岩溶峰丛洼地水资源分析计算

一、峰丛洼地水柜的水质动态及影响因素分析

岩溶地貌是控制地下水资源赋存和分布规律的主要因素，根据地表岩溶形态及其组合关系，将西南岩溶区划分为4种主要类型：①峰林平原，指山峰与平原相间的组合形态；②溶丘洼地，指山丘、溶岗、洼地和谷地的组合形态；③峰丛山地，指连绵的山峰与封闭的洼地组合形态；④断陷盆地，指断裂活动形成的岩溶盆地与其周边山地的组合形态。

峰丛山地区主要分布于云贵高原和黔桂交界处的斜坡地带，地貌类型以峰丛洼地和深切河谷为主，地形切割深，高差大，是西南岩溶区自然环境最恶劣的地区；该区除洼地、谷地底部外，地下水埋深一般大于300m，不适合钻井开采；由于地表崎岖破碎，耕地分布零星，村民居住分散，不适合大规模集中供水。

峰丛山地区岩溶发育特征为垂向分带性比较明显，由上向下可划分为表层岩溶带、垂向渗滤带和饱水带。其中表层岩溶带为峰丛山区强烈岩溶化的表层部位，厚度数米至30m左右，对水资源开发和生态建设有着特殊的意义，表层岩溶带由纵横交错的溶蚀缝洞构成岩溶网络结构，具有高的孔隙度和渗透性。降雨后，雨水首先渗入其内产生岩溶水浅循环，对地表坡面流产生调节。入渗的水流，一部分以季节性泉水方式重新流出地表（称为表层岩溶泉），另一部分则下渗进入垂向渗滤带和饱水带。从而，峰丛山区形成了特有的浅层水循环和深层管道水循环耦合的二次岩溶水循环结构。表层岩溶带是水资源的重要调蓄转换带，是岩溶山区水资源开发和生态建设工程的重要媒体，其本身赋存的地水可构成小型供水水源，作为缺水山区人畜用水和分散农田灌溉的重要水源。

集雨工程是指在干旱半干旱及其他缺水地区，将规划区内及周围的降雨进行汇集、存储，以便作为该地区水源加以有效利用的一种微型水利工程，我国北方多称水窖、旱井，西南地区多称水柜、水池等。在表层岩溶泉处建水柜，蓄集水源；在地头和居民住处分别建地头水柜和家庭集雨水柜，充分集蓄雨水和地表水源；在高位洼地修建小山塘水库，因地制宜，分散蓄水和引水，解决零星分布的耕地灌溉用水和分散居民饮用水问题。

在厚层的碳酸盐岩基础上，表层岩溶带中垂直方向的溶蚀裂隙比水平方向的裂隙更加发育。这是因为碳酸盐岩在遭受地质作用力而产生机械破坏的时候往往形成垂向裂隙。而厚层的岩层其层理不明显，且层面之间的间隔大。

研究区表层岩溶带的补给条件良好。山坡表面岩石裸露率高，裸露的岩石经过雨水的长期溶蚀，裂隙逐渐演化为溶沟，残留的岩石形成了石牙。溶沟内填充土壤。降雨落在岩石表面形成薄膜流，降落在土壤表面则被吸收。待到土壤达到部分饱和后径流开始产生并顺着裂隙渗漏。

表层岩溶带的排泄方式以分散的方式进入到包气带。偶尔有沿着坡面的径流从上坡的上部流到下部。表层岩溶带的垂直且分散的排泄方式导致山坡的坡度很陡。随着径流向下运动裂隙的密度下降，径流开始汇集，并顺着数量有限的裂隙继续向下运动。在裂隙的密度大量减少的部位，也即表层岩溶带的下部边界，因为存在径流的从分散向集中的转变，会产生侧向径流（见图1）。

图1　岩溶地区孔隙度随深度变化的趋势

根据表层岩溶带岩溶发育的特征，水柜的修建方案可以进行相应的调整，现有的水柜以收集表层岩溶带表层的径流或者表层岩溶带自然出露的径流（表层岩溶泉）为主。前已论述，由于岩溶发育随深度的规律变化，表层岩溶带表面的径流数量少，水柜的集水效果肯定不好。而且地表径流可能携带大量的颗粒物。

