川北地區巖溶發育特征及水資源利用前景淺析
——以曾家山地區為例

（四川省地質礦產勘查開發局九〇九水文地質工程地質隊，四川 綿陽 621000）

曾家山地區位于廣元市朝天區東北部，地處川陜兩省的結合部之秦巴山南麓，轄六鄉一鎮，面積約580km2。該區屬巖溶臺地，碳酸鹽巖集中分布，溶洞、暗河等巖溶地貌景觀十分發育，享有“石林洞鄉”之美稱，隨著縣域旅游資源的持續開發，水資源短缺矛盾日益成為發展制約因素。區內降雨充沛，水資源補給條件優越，具有較好水資源利用前景。通過系統研究工作區地質背景、巖溶發育特征、水文地質條件、計算水資源量，為合理規劃利用水資源，促進當地社會經濟發展提供保障。

圖1 工作區地質背景及主要泉點、巖溶地貌點分布圖

1 區域地質背景

評價區地處四川盆地北邊緣，揚子準地臺之龍門大巴臺緣坳陷與四川臺坳過渡帶內，強烈的構造運動塑造了區域自北向南傾斜的典型地臺-地槽過渡地形，海拔標高+687～+1610m，切割劇烈。區內構造體系以NE50°～80°展布為主，褶皺多具下褶上疊、前滑后沖變形特征，形成復背斜及格槽式復向斜，斷層多發育于褶皺翼部及核部轉折端，以由北向南逆沖的斷裂為主。

區內出露地層有志留系韓家店組、二疊系、三疊系中下統及第四系（圖1）第四系地層分布面積小；三疊系飛仙關組主要分布于南北的向斜核部，為一套淺海頁巖-泥灰巖相沉積；志留系一般在局部背斜核部或溝壑深切割處可見露頭，與上覆的二疊系呈平行不整合接觸，巖性為黃綠色泥巖夾薄層粉砂巖。二疊系是區內分布最廣泛地層，其中下二疊系為一套淺海相-濱海邊緣相的碳酸鹽建造，以純質厚層灰巖為主，厚320m；上二疊系為海陸交互相-濱海邊緣沼澤相的淺海相碳酸鹽-硅質巖建造，灰巖中多含燧石結核，頂部發育硅質層，厚60m，二疊系總厚385m，發育齊全，具有自下而上灰巖雜質逐漸增多的特點。

表1 巖溶發育程度評判表

2 巖溶發育特征

2.1 巖溶發育程度分區

巖溶發育強度取決于巖石的可溶性、透水性，水的溶蝕性、流動性四個因素。按所含礦物成分重量百分比，碳酸鹽巖可分為七個類型[1]。工作區二疊系下統地層以純質厚層灰巖，屬高溶解度巖石，上統灰巖中含燧石條塊和硅質層，溶解性相對較弱；原生碳酸鹽類巖石的孔隙度40%～70%，透水性較好，區域地處板塊過渡帶，沿構造線兩側透水性更佳，常見管狀巖溶通道；區內多年平均降雨量1119.27mm，自北向南降水量和水位差逐漸減小；氣溫水溫變化不大，水溶蝕性差異很小；地下水北部多以垂直循環帶為主，南部排泄區附近逐漸轉為水平循環帶，自北向南流動性逐漸減弱。根據上述四個巖溶發育影響因素，利用模糊綜合評判法對工作區巖溶發育程度建立評價矩陣見表1，巖溶發育程度分區見表2。

表2 曾家山地區巖溶發育程度分區

2.2 巖溶分布規律

根據上述分區，巖溶發育程度在平面上具有很強的差異性，差異性由地層差異、構造發育情況及現代地表水網分布三因素形成。

2.2.1 地層差異

區內可溶巖主要為二疊系地層，二疊系下統棲霞茅口灰巖質純厚度大，除底部存在數層厚度以厘米為單位的炭質頁巖外，可溶性極佳，較大水頭差促使了巖溶持續向下發育形成垂直管狀巖溶，形成溶蝕漏斗、豎井、天坑等典型垂直循環帶巖溶地貌。二疊上統吳家坪、大隆組灰巖厚度相對較小，自下而上含難溶的硅、碳質成分逐漸增高，到大隆組頂部形成難溶的硅質層，阻隔了地層內巖溶發育與連通，以蜂窩狀溶孔、溶隙等小規模溶蝕為主，鮮見溶洞。局部發育非可溶巖地層完整連續形成相對隔水層，溶洞多發育于巖性變化、隔水層界面之上。只有隔水層遭受構造作用破壞，可向下溶蝕，這是區內常形成多層次巖溶分層的原因之一。

