王偉，王明章
（貴州省地礦局，貴陽 550004）
摘要：巨木地下河流域是貴州南部裸露型巖溶石山區地下河的典型代表之壹。流域系統中既有豐富的地下水資源，又有脆弱的巖溶環境導致的巖溶幹旱、巖溶洪澇及石漠化等生態環境問題。本文以“貴州省典型流域地下水開發與地質環境整治示範”項目成果為基礎，從地下水開發與生態環境保護和治理相結合的角度，探索並總結以地下水開發為龍頭的流域生態環境改善的途徑，提出了“興利除弊”的地下河開發利用方案，對同類型地下河開發以及生態環境整治具有的指導性。
關鍵詞：地下河流域；地下水開發；生態環境治理；研究
巨木地下河發育於貴州高原向廣西峰林平原過渡的高原斜坡地帶，系貴州南部斜坡峰叢窪地型巖溶流域中大小井地下河系統內小井地下河系的支流之壹，流域總面積128.4km2。流域內巖溶發育強烈，地表水資源缺乏，以石漠化為主的地質環境問題較為突出，生態環境脆弱。該地下河出口下遊地帶的平塘縣塘邊、克渡兩鎮，盡管地形較為平緩，人口、耕地集中，但卻成為國家級重點扶貧區。其中，工程性缺水是導致其社會經濟發展水平長期處於相對落後狀態的重要原因。至今區內約667hm2耕地仍為“望天田”，1.6萬余農村人口及1萬余頭大牲畜還在飽受缺水之苦。因而，研究並開發巨木地下河，對改善當地生態環境和促進社會經濟的發展意義重大，同時還可對同類型地下河流域地下水的開發產生較強的指導意義。
1 地質條件和巖溶發育特征
巨木地下河流域出露地層為二疊系下統茅口組（P1m）及棲霞組（P1q）、石炭系上統馬平組（C3mp）、中統黃龍組（C2hn）、下統大塘組壹段與二段（C1d1-2）及擺佐組（C1b），出口段為二疊系上統吳家坪組（P2w）。其中大塘組壹段和吳家坪組為碎屑巖，其他地層則為碳酸鹽巖。
巨木地下河流域所處的大地構造位置為舒緩的雅水背斜與克渡向斜的復合部位，巖層傾角平緩。區內NE向斷裂以及NE、SE兩組“X型”節理發育，控制了系統內地下河管道的展布格架。沿地下河管道延伸方向，地下河天窗、豎井、溶洞、巖溶窪地、落水洞等巖溶個體形態分布密度大，巖溶作用的向深性和疊加性特點顯著。
2 地下河系統特征
2.1 系統平面結構
巨木地下河系統平面形態為樹枝狀，由抵塘、望窩及西混三條支流組成（圖1）。
圖1 巨木地下河流域水文地質略圖
1—流域邊界；2—地下河出口及管道；3—地下河天窗；4—豎井；5—巖溶潭；6—地下水流向；7—地層代號及地層界線；8—性質不明斷層與推測斷層；9—背斜
（1）抵塘支流。由北西向南東徑流。上遊地區，碎屑巖類地層與碳酸鹽巖類地層相間分布，地下河呈明、暗交替狀；中下遊碳酸鹽巖類地層出露區則為暗流。
（2）望窩支流。地下河穿行於石炭系大塘組（C1d）、擺佐組（C1b）、黃龍組（C2hn）及馬平群（C3mp）碳酸鹽巖類地層中，全程為暗流，地下水水位埋藏較深，地下河管道沿線，地表巖溶窪地呈串珠狀排列，漏鬥狀窪地及落水洞發育密集。
（3）西混支流。自北向南徑流，沿途明、暗流交替頻繁。流域上遊，地形相對平緩，地貌組合類型為峰叢谷地，谷地內地下水水位埋藏較淺，有水豎井、地下河天窗、地下河出口及伏流入口等天然水點分布較多；中下遊至出口段，地下河全部轉為暗流。
巨木地下河系統各支流在流域下遊的水淹壩窪地內匯集。其中，抵塘、望窩支流匯合後集中排泄於巨木村，狹義上稱為巨木地下河，流域面積83km2；西混地下河排泄於大洞腳，流域面積45.4km2，兩出口間相距約0.4km。
2.2 系統空間結構
