喀斯特地區水資源評價及空間供需平衡分析
----以畢節朝營小流域為例

覃換勛，熊康寧，高漸飛,2，肖 華

(1.貴州師范大學喀斯特研究院 國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴陽 550001；2.貴州省山地資源研究所，貴陽 550001)

以貴州高原為中心的中國南方喀斯特是世界上最典型的濕潤熱帶-亞熱帶喀斯特[1]，全省喀斯特出露面積10.908 458 萬km2，占全省土地面積的61.62%[2]。多年水資源總量1 475億m3，居全國第9位[3]。由于地質地貌獨特，加上水利工程方面投入資金不足，各項措施缺乏優化配套，造成水資源利用率，需求與供給嚴重失衡。特別是在偏遠的農村山區，缺水問題制約著當地的生產生活、社會經濟發展以及生態環境的改善。結合國家和地方石漠化綜合治理工程項目，筆者以典型喀斯特石漠化治理區畢節朝營小流域為研究區，以2016年預測年，主要通過水資源分析與評價、水資源需求預測，得出供需狀況，并針對結果提出建議，以期為貴州喀斯特高原山區農村水資源矛盾的緩解提供借鑒。

圖1 畢節撒拉溪示范區朝營小流域位置圖Fig.1 Location map of Sarah xi demonstration zone in Bijie

1 研究區概況

畢節撒拉溪喀斯特高原山地潛在-輕度石漠化綜合防治示范區，位于貴州省畢節市西南部，其核心示范區為朝營小流域(見圖1)，屬長江流域烏江水系六沖河上游支流。小流域土壤以黃壤、黃色石灰土為主，為典型喀斯特峰叢山地地貌。植被以次生林、灌木和灌草叢為主，多分布在峰叢山坡中上部，覆蓋率低；水土流失與石漠化嚴重，輕度及以上石漠化面積占總面積的51.9%。區內地形切割較深，是相對高差較懸殊的區域，海拔1 600～2 200 m。研究區具有暖溫帶高原季風濕潤氣候特征，年均氣溫15 ℃，無霜期245 d，年平均日照時數為1 360 h。年降水量900 mm左右，其中4-9月降水量占全年降水量的90%以上，春冬兩季旱災發生頻率分別為39.5%和29.0%。據統計，截止2011年底，流域內總人口1.654 1萬人，人口密度292人/km2。78%以上人群存在飲水困難問題。經濟社會發展較落后，農業結構單一，主要種植玉米、馬鈴薯及大豆等農作物。靠出售少量生豬(豬仔)、牛羊和外出務工的收入支撐家庭生活開支，貧困程度較重。同時整個流域內溶洞、溶溝、裂隙、落水洞廣布，大氣降水易快速匯集于地下；植被覆蓋率低，土層較薄，巖石裸露，土壤水易蒸發，且表層碳酸鹽巖阻止地下水對上層土壤的水分補充，造成地表干旱嚴重。再加上缺乏相關水利配套工程，水資源利用效率低，居民節水意識差，導致農業生產和生活用水困難，是典型的喀斯特石漠化缺水農村山區。

2 水資源賦存狀況與評價開發

2.1 水資源賦存狀況及特點

朝營小流域位于長江流域烏江水系六沖河支流上游。結合該區水文地質資料、《畢節撒拉溪志》及野外調查等資料得知，小流域多年平均徑流量0.47 m3/s，徑流模數15.79 L/(s·km2) ，平均徑流深498.22 mm。年平均降雨量為892.5 mm，折合降雨量5 027.97萬m3，多年平均地表徑流深498.2 mm，全年地表徑流量約4 298.1萬m3。從含水層巖組結構的角度可將研究區表層帶巖溶水系統結構劃分為森林滯水型、溶蝕差異型和相對隔水型種類型[4]。據不完全統計，小流域內大小泉點118處，全年流量達81.57萬m3，水資源總體豐富[5]。但基于該區水資源賦存條件的復雜性，對表層巖溶水及地下水的儲藏量的評估，相對而言該流域水資源總體呈地表水少，地下水多的特點。水資源主要來源于地表水(降水產生的地表徑流)和地下水，全年降雨量相對較少，且年際變化較大，年均降雨量892.5 mm，年降雨變率為12.13%。其中，年最大降雨量1 284.7 mm，年最小降雨量614.8 mm，前者是后者的2.09倍。年內降雨時間分配不均，降雨主要集中在5-9月，占年降雨總量的57.6%～87.3%。春冬兩季共產生降雨156.16 mm，占年降雨量的17.5%，兩者所占比例分別為5.7 %、11.8%。3-4月春播期間，降雨量為79.84 mm，僅占年降雨量的8.95%。