随着深度的增加可能会遇到表层岩溶带的下部界限，这里由于径流的汇集和收缩作用，会出现侧向径流，有利于径流的收集。如图2所示，V1表示水柜收集坡面的径流，V2表示随着深度的增加当达到表层岩溶带的下部界面时坡面的集水量。V2比V1大得多。在研究区表层岩溶带的下界面的深度约为2m。但是当深度继续增加时进入到包气带，在这里径流更加集中，但是以垂向径流为主。

图2　水柜的收集效果与集水面深度的关系

弄雷屯在20世纪90年代末期修建了一批水柜，一直利用到现在。水柜是由村民自己选址修建。这一批水柜平均容量都在100m3以上，修建工艺相同。但水柜的蓄水效果差别很大。如图3所示，水柜环绕着洼地分布，并且紧挨着房屋，这样做主要是为了供水和节约成本。分布在洼地中的水柜属于二级水柜，是山坡上一级水柜的尾水。在这些水柜中，蓄水效果最好的水柜位于洼地的北部和南部，因为这里的山坡上都有天然的小泉水。而分布在东面和西边山坡的水柜只能收到很少的地面径流，不仅水量少，水质也较差。

图3　弄雷屯水柜分布

弄雷屯水柜的运行情况表明以收集山坡径流为主的水柜虽然在工程设计和施工工艺上相同，但在集水效果上差距很大。主要是因为岩溶地区坡面具有强烈的渗漏能力，坡面径流产生的条件较为苛刻。以现有的管理方式，仅仅依靠收集坡面径流只能满足部分群众的使用。为此需要研究开展坡面集流试验，改变集流方式。

弄雷屯洼地南面的山坡其坡长大约为350m，相对高度330m，平均坡度将近45°。在山坡上有两处小泉水出露（见图4）。位于半山腰位置的泉水流量较大，出流时间较长，一般年份可以保持长年不断。位于坡脚处的泉水仅在雨后出现一周时间。在位于坡脚泉水的下方修建有水柜，提供两户居民的饮用水。而位于山腰处的泉水并未利用。

图4　弄雷屯水柜集水面山坡

水柜采用串联的模式（见图5）。位置最高的水柜紧挨着泉水，位置较低的水柜有水管与上游水柜连接。在雨季上游一级水柜蓄满，多余的水由下游二级水柜承接。一级水柜用于饮用，二级水柜用于牲畜。多级水柜的运用可以充分收集雨季的径流。

图5　弄雷屯水柜

选择弄雷屯一个典型的水柜进行监测，获得水源的水温、电导率和p H动态数据，并通过水位记录显示水柜的存水量和消耗速度。为评价水柜水质的变化趋势、分析变化原因以及计算水资源开发利用率提供数据。

2014年11月至2015年4月处于干旱时期，监测数据显示，水柜的水位一直处于下降趋势，说明水柜的水在长达6个月的时间一直没有得到有效补给。电导率的变化显示虽然在此期间水柜没有得到补充，水质一直处于变化当中。电导率的波动与气温之间存在较好的相关性。这种变化主要是因为随着气温的变化水柜中的藻类和浮游生物作用也在发生变化。水质的酸碱度即p H值也存在波动，并且一直大于9，甚至超过10，说明水质的碱度一直远远超出的饮用水所容许的范围（见图6）。

图6　弄雷水柜水质的动态（枯季）

进入5月，开始陆续出现降雨，水柜得到补充。电导率出现显著的升高，p H值下降至可饮用范围。将5月水柜的水质与枯季做对比，结果显示枯季的水质电导率低，p H升高。原因可能是藻类利用水中的溶解无机碳，将其转化为有机碳，致使水中电导率降低和p H升高（见图7）。

