喀斯特峽谷地下水特征及雨水蓄水工程的水質情況研究——以貴州省花江峽谷為例

林濤，周文龍，江波，吳克華，賀衛

(貴州科學院山地資源研究所，貴州貴陽5550001)

花江喀斯特峽谷石漠化治理示范區位于貴州省關嶺縣和貞豐縣相交的北盤江中游河段，地理位置為105°36′30″～105°46′30″E，25°39′13″～25°41′00″N［1］。示范區面積 47．63 km2，其中碳酸鹽巖面積比例達88%［2］。區內生態環境脆弱，輕度以上石漠化土地面積和水土流失面積分別占全區土地面積的63．2%和44．6%［3］。坡度≥25°的土地占全區總面積的87%，平地只占全區總面積的2%。示范區內海拔為500～1 200 m，高差達700 m，地形崎嶇，是典型的喀斯特峰叢峽谷地貌。

花江示范區氣候屬于中亞熱帶低熱河谷氣候，年平均溫度18℃，≥10℃積溫6 542℃，年平均降雨量1 300 mm左右［4］。土壤表現出干、瘦、薄、粘、堿等性質，主要有紅色石灰土、紅大泥土、紅小泥土、黑色石灰土、黃色石灰土等土壤類型。自然植被屬于亞熱帶半濕潤常綠闊葉林，有大量的榕樹、楹樹、血桐、復羽葉欒、香椿，并且有耐旱的木棉、余甘子、仙人掌、火龍果等植物［5］，反映出示范區石漠化、土壤干旱和鈣堿性的特征。

示范區行政區域包括貞豐縣北盤江鎮和關嶺縣板貴鄉，人口6 845人，現有耕地566 hm2，其中旱地560 hm2。由于峽谷形態為箱型谷，河谷深切，岸坡垂直，居民點與耕地一般高于花江河面200 m以上，村(寨)高水低，土(耕地)高水低［6］，用水條件極為惡劣。1998和2005年的兩次大規模蓄水工程建設后，通過蓄集表層裂隙水和截留雨水，飲用水條件有所改善，而農業用水和生態用水條件仍然十分困難。

1 示范區喀斯特泉發育特征

貞豐縣氣象局1950年至今的氣象資料顯示，示范區年平均降雨量為1 248 mm左右，人均平均分配水量8 684 m3，耕地平均水量10．49萬 m3/hm2。但是，由于降雨量的80%集中在5～10月，而降雨量由峽谷高海拔向低海拔呈現規律性下降趨勢［1］(圖1)。另一方面，根據花江示范區平均地表徑流系數0．45、平均徑流模數13．91 L/(s·km2)，可以推算出示范區內坡面水資源的儲量可達2．76×107m3［7］，人均占有量達4 037 m3。但因為降雨集中在5～10月，加上峽谷地貌山高坡陡，石漠化區巖石裸露，植被覆蓋率低，潛水不容易被保留，順坡面直接流入花江。這就造成了花江喀斯特峽谷示范區水資源時空分布不合理，直接表現為峽谷區雨季存不住水、旱季無水可用的喀斯特峽谷工程性缺水現象［8］。

盡管示范區內表層裂隙水和雨水資源相對豐富，但是由于分布位置遠離居民點，而且泉水出口位置交通不便，流經路程長，易被農業活動污染。加上部分調蓄水工程缺乏配套設施(蓋板、截水溝、沉砂池、擋土墻等)，以及運行期蓄水管理不善。導致水池雖然蓄滿水，但是水質僅能達到農業和部分工業用水的Ⅲ類水質標準，而達不到生活飲用水的質量標準。為了摸清蓄水類型，發現微型蓄水工程在蓄水中出現的水質問題，改善水質質量，提高示范區蓄水水質，項目對示范區15個泉點、115個調蓄水工程進行了實地調查。

1．1 示范區裂隙喀斯特泉賦存特征 花江喀斯特石漠化治理示范區的表層喀斯特水主要賦存于中三疊統壟頭組(T2lt)灰巖、白云質灰巖、灰質白云巖、白云巖地層裂隙中［7］(圖2)，多以表層喀斯特泉的形式出露。現在已發現15處泉點，泉點雨季和旱季流量差異巨大，可達數十倍。由于泉點間有泥質白云巖所形成的相對隔水底板，使得上下游泉點在水力聯通性上較弱［9］。泉點多分布在巖層產狀平緩、裂隙管道分布廣泛的區域，產狀傾角大或者地層為泥質白云巖、粘土巖的地區泉點少、流量小。另外，花江喀斯特峽谷區具有特殊的表層喀斯特水排泄過程，這個排泄過程可以描述為峰叢河谷的表層喀斯特水循環，其路徑為降雨→土壤入滲→充實喀斯特裂隙和管道→由管道向峽谷兩岸匯流→排入花江［7］(圖3)。