流域內表層喀斯特水較多，主要以巖溶泉方式出露。泉水是居民的主要水源，但其在時空分布上存在不均勻性，主要表現在：一是泉水流量的時間差異性，雨季泉水總流量為45.64 L/s，而枯季僅為12.35 L/s，兩者相差3.7倍；二是泉點分布空間不均，主要分布在東北部茅坪村，中部的朝營村以及西部的龍鳳村分布較少，幾乎沒有大型泉點出露[5]。綜合泉點分布、泉點流量大小與季節性變化特征(見表1)、水利設施配套情況及配水供水能力等要素，將整個流域分為水資源富集區、平穩區以及匱乏區3種類型(見圖2)。水資源富集區是指水資源除可以滿足當地用水需求外，具有向其他地區調水的潛力；水資源平穩區是指在目前水利工程配置下，水資源基本可以滿足本地用水需求，可向其他區域輸水的能力少或無；水資源匱乏區是指本地區水資源賦存量少，加之工程配套相對短缺，人畜、生活用水困難，水資源難以自足，需要從他處調水作補充。

表1 朝營小流域主要飲水泉點4個季度流量表Tab.1 The flow changes in four seasons of the main drinking springs of Chaoying catchment

續表1 朝營小流域主要飲水泉點4個季度流量表

圖2 畢節撒拉溪示范區朝營小流域水資源賦存狀況分布圖Fig.2 Distribution of water resources occurrence state of Chaoying catchment of Salaxi demonstration area in Bijie

2.2 水資源評價與開發

(1)雨水資源。小流域多年平均降雨總量900 mm左右，折合降雨量5 027.97萬m3，人均占有量大。由于雨水資源時間分布不均衡，單次降雨的強度過小，雨水被蒸發或滯留于屋面，屋面徑流難以形成，也就無雨水可以收集。根據研究區月降雨量時序特征，加大屋面雨水收集力度，在雨季最大可能將雨水儲存起來。結合區內瓦房及平房兩種住房結構，針對瓦房結構房屋，利用瓦面部分作為集雨面，在屋檐下放置集雨槽，并用鐵絲套住固定于房檐上，選擇PVC管(DN110 mm)材料，按中心線切成兩半作為集雨槽，在集雨槽略低端通過轉換彎頭軟管連接，將雨水導入蓄水池(小水窖)中儲存。對于平房，在房屋建成后期，在屋頂四周用磚砌成高30～50 cm的女兒墻，并用M7.5水泥砂漿對內墻面身進行抹面處理，防止滲漏。將雨水收集后通過軟管輸入蓄水池(小水窖)中儲存，待枯季或干旱時使用。使用前需對儲存水作凈化處理，避免了雨水在儲蓄過程中可能產生的次生污染問題，達到保障用水衛生與安全目的。最終構建從屋面集雨→(集雨槽)→軟管導入→蓄水池(水窖)→軟管輸出→生物慢濾池→農戶使用的模式。

