引用本文
苏春田, 潘晓东, 李兆林, 唐建生, 梁小平, 程洋, 赵伟, 谢代兴, 孟小军. 云南广南岩溶区水文地质环境地质调查进展[J].中国地质调查, 2015,2015(8): 9-16.
SU Chun-tian, PAN Xiao-dong, LI Zhao-lin, TANG Jian-sheng, LIANG Xiao-ping, CHENG Yang, ZHAO Wei, XIE Dai-xing, MENG Xiao-jun. Progress of Hydrogeology and Environmental Geology Survey in Guangnan Karst Area, Yunnan Province[J].Geological Survey of China, 2015,2015(8): 9-16.
  
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云南广南岩溶区水文地质环境地质调查进展
苏春田, 潘晓东, 李兆林, 唐建生, 梁小平, 程洋, 赵伟, 谢代兴, 孟小军
中国地质科学院岩溶地质研究所 国土资源部、广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室,桂林 541004

第一作者简介: 苏春田(1981—),男,博士,助理研究员,主要从事水文地质环境地质调查工作。Email:suchuntian@karst.ac.cn。

收稿日期: 2015-06-18
基金资助: 中国地质调查局“西南典型岩溶流域水文地质及环境地质调查(编号: 1212011220950)”、“西南岩溶地区1∶5万水文地质环境地质调查(湖南邓家铺幅、稠树塘幅)(编号: 12120114069001-01)”和“湘南粤北重点岩溶流域水文地质环境地质调查(编号: 12120115046601)”项目联合资助
摘要

通过开展云南广南1∶5万旧莫幅、董堡幅、马街幅、那洒街幅水文地质环境地质调查工作,查明了区域水文地质条件,进行了地下水系统划分与水资源评价,根据水资源分布及构造条件,查明了工作区主要富水区,并以流域为单元,进行了地下水分区区划; 实施了“探采结合井”及地下河开发,服务于地方抗旱成效显著,并总结了应急抗旱找水打井模式; 查明了干旱与石漠化是工作区主要环境地质问题。工作的开展为西南岩溶区地下水资源合理开发利用及地质环境综合治理提供了依据。

关键词: 岩溶区; 水文地质; 环境地质; 流域; 地下水系统; 云南广南
中图分类号:P641.69;X143 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2015)08-0009-08
Progress of Hydrogeology and Environmental Geology Survey in Guangnan Karst Area, Yunnan Province
SU Chun-tian, PAN Xiao-dong, LI Zhao-lin, TANG Jian-sheng, LIANG Xiao-ping, CHENG Yang, ZHAO Wei, XIE Dai-xing, MENG Xiao-jun
Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences
Abstract

During the 1∶50 000 hydrogeology and environmental geology survey of Jiumo, Dongbao, Majie and Nasajie in Guangnan area, Yunnan province, the regional hydrogeology conditions are found out, the groundwater system are divided and water resources are evaluated. The main water-rich areas are ascertained according to water resources distribution and tectonic conditions, and the groundwater zone is divided by basin unit in the working area. Integrated exploration and developing well construction and underground river development has notable effect on local drought resistance service, and the model of emergency drought resistance, water searching and well drilling is summarized.Drought and rocky desertification have been ascertained as main environmental geological problems in the working area. These provide basis for rational exploitation and utilization of groundwater resources, and comprehensive treatment of geological environment in Karst region of southwest China.