图7　凤山县凤城镇兴隆村弄雷屯水柜的水质和水量变化（枯季至雨季）

水柜水质的变化发生在水柜内部。水柜这种相对狭小的空间不利于保存。而且水柜没有盖子，导致很多动物在水中繁殖。周围的枯枝落叶也能够进入。水柜中的有机质处于积累的状态。而水池内部漂浮生长的藻类因为缺少分解者，只能在水池内部腐烂。水柜长期得不到交换，底部处于缺氧状态，有机质在厌氧条件下分解会产生臭味，产生有毒的成分。

水柜构成了一个独立而简单的生态系统，生态系统的运行方式对于水质有重要的影响。通过水流和风进入水柜的外来有机质和藻类光合作用产生的有机质逐渐积累。这时候需要有有机质的消费者消耗有机质。消耗有机质产生的垃圾被细菌降解为无机营养成分和二氧化碳气体（见图8）。

图8　理想的水柜生态系统结构图

如果生态系统的结构不完整，水质就会出问题。主要原因是因为水流循环的速度慢，水柜3个月无法得到降雨补充。在温和且光照充足的条件下藻类会大量繁殖，造成有机质积累。由于缺少消费者，有机质只能依靠细菌进行直接降解，降解的速度慢。有时水柜底部出现低氧和无氧状态，有机质在无氧状态下分解会产生氨。

一些做法可以改善水质。例如，凤山县有在水柜中养鱼的做法，就是人工为生态系统添加消费者，促进有机质的降解。但是鱼类会消耗氧气，释放二氧化碳。鱼的数量应该控制恰当。通过调查发现，养鱼的水柜甚少见到藻类，可能是鱼的数量多了。此外，国外的研究表明，长期使用的水柜在底部会形成一层生物膜。生物膜中是有益细菌大量存在的地方，有助于有机质的降解和净化水质。因此水柜不能彻底干涸，或者在人工清洗的时候一定要保护生物膜。

峰丛洼地生态系统中水是第一位，它是生存所需的第一物质；水柜作为广西大石山地区解决农村人饮的有效手段。综合上述的水柜调查和分析，水柜的水量和水质与区内的水循环密切相关，大气降水、土壤水、包气带水等都是水柜集水的来源，直接决定着水柜储水量的多少；水循环过程决定着汇集进入水柜的水质状况，降水过程和集流过程决定着进入水柜的物质等，水循环速度决定着水柜的更替速度，进而影响水质状况。

结合本次分析与总结，水柜的污染途径主要有降雨过程污染、地表径流过程污染、地下径流过程污染、引水过程污染、储蓄利用过程污染。

（1）降雨过程污染：雨水中常常含有酸性物质。

（2）集流过程污染：如果集流面没有防止污染的措施，比如庭院在下雨之前没有打扫干净，垃圾、粪便没有与集流面很好地隔离，集流过程中会挟带农药、化肥、粪便、垃圾等污染物。

（3）储存过程污染：家庭饮用水柜多采用露天开敞式，经常有藻类、树叶、草屑、摇蚊幼虫等漂浮物，而且没有定期清洗，雨水未经任何处理且在水窖中的停滞时间过长，从而引起水质恶化。此外，新建的水柜因水泥与水发生反应而使水质呈弱碱性，也会使水柜水质超标。

水柜的水量和水质动态变化过程与区内的水循环密切相关，以下将重点分析研究区的水循环特征。

二、提高小水柜工程效益解决农村家庭用水大问题

（一）引言

在广西，水柜建设是缓解岩溶地区缺水问题的重要举措。从1997年广西第一批水柜修建至今，广西修建水柜的个数已经超过10万个，总蓄水量达到1000万m3，并且每年都以新增1万个水柜的速度增加。

在广西，水柜一般用来储存雨水或者山坡上自然出露的小泉水，水柜的蓄水效果与水源的关系最大，“水多装不下，水少蓄不够”，蓄水效率不高。在岩溶地区，能够作为水柜水源的径流又十分有限，大部分水柜主要收集雨水。这要求水柜的设计方案和建造方法要注重高效和节约。