(2)地表水(地表徑流)。研究區土地面積5 633.58 hm2，水資源總體呈地表水少，地下水多的特點。流域內無地表河發育，地表水主要是降雨產生的坡面徑流。數據分析表明，多年平均地表徑流深498.22 mm，全年地表徑流量約2 806.76萬m3。區內地表水資源豐富，具有很大的開發潛力。但由于示范區屬于典型喀斯特地貌區，地表地下雙層空間結構發育顯著，導致水源漏失、深埋，形成“土在樓上、水在樓下”(土在各級高原面上，水在地下河及峽谷中)的水土資源不配套的基本格局，再加上水土流失嚴重且土層較薄，造成降雨產生的徑流多沿巖溶裂隙或落水洞等很快注入地下，很難被人們所利用。因此，因地制宜，合理布局相關坡面集雨工程，優化配套建設截水溝、引水渠、攔沙壩以及蓄水池等各項水利水保設施，是喀斯特地區充分利用地表水的關鍵途徑。

(3)地下水。小流域屬于典型的喀斯特高原石漠化地區，地下管道強烈發育，“地高水低”、“雨多地漏”、“石多土少”、“土薄易旱”造成了可利用的地表水資源不足；土壤涵養能力低，保水蓄水能力較差，調蓄徑流能力較小，漏水嚴重，形成了“地表水貴如油，地下水滾滾流”的局面。區內地下水資源主要通過大氣降水入滲補給和灌溉回歸補給兩種方式。

降水入滲補給量：根據《雨水集蓄利用工程技術規范》[6]、《灌溉與排水工程設計規程》[7]以及巖溶地區地下水資源開發利用規劃等相關研究成果，并結合喀斯特地區特殊水文地質條件，流域內降水入滲補給系數采用0.35，流域面積為5 633.58 hm2。計算公式[8]：

Q=0.1aPF

(1)

式中：Q為降水入滲補給量，萬m3/a；P為平均降水量，mm；a為降水入滲補給系數，取a=0.35；F為流域面積，km2，F=56.335 8 km2。

經計算得出流域內降水入滲補給量為1 759.80萬m3/a。

灌溉回歸補給量：流域內林草灌溉用水會部分入滲補給地下水，可按灌溉回歸水系數計算灌溉回歸補給地下水的水量。計算公式[9]：

Wg=βM毛A/1 000

(2)

式中：Wg為灌溉回歸水量，萬m3；β為灌溉回歸系數；M毛為毛灌溉水量，m3；A為灌溉面積，hm2。

根據《雨水集蓄利用工程技術規范》、《灌溉與排水工程設計規程》以及巖溶地區相關地下水資源開發利用規劃等相關研究成果，結合項目區地下水埋藏條件，深灌水定額和土層性能，灌溉回歸系數取0.30；毛灌溉水量取350 m3；流域內耕地面積2 446.48 hm2。經計算得出流域內降灌溉回歸補給量為25.69萬m3。

通過降水入滲補給和灌溉回歸補給，流域內地下水每年補給量達1 785.49萬m3。流域內地下水資源總體豐富，但因經濟、技術等因素，地下水的利用率低。隨著社會、經濟以及科技的發展，人們探索地下水開發利用的技術日新月異，其形式也呈現多樣化發展。我們可以利用提水技術，通過地下河天窗、天窗旁打井、機電、落差以及淺層地下水開挖進行提水；采用引、蓄水技術，在地下河出口引水、圍泉引水、泉點露頭引水；此外，充分利用表層及淺層喀斯特水引、蓄、提綜合利用技術，對于只有單個泉點出露的地點，采用“泉水+引水管(渠)+水池(水窖)+管網”輸出的方式，有效開發利用地下水，是典型喀斯特解決人畜飲用及生產用水的重要手段。

3 水資源供需預測

各類需水對象對水的需求量不同，確定其需水定額，進行需水量計算是對小流域內水資源供需平衡分析的前提。按照小流域基本需水標準和計算方法，對整個流域進行年需水總量進行計算。生活用水標準參考國家規定相關標準[10]，并結合當地實際情況確定；生態需水及農業用水標準根據實地調研及資料分析確定[11]。在此以2016年為現狀年，需水量主要從人畜需水、農作物需水以及林草需水3個部分來分析。

3.1 人畜需水預測

據統計，2011年底流域內有人口1.654 1 萬人，其中有4 205 人外出務工。有豬1.248 3 萬只，牛630只，羊1 730只，狗326只，雞1.229 2萬只，鴨35只，鵝160只。對2016年進行人口預測，根據公式：

