王伟，王明章
（贵州省地矿局，贵阳 550004）
摘要：巨木地下河流域是贵州南部裸露型岩溶石山区地下河的典型代表之一。流域系统中既有丰富的地下水资源，又有脆弱的岩溶环境导致的岩溶干旱、岩溶洪涝及石漠化等生态环境问题。本文以“贵州省典型流域地下水开发与地质环境整治示范”项目成果为基础，从地下水开发与生态环境保护和治理相结合的角度，探索并总结以地下水开发为龙头的流域生态环境改善的途径，提出了“兴利除弊”的地下河开发利用方案，对同类型地下河开发以及生态环境整治具有的指导性。
关键词：地下河流域；地下水开发；生态环境治理；研究
巨木地下河发育于贵州高原向广西峰林平原过渡的高原斜坡地带，系贵州南部斜坡峰丛洼地型岩溶流域中大小井地下河系统内小井地下河系的支流之一，流域总面积128.4km2。流域内岩溶发育强烈，地表水资源缺乏，以石漠化为主的地质环境问题较为突出，生态环境脆弱。该地下河出口下游地带的平塘县塘边、克渡两镇，尽管地形较为平缓，人口、耕地集中，但却成为国家级重点扶贫区。其中，工程性缺水是导致其社会经济发展水平长期处于相对落后状态的重要原因。至今区内约667hm2耕地仍为“望天田”，1.6万余农村人口及1万余头大牲畜还在饱受缺水之苦。因而，研究并开发巨木地下河，对改善当地生态环境和促进社会经济的发展意义重大，同时还可对同类型地下河流域地下水的开发产生较强的指导意义。
1 地质条件和岩溶发育特征
巨木地下河流域出露地层为二叠系下统茅口组（P1m）及栖霞组（P1q）、石炭系上统马平组（C3mp）、中统黄龙组（C2hn）、下统大塘组一段与二段（C1d1-2）及摆佐组（C1b），出口段为二叠系上统吴家坪组（P2w）。其中大塘组一段和吴家坪组为碎屑岩，其他地层则为碳酸盐岩。
巨木地下河流域所处的大地构造位置为舒缓的雅水背斜与克渡向斜的复合部位，岩层倾角平缓。区内NE向断裂以及NE、SE两组“X型”节理发育，控制了系统内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、竖井、溶洞、岩溶洼地、落水洞等岩溶个体形态分布密度大，岩溶作用的向深性和叠加性特点显著。
2 地下河系统特征
2.1 系统平面结构
巨木地下河系统平面形态为树枝状，由抵塘、望窝及西混三条支流组成（图1）。
图1 巨木地下河流域水文地质略图
1—流域边界；2—地下河出口及管道；3—地下河天窗；4—竖井；5—岩溶潭；6—地下水流向；7—地层代号及地层界线；8—性质不明断层与推测断层；9—背斜
（1）抵塘支流。由北西向南东径流。上游地区，碎屑岩类地层与碳酸盐岩类地层相间分布，地下河呈明、暗交替状；中下游碳酸盐岩类地层出露区则为暗流。
（2）望窝支流。地下河穿行于石炭系大塘组（C1d）、摆佐组（C1b）、黄龙组（C2hn）及马平群（C3mp）碳酸盐岩类地层中，全程为暗流，地下水水位埋藏较深，地下河管道沿线，地表岩溶洼地呈串珠状排列，漏斗状洼地及落水洞发育密集。
（3）西混支流。自北向南径流，沿途明、暗流交替频繁。流域上游，地形相对平缓，地貌组合类型为峰丛谷地，谷地内地下水水位埋藏较浅，有水竖井、地下河天窗、地下河出口及伏流入口等天然水点分布较多；中下游至出口段，地下河全部转为暗流。
巨木地下河系统各支流在流域下游的水淹坝洼地内汇集。其中，抵塘、望窝支流汇合后集中排泄于巨木村，狭义上称为巨木地下河，流域面积83km2；西混地下河排泄于大洞脚，流域面积45.4km2，两出口间相距约0.4km。
2.2 系统空间结构