近年来，围绕水柜的水质问题有不少研究，但是对水柜设计和建造工程上的问题没有引起足够的重视。水柜的建设规模参考用水量，没有考虑水源类型。广西水利厅发布的水柜容量的设计依据是人均耗水量。人均耗水量是一个弹性数据，它随着生活水平和水资源的可用量发生变化。如果不能保证水源，水柜的容量就不能完全发挥作用。

随着气候、岩溶地区生态环境和群众生活水平等因素的变化，水资源的需求量和用途在改变，水柜作为重要的水利工程其设计建造技术也应该得到不断发展。这里以广西凤山县弄雷屯为例，通过调查、访问、动态监测等手段来认识水柜的应用状态和群众的水资源需求，对水柜的发展方向做初步探讨。

（二）研究点概况

弄雷屯位于凤山县凤城镇兴隆村。全屯位于一个洼地中，现有人口476人。整个弄雷洼地四面环山，房屋依山而建，洼地中间为耕地。有一条公路与外界相通。1997年，广西开展“东巴凤”基础设施大会战的时候弄雷屯作为水柜建设示范点。因此这里的水柜在“东巴凤”地区具有典型意义。

选择监测的水柜修建于1999年，容量为431m3。水柜的位置在山坡的中下部。

（三）研究方法

调查弄雷屯水柜的运转状态。在充分调查的基础上选取一个水柜监测蓄水量。(www.xing528.com)

（四）结果分析

1.水柜的运行状态

弄雷屯共有水柜55个，总容量5200m3，平均每户有水柜1～2个。水柜容量一般在50～150m3，最大的水柜蓄水容量接近700m3。绝大部分水柜是在1997年“东巴凤”基础设施大会战中修建的。当时的政策是政府补助水泥和炸药，村民自行选址，自己开采石料修建。因为山坡土地都分产到户，村民选址依据附近是否有小泉水，是否便于引水，是否便于修建等因素考虑。在有小泉水分布的位置水柜的数量多，并通过串联的方式将水引致每一个水柜储存。

小泉水是山坡上地表层径流渗出的部位，其来源是降雨入渗到石灰岩的表层岩溶带，然后沿着溶蚀裂隙顺着山坡流动，最终在裂隙开放的位置部分流出地表。在弄雷屯洼地小泉水的出现机会并不多见，大部分的径流直接转化为地下水。

一些没有依靠小泉水补给，或者即使有小泉水，但径流出现的时间极短的水柜，由于得不到补充而无法蓄水。这类属于选址问题导致工程失败的占总容量的10%。一些水柜由于底部防渗没有做好，或者其他建筑质量问题，水柜的墙体出现开裂，导致无法需水。这样因为工程质量问题导致无法运行的占总容量的20%。

因为水源的原因造成水柜运行状态有差异。一些水源充足的水柜能够得到及时的补充，无论是水量和水质状态都较好。这类具有较大水资源潜力的水柜其运行受到水柜规模和质量的制约。而水源缺乏的水柜则需要寻找新的水源。

2.水柜的水文动态

圆柱形的水柜底面面积为125m2，水柜深度为3.45m，容积为431m2，水柜内的水位反映水柜储水量。水柜一直处于低水位运行。当水位超过2m后，采取放水措施，主要是因为担心水压力大造成水柜破坏。例如从水位变化曲线上可以看到多处类似于I框中的变化，这些都属于放水造成的水位变化（见图9）。

图9　弄雷水柜水位动态曲线

水位曲线较为缓慢的衰减过程属于家庭用水造成的水量消耗。最典型的衰减过程发生在冬季至春季。例如图9中Ⅱ框和Ⅲ框的衰减分别发生在2014年11月至2015年4月，以及2015年12月至2016年4月。

