峰叢洼地典型家庭水柜水量及水質的動態變化特征

郭永麗，姜光輝，趙紅亮，王紫燕，苑曉雨

(1.中國地質科學院巖溶地質研究所，國土資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室，廣西 桂林 541004；2. 聯合國教科文組織國際巖溶研究中心，廣西 桂林 541004)

0 引 言

根據地表巖溶形態及其組合關系，西南巖溶區地貌類型可劃分峰林平原、溶丘洼地、峰叢山地和斷陷盆地4種[1]。巖溶地貌是控制地下水資源賦存和分布規律的主要因素，峰叢山地區是西南巖溶區自然環境最惡劣的地區，分布于云貴高原和黔桂交界處的斜坡地帶，地貌類型以峰叢洼地和深切河谷為主，地下水埋深一般大于300 m，耕地分布零星，村民居住分散，不適合大規模集中供水[2]。峰叢山地區由上向下巖溶發育可劃分為表層巖溶帶、垂向滲濾帶和飽水帶[3]；其中，強烈巖溶化的表層巖溶帶由縱橫交錯的溶蝕縫洞構成的巖溶網絡結構，孔隙度大且滲透性高，對水資源開發和生態建設有著特殊的意義。建設水柜工程、搞節水灌溉是峰叢山地區農村合理利用水資源的重要手段[4,5]。在地頭和居民住處建立地頭水柜和家庭集雨水柜，充分集蓄雨水、表層巖溶泉水和地表水源，進而分散蓄水和引水，解決零星分布的耕地灌溉和居民飲用水問題[6,7]，給農村帶來經濟和生態等多方面的效益[8]。本文選取桂西北山區峰叢洼地典型的家庭水柜，分析不同條件下水柜水質特征、及某一典型家庭水柜水量和水質動態變化特征，為合理開發利用石山地區水資源、執行利國利民和精準扶貧政策提供科學依據。

1 研究區概況

研究區地處北回歸線以北，云貴高原南緣，屬亞熱帶季風氣候區；冬季無嚴寒，夏季無酷暑，冬短而干，夏長而濕，春秋相當，四季如春；歷年平均氣溫19.2 ℃，1月最冷，7月最熱。歷年平均月降水量分配極不均勻詳見圖1[9]。降水量多集中在5-9月份(豐水期)，占全年降水量的75.7%，6-8月份為全年降水量的高峰，月均降水量227.7～320.4 mm，而12月份至翌年2月降水量最少，月均降雨量27.2～28.9 mm。鳳山縣年平均蒸發量比降水量少，屬于濕潤地區。喬音河縱貫鳳山縣中部，為半地表河，明流和地下流程長均約30 km；九曲河發源于鳳山縣城東部約1.5 km處鳳凰山麓的鴛鴦泉，鴛鴦泉水長年不斷，外流匯成小溪，自東向西穿過縣城，匯入喬音河(圖2)。

圖1 鳳山縣歷年平均月降水量分布圖[9]Fig.1 The distribution map of average monthly precipitation of many years in Fengshan

鳳山縣位于廣西西部，全縣境內地貌屬于典型的喀斯特巖溶地貌；出露的地層主要是石炭系、二疊系和三疊系，石炭系和二疊系是連續沉積的碳酸鹽巖，總厚度超過1 000 m。全縣總面積為1 738 km2，石山占58%，土山丘陵占42%。鳳山縣地形地貌復雜，按成因類型可劃分為構造侵蝕和構造溶蝕，按形態特征可分為中低山、峰從洼地、峰叢谷地三類；地貌以峰從洼地、谷地為主，地表水資源匱乏，地下水埋深很大，當地村民無地表水可用，而地下水取用困難，屬于典型的山區缺水縣[9,10]；區內植被以灌木叢為主，且土壤貧瘠，多選擇種植耐旱農作物；村屯零星分散在峰叢洼地內，離水源距離較遠，集中供水較困難，家庭水柜能較好地解決村屯飲水問題[5]；鳳山縣“水柜農業”計劃的實施對促進全縣農業的發展起著極其重要的作用[10]。本次研究選取鳳山縣位于峰叢洼地村莊(油菜坪、弄雷村、龍頭村和弄鍋峒)的水柜(圖2)進行水質和水量動態變化特征研究，進而為基于水柜載體合理利用水資源提供指導。