2.2.2 構造分布

工作區巖溶發育方向以NE-SE向為主，與區域構造軸線方向基本一致，構造作用形成順走向及橫張裂隙，為地下水的富集及溶蝕形成提供有利空間，控制了暗河、管狀巖溶通道發育展布方向。如吊灘河自兩河口喬皮洞出口變為地表明流后，沿魚兒洞～雙廟子背斜徑流，穿過背斜核部才得以繼續向下溶蝕轉為潛流。背斜傾伏端和向斜翼部、楊起端往往地勢較高，形成地下水補給地段，發育落水洞、豎井等垂直巖溶地貌；水平溶洞少而分散，背斜傾伏端和向斜槽谷往往是地下水匯集的地方，發育水平溶洞規模大。升降運動是形成多層巖溶發育的重要原因。

2.2.3 現代地表水網

曾家山地區地處旺蒼西河與朝天嘉陵江干流間地塊，寬度10～20km，各級夷平面保存較好，成高臺地形。地下水系中、上游段自第四紀初發育至今，成脈狀管道系統，地下水力坡度2‰～15‰，相對穩定，使臺原面巖溶發育較均勻。到下游現代水文網切割經影響臺原邊緣，如麻柳峽里一帶，水力坡度可達50‰以上，巖溶發育極不均勻，更為集中，形成大規模巖溶管道。

此區巖溶垂直分帶十分明顯，如川洞庵天坑最上部以垂向落水洞、漏斗、豎井為主，屬垂直循環帶，海拔標高+1 350～1 400m；坑底標高+1 350m左右，未見大規模巖溶溶洞發育。發育縱向溶隙及季節性巖溶泉，巖溶地貌多變，屬季節變動帶；位于枯水期潛水面下，至可溶巖底板之上，成為飽水帶(水平循環帶)，終年呈飽水狀態，亦為暗河發育地段，如坑底南部發育煙云洞暗河水平循環帶，水位標高1 300m，有自由水面，水流方向近水平。當有新的水流匯入或流速加大時，原水平循環帶溶蝕強度會迅速增大，并向下游加大而改變原水平循環帶的平衡條件。

3 水文地質條件

工作區鮮有地表水系發育，中部吊灘河因背斜核部韓家店組難溶地層形成隔水底板，發育一段長5km的NE-W向明流，穿過核部進入二疊下統地層后變為潛流；在明洞子處、地洞河處亦有類似明流發育，分布長度不到1km，地表水出露皆因隔水層發育于淺部，阻礙溶蝕垂向發育。區內以暗河為主，地表地下水交替，明流、潛流交替展布延伸。

3.1 地下水類型

根據含水介質巖性、地下水賦存條件律及含水層間水力聯系，劃分本區地下水類型為：松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水三類。

松散堆積層孔隙水僅在少量槽谷、洼地的第四系地層中賦存，分布零星易受人類活動污染，不具備集中利用價值；基巖裂隙水發育于韓家店組和飛仙關組的頁、泥巖地層中，單斜構造中常形成富水段，單位涌水量在5～50 m3/d·m，具有一定的開采價值。該類地下水常因地層產狀陡，出現水頭值高、涌水量小，產狀緩時出現水頭值低、涌水量較大的特征。總體富水性較差，無構造影響的部位常施工出干孔，或暫時涌水，常因地下水補給條件差、動儲量不足而疏干。

區內碳酸鹽巖巖溶水發育區面積580km2，按溶洞、暗河的發育程度劃分為強烈發育、中等發育、不發育三個亞類。①溶洞暗河強烈發育巖溶水：賦存于二疊系下統棲霞茅口灰巖，是區內主要地下水類型，以巖溶管道流為主，部分形成脈狀巖溶管道系統，流量常在200L/s以上；遠離巖溶管流的完整灰巖富水性差，地下水富水性各向異性明顯；②溶洞暗河中等發育的巖溶水：賦存于三疊系銅街子組泥灰巖夾白云巖中，巖溶管流較發育，暗河、大泉流量一般在1～30L/s，分布于工作區南邊緣；③溶洞暗河不發育的巖溶裂隙水：包括二疊系上統及三疊系飛仙關含灰巖段，一般泉流量0.1～5L/s，由于灰巖中常含較多雜質而富水性較不均勻，是區內較重要的一種地下水類型，常與①類地下水相間分布。

3.2 補徑排條件

工作區大都位于地下水補給區，地下水的補給、運動與巖溶發育規律密切相關。基巖裂隙水分散分布分水嶺或非可溶含水層中。巖溶發育程度差，相對隔水層存在；大氣降雨入滲地下后沿裂隙通道形成上層滯水，向橫谷、斜谷底運動，形成下降泉或暫時性地表水。有就地補給就地排泄的特點。碳酸鹽巖巖溶水接受大氣降雨補給，還可接受地表水、基巖裂隙水向溶蝕孔洞、暗河排泄式補給，在巖溶管道或巖溶裂隙聚集，沿地形坡度降向自北向南徑流，在遇深切割或最低侵蝕基準面時，以巖溶大泉形式排泄轉換成地表水。區域地下水排泄帶位于南部的麻柳峽附近，成為南河地表水源頭，河岸兩邊發育多處暗河出口，最大巖溶大泉枯期流量達807L/s。