Pe=Pb(1+k)n

(3)

式中：Pe為期末人口數；Pb為初期農業人口數；K為人口自然增長率。

結合流域實際，流域內均屬于農業人口Pb為1.654 1 萬人；人口自然增長率k取0.56%；則流域內2016年人口總數達Pe=Pb(1+k)n=1.654 1×(1+0.56%)5=1.700 9 萬人。

假定2016年外出務工人口占總人口比值與2011年所占的比值不變，那么2016年外出人口數為4 324人。

根據實地調查，村居民每人每天的用水定額為0.08～0.11 m3，取每日生活需水量為0.1 m3/(人·d)，一年按365 d計，即可算出常住人口年用水量為1.268 5萬人×0.1 m3/(人· d)×365 d=46.3 萬m3。

假定2016年牲畜和家禽數量與2011年相當，根據單位換算：1匹騾=1個牛單位，1只羊=0.2個牛單位，1頭驢=0.6個牛單位，1只羊=0.25個牛單位，1只狗=0.025個牛單位，1頭豬=0.3個牛單位，1只雞、鴨、鵝=0.01個牛單位。通過計算，可求出該地區有4 917.52個牛單位，牛每日需水0.8 m3，年需水量V5=4 917.52×0.8×365=143.6萬m3。2016年流域內人畜年需水總量為189.9萬m3。

3.2 生態需水預測

3.2.1農作物(玉米)需水預測

在朝營小流域中，坡耕地的作物中的以玉米為主要作物，由于玉米對水分的需求較多，在苗期應適當控水外，才能獲得高產。玉米不同生育時期對水分的要求不同，整個生育期內，水分的消耗因土壤、氣候條件和栽培技術有很大的變動。玉米需水量多少與播種季節有關，春玉米生育期較長，耗水絕對量比夏玉米要多得多。根據流域海拔、氣候條件，玉米選擇春種，一年一季。一般玉米從清明開始播種到國慶收割至少需要180 d，即生長日期從4月至10月。

玉米從播種發芽到出苗，需水量少，占總需水量的3.1%～6.1%。玉米播種后，需要吸取本身絕對干重的48%～50%的水分，才能膨脹發芽。玉米在出苗到拔節的幼苗期間，植株矮小，生長緩慢，葉面蒸騰量較少，所以耗水量也不大，約占總需水量的15.6%～17.8%。玉米植株開始拔節以后，生長進入旺盛階段。因為在這一時期氣溫還不斷升高，葉面蒸騰強烈。因此，玉米對水分的要求比較高，約占總需水量的23.50%～29.60%。玉米抽穗開花期，對土壤水分十分敏感，如水分不足，氣溫升高，空氣干燥，抽出的雄穗在2～3 d內就會“曬花”，造成有的雄穗不能抽出，或抽出的時間延長，造成嚴重的減產，甚至顆粒無收。這時需水量因抽穗到開花的時間短，所占總需水量的比率比較低，約為13.8%～27.8%。這一階段土壤水分以保持田間持水量的80%左右為最好。玉米進入灌漿和乳熟的生育后期時，仍需相當多的水分才能滿足生長發育的需要。約占總需水量的4%～10%來維持植株的生命活動，保證籽粒的最終成熟。

在整個玉米生長發育到成熟過程中，都需要一定的水量，保持一定的田間持水量。結合流域實際和生產灌溉經驗，玉米在生育期需水量每畝最低需水量為300 m3。假設2016年農作物種植面積不變，則整個流域玉米需水總量為：V玉=2 446.48×15×300=1 100.92 萬m3。

3.2.2林草需水預測

在流域內林地面積2 891.07 hm2、草地面積14.59 hm2，因為草地面積較小，因此將草地面積轉化為林地面積計算，記為2 905.66 hm2。 林草需水量可通過確定其灌溉定額以及灌溉次數計算。

