湖南龍山洗洛地區(qū)巖溶地下水開發(fā)前景探討

劉聲凱，周錦忠，卞兆津，劉 亮

(1.湖南省地勘局416隊，湖南 株洲 412003;2.湖南省地質(zhì)工程勘察院，湖南 株洲 412003)

湖南龍山洗洛地區(qū)巖溶地下水開發(fā)前景探討

劉聲凱1，周錦忠1，卞兆津2，劉 亮2

(1.湖南省地勘局416隊，湖南 株洲 412003;2.湖南省地質(zhì)工程勘察院，湖南 株洲 412003)

解決水資源緊缺、水資源持續(xù)開發(fā)利用的研究向來備受關(guān)注。本文在干旱缺水問題十分突出的湖南省龍山縣，對其東側(cè)約7 km的洗洛地區(qū)進行了綜合水文地質(zhì)勘查工作，以期探討其巖溶地下水的開發(fā)前景。研究查明了該地區(qū)的水文地質(zhì)條件及富水規(guī)律;認為洗洛巖溶槽谷發(fā)育區(qū)至少含兩層巖溶地下水，地下水綜合開采條件良好，最枯單孔涌水量1 889.57 m3/d。洗洛地區(qū)有望成為一巖溶地下水可采量3～5×104m3/d的中至大型水源地，可解決約10萬人的飲水困難。

巖溶地下水;綜合水文地質(zhì)勘查;開發(fā);龍山洗洛

隨著城市化及工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，需水量在不斷增加，特別是干旱缺水地區(qū)急需解決供水水源問題。同時，隨著"三廢"的排放，農(nóng)藥化肥的不合理施用，多數(shù)地表水已受到了不同程度污染，也迫切要求解決新的供水水源問題［1－3］。巖溶地下水具有水質(zhì)良好、分布廣泛等特點。然而，也存在著缺乏合理規(guī)劃、超量開采，水質(zhì)污染與水質(zhì)惡化日趨嚴重等問題［4］。因此，合理開發(fā)巖溶地下水，對緩解巖溶區(qū)日益嚴峻的水資源緊缺問題及可持續(xù)利用巖溶地下水具有重要意義。

已有不少有關(guān)水質(zhì)源開發(fā)利用方面的研究［5－7］，主要集中于地下水資源評價內(nèi)容、評價方法、可持續(xù)利用的研究。而有關(guān)巖溶地下水方面的研究主要關(guān)注巖溶地下水資源的評價［8－9］、可持續(xù)利用［10］，然而，有關(guān)合理開發(fā)利用及其前景探討的研究不多［11］。湖南省龍山縣碳酸鹽巖分布廣泛，雖巖溶地下水資源豐富，但地表水文網(wǎng)發(fā)育不均，雖然全區(qū)性的特大旱災(zāi)少有發(fā)生，但局部性的旱災(zāi)年年有，且存在明顯的加密趨勢［12］。為此，本文通過對龍山洗洛地區(qū)綜合水文地質(zhì)勘查，探討了該區(qū)巖溶地下水的開發(fā)前景，旨在為解決該區(qū)當前的缺水問題、以及進一步研究巖溶石山地區(qū)水文地質(zhì)、勘查和找水建井等提供一些參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理及社會經(jīng)濟

研究區(qū)位于湖南省龍山縣東側(cè)約約7 km的洗洛鎮(zhèn)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，平均氣溫為 15.8℃，最高溫度39.5℃，最低溫度 －6℃。無霜期為270天至280天。多年平均年降雨量1 400 mm，年降水量的60% ～70%集中于4～9月間。

地貌屬風(fēng)叢洼地槽谷地帶，山脊總體走向為北東，地勢總體為兩側(cè)高，中部低，東部山脊最高達海拔1 353.9 m，槽谷內(nèi)最低標高約520 m，最大相對高差達800 m。槽谷東側(cè)地形陡峻，一般坡角35°～55°，最大近90°，西側(cè)地形相對較緩，一般坡角15°～25°。區(qū)內(nèi)僅有酉水上游支流龍山河上的洗洛河，洗洛河長約5 km，洗洛以上長約3 km，一般流量50～100 L/s，枯季流量 5 ～20 L/s。