巨木地下河系統各支流管道沿線，地表發育的地下河天窗、有水豎井較多，由發育規模為高數米至數十米，寬數十厘米至十余米的地下廊道、洞穴等相連，其空間形態復雜多變，局部呈深潭狀，在支流匯合的水淹壩窪地則形成網絡狀（圖2）。
2004年10月，巨木地下河系統下遊河段開展了以食鹽為示蹤劑的地下河示蹤試驗。在地下河出口地下水中檢測到的Cl-質量濃度時間歷時曲線呈多峰、舒緩狀（圖3），反映了地下河系統具多枝、網絡狀特征。而Cl-質量濃度衰減時間長，則反映了地下河試驗段水力坡度較平緩及地下河中下遊段發育有潭狀的儲水空間。因而推測巨木地下河系中下遊段地下河管道空間由眾多形態極不規則的廊道、溶潭以及溶蝕裂隙組合而成。
圖2 水淹壩窪地地下管道網絡示意圖
1—地下水主管道；2—地下河支管道；3—窪地邊界；4—地下河入口；5—地下河出口；6—有水豎井；7—落水洞
2.3 系統地下水水動力特征
通過對地下河中下遊段縱剖面（圖4、5）的分析：
（1）西混支流。西混谷地中水位標高845m，水淹壩為840m，地下河出口水位標高815m；西混谷地與水淹壩谷地相距2.1km，水力坡度2.38‰；水淹壩谷地至地下河出口長1.4km，水力坡度17.9‰。
（2）抵塘支流。拉掃谷地地面高程850m，谷地中水位標高845m。地下河示蹤試驗投劑點KS309號地下河天窗至地下河出口距離為4.05km，投劑後首次試劑峰值檢測時間為197.1小時，最後壹個峰值出現在投劑後700.8小時，由此計算出地下河流速為138.70～488m/d，平均313.34m/d，水力坡度為5‰。
試驗期間為“平水期”，試驗成果反映了該時段地下河系統中下遊地下水流速緩慢，具有類似“層流”的特征，同時也反映出強烈發育的地下河網狀空間具有較強的儲集和調節地下水資源的能力。
2.4 系統地下水動態特征及水資源量
大氣降水是巨木地下河系統地下水的主要補給源，其出口流量曲線隨降水量的變化呈現出不規則的多峰、鋸齒狀（圖6），具有典型的氣象型特征。當壹次較強降水數日後，出口流量即上升到峰值，之後在較短的時間內又開始衰減。年內最大流量多現於5～6月，為7.23m3/s，最小流量出現在翌年3月，為192.87L/s，年平均流量為831.88L/s，年變化率37.5倍。
9月中下旬，巨木地下河出口流量進入衰減期，直至次年4月下旬雨季來臨，衰減期約為200天。根據動態長期監測序列資料建立地下河流量衰減方程：
圖3 巨木地下河示綜試驗Clˉ質量濃度變化曲線圖
圖4 西混地下河S73號天窗至出口段縱剖面示意圖
圖5 巨木地下河K309號天窗至出口段縱剖面示意圖
圖6 地下河出口流量動態曲線圖
1—流量過程曲線；2—降水量過程曲線
Qt＝Q0e1-0．00914t （1）
用（1）式對整個地下河系統消耗期間地下水排泄量積分，則得出地下河系統中地下水調節資源量。
中國西南地區巖溶地下水資源開發與利用
QIt取衰減期開始的9月30 日流量478.19L/s，Qt＋1取衰減時段末4月20 日的214.52L/s，計算出α＝0.00914，最終求得V＝379.4萬m3/a。
2.5 生態環境特征
縱觀全區，地下河出口以上地貌均為峰叢窪地，上遊地區人口及耕地稀少且分散在壹些小型的巖溶窪地內，無地表水體、地下水位埋藏較深；中下遊地帶巖溶谷地、窪地規模相對較大，耕地及人口分布較密集，地下河多呈明暗交替，地下水位埋深較淺但動態變化較大；地下河出口以下地區地形平緩，耕地連片，村寨和人口稠密，集村鎮、商貿與產糧區為壹體，地表河床高程低難以利用。