(1)確定灌溉定額。林草灌溉定額以補足田間持水量為宜，根據流域內果林草地土壤物理性質的分析，其田間最大持水量為26.52%，適宜土壤含水量的上下限分別取值90%、70%，0～30 cm土壤密度1.21 g/cm3，林草根系活動層深度30 cm，灌溉利用系數取值0.8。降雨對林草補給灌溉方式猶如噴灌，則根據噴灌灌水定額公式[12]：

m=0.1rh(P1-P2)/η

(4)

式中：m為設計噴灌定額，mm；r為土壤密度，g/cm3；h為作物主要根系活動層深度，cm；P1、P2為適宜土壤含水量的上下限，重量%；q為田間最大持水量，重量%；η為噴灌水利用系數。

P1=0.9q=0.9×0.265 2=23.87%；P2=0.7q=0.7×0.265 2=18.56%；m=0.1rh(P1-P2)/η=0.1×1.21×30×(23.87-18.56)÷0.8=24.09 (mm)

若灌溉定額以m3/hm2為單位，則：

m0=10×24.09=240.9 (m3/hm2)

(2)確定灌溉次數。若林草灌溉以灌溉保證率為75%，據1951-2012年畢節站多年氣象資料，75%降雨保證率的對應典型年份為2012年。以天然降雨不能滿足經果林草生態需水為干旱統計標準，即日降雨量小于2.61 mm，連續5 d累計降雨量小于13.05 mm，連續10 d累計降雨量小于26.1 mm。經降雨資料分析，2012年連續干旱天數為24 d。設計抗旱天數取值24 d，則林草生育期灌溉次數為3.29次，取整數值為3次[11]。

流域內林草面積2 905.66 hm3，其生育期灌溉次數為3次，每次灌水定額238.2 m3/hm2，則2016年全年需水總量為V林草=2 905.66×238.2×3=207.64 萬m3。

4 供需平衡狀況分析

朝營小流域共有農戶4 893戶，居民生活用水和牲畜飲水來源主要靠泉點飲水及屋面集雨兩種方式。據統計，在全流域4 893戶中，有近85%的農戶采用屋面集雨，集雨面積均為80 m2，由于不同材料集流面在不同年降雨量地區的年集流效率不同，小流域集流效率取0.8，則每年可集蓄雨量達23.76萬m3。流域內農作物及林草主要靠降雨補給，結合流域水文地質情況及土壤特性，流域內有效降雨系數農作物取0.4，林草取0.45。根據預測的2016年用水狀況，作出流域內水資源理論供需平衡如表2所示。

表2 朝營小流域2016年水資源供需平衡分析 萬m3

通過分析得出：小流域內水資源供需失衡，水資源短缺嚴重。總供給量1 105.50萬m3，而人畜、林草以及農作物需水量達到1 498.50萬m3，差額為392.96萬m3，占到總需水量的26.22%，總供給量的35.55%；在人畜需水方面，供給量只能滿足需水量的60.74%，仍有35.26%需要其他補給。在林草和農作物方面，供給量只占到需求量分別為：56.20%和79.34%，所需補給量達318.4萬m3。

5 結 語

根據水資源供需預測結果，小流域水資源供需失衡，缺口達318.4萬m3，水資源短缺嚴重的問題。結合流域現狀，為實現區內水資源的供需平衡，保障地區用水安全，筆者提出以下幾點建議。

(1)加快水利配套工程建設，深入開發利用巖溶水及地下水。據實地調查發現，研究區內現已開發表層巖溶泉93處，占泉點總數的79%，日均流量19.88 L/s，年徑流量達62.69萬m3，而區內全年實際開采量為19.64萬m3，利用率僅為31.33%[5]。加上流域內水文地質條件復雜，受巖性、地質構造、地形地貌、氣象及地表水系等因素控制，水利工程投入的成本高及施工難度大，不少工程存在“肚子”沒“腸子”現象，布局不合理、配套不完善，形成有水輸不出的局面，工程的效率整體低下。因此，加快水利配套工程建設，因地制宜、因水制宜，配套建設提水站、蓄水池、輸水管網等工程，結合流域內水資源空間分布不均現狀，實施水資源空間調度。例如，流域內的茅坪村、永豐村的水資源比較豐富，而朝營村卻明顯不足。可利用提灌技術，通過管網將水輸送往朝營境內，解決該村缺水問題。