表3 年降水量頻率計算表

4 水資源量計算

4.1 地表水資源量

因工作區地表水發育較少，實測徑流深資料缺乏，根據相關研究，在降水量800mm以上的降水豐沛地區，在較長時段分析時降水與徑流的形成頻率基本一致[2]，本次選擇降水徑流頻率相應法對區內地表水資源量計算。

根據工作區1986～2015年降水量統計，計算保證率90%的年降水量見表3。計算公式為經驗頻率P=m/（n+1）模比系數k=xi(X)1/2，式中m為序號，n為總年數。按各年份計算的模比系數和經驗頻率，將X-P對應點繪制于概率格紙與皮爾遜Ⅲ型理論曲線配線見圖2，符合度較好。根據配線，工作區降水變差系數Cv=0.3，偏態系數Cs=2Cv=0.6，保證率為90%的年降水量為795.83mm。

按同樣方法（圖3）求得區內保證率為90%的徑流深為461.5mm。

由以上求得的工作年降雨量和年徑流深，扣除了水面與陸地蒸發量，用面積加權求出90%保證率的地表水資源量為26 767.00萬m3/a。

圖2 工作區年降水量頻率曲線

圖3 工作區年徑流深頻率曲線

4.2 地下水資源量

曾家山地區地處補給區，無常年河水入滲補給，灌溉用水來自當地水源，為循環內水；大氣降雨為區內地下水唯一補給來源。由于缺乏當地枯期測流數據，難于采取徑流模數法計算地下水資源。本次選用降雨入滲法對區內地下水資源量進行計算。以工作區地下類型為基礎，根據含水巖組的特征及富水性差異，將全區劃分為41個入滲率不同塊段；由于松散堆積層形成孔隙含水層分布面積小而零散，未單獨劃分計算。降雨補給的地下水資源量按Q=2.74*λ*h*F計算，式中入滲系數依據經驗值及類似地區含水層取值；降雨量按保證率為90%的年降水量795.83mm計算計算結果見表4。

表4 工作區地下水資源量計算表

4.3 水質評價

根據在曾家山地區采樣測試的4組地表水樣和30組地下水樣檢測成果，地下水水化學類型主要為HCO3-Ca型，pH7.3～8.2，屬弱堿性水，依據《地下水質量標準》均屬Ⅰ-Ⅲ類水，水質整體較好。地表、地下水水化學類型基本一致，說明兩者之間聯系緊密，循環轉換頻繁。

5 水資源開發現狀及利用前景

我國巖溶地區水資源利用方式主要有修建地表地下聯合水庫，溶洼成庫，堵、截、引地下暗河、擴泉圍堰，利用天窗或溶潭提水、鉆井取水等[3]。目前工作區內主要利用方式為擴泉引水、零散水窖蓄水以及少量天窗提水。現有生活用水供水量130.2萬m3/a。隨縣域旅游經濟的發展，按居民生活用水定額取80L/人·d，規劃未來五年曾家山地區生活用水猛增至299.3萬m3/a[4]，形成較大的供需水缺口，成為制約未來經濟的發展重要自然資源要素。

前述計算工作區年產流地表水資源量26 767.00萬m3/a，地下水資源資源量8 627.97萬m3/a，可見地表、地下水資源具有較大的開發潛力。參考國內巖溶地區水資源利用經驗，針對本區巖溶發育特征及水資源現狀，本地區水資源利用宜以地下水、地表水結合為主的綜合利用方式，概括如下：

1）在查明地下水分水嶺及其變化的基礎上，立項開展攔截地下水排泄區地下暗河出口及巖溶大泉，修建地表地下聯合水庫及聯合調度工程的調查、可行性研究、工程規劃方案等前期工作；作為解決本區用水問題、納入國土空間規劃，地下水資源科學利用的依據；

2）立項開展利用地表水明流段，攔蓄地表水引水：充分利用暗河轉明流段發育志留系非可溶巖，可修筑水壩及引水渠利用地表水可解決周邊供水，用于旅游、發電等專題調查與項目可行性研究；

3）對可溶巖中非可溶巖接觸帶發育上層滯水形成的下降泉，采取擴泉修建儲水池，蓄水提引利用：解決部分周邊用水；開展系統調查與評價，作為規劃開發利用的依據。

4）鑿井開采地下水：區內二疊系上統及三疊系飛仙關含灰巖段地層發育溶洞暗河不發育的巖溶裂隙水，富水性較為均勻，可在地質構造有利部位鑿井取水，緩解地表水及泉不發育地區的用水問題。