巖溶幹旱、巖溶洪澇、石漠化是流域內最主要的生態環境問題。
（1）巖溶幹旱。普遍存在於整個流域。由於巖溶作用強烈，地表滲漏嚴重，致使耕地灌溉用水短缺及人、畜飲水困難，尤其以地下河出口以下克渡—塘邊谷地最為嚴重，約667hm2耕地缺水灌溉，1.6余人口及1萬頭大牲畜飲水缺乏（照片1）。
照片1 巨大地下核出口下遊幹旱壩子
（2）巖溶洪澇。致災原因主要是由於地下水水力坡度緩，雨季時系統上遊補給量大，下遊至出口段地下水水位上升後壅水，地下河管道排泄能力不足，導致巖溶谷地、窪地淹沒成災。較典型的代表是流域中下遊的水淹壩窪地和西混谷地，其中連年的洪澇災害已使水淹壩窪中的約67hm2耕地被迫荒棄（照片2）。根據巨木地下河出口流量動態監測資料，地下河出口段地下河道的最大泄洪能力為7.23m3/s，當上遊來水量超過該值時，即造成水淹壩等窪地、谷地的淹沒。
照片2 水淹壩洪澇壩子
（3）石漠化。系統內零星分布，但流域中下遊的交崗及地下河出口以下的等大片石灰巖分布區，石漠化較為嚴重，並以重度為主。
3 地下水開發利用條件
系統中上遊，由於人口、耕地稀少，需水量相對較小，人、畜飲水和農田灌溉用水以分散供水為主。因而可充分利用地下河徑流沿線分布的伏流出口、明流河段、地下河天窗、有水豎井以及眾多的表層巖溶泉。
系統中下遊及地下河出口以下地帶，耕地、人口分布較為集中，需水量較大。系統各支流在水淹壩窪地匯集，水量豐富，地下空間容量大，並且水淹壩窪地至出口段地下水力坡度相對較大，因此可利用地下水水位差及地下空間的調蓄能力攔蓄地下水建地下水庫，同時通過提、引等工程措施綜合開發地下水資源。
4 巨木地下河開發利用總體方案
4.1 地下河開發的指導思想
巨木地下河開發的指導思想不完全等同於傳統的“水資源”開發。其開發利用的基本思想為：地下水開發要與石漠化及洪澇災害的治理、土地整理、扶貧開發等國家目標緊密結合。在工程措施上，要因地制宜地將地下水開發工程與生態環境保護和治理工程相結合，從而探索以地下河開發為龍頭的流域生態環境改善途徑。
4.2 地下河開發方案的制訂原則
系統中下遊及出口以下地區是巨木地下河開發利用的重點受益區域。根據流域地質環境特征及地下河開發利用條件，其開發利用應遵守以下原則：
（1）經濟可行的原則。地下水開發工程應力求投資省、運行成本低，農田灌溉盡可能采用自流引水，避免電力機械提水。
（2）因地制宜的原則。充分合理利用地表和地下巖溶空間，使寶貴的巖溶水資源得以充分利用。
（3）“提、引、蓄”等工程手段綜合利用的原則。
（4）地下水資源開發與生態環境改善相結合的原則。
4.3 工程設計總體方案
地下河開發總體方案由地下水開發利用工程和生態環境治理工程兩部分組成。
（1）地下水開發利用工程。根據流域地下空間調蓄能力強、地下河年平均流量大但出口高程低難以直接利用、出口下遊巖溶幹旱而上遊巖溶洪澇以及幹旱壩子與洪澇谷地地面高差不大的特點，地下水開發工程設計主要以擡高地下河水位引流為主，蓄水為輔。主體蓄水工程系利用地下空間在地下河出口築壩攔蓄地下水成庫。壩頂設計高程充分考慮了地下河出口高程（815m）僅與水淹壩窪地（845m）相差30m，為避免因地下水庫蓄水後，庫區洄水位高於水淹壩窪地而加劇淹沒，所以限制地下水庫蓄水高程為830m。地下水庫水位擡升至830m高程，可采用渠引方式自流灌溉地下河出口下遊塘邊、克度谷地825m高程面以下的耕地；在地下水庫大壩處建水輪泵站，利用水能提水供下遊集鎮和村寨人、畜飲水；為彌補因地下水庫蓄水高程受限，庫容調節不足的問題，在距地下河出口下遊1.2km處的地表河谷建攔水壩攔蓄地下河出口水量形成二級蓄水水庫，並設置水輪泵站，與地下水庫***同構成地下水梯級開發工程。
