岩溶峰丛洼地水资源分析与利用技术

表层岩溶带水来自于降水在岩溶下垫面转化的径流。只有径流的形成才为水资源的利用提供了条件。表层岩溶带中的径流虽然产生条件容易满足，但是径流的分布却不好确定。以往通过表层岩溶泉的流量观测来认识表层岩溶带水的动态和形成条件。本研究利用收集表层岩溶水的水柜开展表层岩溶水的研究。通过水柜蓄水量的变化反映其水文动态，并以此为例评价“四水”转化模型的预测效果。

水柜水文动态分析的内容见附件。这里重点介绍模型的计算过程，并对模型预测的结果进行讨论。

模型反映了降水转化为表层岩溶带径流这一物理过程。其物理原理已经在前文论述。模型通过对水柜补给量的预测来检验其可靠性。模型的计算过程分为五个步骤：第一步，计算降水对水柜的直接补给量；第二步，计算水柜水面蒸发量；第三步，根据降水转化为表层岩溶带径流的物理机制计算有效降雨；第四步，根据有效降雨计算表层岩溶带的产流量；第五步，计算水柜的补给量（见图3-7）。

图3-7　水柜补给量模拟计算流程图

各个步骤的计算公式如下。

第一步：降雨直接补给量的计算公式为

式中　R——水柜降水直接补给量；

　　　a——补给系数，补给系数不是固定的，这里根据观测结果确定；

　　　A——水柜的截面积；

　　　P——降雨量，来自于凤山气象站日降雨量数据。

第二步：水面蒸发量根据道尔顿蒸发定律计算，计算公式为

式中　W——水面蒸发速率；

　　　E-e——空气的饱和差，其中E为水面温度下的饱和水汽压，e为水面上空气的实际水汽压；

　　　Pa——气压；

　　　C——与风速有关的比例系数，数据来源于凤山县气象站日气象数据。

第三步：有效降雨量的计算公式为

当降雨量不大于产流阈值B时，有效降雨量为0；当降雨量大于产流阈值B时，有效降雨量等于降雨量与产流阈值B的差。产流阈值B的选择参照在桂林丫吉试验场的观测结果。(www.xing528.com)

第四步：表层岩溶带产流量的计算公式为

表层岩溶带产流量等于有效降雨乘以产流面积。补给水柜的径流有不同的产流面积，本例中根据观测结果确定产流面积为水柜截面积的2倍。

第五步：水柜补给量的计算公式为

式中　V——水柜的补给量，首先计算水柜的日补给量，然后根据日补给量计算月补给量和年补给量。

以弄雷水柜为例对模型进行检验。选取2015年的观测数据作为模拟结果的对照。根据观测数据计算水柜的月进水量，采用2015年凤山气象站的气象数据代入到模型，对水柜的月进水量进行预测。模型模拟时采用的参数见表3-1。

表3-1　模型参数选取结果

模拟结果与实际观测值之间的变化趋势具一致性（见图3-8）。模型建立所依据的物理基础接近实际。3月和4月水柜补给量的模拟结果大于实际值，原因是模型判断这两个月存在表层岩溶带径流补给，而实际上并不存在。显然在此时节表层岩溶带的产流阈值高于正常值。原因是总的降雨量不足，且天气晴朗，蒸散发量大。而1月、2月和12月补给量被低估，这个时节的产流阈值应该小于正常值。8月模型计算结果的偏差是极端强降雨引起的。在暴雨和大暴雨时期，表层岩溶带出现串流现象，原本分开的径流合并在一起，造成产流面积突变。

图3-8　水柜补给量预测结果

表层岩溶带产流阈值在模型中属于关键性的参数。在季风气候条件下，一年当中地表层的湿润状态变化强烈，导致产流阈值大。在本模型中产流阈值仅采用一个经验值，这是导致预测结果偏大或者偏小的原因。模型的改进需要建立一个产流阈值的估计方法。比如建立阈值与土壤含水量，阈值与潜在蒸散发之间的关系。

水柜补给量预测模型在峰丛洼地地区具有重要的实际应用价值。水柜是当前解决石山区群众饮水难题的主要手段。预测水柜的补给量有助于水柜工程的设计，达到充分利用水资源潜力的目标。当前水柜设计的依据是家庭人口和人均日耗水量。这种设计依据显然存在明显的缺陷，导致水柜容量大小不合适。在水量充足的地方水柜容积不足，导致水资源浪费。而在水量不足的地方水柜建大了，造成工程上的浪费。

通过水柜水量预测模型还得到一个重要认识。水柜的水量来自于两个部分，即降雨直接补给和表层岩溶带径流补给，这为增加水柜水源指引了方向。增加水柜水源完全可能。首先在广西大石山地区属于湿润气候区，降雨量大于蒸发量，因此修建水柜蓄水具有可行性。根据当地气象数据计算水面蒸发量，结果显示敞口水柜水面蒸发量远小于降雨量，水面蒸发量约等于降雨量的1/4～1/3。以此计算，仅仅依靠水柜的降水直接补给，一个截面积为100m2、容量约为200m3的水柜，一年至少能够收集100m3的雨水。如果采取措施增加集雨面积，集雨量可以达到200m3，并且这是很容易实现的。

其次可以通过增加表层岩溶带径流的方式提高水柜蓄水量。表层岩溶带中含有大量的径流，如何利用这部分径流是解决石山地区水资源的问题的关键。在模型中产流面积系数设置为2，属于很低的值，8月水柜的进水量大幅度增加。表明大部分的表层岩溶带径流没有被利用。单独依靠水柜建设不能解决表层岩溶带水资源利用效率低的问题。还要提高表层岩溶带的产流研究，充分认识表层岩溶带产流的地形条件、地质条件，甚至植被条件。

表层岩溶带径流的产流面积并没有认识清楚。在侵蚀地貌区，地形变化对产流面积具有控制性的作用。产流范围由分水岭包围，在产流范围内，所有的径流通过地形的最低点排泄。溪流位于坡面上位置最低处，在溪流的两侧属于河岸带，这里土壤含水量高，在降雨时一般最先产生径流，随着降雨量的增加，产流范围逐渐往溪流两侧和上游扩大。而在岩溶地区径流首先产生在岩石裸露率最高的部位。然后岩石上的径流向四周扩散，引起岩石周围产流。径流汇集的场所由岩溶管道的位置控制，而岩溶管道的结构属于纵横交错的网格式，径流在其中运动容易发生交叉合并，并且运动方向不确定。

表层岩溶带中径流之间没有明确的界限。相邻的两条径流之间会有交叉现象。图3-9中Ⅲ区域产生的径流既可以向Ⅰ区运动，也可能向Ⅱ区运动。Ⅲ区的径流方向与Ⅲ区的蓄水量有关。极端情况下Ⅲ区和Ⅱ区的径流可能同时向Ⅰ区排泄。这会引起在某次降雨事件水柜的补给量猛增（见图3-9）。

图3-9　补给水柜的表层岩溶带产流面积变化