Keyword: Karst area; hydrogeology; environmental geology; basin; groundwater system; Guangnan of Yunnan province
0 引言

西南岩溶区受特殊的地质条件、地质背景以及双层岩溶水文结构的限制, 造成“ 地表水缺乏, 地下水滚滚流” 、水土分离的局面, 使农田经常受旱、水田龟裂、人畜饮水困难, 当地村民需要到几里、几公里外挑水吃, 甚至需要政府送水, 这种现象被称为“ 岩溶干旱” [1, 2, 3, 4]。岩溶干旱是西南岩溶区常见的自然灾害之一, 它具有受灾面积广、发生频率高、持续时间长及危害严重等特点[5, 6]。

2012年云南省发生冬春连旱, 此次干旱是历史上特别突出、特别严重的一次, 强降雨较往年少21%, 10月、11月、12月、2月、4月偏少50%以上, 导致水库见底、河水部分断流、水井干涸。干旱引起国家的高度重视, 国土资源部组织全国岩溶专家、水利地质专家奔赴云南受旱灾严重的地区指导抗旱救灾工作。在此背景下, 中国地质调查局于2012年启动了“ 西南典型岩溶流域水文地质及环境地质调查” 项目, 工作区选择在云南省广南县, 工作图幅为旧莫幅、董堡幅、马街幅、那洒街幅。4个图幅所属水系属珠江流域西江水系支流和云南国际河流元江— 红河水系支流, 地貌上属于典型岩溶的中山峡谷和峰丛洼地。工作区受特殊岩溶水文地质条件影响, 干旱缺水严重、洪涝灾害频发、石漠化现象突出, 急需开展水文地质调查, 查明水资源开发利用条件, 为居民生活与经济发展提供水资源保障, 为石漠化综合治理提供技术支撑。

通过项目实施, 完成1∶ 5万水文地质环境地质调查面积1 880 km2, 针对干旱缺水村屯的人畜饮水需要, 实施水文地质钻探2 800 m; 为查明地下水动态特征和提供水资源评价依据, 修建地下水动态观测站15处; 为查明地下河管道走向以及岩溶水补给来源, 部署实施示踪试验4处、洞穴测量7 000 m, 同时洞穴测量也可寻找景观丰富的洞穴, 为当地发展旅游提供技术支撑; 针对石漠化问题, 实施遥感解译1 880 km2, 采集各类岩土水样品1 163组。上述工作的开展为西南岩溶区地下水资源合理开发利用和地质环境综合治理提供依据。

1 主要成果
1.1 查明了工作区水文地质条件与主要富水区

工作区地下水类型按成因划分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩类岩溶水, 其中, 碳酸盐岩类岩溶水是区内最主要的地下水类型。以枯季径流模数为指标, 参考各地层钻孔涌水量, 将碳酸盐岩类岩溶水划分为富水性强、中等和贫乏3个等级。

图1 工作区岩溶水系统划分图Fig.1 Division of Karst groundwater system in the study area

富水性强的岩溶水, 含水岩组有泥盆系中统东岗岭组(D2d)、泥盆系上统革当组(D3g)、泥盆系上统五指山组(D3w)、石炭系黄龙组(Ch)、二叠系下统阳新组(P1y)、二叠系上统吴家坪组(P2w)、三叠系中统个旧组(T2g)等, 岩性为中厚层状灰岩、白云岩, 结构为粉晶、鲕状, 溶洞、地下河强烈发育, 水量丰富; 富水性中等的岩溶水, 含水岩组有寒武系中统龙哈组( 2l)、寒武系上统博菜田组( 3ob)、寒武系上统唐家坝组( 3t)、奥陶系下统闪片山组(O1sp)、泥盆系中统达莲塘组(D2d)、泥盆系中统古木组(D2g)、石炭系顺甸河组(Csd)等, 岩性以中厚层状白云岩、泥质条带灰岩、白云质灰岩为主, 结构为泥晶、粉晶, 溶洞、地下河中等发育, 富水中等; 富水性贫乏的岩溶水, 含水岩组为奥陶系中统冷水沟组(O2l)、三叠系下统洗马河组(T1x)、三叠系下统嘉陵江组(T1j)、二叠系上统龙潭组(P2l), 岩性为薄层— 中层泥灰岩、硅质岩为主, 地下河、岩溶大泉不发育, 富水贫乏。

