面边界划定
上游以地下暗河入水口、下游以弄岩落水洞封堵处为界，两侧以分水岭范围内关联的落水洞及漏斗外边为边界。

经实地调查及测绘，岩溶发育区地表总面积S总约为87.2 万m2，共发育11 个具有一定规模漏斗、落水洞，投影总面积约为10.1 万m2，即地表岩溶面发育率R 为11.7%左右，以此作为岩溶区水域面积计算基本依据。

（4）岩体内部岩溶空间分布规律及特征边界划定
岩溶通道为缓坡状，下游封堵处底高程在420.0 m左右，上游入口顶高程在470.0 m左右，因此，420.0 m高程为地下岩溶库容的起算点。

其中420.0～470.0 m高程之间由近水平状岩溶管网通道及部分竖向溶蚀漏斗、落水洞共同组成，其中420～455.0 m 高程间岩溶面积自下而上逐渐增大，面发育率R 变幅为0～20.0%；455.0～470.0 m 自下而上逐渐变小，面发育率R变幅为20.0%～11.7%；470 m高程以上部分为竖向溶蚀漏斗、落水洞，上下洞径变化不大，与地表近似，面发育率R 按11.7%计（图4）；各特征高程面发育率按其所在相应的变幅范围用内插法求得，进而求得地下岩溶计算高程水域面积（表2）；将各相关参数代入公式3，求得不同高程库容（表3）；根据计算成果绘制各特征库容曲线图（图5）。

表2 各高程岩溶面发育率及对应面积Table 2 Karst surface development rates and corresponding areas at every elevationS b(i…n)(万m 2)0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 14.9 17.4 14.9 12.5 10.1 10.1 10.1 10.1 10.1 10.1 10.1 10.1 R(%)0 2.9 5.7 8.6 11.4 14.3 17.2 20.0 17.1 14.3 11.7 11.7 11.7 11.7 11.7 11.7 11.7 11.7 S总(万m 2)87.2 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2高程/m 420 425 430 435 440 445 450 455 460 465 470 475 480 485 490 495 500 505
表3 地下库容计算成果Table 3 Results of reservoir capacity calculationV总V
B V b(i..n)h Sb(i)Sb(i+1)V A V a(i..n)h Sa(i)Sa(i+1)高程/m 0.0 0 0.0 000 420
4.2 4.2 4.2 50 2.5 425 22.6 22.6 18.4 5 2.5
5.0 00000 430 62.1 53.6 31.0 557.5 8.5 8.5 505.1 435 150.5 97.2 43.6 57.5 10.0 53.3 44.8 55.1 13.5 440 279.6 153.3 5
6.1 510 12.5 126.3 73.0 5 11.1 18.4 445 434.1 222.0 68.7 5 12.5 15.0 212.1 85.8 5 13.5 21.1 450 620.2 302.9 80.9 5 14.9 1
7.5 317.3 105.2 5 1
8.4 23.8 455 822.5 381.7 78.8 5 17.4 14.2 440.9 123.5 5 21.1 28.5
460 1 035.6 445.8 64.1 514.9 10.8 589.8 149.0 523.9 36.1 465 1 278.6 502.2 56.4 512.5 10.1 776.4 186.6 528.5 46.9 470 1 562.4 552.7 50.5 510.1 10.1 1 009.7 233.3 536.1 58.1 475 1 904.2 603.2 50.5 510.1 10.1 1 301.0 291.3 546.9 70.4 480 2 301.6 653.7 50.5 510.1 10.1 1 647.9 346.9 558.1 81.3 485 2 759.7 704.2 50.5 510.1 10.1 2 055.6 407.7 570.4 93.2 490 3 280.0 754.7 50.5 510.1 10.1 2 525.3 469.8 581.3 107.2 495 3 861.5 805.2 50.5 510.1 10.1 3 056.4 531.0 595.3 117.5 500 4 504.3 855.7 50.5 510.1 10.1 3 648.7 592.3 5 107.1 130.2 505
图5 特征库容曲线图Fig.5 Curve of characteristic reservoir capacity
3.5.2 正常蓄水位选择及蓄水后环境影响分析
由前文可知，可利用水资源量约为3 785.24万m3，根据库容计算成果及库容曲线，500 m 高程时总库容约为3 861.50 万m3，即可满足水资源开发的蓄装容量，其中地下岩溶库容约为805.20万m3，约占总库容的20.85%。

当地居民及农耕
地高程在510～600 m，以500 m 高程作为正常蓄水位，不会对该区域的耕地及居民建筑物造成淹没、浸没及环境恶化等问题，地下水补排关系不变。

4 结语
地表水与地下水在岩溶区相互转化频繁而复杂，弄岩水库因其特殊岩溶地质构造，经封堵地下岩溶通道即可开发利用地表水及岩溶地下水，作者根据实测长系列水文资料分析，找出地表—地下水储量及之间的变量关系、变化规律及相关参数，求
得多年年平均可开采地表水及地下水总资源量，相比单一利用地表水或地下水更为合理。

通过实地水文地质调查、工程钻探、地球物理勘查等方法，查明岩溶发育平面分布范围、岩体内部空间发育特征、分布高程、方向及几何形态，求得封闭水文单元内不同高程岩溶面发育率，建立数学模型，采用等距高程计算步长，累计计算岩溶地
下库容，具有一定创新性。

随着勘测性技术的发展、精度不断提高，针对岩溶空间发育特征采用不等高程步长来计算区间库容，计算结果将更为精确。

参考文献
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