圖2 研究區簡圖Fig.2 The diagram of the study area

2 分析和討論

由于降水過程中會溶解大氣中的CO2、NOx和SO2，即使沒有人類活動影響的情況下，降水也會呈現弱酸性(pH=5.0～5.6)[11,12]，其電導率相對較低(65 μs/cm)[13]。降水流經區內石炭系和二疊系的碳酸鹽巖，弱酸性水易與碳酸鹽巖發生反應，經過離子交換和溶蝕作用等過程后形成巖溶地下河水和巖溶泉水的pH值增大，屬于中性水。由于巖溶地下河徑流過程中，影響因素復雜，降水可經落水洞、天窗等直接補給地下河水，且地下河流速較快；與巖溶地下河水相比，經表層巖溶帶形成的巖溶泉水，其流速慢且徑流路徑相對封閉；所以巖溶地下河水的pH值變化范圍(7.06～7.71)較巖溶泉水大(7.11～7.25)，而其電導率值(268～418 μs/cm)較巖溶泉水低(401～482 μs/cm)。區內地形地貌特征決定峰叢洼地內零星分散的村莊降水資源極易流失，儲水困難，且地下水埋深大取用困難，解決這類村莊飲水問題的手段就是利用水柜為容器儲存降水及流速緩慢的包氣帶水(土壤水及巖溶泉水)。基于區域內巖溶地下河水、巖溶泉水和大氣降水的基本水化學參數特征，以下進行分析峰叢洼地典型家庭水柜水量和水質的動態變化及影響因素，為合理開發利用水資源提供科學依據。

2.1 不同條件下水柜水質狀況

2.1.1 同一形成條件下水柜基本水化學參數特征

文中選取弄雷屯同一條件下形成的水柜的基本水化學參數進行分析，由表1統計可知，WT-1和WT-14水柜中DO的范圍為1.38～8.59 mg/L；SPC的范圍為75.9～230.2 μs/cm；pH的范圍為7.05～9.49。其中WT-3中的DO最大，水溫為23.9 ℃；WT-10的DO值最小，水溫值最低(21.3 ℃)；WT-1水中的水溫最大(24 ℃)，DO值為8.06 mg/L；WT-8中的SPC的值最大，而pH值最小；WT-12的SPC的值最大，而pH值最小。綜合上述規律，DO值整體上隨著溫度的上升而增加，上升到一定程度，又隨著溫度的上升而下降；SPC值與pH整體上呈負相關關系，相關系數為0.81，且置信度(雙測)為0.01。與區域巖溶水和大氣降水的SPC和pH值相比，水柜的SPC較接近于大氣降水且遠遠小于巖溶泉水，表明大氣降水是這些水柜的主要儲水來源。近80%水柜呈堿性水且大于其補給水源的pH值，一個水柜相當于一個小的生態系統，與外界直接連通，生物活動等加上水柜材質的影響，導致水柜的pH值增大影響水柜的水質狀態；約20%水柜的pH值呈中性，是因為這些水柜是新建的或最近清洗過，水柜內生態系統較簡單。

表1 弄雷村水柜水質數據匯總Tab.1 The statistical table of common water chemicals of water tanks in Nonglei

2.1.2 不同徑流剖面下水柜的基本水化學參數特征

統計油菜坪和龍頭村不同徑流坡面下水柜基本水化學參數特征(表2)，水柜的集水面類型包括凹面型、凸面型、凹凸面交替型和近平面型；分析表2可知，DO、pH沒有明顯的規律性，而凹面型坡面中的SPC值大于凸面型坡面，是由大氣降水在凹面型坡面及表層巖溶帶內經歷的時間較長造成的。

表2 油菜坪和龍頭村基本水化學參數及水柜類型統計表Tab.2 The statistical table of common water chemicals and types of water tanks in Youcaiping and Longtou

2.1.3 巖溶泉水補給條件下水柜的水化學參數特征

S1、S2和S3常年有水，位于峰叢洼地坡腳處；S1和S2匯集于一水槽內，之后經坡面流入水柜內，水量尚可，其水量和水質動態變化特征有待進一步查明，更好地服務于當地村民，使得水資源得到合理開發利用。