根据构造断裂性质及存储条件, 工作区内主要具有供水和开发潜力的富水区包括: 旧莫— 土城富水区、旧莫长期— 里卡富水区、珠街金竹凹— 香炉山富水区、那洒法侈倮富水区、水淹塘— 格长富水区和平安洞富水区。

1.2 进行了地下水系统划分与水资源评价

岩溶水系统是对具有明确边界、连续岩溶含水层、统一岩溶地下水流场、相对独立循环的岩溶地下水汇集体的统称。同一岩溶系统内, 根据岩溶水循环空间独立程度以及更新能力特征的差异, 可划分为不同级别系统, 但需保证循环过程的相对完整性[7]。

岩溶水系统主要受大气降水和非岩溶区地表水的补给, 通过岩溶洼地、落水洞、溶沟、溶槽、溶缝等岩溶形态渗入或注入地下转化为地下水, 在岩溶含水层的多孔介质空间中运移, 最后以地下河及泉水的形式排泄于河谷中。每个岩溶水系统面积大小不一, 碳酸盐岩分布面积也不一样, 且由于岩性、构造等各种岩溶发育因素的影响造成各个系统的岩溶发育程度不同, 所以各个系统发育的地下河及岩溶泉在数量上差异较大(图1、表1)。首先根据地表水流域划分为2个一级岩溶水系统, 分别为西洋河岩溶水系统(Ⅰ )和南利河岩溶水系统(Ⅱ ); 二级岩溶水系统以地下分水岭界线为系统边界, 共划分为20个二级岩溶水系统, 其中西洋河岩溶水系统(Ⅰ )划分15个二级岩溶水系统, 南利河岩溶水系统(Ⅱ )划分为5个二级岩溶水系统; 三级岩溶水系统以地下分水岭为系统边界, 老卡库地下河、金竹凹地下河、香炉山地下河、格长地下河、杨家湾地下河、里卡地下河等出流后, 通过地表河流径流或前方谷地、洼地落水洞再次注入转化为地下水, 最终由平安洞地下河出口出流, 出流之后汇入西洋河。因此, 根据岩溶水系统的完整性, 将平安洞岩溶水系统(Ⅰ 7), 再次细分为7个三级岩溶水系统。

表1 岩溶水系统划分 Tab.1 Dividing results of Karst groundwater system in study area

考虑到地下水资源各分区地貌、岩性、构造的差异以及实际条件, 采用大气降水入渗系数法计算地下水资源天然补给量, 采用径流模数法计算地下水资源量, 采用枯季径流模数法计算地下水允许开采量。

水文地质参数的计算主要依据本次水文地质调查所建的15处地下水流量观测站、3处雨量站(2012年7月— 2013年6月)及收集的近20年来工作区内的降水量统计资料。各地下水流量观测站(矩形堰观测)点水文地质条件清晰, 地下水汇水面积相对明确, 涉及主要的含水岩组, 能掌握不同岩性特征下的降水入渗系数和地下水径流模数等水文地质参数, 计算结果具有较强的代表性。

采用大气降水入渗系数法, 在保证率P=50%、P=75%、P=95%情况下的年份地下水天然补给量分别为6.62× 108 m3/a、5.65× 108 m3/a、4.94× 108 m3/a, 其中岩溶水地下水资源量分别为5.65× 108 m3/a、4.82× 108 m3/a、4.21× 108 m3/a; 采用地下水径流模数法计算地下水资源量4.04× 108 m3/a, 其中岩溶水3.73× 108 m3/a; 采用枯季径流模数法计算, 地下水允许开采量为1.24× 108 m3/a, 其中岩溶水1.11× 108 m3/a。