巨木地下河系统各支流管道沿线，地表发育的地下河天窗、有水竖井较多，由发育规模为高数米至数十米，宽数十厘米至十余米的地下廊道、洞穴等相连，其空间形态复杂多变，局部呈深潭状，在支流汇合的水淹坝洼地则形成网络状（图2）。
2004年10月，巨木地下河系统下游河段开展了以食盐为示踪剂的地下河示踪试验。在地下河出口地下水中检测到的Cl-质量浓度时间历时曲线呈多峰、舒缓状（图3），反映了地下河系统具多枝、网络状特征。而Cl-质量浓度衰减时间长，则反映了地下河试验段水力坡度较平缓及地下河中下游段发育有潭状的储水空间。因而推测巨木地下河系中下游段地下河管道空间由众多形态极不规则的廊道、溶潭以及溶蚀裂隙组合而成。
图2 水淹坝洼地地下管道网络示意图
1—地下水主管道；2—地下河支管道；3—洼地边界；4—地下河入口；5—地下河出口；6—有水竖井；7—落水洞
2.3 系统地下水水动力特征
通过对地下河中下游段纵剖面（图4、5）的分析：
（1）西混支流。西混谷地中水位标高845m，水淹坝为840m，地下河出口水位标高815m；西混谷地与水淹坝谷地相距2.1km，水力坡度2.38‰；水淹坝谷地至地下河出口长1.4km，水力坡度17.9‰。
（2）抵塘支流。拉扫谷地地面高程850m，谷地中水位标高845m。地下河示踪试验投剂点KS309号地下河天窗至地下河出口距离为4.05km，投剂后首次试剂峰值检测时间为197.1小时，最后一个峰值出现在投剂后700.8小时，由此计算出地下河流速为138.70～488m/d，平均313.34m/d，水力坡度为5‰。
试验期间为“平水期”，试验成果反映了该时段地下河系统中下游地下水流速缓慢，具有类似“层流”的特征，同时也反映出强烈发育的地下河网状空间具有较强的储集和调节地下水资源的能力。
2.4 系统地下水动态特征及水资源量
大气降水是巨木地下河系统地下水的主要补给源，其出口流量曲线随降水量的变化呈现出不规则的多峰、锯齿状（图6），具有典型的气象型特征。当一次较强降水数日后，出口流量即上升到峰值，之后在较短的时间内又开始衰减。年内最大流量多现于5～6月，为7.23m3/s，最小流量出现在翌年3月，为192.87L/s，年平均流量为831.88L/s，年变化率37.5倍。
9月中下旬，巨木地下河出口流量进入衰减期，直至次年4月下旬雨季来临，衰减期约为200天。根据动态长期监测序列资料建立地下河流量衰减方程：
图3 巨木地下河示综试验Clˉ质量浓度变化曲线图
图4 西混地下河S73号天窗至出口段纵剖面示意图
图5 巨木地下河K309号天窗至出口段纵剖面示意图
图6 地下河出口流量动态曲线图
1—流量过程曲线；2—降水量过程曲线
Qt＝Q0e1-0．00914t （1）
用（1）式对整个地下河系统消耗期间地下水排泄量积分，则得出地下河系统中地下水调节资源量。
中国西南地区岩溶地下水资源开发与利用
QIt取衰减期开始的9月30 日流量478.19L/s，Qt＋1取衰减时段末4月20 日的214.52L/s，计算出α＝0.00914，最终求得V＝379.4万m3/a。
2.5 生态环境特征
纵观全区，地下河出口以上地貌均为峰丛洼地，上游地区人口及耕地稀少且分散在一些小型的岩溶洼地内，无地表水体、地下水位埋藏较深；中下游地带岩溶谷地、洼地规模相对较大，耕地及人口分布较密集，地下河多呈明暗交替，地下水位埋深较浅但动态变化较大；地下河出口以下地区地形平缓，耕地连片，村寨和人口稠密，集村镇、商贸与产粮区为一体，地表河床高程低难以利用。
岩溶干旱、岩溶洪涝、石漠化是流域内最主要的生态环境问题。