龍山縣城(民安鎮(zhèn))，為龍山縣政治、經(jīng)濟、文化中心?，F(xiàn)有常駐人口近15萬人，流動人口2～3萬人。目前供水水源為縣城北約20 km處的溪溝徑流，攔壩引水明渠。雨季，由于水土流失，引水渠道易淤塞，還存在著水質(zhì)常被惡化、旱季嚴重缺水、重金屬元素超標等問題。致使自來水的凈化處理成本成倍增加，且年處理能力也大大降低，嚴重威脅縣城及附近10多萬人的飲水安全。

1.2 地層及構(gòu)造

研究區(qū)地層出露由老到新依次出露有古生界寒武系(∈)、奧陶系(O)、志留系(S)、中生界白堊系(K)(圖 1)。其中寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組(∈1n)、明心寺組(∈1m)及金頂山組(∈1j)以細砂巖、粉砂巖局部頁巖為主;寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)為白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖;寒武系中統(tǒng)高臺組(∈2g)以白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主，局部夾灰?guī)r及砂頁巖;寒武系中統(tǒng)光竹嶺組(∈2gn)為灰?guī)r、白云巖，底部為鈣質(zhì)頁巖;寒武系上統(tǒng)耗子沱群(∈3hz)為白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r;奧陶系下統(tǒng)南津關(guān)組、分鄉(xiāng)組、紅花園組(O1n+f+h)為灰?guī)r、白云巖;奧陶系下統(tǒng)大灣組(O1d)為瘤狀灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖;奧陶系中上統(tǒng)(O2+3)為泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖;志留系中下統(tǒng)(S1－2)為頁巖、砂質(zhì)頁巖及細砂巖;白堊系(K)為鈣質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)礫巖夾白云質(zhì)灰?guī)r。

研究區(qū)位于洗洛不對稱背斜北西翼近核部，背斜軸向北東，核部為下寒武系牛蹄塘組(∈1n)～金頂山組(∈1j)以細砂巖為主的地層分布區(qū)。區(qū)域大斷裂洗洛壓扭性斷裂(F1)縱穿洗洛槽谷，破碎帶寬一般300～500 m，上盤(南東盤)為寒武系下統(tǒng)可溶性碳酸鹽巖，下盤(北西盤)為白堊系、志留系碎屑巖，斷層上盤次生北西、北東向斷裂發(fā)育(F1－1、F1－2)(圖1);二坪壓扭性斷裂(F2)位于研究區(qū)南東側(cè)，斷裂帶內(nèi)基巖破碎。

圖1 洗洛地區(qū)水文地質(zhì)略圖

2 巖溶水文地質(zhì)特征

2.1 巖溶發(fā)育特征

研究區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育強烈，區(qū)內(nèi)巖溶形態(tài)主要有溶蝕槽谷、洼地、溶洞、漏斗等，主要發(fā)育于寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)、寒武系中統(tǒng)高臺組(∈2g)、寒武系中統(tǒng)光竹嶺組(∈2gn)地層中，主要分布于洗洛槽谷內(nèi)，如三塘村附近一帶的溶蝕槽谷2.5 km2范圍內(nèi)，共發(fā)育溶洞 13個、漏斗17個，洼地面積達1.4 km2［13］。巖溶個體往往彼此組合成總體不規(guī)則的片狀或條帶狀強巖溶化分布于地表附近，這也是我國南方古生代石灰?guī)r中表層巖溶帶最為發(fā)育的典型［14］。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)在槽谷內(nèi)的寒武系中統(tǒng)高臺組(∈2g)、寒武系中統(tǒng)光竹嶺組(∈2gn)地層的灰?guī)r、白云巖與志留系中統(tǒng)(S2)砂頁巖接觸帶，受斷層(F1)破碎裂隙發(fā)育影響，巖溶強烈發(fā)育。F1斷裂帶巖石破碎，是地下水貯存、運移的場所，溶洞、地下河在該有利條件下沿斷裂發(fā)育，沿F1斷層帶泉水呈中珠狀分布，巖溶水匯集。構(gòu)造對巖溶發(fā)育控制作用主要表現(xiàn)在嚴格地控制區(qū)內(nèi)的巖溶形態(tài)的展布及其組合排列方向與發(fā)育強度上。