（2）生態環境治理工程。在水淹壩窪地修建連接上遊地下河天窗與下遊伏流入口的排洪渠，並沿地下河出口方向開鑿排洪隧道，將雨季由於地下水位擡升從窪地上遊地下河天窗內湧出的地下水及窪地地表積水從大洞腳地下河出口排出，並引入灌渠灌溉下遊塘邊、克渡谷地825～830m高程面地耕地。排洪工程結構根據水淹壩窪地地面高程、洪水期窪地最大“積蓄水量”設計，排水高程840～835m，坡降5.6‰。
工程方案可根據當地經濟實力和緊迫性分期實施，將地下水開發利用工程為第壹期工程，生態環境治理開發工程為第二期工程。
4.4 地下水開發利用工程（壹期工程）
壹期工程平面布置見圖7，總投資約為672.88萬元。
（1）蓄水工程：①地下水庫。地下河出口處建壹座重力壩，壩高10m，壩軸線長25m，壩頂高程830m。地下水庫庫容63×104m3。②地表水庫。大壩位於巨木地下河出口下遊1.2km，壩高3.5m，壩軸線長30m，壩頂高程814.0m，設計庫容10.5×104m3。壩頂設鋼筋混凝土平板橋，橋面寬2.8m，承重5t。
（2）引水工程。在地下水庫大壩左右兩側分別建南、北引水幹渠各壹條。南幹渠長4.3km，與天生橋引水工程的南幹渠在6＋600處交匯；北幹渠長8km，含倒虹管4座，長700m，渡槽5座，長400m，引水隧洞2座，長440m，敷設φ150mm自來水供水主管道10km。
圖7 巨木地下河開發壹期工程平面圖
（3）提水工程。克渡、塘邊兩鎮村寨的分布高程為830～850m。在地下水庫壩首設揚程100m、流量10m3/h水輪泵3臺，100QJ10×100潛水電泵1臺，300m3高位水池1座，用於村寨人、畜飲水並兼部分農田灌溉用水。在第二級地表水庫庫首設40—10型和40—6型水輪泵各1臺。
4.5 生態環境治理開發工程（二期工程）
排洪渠斷面3m×3m，長1.2km；排洪隧洞斷面2.5m×2.5m，長900m。工程總投資約310萬元。
5 地下河開發主要工程地質條件
5.1 地下水庫工程條件
（1）壩區穩定性。區域地震烈度小於Ⅵ度，區域地殼穩定。根據壩基勘探，壩區無斷裂構造，左壩肩為基巖山體，右壩肩為丘陵，基巖為二疊系茅口組厚層狀石灰巖，巖石飽和單軸抗壓強度55.740～86.007MPa，屬堅硬巖類。勘探僅在ZK8號孔位孔深20余m處遇壹溶蝕裂隙，全充填。壩基巖體總體完整，質量優良。
（2）壩區滲漏。壩址區地表淺部巖溶化程度較高，巖溶個體形態以溶蝕裂隙及溶孔為主，巖體內主要發育有走向北東及南東向垂直裂隙，發育密度為3～6條/5m，開啟性較好，貫通性較強。但地下深部巖溶化程度低，僅局部存在溶蝕裂隙，巖體較完整（圖8）。壓水實驗表明，巖體吸水率為0.004～0.07L/min·m2，局部為0.1617～0.1984L/min·m2（見表）。因此，壩基及壩肩需嵌入新鮮石灰巖巖體內，以防止出現壩基和繞壩滲漏。
圖8 巨木地下河出口壩址橫剖面圖
鉆孔單位吸水率統計
（3）庫區滲漏。巨木地下河流域與相鄰地下河之間存在的地表分水嶺高程為850～1165m。根據地下河示蹤試驗，巨木地下河出口Cl-的質量濃度為0.05538mg/L，流域西側布繞地下河及東側的西混地下河各檢測點水樣則為0.02769mg/L，表明各地下河為相互獨立的系統，不具水力聯系。因此，控制蓄水高程在830m，庫區產生鄰谷滲漏的可能性較小。