1.3 总结了应急抗旱找水打井模式

通过对工作区岩溶地下水赋存规律、影响因素的分析, 总结了应急抗旱找水打井模式: 断裂带控制的强岩溶发育带找水模式和背斜翼部裂隙密集带控制的强岩溶发育带找水模式。

1.3.1 断裂带控制的强岩溶发育带找水模式— — 以旧莫乡猫街村长期组钻孔为例

(1) 地质条件。旧莫乡猫街村长期组钻孔位于测区西部的峰林-峰丛谷地地貌类型区(图2), 其微地貌类型为峰丛谷地, 峰顶至谷地底部相对高差约200 m, 峰顶至垭口相对高差为130~150 m, 谷地宽缓, 宽 400~700 m, 谷地内分布棕色黏土、亚黏土, 土层厚0~3 m。谷地中出露地层为泥盆系东岗岭组第二段(D2d2)灰岩, 其岩性表现为灰色、灰白色中厚层至厚层灰岩、白云质灰岩, 层厚0.5~1.5 m。地质构造上钻孔点处发育一小型断裂, 走向330° , 断距宽约40 m, 发现的构造角砾岩磨圆较差, 棱角分明, 判断断裂性质为张扭性的正断层。

图2 旧莫乡猫街村长期组钻孔水文地质图Fig.2 Hydrogeological map of Changqi Formation in Maojie village, Jiumo town

(2) 水文地质条件。水文地质调查发现, 钻孔附近发育一条地下河, 地下河自西向东径流, 谷地中串珠状发育的落水洞构成地下水径流的主要通道, 考虑到岩溶地下河的特点, 受控于岩性较纯的东岗岭组灰岩, 钻孔附近地下水可能极度集中, 以快速的管道流为主, 给打井找水带来了极大的风险。调查发现断裂走向330° , 为新构造运动产物, 棱角分明的胶结物判断断层为正断层, 断裂带与地下水贯通后, 地下水在局部地区富集且均匀分布, 利于钻井找水。

钻井附近落水洞串珠状发育, 根据1∶ 5万水文地质调查得知, 雨后谷地中偶尔形成内涝, 且落水洞中水偶有上涨出露地表, 可判断钻孔附近地下水水位埋深较浅(图3)。

图3 旧莫乡猫街村长期组钻孔水文地质剖面图Fig.3 Hydrogeological profile of Changqi Formation in Maojie village, Jiumo town

(3) 钻探结果与抽水试验。钻探结果显示岩心破碎, 并见红色胶结物、角砾岩等断裂带充填物, 钻孔静止水位埋深14.3 m, 降深9.2 m, 稳定流量2.27 L/s(196.4 m3/d); 降深19.7 m, 稳定流量2.78 L/s(240 m3/d); 降深27.9 m, 稳定流量3.33 L/s(288 m3/d)。水位埋深与水文地质条件分析一致。

1.3.2 背斜翼部裂隙密集带控制的强岩溶发育带找水模式— — 以珠街镇脚得村羊街组钻孔为例

(1)地质条件。珠街镇脚得村羊街组钻孔位于测区西南部的峰林-峰丛谷地地貌类型区, 其微地貌类型为峰丛洼地, 峰顶至洼地底部相对高差约250 m, 峰顶至垭口相对高差为80~100 m, 岩溶发育进入青年期, 洼地宽 300~400 m, 洼地内分布棕色黏土、亚黏土, 土层厚0~15 m。洼地中(图4)出露地层为寒武系( 3t2)灰岩, 其岩性表现为灰色、灰白色、黄灰色中厚层至厚层砂屑灰岩、泥质灰岩, 层厚0.5~1.5 m。地质构造上钻孔点处为一背斜, 背斜翼部山脚边发现有裂隙密集带, 裂隙走向60° , 裂隙宽为0~15 cm, 上下延伸超过50 m, 裂隙带规模宽度大于30 m。裂隙中未见有方解石等充填物。

图4 珠街镇脚得村羊街组钻孔水文地质图Fig.4 Hydrogeological map of Yangjie Formation in Jiaode village, Zhujie town

(2) 水文地质条件。水文地质调查发现, 钻孔附近发育一条地下河, 地下河自南东向北西径流, 地下河主要发育于寒武系碳酸盐岩地层中, 该处位于地下河补给径流区, 寒武系砂屑灰岩岩溶发育程度中等, 判断以地下河为主的岩溶地下水相对集中(图5)。