S1和S2泉水的Ca2+含量占陽離子的90%以上，結合所監測泉水的pH值，S1、S2和S3屬于巖溶泉水(表3)。巖溶泉水經過長期的水-巖相互作用，泉水的SPC較其補給水柜的大(表3)。水柜是敞口的，同時也接收大氣降水的補給，而大氣降水的電導率較小；因此，水柜的電導率越大，其接收泉水補給的比例也較大。水柜中水的pH值較其補給泉水的大，且呈堿性，是受到水柜材質、水柜的清潔狀態、水柜中的水長期不流動、蒸發作用和微生物作用的影響造成的。S1和S3監測的是直接出露的泉水，S2監測的是匯集泉水水槽內的水；由于S1和S3泉水出露前處于封閉狀態，泉水中的DO值較水柜小；而S2長期與空氣接觸，故DO值相對較高(表3)。水柜與外界連通性好，DO值較高，泉水中有機質易被轉化，導致水柜中的TOC和DOC值低于泉水(表3)。

2.2 典型水柜水量和水質動態變化特征

本文選取弄雷屯一個典型的水柜進行監測，獲得電導率和pH值的動態資料，并利用記錄的水位數據計算水柜存水量的動態變化特征，獲取影響水柜水量和水質的因素，為合理開發利用水資源提供科學依據。

表3 泉水及其補給水柜的基本水化學統計Tab.3 The statistical table of common water chemicals of karst springs and their recharged water tanks

備注：S1泉水補給WT-24和WT-25，S2泉水補給WT-26，S3泉水補給WT-27。

2.2.1 典型水柜水量動態變化特征

圖3為弄雷屯降水量和一典型水柜存水量隨時間變化情況，可知，水柜存水量與降水量密切相關。2016年1-3月降水量較少，天氣較冷則用水量較少，水柜存水量緩慢下降。2016年4月降水量開始增加，水柜存水量在3月末-4月初隨降水明顯增加，用水量慢慢增加，4月降水頻率增加但降水量小，水柜存水量仍呈下降趨勢，但幅度比1-3月要小，推測可能是由包氣帶水不斷補給水柜造成的。2016年5-6月降水頻率和降水量顯著增加，水柜存水量整體上呈均衡狀態，5月末的驟升驟降現象可能是村民為防止水柜溢水采取措施釋放水柜里的水造成的；6月下旬-7月上旬，降水頻率和降水量減少，天氣炎熱，用水量大，水柜的存水量降幅最大。

圖3 弄雷屯降水量和水柜存水量變化圖(枯季→雨季；冬季→夏季)Fig.3 The variation map of precipitation and water tank’s storage in Nonglei (Dry season → Rainy season; Winter → Summer)

結合當地天氣、降水頻率、降水量和典型水柜存水量變化情況，將用水模式分為3種情況：①天氣寒冷，降水頻率低且降水量小；②天氣溫暖，降水頻率高但降水量小；③天氣炎熱，降水頻率高且降水量大。這3種模式所對應的關系式分別為：①V用水量=0.12 m3/(人·d)×N人×D天；②V用水量=0.22 m3/(人·d)×N人×D天；③V用水量=0.32 m3/(人·d)×N人×D天；區內每人每天用水量最大值約是最小值的3倍；同時與3種模式對應的水柜存水量與降水量的相關關系詳見圖4。基于當地水柜的用水模式及水柜存水量與降水量之間的關系(圖4)，結合區內的降水情況，提醒當地村民適當控制不同時期的用水量，可在一定程度上緩解用水緊張的問題。

2.2.2 典型水柜水質動態變化特征

1月份-3月末，區內降水量很少，無水源補給水柜存儲量減少，水柜水存放時間長且隨著氣溫的升高，水柜內微生物活動增強，進而導致電導率整體上升高且pH值變化范圍較小(圖3和圖5)。4-5月，區內降水量增加，水柜儲水量較1-3月增加；水柜接收降水補給和坡面流補給，降水量達到一定程度后，攜帶水柜經過冬季沉寂后的周圍物質進入水柜中，影響因素多導致此時間段內pH變化范圍最大；到5月末，水柜水中電導率驟升，是由于降水量積累到一定程度，包氣帶水飽和，攜帶大量泥土、腐殖質等經集流面進入水柜中(圖3和圖5)。同時，針對水柜的狀況，村民會采取相應的對策，使得水柜水中電導率迅速降低，與水柜中的儲水量的變化相一致(圖3和圖5)。6-7月上旬進入夏季，降水量也相對較充沛，村民用水量較大，且有相對持續的補給水源，水柜中電導率和pH整體上呈現出中等的狀態(圖3和圖5)。