本次监测的水柜用于家庭厨房和卫生间，包括全部日常生活用水。水柜的补给来源是山坡上的渗流。该处渗流为山坡汇集的表层岩溶带径流，它对降雨反应迅速。降雨补给形成表层岩溶带径流，径流出露地表被引入水柜。渗流持续的时间一般在降雨结束后1～7天。渗流补给水柜引起其水位的上升。通过水位的动态变化可以计算其补给量和消耗量。其补给量的大小与降雨量有关，有时在降雨量不足以形成径流的情况下，水柜不存在侧向径流输入，但是有雨水直接降落在水柜内所形成的补给。水资源的消耗量包括家庭用水量、水柜内的水面蒸发量和水柜以及供水管道的渗漏损失量。水面蒸发受到气候的影响。家庭用水量不稳定，可能受气候、人口变化、生活习惯等因素的影响。水位的变化直接反映水柜蓄水量的变化，从中可以计算日常耗水量和补给量。

3.水柜的水均衡分析

以月为时间单位计算水柜的水量平衡关系。

从月初和月末水位的变化可以直接读出水柜蓄水量的变化，用ΔS表示蓄水量的变化，则

式中　A——水柜的截面积；

H2、H1——月末和月初水柜的水位。

耗水量的计算采取日耗水量累加而成。日耗水量用Ui表示，则

式中　hi——每天零点时水位的读数。

当Ui小于零时，认为水柜只存在消耗，不存在补给；当Ui等于零时，认为当日既不存在消耗，也不存在补给；当Ui大于零时，认为即存在消耗，也存在补给，但是补给量大于耗水量。并且此时的日耗水量用当月日耗水量的中位数表示。

水柜的月耗水量等于日耗水量的累计，表示为

水柜的月补给量R可以用蓄水量的变化和月耗水量来计算，计算公式为

利用道尔顿公式计算水柜内的水柜水面蒸发量，计算结果见表1。

表1弄雷屯家庭水柜水均衡关系

（1）水柜的耗水量。水柜耗水量存在显著的季节变化，冬季月耗水量较低。在弄雷屯，水柜冬季月耗水量为10～15m3。2016年2月耗水量较大，原因与春节期间家庭人口增多有关。2015年2月也值春节，但是耗水量并不多，可能与水柜蓄水量有关，例如2015年3月和2016年3月都是月耗水量最低的时期，与此同时水柜的水位也处于最低值。冬季属于用水紧张时期，也是水柜作用最显著的时期。本着“有水多用，无水少用”的原则，在冬季水柜耗水量体现了家庭用水的紧张状态。4—5月是月耗水量从少到多的转折点，因为一般在这个时候开始降雨，水柜有了新的补给。10—11月是月耗水量从多到少的转折点，这与秋季降雨逐渐减少有关（见图10）。

图10　水柜水量均衡要素的动态

（2）水柜的进水量。水柜的集水效率高会使月进水量大于零，且在雨季水柜得到充足的补给。按照月耗水量的标准计算，当月进水量小于10m3时就需要消耗水柜的储量了。2014—2015年的冬季，有连续5个月的时间月进水量不足10m3，甚至更小。2015—2016年冬季则有连续3个月的进水量小于10m3。雨季进水量大，会威胁水柜的安全，需要采取防水措施。

（3）水量的月盈余。水柜水量的月盈余出现正值可以保证其他时间的消耗，这正是水柜的利用价值。在雨季水柜得到充分的补充，水柜发挥蓄水的作用。2015年有3个月的时间月盈余量充足，其余时间月盈余为负值。

（4）水柜的蒸发量。水柜的蒸发损失量不容忽视。水柜蒸发损失的绝对量一般为每月2～5m3。最高值达到9m3。水柜的蒸发损失最高可以占整个耗水量的一半。特别是在干旱时期，蒸发损失所占的比例会上升。巧合的是，蒸发损失比例最高的时期都发生在3月和4月。这个时期通常是一年当中最缺水的时段（见图11）。

图11　水柜蒸发量与总耗水量的对比

（5）水柜的水源。水柜水源由两部分构成：一部分为雨水直接降落至水柜内的水源；另一部分则来源于山坡径流的补给。不同时节水柜水源的构成有差异。枯季水柜进水量较少，其中以雨水直接补给来源为主。而径流补给较少，甚至没有。两种来源的补给量都上升，而径流补给的量上升更加显著，有时成为主要的来源（见图12）。