（1）岩溶干旱。普遍存在于整个流域。由于岩溶作用强烈，地表渗漏严重，致使耕地灌溉用水短缺及人、畜饮水困难，尤其以地下河出口以下克渡—塘边谷地最为严重，约667hm2耕地缺水灌溉，1.6余人口及1万头大牲畜饮水缺乏（照片1）。
照片1 巨大地下核出口下游干旱坝子
（2）岩溶洪涝。致灾原因主要是由于地下水水力坡度缓，雨季时系统上游补给量大，下游至出口段地下水水位上升后壅水，地下河管道排泄能力不足，导致岩溶谷地、洼地淹没成灾。较典型的代表是流域中下游的水淹坝洼地和西混谷地，其中连年的洪涝灾害已使水淹坝洼中的约67hm2耕地被迫荒弃（照片2）。根据巨木地下河出口流量动态监测资料，地下河出口段地下河道的最大泄洪能力为7.23m3/s，当上游来水量超过该值时，即造成水淹坝等洼地、谷地的淹没。
照片2 水淹坝洪涝坝子
（3）石漠化。系统内零星分布，但流域中下游的交岗及地下河出口以下的等大片石灰岩分布区，石漠化较为严重，并以重度为主。
3 地下水开发利用条件
系统中上游，由于人口、耕地稀少，需水量相对较小，人、畜饮水和农田灌溉用水以分散供水为主。因而可充分利用地下河径流沿线分布的伏流出口、明流河段、地下河天窗、有水竖井以及众多的表层岩溶泉。
系统中下游及地下河出口以下地带，耕地、人口分布较为集中，需水量较大。系统各支流在水淹坝洼地汇集，水量丰富，地下空间容量大，并且水淹坝洼地至出口段地下水力坡度相对较大，因此可利用地下水水位差及地下空间的调蓄能力拦蓄地下水建地下水库，同时通过提、引等工程措施综合开发地下水资源。
4 巨木地下河开发利用总体方案
4.1 地下河开发的指导思想
巨木地下河开发的指导思想不完全等同于传统的“水资源”开发。其开发利用的基本思想为：地下水开发要与石漠化及洪涝灾害的治理、土地整理、扶贫开发等国家目标紧密结合。在工程措施上，要因地制宜地将地下水开发工程与生态环境保护和治理工程相结合，从而探索以地下河开发为龙头的流域生态环境改善途径。
4.2 地下河开发方案的制订原则
系统中下游及出口以下地区是巨木地下河开发利用的重点受益区域。根据流域地质环境特征及地下河开发利用条件，其开发利用应遵守以下原则：
（1）经济可行的原则。地下水开发工程应力求投资省、运行成本低，农田灌溉尽可能采用自流引水，避免电力机械提水。
（2）因地制宜的原则。充分合理利用地表和地下岩溶空间，使宝贵的岩溶水资源得以充分利用。
（3）“提、引、蓄”等工程手段综合利用的原则。
（4）地下水资源开发与生态环境改善相结合的原则。
4.3 工程设计总体方案
地下河开发总体方案由地下水开发利用工程和生态环境治理工程两部分组成。
（1）地下水开发利用工程。根据流域地下空间调蓄能力强、地下河年平均流量大但出口高程低难以直接利用、出口下游岩溶干旱而上游岩溶洪涝以及干旱坝子与洪涝谷地地面高差不大的特点，地下水开发工程设计主要以抬高地下河水位引流为主，蓄水为辅。主体蓄水工程系利用地下空间在地下河出口筑坝拦蓄地下水成库。坝顶设计高程充分考虑了地下河出口高程（815m）仅与水淹坝洼地（845m）相差30m，为避免因地下水库蓄水后，库区洄水位高于水淹坝洼地而加剧淹没，所以限制地下水库蓄水高程为830m。地下水库水位抬升至830m高程，可采用渠引方式自流灌溉地下河出口下游塘边、克度谷地825m高程面以下的耕地；在地下水库大坝处建水轮泵站，利用水能提水供下游集镇和村寨人、畜饮水；为弥补因地下水库蓄水高程受限，库容调节不足的问题，在距地下河出口下游1.2km处的地表河谷建拦水坝拦蓄地下河出口水量形成二级蓄水水库，并设置水轮泵站，与地下水库共同构成地下水梯级开发工程。