1．2 喀斯特泉點發育特征 示范區喀斯特泉按含水介質分為3種類型:①有隔水底板的表層裂隙水。泥質白云巖、白云巖形成相對隔水底板，隔水底板上的表層喀斯特水以泉的形式流出，流量小但全年不斷，最小流量僅為0．003 L/s。②裸露性表層喀斯特裂隙水。在灰巖或白云質灰巖表層發育較多的裂隙含水介質，小規模的裂隙具有一定聯通性，裂隙水在峽谷斜坡上出露。③表層喀斯特管道水、表層喀斯特帶內的裂隙具有一定匯流空間，管道水流沿峽谷斜坡向花江排泄，沿途可見表層巖溶天窗或巖溶潭，大雨時天窗中表層裂隙水可以涌出地表，最大流量可達0．48 L/s。

2 喀斯特裂隙泉及雨水蓄水工程蓄水水質

2．1 蓄水水質分析 從花江示范區115個蓄水池中，選取能夠代表示范區表層裂隙喀斯特水和雨水的北盤江鎮馬刨井和板貴鄉萬年墳火龍果基地兩個蓄水池作為采樣點采集水樣。馬刨井泉點附近多石山，氣候干燥、土層薄，水土流失嚴重，農作物產量低，以花椒、烤煙為主。蓄水池為全封閉半埋入式水池。水源為喀斯特裂隙水，墻體為漿砌條石，內層抹水泥2 cm，容積1 500 m3，池底為鋼筋混凝土結構，設有防滲層。萬年墳水池位于花江河段南段貞豐縣北盤江鎮東北部，具有海拔低、干熱河谷氣候的特點。水池為敞開式蓄水池，水源為雨棚收集的雨水，水池蓄水量568 m3。上有圍欄，墻體為漿砌塊石，厚60 cm，內外墻用75#水泥砂漿抹面。池底為:5 cm75#砼找平層→15 cm150#鋼筋混凝土層→GST高分子防水層。坡面上設有80 cm高的擋泥墻。蓄水時間為2014年4月～8月。采樣按照生活飲用水監測采樣操作方法(二次供水)進行，樣品委托貴州省地質礦產中心實驗室進行檢測。檢測儀器為iCAPQ等離子質譜儀，檢測指標包含毒理指標和一般化學指標總共29項，所使用的對照標準為《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)。

由表1可知，馬刨井表層裂隙水各項指標均達到GB5749-2006的要求，而總硬度和溶解性總固體這兩項稍微偏高。其原因為喀斯特水經過灰巖、白云巖的巖層裂隙后，攜帶了一定量的 Ca2+、Mg2+、HCO3-［10］，呈 HCO3--Ca和HCO3--Ca·Mg型水，pH略偏堿性，都是喀斯特水的一般特征。然而，在萬年墳蓄水池雨水的檢測結果中，發現CODMn達3．62 mg/L，超過標準限值21%。而pH達8．47，已接近標準限值8．5的上限。肉眼可見物方面，發現有細小灰白色物質、硅藻以及少量藍綠藻。同時比較馬刨井喀斯特裂隙水，總硬度、溶解性總固體和氯化物的值要小得多。經過水化學分析和借鑒之前花江示范區喀斯特水資源調查的成果，可以確定在水循環的過程中，由于在蒸發、水氣輸送過程中，采樣點原本的地表徑流、土壤水和喀斯特裂隙水所含的Ca2+、Na+、K+、Mg2+、Cl-、NO3-、SO24-等各類離子無法全部遷移，再加上水汽輸送過程中的脫氣作用，使得CO2(aq)和HCO3-等成分喪失。因此，示范區蓄積的雨水比喀斯特裂隙水在硬度、溶解性總固體和氯化物等指標上偏低。而針對雨水中pH偏高，耗氧量偏高，甚至某些時段超過國家生活飲用水標準的情況，在有硅藻存在的情況下，測定了雨水在不同時間的pH和溶解氧。證明了水池封閉且陽光照射的情況下，藻類的繁殖會導致pH上升、耗氧量增加、水質惡化。嚴重時會導致蓄水工程水體富營養化［11］，產生腥臭氣味，無法提供村 民正常飲用水。

表1 示范區表層裂隙水與雨水水質監測結果

2．2 藻類光合作用對蓄水池水質的影響 表層裂隙喀斯特水含有 Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO23-、H+［12］和溶解 CO2為主要成分，具有以碳酸鹽巖為主的管道及裂隙網絡構成，同時CO2參與喀斯特作用。蓄水池雨水的水化學變化要簡單得多，但是由于水體中硅藻的存在，水池水體具有特殊的H2CO3平衡過程，可以表示如下:

在雨水蓄水池水體中，碳酸鹽體系主要依賴HCO-3的形式存在［14］，而藻類的光合作用則將水中的HCO-3和CO2轉化為有機質、溶解氧和OH-，下列反應式反映了光合作用與碳酸鹽體系的關系:

由于HCO3-的濃度決定了OH-和pH的大小，而藻類的光合作用在陽光照射時釋放出溶解氧，而在夜間由于呼吸作用消耗氧氣、釋放CO2。因此，花江示范區雨水蓄水池的pH、耗氧量、溶解氧等水質指標變化是由于藻類的光合作用和呼吸作用所導致的。為了證明這一結論，2014年12月16日在萬年墳火龍果基地水池再次取樣進行分析，重點測定含硅藻的雨水樣在不同時段內的pH、溶解氧。由表2可知，pH和溶解氧隨光照強度增大而增加，在13:00時升至極大值，之后由于光照強度減弱，pH和溶解氧都呈減小趨勢，pH和溶解氧呈正比例關系。而夜間則由于呼吸作用，溶解氧濃度降低，生物耗氧量增大。如果硅藻繼續生長，pH和耗氧量必將持續增大。

3 結論和建議

(1)根據此次水質調查，花江示范區蓄水工程使用澆筑方法建設的水池大多水質良好、運行穩定，這類水池大多用于收集喀斯特裂隙水，如馬刨井水池。而用于收集雨水的水池大多沒有加筑頂板，這就導致了水池內易滋生藻類、水質惡化，不宜飲用。因此，雨水集水池應通過屋面收集雨水→軟管導入→水窖儲存→管道輸出的方式降低光照，阻止藻類生長，同時也可以將水溫保持在較低的水平，可大大減小水中細菌的自然繁殖速度，從而達到減少水中細菌數量的目的。

表2 含硅藻水樣不同時間段pH和溶解氧變化

(2)注意雨水型蓄水池的衛生健康維護，在雨季雨水充足時，對水窖進行徹底的清洗。每年在雨季投放0．5 mg/L濃度的硫酸銅，Cu2+作為重金屬離子，能夠比Mg2+、Na+更快地進入到藻類葉綠體，導致葉綠體重金屬中毒，達到殺死藻類的目的。也可以使用二氧化氯、臭氧等，對藻類細胞酵素蛋白進行破壞，清除藻類。硫酸銅等藥品投放后水池應排空，清除淤泥，確保有害物質無殘留后才能再次蓄水。

(3)若因客觀條件限制，無法對水池進行以上改良和維護時，盡量將雨水蓄水工程作為灌溉水源。不得不在雨水蓄水池中取水時，應盡量避免在下午取水。

［1］賀衛，李坡．喀斯特峽谷區工程型缺水原因及解決途徑:以貴州省華江峽谷示范區為例［J］．資源開發與市場，2010，26(2):129-134．

［2］蘇維詞．貴州花江喀斯特石漠化治理示范區水資源賦存特點及開發利用評價［J］．中國農村水利水電，2007(2):139-148．

［3］熊康寧，白利妮，彭賢偉，等．不同尺度喀斯特地區土地利用變化研究［J］．中國巖溶，2005，24(1):41-47．

［4］楊明德，梁虹．喀斯特峽谷景觀資源的旅游評價［J］．貴州師范大學學報:自然科學版，2000(4):23-28．

［5］李開忠，彭賢偉，熊康寧．貴州喀斯特峽谷地區土地利用效果評價——以貴州省花江峽谷地區為例［J］．中國巖溶，2005，24(4):293-300．

［6］蘇維詞，朱文孝，滕建珍．喀斯特峽谷石漠化地區生態重建模式及其效應［J］．生態環境，2004，13(1):57-60．

［7］賀衛，李坡，吳克華．花江峽谷示范區表層巖溶水資源開發與保護［J］．水資源保護，2011，27(2):13-17．

［8］袁道先，章程．巖溶動力學的理論探索與實踐［J］．地球學報，2008，29(3):355-365．

［9］章程，袁道先，曹建華．典型表層巖溶泉短時間尺度動態變化規律研究［J］．地球學報，2004，25(4):467-471．

［10］高贊東，段秀銘，王慶兵，等．濟南巖溶泉與地下水水質監測［J］．水文地質工程地質，2008(2):10-17．

［11］郭永彬，周倫，高旭波．娘子關泉巖溶地下水水化學特征分析［J］．安全與環境工程，2013，20(2):64-71．

［12］賈亞男，袁道先，何多興．桂林東區土地利用變化對淺層巖溶地下水質的影響［J］．西南大學學報:自然科學版，2006，31(4):167-171．

［13］胡艷娟．水庫藻類光合作用對pH和溶解氧的影響［J］．黑龍江水利科技，2011，39(2):17-18．

［14］郭芳，姜光輝．西南巖溶石山地區水窖水質狀況及保護措施［J］．水資源保護，2005(1):18-20．