图12　水柜的水源构成

水柜水源组成的变化与水源的性质有关。降雨直接补给约等于当地的降雨量，而山坡径流补给则与径流的汇水面积、山坡的产流条件以及径流的收集方法有关。枯季径流的产流区产流条件不能得到满足，径流的水量较少。雨季径流大量产生，给予水柜充足的补给。

4.水柜工程的管理

采用水柜作为蓄水设施，即使在正常气候年，也存在水资源不足的情况。例如2016年3月，月耗水量为10m3，扣除蒸发损失仅剩余5.5m3水量，这其中也不是全部用于生活使用，包括供水过程中各种损失。即使以5.5m3全部作为生活用水量，平均每天的用水量约为180L，仅相当于本地区平均1个人的用水量。可见存在水量短缺的情况。

在弄雷屯，造成用水紧张的原因并非水资源量不足，而是水柜的蓄水能力不够。由于水柜的质量原因，雨季大量的水资源被舍弃。如果水柜的蓄水能力能够得到充分的发挥，就能够储存全年进水量的总和。因为维修水柜的成本高，家庭支撑水柜维修的费用吃力。建议可以采取购买水罐的措施，将雨季的水源分散储存在水罐中，保存在室内使用。

但这并非说明现有的水柜如果能够正常运转就可以解决供水不足的问题。这里选择的水柜在整个弄雷屯中属于补给条件最好的一个。其他大部分水柜并没有泉水水源，水柜能够提供的水源不能充分满足生活需求。

水柜虽然属于小型的水利工程，但是对于每个家庭却非常重要。工程的设计和建造技术以及管理方法提高，对于提高水资源利用效率有很大帮助。提高水资源利用效率的措施总结有以下几点：首先提高水柜建筑质量，对于容量加大的水柜，例如超过400m3的水柜，要提高工程标准，预防墙体开裂和渗漏；其次，因为雨季来水量猛烈，当水柜容量不足时，为了多存水，可以采用室内放置水罐蓄水的办法，构建一个以水柜为中心给排水与多种蓄水结合的蓄水和供水系统。

水柜的使用需要以合理的管理措施作为配合，促进水柜蓄水能力的发挥。水柜发挥关键作用是在降雨比较稀少的秋季和冬季。有时候春季降雨来得迟，造成秋冬春连旱。夏旱属于罕见情况。从2015年水柜降雨直接补给量的动态来看，1—4月补给量最少，5—9月补给量较多，10—12月补给量较少（见图13）。为此，在9月农户注意蓄水。重点收集利用雨水，可以采取增大集雨面的方法多收集雨水。1—4月要实行节水措施。除了防止给排水管道的渗漏外，还可以对水柜进行适当的遮挡，减小蒸发。

图13　水柜降雨直接补给量

（五）结论

水柜的水文分析对于掌握水柜的运行状态具有重要意义，通过分析可以认识水柜的水源组成和水资源的去向。水柜水源的动态变化显示了水柜在什么时期处于紧张状态，这有助于指导水柜的管理，到达充分发挥水柜效益的目标。

本例中水柜的容积为431m3，属于大型水柜。水柜的水源由降雨直接补给和坡面径流补给两部分。此类水柜比只有单一降雨直接补给的水柜更加具有优势。两种补给来源的组成因季节而变化，但降雨直接补给来源比坡面径流补给更加可靠，径流补给受到坡面产流阈值的限制。水源的去向有三种，分别是生活用水、水面蒸发和舍弃的部分。因水面蒸发而损失的水量在枯季更加显著。而因为工程质量造成舍弃水源的问题也应该引起重视。

研究提出提高水柜功能的几点措施，分别是：提高大型水柜的建设标准，保证水柜长期正常运行；增加采用水柜以外的蓄水办法，提高水源调蓄能力；科学有序管理有限的水资源，做到开源和节流并行，在关键的蓄水时期多蓄水，在水源紧张的季节实行节水措施。