2.2 水文地質(zhì)特征

2.2.1 地下水類型及含水性巖組富水性劃分

研究區(qū)地下水主要是巖溶水，主要含水巖組為:寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)、寒武系中統(tǒng)寒武系中統(tǒng)高臺組(∈2g)、光竹嶺組(∈2gn)的白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，其富水性強，為強富水巖組。寒武系上統(tǒng)耗子沱群(∈3hz)、奧陶系下統(tǒng)南津關(guān)組、分鄉(xiāng)組、紅花園組(O1n+f+h)為灰?guī)r、白云巖亦為強富水巖組，但出露面積小;奧陶系下統(tǒng)大灣組(O1d)、奧陶系中上統(tǒng)(O2+3)的碳酸鹽巖夾碎屑巖為中等富水巖組;寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組(∈1n)、明心寺組(∈1m)及金頂山組(∈1j)、志留系中下統(tǒng)(S1－2)、白堊系(K)的碎屑巖為含水貧乏巖組。

2.2.2 地下水賦存條件及富集規(guī)律

區(qū)內(nèi)地下水的補給來源主要為大氣降水及地表徑流，巖溶水的排泄方式以天然排泄為主。地下發(fā)育規(guī)模不一、分布不均的溶蝕裂隙、巖溶管道，這些細小溶隙和巨大巖溶管道成為地下水賦存的空間。地下水運移受地質(zhì)構(gòu)造及地形地貌共同控制，當?shù)叵滤\移到洗洛槽谷區(qū)時，受西部志留系中統(tǒng)(S2)砂頁巖的阻水作用及地形因素影響，使地下水以泉或地下河的形式集中排泄，在洗洛槽谷帶形成以斷裂構(gòu)造為主體的富水走廊。據(jù)野外水文地質(zhì)調(diào)查沿F1及其支斷裂帶出露各類巖溶泉59處(呈串珠狀排列)，發(fā)育與斷層密切相關(guān)的地下河 7條。地下河(巖溶大泉)一般流量 25.0～100.0 L/s，最大為位于龍山縣興隆鄉(xiāng)三塘村巖溶大泉流量達102.685 L/s(2007年10月4日)，流量最大的地下河為龍山縣興隆鄉(xiāng)三塘村地下河為909.764 L/s(2007年10月4日)。

研究區(qū)內(nèi)的可溶巖中含有非可溶巖夾層，使得區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育具有多層狀，多層狀碳酸鹽巖巖組內(nèi)巖溶主要發(fā)育在可溶性相對較好的碳酸鹽巖巖層中［15］，就區(qū)內(nèi)而言，受地形地貌、地層巖性等因素影響，表層碳酸鹽巖溶發(fā)育程度較下部巖溶發(fā)育程度要高。由于寒武系中統(tǒng)高臺組(∈2g)、光竹嶺組(∈2gn)底部為砂頁巖、鈣質(zhì)頁巖，具有相對隔水作用，使得區(qū)內(nèi)至少含兩層巖溶地下水，其中洗洛槽谷地區(qū)內(nèi)寒武系中統(tǒng)的灰?guī)r、白云巖中廣為出露的巖溶大泉、地下河為上層溶蝕孔隙的巖溶水，該層巖溶水區(qū)內(nèi)十分豐富，但其流量受大氣降水影響明顯，大多具有暴漲暴落的特點;隔水層以下的地下水為下部的承壓水，其含水層為寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)的白云巖、灰?guī)r，該層地下水受氣候的影響較小，流量穩(wěn)定，不易受污染，水質(zhì)較好。據(jù)物探高密度電法資料(見圖2)，ρs等值線440～550點電阻率呈相對低值異常特征，ρs等值線梯度大，490點左右視電阻率呈“V”字型異常特征。經(jīng)ZK2孔驗證，0～23.5 m段為寒武系中統(tǒng)高臺組(∈2g)白云質(zhì)灰?guī)r、砂頁巖，其中孔深15.7～17 m為白云質(zhì)灰?guī)r，溶洞半充填，地下水靜位埋深1.0 m;孔深 17～23.5 m為砂頁巖(∈2g);下為寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)，孔深23.5～80 m為白云巖夾砂質(zhì)或泥質(zhì)白云巖泥灰?guī)r、少量頁巖，巖溶不發(fā)育，鉆探至68.6 m時，孔口開始涌水;孔深 80～151.6 m為深灰色灰?guī)r，方解石脈發(fā)育并穿插，巖溶發(fā)育，巖心多為蜂窩狀，溶管(孔)孔徑一般1～2 cm，該段含豐富的承壓巖溶地下水，地下水水位埋深68.6 m。2007年12月8日對 ZK2進行抽水試驗時將 φ127 mm套管下至孔深22 m，地下水穩(wěn)定靜水位高出地面2.52 m，自流量為810 m3/d;降深于地面以下 3.32 m(S=5.82 m)時，鉆孔涌水量 1 889.57 m3/d。時值湘西地區(qū)嚴重秋冬干旱年的干旱季節(jié)，許多溪澗和泉井已干枯或斷流，此時鉆孔涌水量可視為最枯流量。按多年平均推算該區(qū)(段)成井可采水量近10 000 m3/d。