调查发现背斜翼部附近裂隙密集带对于岩溶地下水具有富集作用, 且岩溶地下水在裂隙密集带构成的局部富集区内相对均匀, 地下水丰富且连通性好, 利于钻井取水。

钻井附近落水洞较发育, 根据1∶ 5万水文地质调查得知, 雨后谷地中偶尔形成内涝, 且落水洞中水偶有上涨出露地表, 可判断钻孔附近地下水水位埋深较浅。

(3) 钻探结果与抽水试验。钻探结果显示岩心破碎, 取心率低于70%, 岩心内填充物较少, 与裂隙密集带分析吻合。抽水试验结果显示: 钻孔静止水位埋深35.5 m, 降深 6.0 m, 稳定流量1.01 L/s(87.3 m3/d); 降深12. 5 m, 稳定流量1.38 L/s(119.2 m3/d); 降深16.5 m, 稳定流量1.62 L/s(140.0 m3/d)。钻探结果是对水文地质分析的有利验证。

图5 珠街镇脚得村羊街组钻孔水文地质剖面图Fig.5 Hydrogeological profile of Yangjie Formation in Jiaode village, Zhujie town

1.4 查明了工作区主要环境地质问题

调查发现工作区环境地质问题主要为干旱和石漠化。

(1)干旱。工作区属典型岩溶干旱缺水县, 以春旱、夏旱和冬旱为主。主要的致旱原因为受岩性和构造控制, 溶蚀洼地, 落水洞发育, 地表水迅速转化为地下水, 导致地下水深埋, 表层土壤存水能力差, 易干旱; 西洋河为深切河谷, 地下水的排泄基准面较低, 水力梯度较大, 加速地下水向西洋河排泄也是致旱的重要原因。

(2)石漠化。工作区石漠化分布广泛, 石漠化总面积为680.86 km2, 石漠化发生率为53.19%(图6), 属石漠化严重的县份; 根据石漠化分类标准 [8], 工作区轻度、中度、重度石漠化所占比例基本相当, 重度石漠化所占比例略高; 石漠化与岩性密切相关 [9](表2), 除白云岩的石漠化发生率相对较低外, 各类纯碳酸盐岩的岩溶石漠化发生率均较高, 超过了50%; 碳酸盐岩与碎屑岩互层地层的岩溶石漠化发生率最低, 为36.32%, 碳酸盐岩越纯, 越容易发生石漠化。

图6 工作区石漠化分布图Fig.6 Map of rocky desertification in the study area

表2 各类碳酸盐岩中岩溶石漠化面积统计表 Tab.2 Statistics of rocky desertification area in various carbonate rocks (km2)
2 主要创新点

(1)岩溶地下水系统具有独立而完整的补给、径流、调蓄、排泄条件, 地下水系统的划分是岩溶水文地质的重要内容之一, 而在岩溶分布区地下、地表分水岭往往不匹配[10]。本文针对岩溶区的特点, 运用多种工作手段, 包括野外实地调查、示踪试验、现有资料分析等, 确定了岩溶地下水系统边界。同时, 针对目前水文地质调查按图幅开展, 而不是按流域开展的特点, 使得岩溶地下水系统的划分不完整且水资源评价有一定误差。本文采取了图幅边界重点调查, 同时扩大边界调查范围, 力求保证岩溶地下水系统的完整性以及水资源评价的准确性, 为今后以图幅开展水文地质调查提供借鉴。

(2)西南岩溶地区的地下水主要赋存于溶洞、管道和裂隙中, 岩溶发育的不均一性导致地下水的勘查和开发利用难度很大[11], 使得岩溶地区打井慎之又慎且成井率较低。本文在实施“ 探采结合井” 中, 不仅仅重视生产任务, 同时对抗旱找水成井模式进行了总结, 可为岩溶区地下水勘查提供技术支撑。