（2）生态环境治理工程。在水淹坝洼地修建连接上游地下河天窗与下游伏流入口的排洪渠，并沿地下河出口方向开凿排洪隧道，将雨季由于地下水位抬升从洼地上游地下河天窗内涌出的地下水及洼地地表积水从大洞脚地下河出口排出，并引入灌渠灌溉下游塘边、克渡谷地825～830m高程面地耕地。排洪工程结构根据水淹坝洼地地面高程、洪水期洼地最大“积蓄水量”设计，排水高程840～835m，坡降5.6‰。
工程方案可根据当地经济实力和紧迫性分期实施，将地下水开发利用工程为第一期工程，生态环境治理开发工程为第二期工程。
4.4 地下水开发利用工程（一期工程）
一期工程平面布置见图7，总投资约为672.88万元。
（1）蓄水工程：①地下水库。地下河出口处建一座重力坝，坝高10m，坝轴线长25m，坝顶高程830m。地下水库库容63×104m3。②地表水库。大坝位于巨木地下河出口下游1.2km，坝高3.5m，坝轴线长30m，坝顶高程814.0m，设计库容10.5×104m3。坝顶设钢筋混凝土平板桥，桥面宽2.8m，承重5t。
（2）引水工程。在地下水库大坝左右两侧分别建南、北引水干渠各一条。南干渠长4.3km，与天生桥引水工程的南干渠在6＋600处交汇；北干渠长8km，含倒虹管4座，长700m，渡槽5座，长400m，引水隧洞2座，长440m，敷设φ150mm自来水供水主管道10km。
图7 巨木地下河开发一期工程平面图
（3）提水工程。克渡、塘边两镇村寨的分布高程为830～850m。在地下水库坝首设扬程100m、流量10m3/h水轮泵3台，100QJ10×100潜水电泵1台，300m3高位水池1座，用于村寨人、畜饮水并兼部分农田灌溉用水。在第二级地表水库库首设40—10型和40—6型水轮泵各1台。
4.5 生态环境治理开发工程（二期工程）
排洪渠断面3m×3m，长1.2km；排洪隧洞断面2.5m×2.5m，长900m。工程总投资约310万元。
5 地下河开发主要工程地质条件
5.1 地下水库工程条件
（1）坝区稳定性。区域地震烈度小于Ⅵ度，区域地壳稳定。根据坝基勘探，坝区无断裂构造，左坝肩为基岩山体，右坝肩为丘陵，基岩为二叠系茅口组厚层状石灰岩，岩石饱和单轴抗压强度55.740～86.007MPa，属坚硬岩类。勘探仅在ZK8号孔位孔深20余m处遇一溶蚀裂隙，全充填。坝基岩体总体完整，质量优良。
（2）坝区渗漏。坝址区地表浅部岩溶化程度较高，岩溶个体形态以溶蚀裂隙及溶孔为主，岩体内主要发育有走向北东及南东向垂直裂隙，发育密度为3～6条/5m，开启性较好，贯通性较强。但地下深部岩溶化程度低，仅局部存在溶蚀裂隙，岩体较完整（图8）。压水实验表明，岩体吸水率为0.004～0.07L/min·m2，局部为0.1617～0.1984L/min·m2（见表）。因此，坝基及坝肩需嵌入新鲜石灰岩岩体内，以防止出现坝基和绕坝渗漏。
图8 巨木地下河出口坝址横剖面图
钻孔单位吸水率统计
（3）库区渗漏。巨木地下河流域与相邻地下河之间存在的地表分水岭高程为850～1165m。根据地下河示踪试验，巨木地下河出口Cl-的质量浓度为0.05538mg/L，流域西侧布绕地下河及东侧的西混地下河各检测点水样则为0.02769mg/L，表明各地下河为相互独立的系统，不具水力联系。因此，控制蓄水高程在830m，库区产生邻谷渗漏的可能性较小。
5.2 地表水库工程地质条件