5.2 地表水庫工程地質條件
壩區無斷裂構造，壩基及壩肩為二疊系茅口組厚層狀石灰巖，屬堅硬巖類，壩基巖體總體完整，質量優良，壩基穩定性好；巖體裂隙不發育且多閉合，僅局部存在溶蝕裂隙，巖體較完整，防滲性能總體較好。
地表水庫庫區為巨木河谷，為當地地下水最低排泄基準面。由於水庫蓄水高度僅4m，因此庫區產生鄰谷滲漏的可能性小。
5.3 隧洞工程條件
包括渠系工程和排洪隧洞。隧洞區地層均為二疊系茅口組石灰巖，無軟弱夾層，巖體完整性好，力學強度高，圍巖穩定，工程性質較好；渠系引水隧洞高於地下水位，產生湧水的可能性小。水淹壩排洪隧洞豐水期水位於地下水位之下，平水期及枯水期高於地下水位15～20m。因此，應選擇平水期和枯水期施工。
6 工程效益
至2005年底，壹期工程已建成（照片3、4）。
照片3 地表二級水庫工程
6.1 社會效益分析
（1）解決平塘縣塘邊鎮和克渡鎮16000余人和10000余頭大牲畜的飲水問題，結束當地群眾長期飲水缺乏及不潔的歷史，實現飲水安全的國家目標。
（2）解決流域內及下遊地帶幹旱缺水區800hm2農田的灌溉用水。
（3）消除水淹壩窪地和西混谷地巖溶洪澇災害，通過土地整理，可使水淹壩窪地內約67hm2聯片土地得到復耕，巖溶地區寶貴土地資源得到充分利用。
（4）將該土地資源開發與扶貧和石漠化整治工作相結合，可解決流域內及下遊石漠化區19.28km2範圍1500余人（現狀人口平均密度78人/km2）的生態移民安置問題，為移民的生存和脫貧創造基本條件。
照片4 地下河水庫開發工程
（5）對移民後的19.28km2石漠化區可實施真正意義上的封山育林、植樹造林和退耕還林，實現石漠化生態環境的修復。
6.2 經濟效益分析
根據平塘縣水利局和農業局提供資料，地下河出口以下克渡、塘邊兩鎮800hm2耕地保證灌溉用水後，實現糧食增收152.39萬kg/a（按每年每公頃增收2250kg計算）；水淹壩窪地內約67hm2土地恢復耕種後可產糧270萬kg/a，全區合計增產422.39萬kg/a。按當地糧食市場價格2.40元/kg計算，僅農業生產壹項每年就實現經濟收入1013.74萬元，其中尚不包括因地下河開發帶動產業結構調整帶來的其他效益。
因此，巨木地下河開發工程具有明顯的綜合性效益，對當地社會經濟的發展、生態環境的改善以及促進當地人民的脫貧致富有著重大意義，同時還可為缺水少土的巖溶石山地區探索出壹條生態環境整治的有效途徑。
7 結語
地下河流域擁有豐富的地下水資源，地下河的開發既可促進社會和經濟發展，也能對環境帶來負面效應。過去壹些地下河開發工程由於忽視巖溶環境的保護而導致工程效益不佳甚至失敗。因此，地下水的開發利用必須統籌考慮整個地下河流域系統的水文地質和生態環境特征，把地下水的開發利用和流域內及相鄰區域生態環境的保護和治理結合起來，並合理利用資源和環境，才能達到事半功倍的效果。
貴州省巖溶石山區擁有枯季流量大於25L/s的1130余條的地下河，巨木地下河僅是這些地下河中的壹個代表，其開發利用指導思想和工程方案可作為相同類型地下河開發借鑒的實例。
參考文獻
高道德、張世從等.1986.黔南巖溶研究.貴陽：貴州人民出版社
貴州地質工程勘察院.1989.中華人民***和國貴州省喀斯特大泉及地下河研究報告
貴州工學院.1986.貴州省獨山南部地區巖溶水資源評價及開發利用
中國地質調查局.2004.貴州省平塘縣巨木地下河巖溶地下水開發工程可行性研究報告
王明章.2005.石漠化整治地學模式研究［J］.貴州地質，22（2）：77～80