圖2 洗洛地區(qū)高密度電法視電阻率剖面圖

3 巖溶地下水開發(fā)前景

洗洛水文地質(zhì)單元面積約100 km2，補給面積較大，巖溶地下水富集和分布嚴格受巖溶發(fā)育、斷裂構(gòu)造控制。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造的錯綜復(fù)雜，地下巖溶管道相互導(dǎo)通，為區(qū)內(nèi)巖溶地下水的補給、貯存奠定了空間基礎(chǔ)。區(qū)內(nèi)雨量較為充沛，地下水主要受大氣降水及地表徑流補給，這為地下水以豐補欠，豐枯調(diào)蓄提供了有利條件［16］，洗洛地區(qū)槽谷內(nèi)為低洼地帶，兩側(cè)地勢較高，尤其是南東側(cè)地勢陡峻，大氣降水、地表水流向槽谷，非常有利于地下水的富集。ZK2抽水試驗表明，洗洛槽谷為區(qū)內(nèi)承壓水的承壓區(qū)，其補給區(qū)主要位于東側(cè)的地勢較高地帶，地下水補給位置高，地下水埋藏較淺，且至少要有2層巖溶水，其中下部含水層頂板較厚，單孔最枯涌水量達1 889.57 m3/d，其安全系數(shù)較大。以上說明區(qū)內(nèi)巖溶地下水資源豐富、資源保障量是可靠的。

隨著龍山縣經(jīng)濟的快速發(fā)展，縣城面積的不斷擴大，尤其是即將開工建設(shè)的"黔張?？焖勹F路"的修建，將從根本上改善龍山縣落后的交通狀況，對區(qū)域的生產(chǎn)力布局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加快資源開發(fā)利用、促進兩湖及重慶的經(jīng)濟技術(shù)合作，實現(xiàn)優(yōu)勢互補、加快對外貿(mào)易，促進經(jīng)濟快速發(fā)展。到2015年龍山縣城人口將達20萬人，目前城市日供水能力為3萬噸，供水普及率為69.5%，旱季缺水嚴重，2010年春的西南大旱，正值春播期，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量大，許多地方面臨無水可用的困境。為緩解縣城供水緊張矛盾，促進縣城經(jīng)濟發(fā)展，在地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定安全系數(shù)相對較大，供水水文地質(zhì)條件較好的洗洛地區(qū)進行水文地質(zhì)和巖溶水開采條件綜合評價，采用鉆探成井、調(diào)壓蓄水、管引的方案對巖溶地下水綜合開發(fā)，洗洛地區(qū)可成為一巖溶地下水可采資源3～5×104m3/d的中～大型供水水源地，可解決約10萬人的飲水困難。

4 結(jié)語

湖南省龍山縣洗洛地區(qū)巖溶地下水資源豐富，具有地下水埋藏淺、補給面積大、水量充足、水頭高的特點，最枯單孔涌水量1 889.57 m3/d，地下水綜合開采條件良好。采用鉆探成井、調(diào)壓蓄水、管引的方案對巖溶地下水綜合開發(fā)，洗洛地區(qū)可成為一巖溶地下水可采資源3～5×104m3/d的中～大型供水水源地，可解決約10萬人的飲水困難，為確保龍山縣城及附近居民的飲水安全、保持社會和諧穩(wěn)定，促進社會經(jīng)濟發(fā)展和改善生態(tài)環(huán)境意義重大。

通過洗洛地區(qū)巖溶水的綜合水文地質(zhì)勘查，取得了一些在巖溶石山區(qū)水文地質(zhì)勘查的經(jīng)驗:

(1)巖溶地下水的開發(fā)必須遵循科學(xué)認識的基本規(guī)律，通過水文地質(zhì)單元的調(diào)查研究，綜合物探、鉆探工作查明水文地質(zhì)條件及富水規(guī)律，明確水源靶區(qū)。

(2)按照區(qū)域差異性、實用性、自然條件與人類活動因素有機結(jié)合的原則結(jié)合巖溶生態(tài)環(huán)境條件，因地制宜采用實用性較強的巖溶水開發(fā)利用工程方案。

［1］王宇，張貴，李麗輝，等.巖溶找水與開發(fā)研究［M］.北京:地質(zhì)出版社，2007.