(2)大力實施坡面集雨工程，高效利用地表水(地表徑流)。坡面集雨工程是解決喀斯特農村山區缺水問題的一種有效途徑，特別是在典型石漠化治理區朝營小流域。據實地調查發現：流域內除了少部分耕地配有灌溉設施外，絕大部分農田仍是靠降雨進行自然補給，水資源利用效率低。雨季降雨產生的大量地表徑流未得到充分利用，直接通過巖溶裂隙、落水洞等流入地下；旱季由于缺少必要的水灌溉補充，作物受旱情影響產量明顯降低。通過坡面集雨工程，有效積蓄雨水資源，不僅可以解決因降雨形成的洪澇問題，還能滿足旱季作物灌溉用水需要。研究表明，喀斯特山區坡面產流閾值約20 mm[13]，據此計算研究區年均有效降雨次數10.7次，有效降雨量379.5 mm，以坡面產流系數0.5計算，林草坡地年產流總量為856.9萬m3，集雨潛力巨大[5]。此外，為提高水資源利用效率，在實施坡面集雨工程的同時，還應該配套有相應的節水灌溉設施，充分利用噴灌、滴管、微灌等節水灌溉技術，高校利用有限水資源。

(3)加強設施管護，提高居民節水意識。水利設施保養的好壞是保證水資源能否得到充分利用的前提，提高居民節水意識是避免水資源浪費的關鍵。通過成立水利工程維護和管理小組，或通過成立自來水公司的形式，由公司全權負責水利工程的建設、運行、管理以及維修工作，并通過收取水費的形式取得補償，通過定期檢查和維護，保障水的正常供應。同時加強居民節水教育，提倡水的循環利用，保護重要水源地以及地下水資源，防止水體污染，對水的長期利用，造福 子孫后代，其意義重大而深遠。

此外，我們應加大喀斯特地區石漠化治理力度，把生態修復作為石漠化治理工作一項首要任務，植樹種草，保水固土，保護生態環境，從源頭開始，是解決喀斯特地區缺水問題，達到水資源供需平衡的根本。

[1] 熊康寧，陳起偉. 基于生態縮治理的石漠化演變規律與趨勢討論[J]. 中國巖溶，2010,29(3):50-56.

[2] 熊康寧,陳永畢,陳 滸，等.點石成金-貴州石漠化治理技術與模式[M].貴陽:貴州科技出版社,2011:1-13.

[3] 中國水利年鑒編輯委員會.1998年中國年鑒[M].北京：中國水利水電出版社,1998.

[4] 高漸飛,蘇維詞. 喀斯特高原山地地貌區水資源優化利用方式----以貴州省七星關區朝營小流域為例[J].節水灌溉,2015,(9):74-78.

[5] 石 博,熊康寧,李高聰,等.貴州喀斯特山區農村缺水現狀及對策研究----以畢節撒拉溪示范區為例[J].人民長江,2014,(5):79-82.

[6] GB/T 50596-2010，雨水集蓄利用工程技術規范[S].

[7] GB50288-99,灌溉與排水工程設計規范[S].

[8] 曹劍鋒,遲寶明,王文科,等.專門水文地質學[M].北京：北京科學出版社,2006:5-185.

[9] 魏永霞,王麗學.工程水文學[M].北京:中國水利水電出版社,2005:58-77.

[10] 水利部農村水利司中國灌溉排水發展中心.雨水積蓄利用工程技術[M].鄭州:黃河水利出版社,2011.

[11] 肖厚軍,蔣太明,夏錦慧,等.貴州幾種作物需水量的估算與分析[J].貴州農業科學,2004,32(1):41-42.

[12] 石 博.喀斯特山區坡面集雨技術與示范研究[D].貴陽:貴州師范大學,2013.

[13] 王恒松.貴州典型喀斯特單元生態治理區水土流失機理研究[D].貴陽:貴州師范大學,2009.