坝区无断裂构造，坝基及坝肩为二叠系茅口组厚层状石灰岩，属坚硬岩类，坝基岩体总体完整，质量优良，坝基稳定性好；岩体裂隙不发育且多闭合，仅局部存在溶蚀裂隙，岩体较完整，防渗性能总体较好。
地表水库库区为巨木河谷，为当地地下水最低排泄基准面。由于水库蓄水高度仅4m，因此库区产生邻谷渗漏的可能性小。
5.3 隧洞工程条件
包括渠系工程和排洪隧洞。隧洞区地层均为二叠系茅口组石灰岩，无软弱夹层，岩体完整性好，力学强度高，围岩稳定，工程性质较好；渠系引水隧洞高于地下水位，产生涌水的可能性小。水淹坝排洪隧洞丰水期水位于地下水位之下，平水期及枯水期高于地下水位15～20m。因此，应选择平水期和枯水期施工。
6 工程效益
至2005年底，一期工程已建成（照片3、4）。
照片3 地表二级水库工程
6.1 社会效益分析
（1）解决平塘县塘边镇和克渡镇16000余人和10000余头大牲畜的饮水问题，结束当地群众长期饮水缺乏及不洁的历史，实现饮水安全的国家目标。
（2）解决流域内及下游地带干旱缺水区800hm2农田的灌溉用水。
（3）消除水淹坝洼地和西混谷地岩溶洪涝灾害，通过土地整理，可使水淹坝洼地内约67hm2联片土地得到复耕，岩溶地区宝贵土地资源得到充分利用。
（4）将该土地资源开发与扶贫和石漠化整治工作相结合，可解决流域内及下游石漠化区19.28km2范围1500余人（现状人口平均密度78人/km2）的生态移民安置问题，为移民的生存和脱贫创造基本条件。
照片4 地下河水库开发工程
（5）对移民后的19.28km2石漠化区可实施真正意义上的封山育林、植树造林和退耕还林，实现石漠化生态环境的修复。
6.2 经济效益分析
根据平塘县水利局和农业局提供资料，地下河出口以下克渡、塘边两镇800hm2耕地保证灌溉用水后，实现粮食增收152.39万kg/a（按每年每公顷增收2250kg计算）；水淹坝洼地内约67hm2土地恢复耕种后可产粮270万kg/a，全区合计增产422.39万kg/a。按当地粮食市场价格2.40元/kg计算，仅农业生产一项每年就实现经济收入1013.74万元，其中尚不包括因地下河开发带动产业结构调整带来的其他效益。
因此，巨木地下河开发工程具有明显的综合性效益，对当地社会经济的发展、生态环境的改善以及促进当地人民的脱贫致富有着重大意义，同时还可为缺水少土的岩溶石山地区探索出一条生态环境整治的有效途径。
7 结语
地下河流域拥有丰富的地下水资源，地下河的开发既可促进社会和经济发展，也能对环境带来负面效应。过去一些地下河开发工程由于忽视岩溶环境的保护而导致工程效益不佳甚至失败。因此，地下水的开发利用必须统筹考虑整个地下河流域系统的水文地质和生态环境特征，把地下水的开发利用和流域内及相邻区域生态环境的保护和治理结合起来，并合理利用资源和环境，才能达到事半功倍的效果。
贵州省岩溶石山区拥有枯季流量大于25L/s的1130余条的地下河，巨木地下河仅是这些地下河中的一个代表，其开发利用指导思想和工程方案可作为相同类型地下河开发借鉴的实例。
参考文献
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贵州地质工程勘察院.1989.中华人民共和国贵州省喀斯特大泉及地下河研究报告
贵州工学院.1986.贵州省独山南部地区岩溶水资源评价及开发利用
中国地质调查局.2004.贵州省平塘县巨木地下河岩溶地下水开发工程可行性研究报告
王明章.2005.石漠化整治地学模式研究［J］.贵州地质，22（2）：77～80
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