圖4 3種用水模式下水柜存水量與降水量的相關關系Fig.4 The relationship map of precipitation and water tank’s storage in three situations

圖5 弄雷屯降水量及水柜電導率、pH值隨時間變化圖Fig.5 The variation map of precipitation and water tank’s EC, pH values with time in Nonglei

由于大氣降水是水柜的主要補給來源，弄雷屯典型水柜中的電導率和pH值的變化范圍隨著降水量的增加而減小(圖6)；隨著降水量的不斷增加，電導率在90 μs/cm附近波動，而pH值趨近于9.50(圖6)；其中，水質的酸堿度超過飲用水水質標準[14]。

圖6 弄雷屯水柜電導率、pH值與降水量之間關系Fig.6 The relationship map of precipitation and water tank’s EC, pH values in Nonglei

3 結 論

峰叢洼地生態系統中水是第一位，它是生存所需的第一物質，由于其獨特的地質構造，地下水埋深大，含水層結構復雜，水資源儲存困難；水柜作為廣西大石山地區解決農村人飲水的有效手段，水柜的水量和水質與區內的降水量、水循環形式及人類活動密切相關。

(1)大氣降水、土壤水、包氣帶水等都是水柜集水的來源，水柜建立的位置決定著是否能有效地收集水資源，凹面型坡面較凸面型坡面易形成集中水流，選擇巖溶泉水為補給源之一的水柜更能持續長久、合理地利用水資源。

(2)經分析可知，巖溶泉水及不同坡面類型補給的水柜中的SPC值均較接近于大氣降水(表1～表3)，表明大氣降水是當地村民水柜儲水的主要水源；降水過程中其本身會攜帶很多外來物質，即使是巖溶泉水補給的水柜，加上水柜材質等的影響，其pH值仍然大于飲用水標準(表3，圖5～圖6)；經表層巖溶帶過濾作用形成的巖溶泉水，與水柜儲水水質相比，其SPC較大、DO值較小，周圍環境相對封閉不易受到外來生物影響，且其pH值符合飲用水標準，若能直接引常年性泉水供村民使用，更有益于當地村民。

(3)空間上典型家庭水柜的儲水量由所建水柜的容積決定。時間上，水柜的儲水量與大氣降水及村民用水量決定，而水柜的用水模式與降水量和氣候因素密切相關，可分為3種模式：①天氣寒冷，降水頻率低且降水量小，用水模式為V用水量=0.12 m3/(人·d)×N人×D天；②天氣溫暖，降水頻率高但降水量小，用水模式為V用水量=0.22 m3/(人·d)×N人×D天；③天氣炎熱，降水頻率高且降水量大，用水模式為V用水量=0.32 m3/(人·d)×N人×D天；結合區內的降水情況和氣候條件，提醒當地村民適當控制不同時期的用水量，可在一定程度上緩解用水緊張的問題。

(4)水柜水質與降水過程、水資源徑流過程、集流過程和儲蓄利用過程密切相關。空間上：①同一形成條件下，SPC值與pH值呈顯著負相關，相關系數為0.81(表1)；②凹面型坡面水流水巖相互作用長，凹面型坡面中的水流中的SPC值約是凸面型的1.2倍(表2)；③降水徑流路徑及其攜帶的地表物質決定著水柜水源的水質。時間上：①水循環速度決定著水柜的更替速度，進而影響著水質狀況，人為地調控的水柜的循環條件可適當改善水柜水質狀況；②水柜作為一個獨立的個體，水柜的流動性和自凈能力差，蒸發作用、生物作用、外來生物的加入及水柜材料等是決定水柜水質的重要因素，當持續日降水量≥20 mm時，電導率在90 μs/cm附近波動，而pH值趨近于9.50，生態系統趨于平衡狀態(圖6)。

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