(3)针对工作区石漠化严重的特点, 本文不仅仅查明石漠化分布的面积、特点和现状, 同时对石漠化的成因以及石漠化与岩性的关系进行分析, 可为下一步石漠化分区、分片综合治理提供指导。

3 成果应用与服务

(1)在曙光乡腊巴冲村开展地下河天窗岩溶水资源开发示范。根据区内居民分布、对水资源的需求及开发利用现状, 并考虑地下河天窗的开发条件及水资源供给能力, 制定和布置地下水天窗开发示范, 以提水的开采模式开发利用地下水资源, 解决了附近5个村5 000人的饮用水问题, 为广南县岩溶山区其他村屯解决人畜饮水困难提供了范例。同时对珠街镇田尾村竖井、五珠乡白岩洞天窗进行了地下水开发利用规划论证, 为当地政府开发地下水资源提供了科学依据。2处地下水开发利用将解决附近约6 000人的饮水问题。

(2)开展了峰丛谷地、峰丛洼地深层地下水开发示范工程。基于本区区域地质条件, 对区内蓄水构造、含水岩组、地下水出露条件及地形地貌和汇水条件进行综合分析, 结合物探多种方法对比, 实施探采结合孔12处, 成井11处, 可以解决附近约30 000人的生活供水, 并对成井模式进行了总结, 为同类地区深部地下水开发提供了范例。

(3)《西南典型岩溶流域水文地质及环境地质调查》成果报告, 依据广南县干旱缺水情况, 对工作区地下水天然补给量、地下水资源量、地下水允许开采量进行了计算与评价; 同时根据水资源分布及构造条件, 查清了本区主要的储水构造和富水区。根据地下水、地表水富集程度以及地下水出露与开发条件, 以流域为单元对地下水开发进行了区划, 分为8个地下水开发区: 土城地下河系开发区、里卡地下河系开发区、金竹凹— 香炉山地下河系开发区、格常— 杨家湾地下河系开发区、平安洞地下河系开发区、里科— 落洞地下河系开发区、安王— 马街地下河系开发区、那洒— 昔布地下河系开发区; 同时对应急水源地地下水点开发进行了区划。

《西南典型岩溶流域水文地质及环境地质调查》成果报告将为广南县水资源合理开发利用提供技术支撑, 同时为解决广南县干旱缺水、石漠化治理提供指导, 为当地经济发展提供支持。

4 结论与建议

(1)西南岩溶水以小型分散的岩溶水系统为单元, 面积多为几平方千米至数百平方千米, 同一个岩溶水系统内地下水赋存状态、水位的连续性、动态变化幅度以及富水程度变化都极大。因此, 1∶ 5万水文地质调查应重点查明工作区岩溶水系统的特点, 同时对岩溶水系统水资源进行科学评价, 以便于今后对地下水资源的合理开发利用。

(2)本次钻探工作总结了断裂带控制的强岩溶发育带找水模式和背斜翼部裂隙密集带控制的强岩溶发育带找水模式。总结的这2种钻井找水模式是基于本项目钻探工作的总结, 可能不能完全反映岩溶地区抗旱找水打井的模式。从以往的抗旱找水打井成败经验来看, 弄清岩溶地下水的赋存、分布与富集规律是打井成败的关键。而岩溶地下水的赋存、分布与富集特征又受到地形地貌、地层岩性和地质构造的影响, 不同的地形地貌、地层岩性和地质构造, 岩溶地下水的成井率亦不相同。

(3)干旱和石漠化是工作区突出的环境地质问题, 今后应因地制宜、分区规划, 实施地表、地下综合开发, 加强和完善水利设施, 减少岩溶干旱对当地经济造成的损失; 同时封山育林、植树造林, 对石漠化进行综合治理, 恢复岩溶区的青山绿水。

The authors have declared that no competing interests exist.

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