［2］勞文科，劉惠敏，蔣忠，等.廣西果化龍何地區(qū)表層巖溶水系統(tǒng)及水資源特征［J］.中國巖溶，2008，27(2):122－128.

［3］王宇.云南瀘西皮家寨巖溶大泉束流調(diào)壓壅水開發(fā)示范［J］.中國巖溶，2008，27(1):1 －5.

［4］劉昌明.陳志愷.中國水資源現(xiàn)狀評價和供需發(fā)展趨勢分析［M］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［5］周仰效，李文鵬.地下水可持續(xù)開發(fā):概念原理與方法［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37(1):1－8.

［6］Cohen，A，Bakker，K.Groundwater governance:explaining regulatory non － compliance［J］. International Journal of Water，2009，5(3):246－266

［7］Bovolo I C，Parkin G，Sophocleous M.Groundwater resources，climate and vulnerability［J］. Environmental Research Letters，2009，4(3):035001.

［8］許志峰，張志祥.三姑泉域巖溶地下水資源量評價［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2009，19(10):144－145.

［9］張志祥，張永波.延河泉域巖溶地下水資源量評價［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，2008，39(4):412 －414.

［10］王慶兵，段秀銘，高贊東，等.濟南巖溶泉域地下水可持續(xù)開采方案分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37(3):1 －5.

［11］楊少勇.棋盤井地區(qū)巖溶地下水及其開發(fā)利用研究［M］.吉林大學(xué)碩士論文:2010.

［12］盛玉環(huán)，周錦忠，劉聲凱，等.湖南省重點巖溶流域水文地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查－湘西酉水流域調(diào)查報告［R］.長沙:湖南省地質(zhì)調(diào)查院，2009.

［13］王多兵，王森球，周進，等.新建鐵路黔江至張家界至常德線大坡梁隧道專項巖溶水文地質(zhì)勘察報告［R］.株洲:湖南省地質(zhì)工程勘察院，2011.

［14］蔣忠誠，宋瑞江，裴建國，等.我國南方表層巖溶帶及其對巖溶水的調(diào)蓄功能［J］.中國巖溶，2001，20(2):106－110.

［15］錢海濤，譚朝爽，王思敬.多層狀碳酸鹽巖巖溶發(fā)育基本模式及其在水利工程中的應(yīng)用實例［J］.中國巖溶，2008，27(1):129－138.

Study on Exploring Prospects of the Karst Groundwater in Xiluo Area of Longshan in Hunan Province

LIU Sheng － kai1，ZHOU Jin － zhong1，BIAN Zhao － jin2，LIU Liang2
(1.Hunan Geological Survey，Zhuzhou，Hunan 412003，China;2.Hunan Institute Of Geological Engineering Investigation ，Zhuzhou，Hunan 412003，China)

Sustained and most attention has been paid to how to solve the shortage of water sources and study sustainable development and utilization it. Therefore，in order to explore the prospects for karst groundwater development，integrated hydrogeological exploration was conducted in the about 7 km east of Xiluo area of Longshan country which was severely lack of water resource，in Hunan province. we identified It＇s hydrogeological conditions and water － rich law，and considered karst valley development district containing at least two stratum of karst groundwater in Xiluo.There had integrated exploration conditions of groundwater，further，the flowrate of groundwater of the most dry hole was 1889.57 m3/d. An medium to large － scale water supply source which could supply 3～5×104m3/d groundwater may exist in Xiluo area，as could be solved the drinking water problem of about 10 million people.

Karst groundwater;integrated hydrogeological exploration;explore and LongshanXiluo

TV211.1+2

B

1004－1184(2012)01－0058－03

2011－10－14

國土資源大調(diào)查項目“湖南省重點巖溶流域水文地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”(200700804)

劉聲凱(1979－)，男，貴州天柱人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作。