喀斯特峽谷地下水特征及雨水蓄水工程的水質(zhì)情況研究——以貴州省花江峽谷為例

林濤，周文龍，江波，吳克華，賀衛(wèi)

(貴州科學(xué)院山地資源研究所，貴州貴陽5550001)

花江喀斯特峽谷石漠化治理示范區(qū)位于貴州省關(guān)嶺縣和貞豐縣相交的北盤江中游河段，地理位置為105°36′30″～105°46′30″E，25°39′13″～25°41′00″N［1］。示范區(qū)面積 47．63 km2，其中碳酸鹽巖面積比例達(dá)88%［2］。區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱，輕度以上石漠化土地面積和水土流失面積分別占全區(qū)土地面積的63．2%和44．6%［3］。坡度≥25°的土地占全區(qū)總面積的87%，平地只占全區(qū)總面積的2%。示范區(qū)內(nèi)海拔為500～1 200 m，高差達(dá)700 m，地形崎嶇，是典型的喀斯特峰叢峽谷地貌。

花江示范區(qū)氣候?qū)儆谥衼啛釒У蜔岷庸葰夂?，年平均溫?8℃，≥10℃積溫6 542℃，年平均降雨量1 300 mm左右［4］。土壤表現(xiàn)出干、瘦、薄、粘、堿等性質(zhì)，主要有紅色石灰土、紅大泥土、紅小泥土、黑色石灰土、黃色石灰土等土壤類型。自然植被屬于亞熱帶半濕潤(rùn)常綠闊葉林，有大量的榕樹、楹樹、血桐、復(fù)羽葉欒、香椿，并且有耐旱的木棉、余甘子、仙人掌、火龍果等植物［5］，反映出示范區(qū)石漠化、土壤干旱和鈣堿性的特征。

示范區(qū)行政區(qū)域包括貞豐縣北盤江鎮(zhèn)和關(guān)嶺縣板貴鄉(xiāng)，人口6 845人，現(xiàn)有耕地566 hm2，其中旱地560 hm2。由于峽谷形態(tài)為箱型谷，河谷深切，岸坡垂直，居民點(diǎn)與耕地一般高于花江河面200 m以上，村(寨)高水低，土(耕地)高水低［6］，用水條件極為惡劣。1998和2005年的兩次大規(guī)模蓄水工程建設(shè)后，通過蓄集表層裂隙水和截留雨水，飲用水條件有所改善，而農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水條件仍然十分困難。

1 示范區(qū)喀斯特泉發(fā)育特征

貞豐縣氣象局1950年至今的氣象資料顯示，示范區(qū)年平均降雨量為1 248 mm左右，人均平均分配水量8 684 m3，耕地平均水量10．49萬 m3/hm2。但是，由于降雨量的80%集中在5～10月，而降雨量由峽谷高海拔向低海拔呈現(xiàn)規(guī)律性下降趨勢(shì)［1］(圖1)。另一方面，根據(jù)花江示范區(qū)平均地表徑流系數(shù)0．45、平均徑流模數(shù)13．91 L/(s·km2)，可以推算出示范區(qū)內(nèi)坡面水資源的儲(chǔ)量可達(dá)2．76×107m3［7］，人均占有量達(dá)4 037 m3。但因?yàn)榻涤昙性?～10月，加上峽谷地貌山高坡陡，石漠化區(qū)巖石裸露，植被覆蓋率低，潛水不容易被保留，順坡面直接流入花江。這就造成了花江喀斯特峽谷示范區(qū)水資源時(shí)空分布不合理，直接表現(xiàn)為峽谷區(qū)雨季存不住水、旱季無水可用的喀斯特峽谷工程性缺水現(xiàn)象［8］。

盡管示范區(qū)內(nèi)表層裂隙水和雨水資源相對(duì)豐富，但是由于分布位置遠(yuǎn)離居民點(diǎn)，而且泉水出口位置交通不便，流經(jīng)路程長(zhǎng)，易被農(nóng)業(yè)活動(dòng)污染。加上部分調(diào)蓄水工程缺乏配套設(shè)施(蓋板、截水溝、沉砂池、擋土墻等)，以及運(yùn)行期蓄水管理不善。導(dǎo)致水池雖然蓄滿水，但是水質(zhì)僅能達(dá)到農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而達(dá)不到生活飲用水的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。為了摸清蓄水類型，發(fā)現(xiàn)微型蓄水工程在蓄水中出現(xiàn)的水質(zhì)問題，改善水質(zhì)質(zhì)量，提高示范區(qū)蓄水水質(zhì)，項(xiàng)目對(duì)示范區(qū)15個(gè)泉點(diǎn)、115個(gè)調(diào)蓄水工程進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查。

1．1 示范區(qū)裂隙喀斯特泉賦存特征 花江喀斯特石漠化治理示范區(qū)的表層喀斯特水主要賦存于中三疊統(tǒng)壟頭組(T2lt)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、白云巖地層裂隙中［7］(圖2)，多以表層喀斯特泉的形式出露?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)15處泉點(diǎn)，泉點(diǎn)雨季和旱季流量差異巨大，可達(dá)數(shù)十倍。由于泉點(diǎn)間有泥質(zhì)白云巖所形成的相對(duì)隔水底板，使得上下游泉點(diǎn)在水力聯(lián)通性上較弱［9］。泉點(diǎn)多分布在巖層產(chǎn)狀平緩、裂隙管道分布廣泛的區(qū)域，產(chǎn)狀傾角大或者地層為泥質(zhì)白云巖、粘土巖的地區(qū)泉點(diǎn)少、流量小。另外，花江喀斯特峽谷區(qū)具有特殊的表層喀斯特水排泄過程，這個(gè)排泄過程可以描述為峰叢河谷的表層喀斯特水循環(huán)，其路徑為降雨→土壤入滲→充實(shí)喀斯特裂隙和管道→由管道向峽谷兩岸匯流→排入花江［7］(圖3)。

1．2 喀斯特泉點(diǎn)發(fā)育特征 示范區(qū)喀斯特泉按含水介質(zhì)分為3種類型:①有隔水底板的表層裂隙水。泥質(zhì)白云巖、白云巖形成相對(duì)隔水底板，隔水底板上的表層喀斯特水以泉的形式流出，流量小但全年不斷，最小流量?jī)H為0．003 L/s。②裸露性表層喀斯特裂隙水。在灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r表層發(fā)育較多的裂隙含水介質(zhì)，小規(guī)模的裂隙具有一定聯(lián)通性，裂隙水在峽谷斜坡上出露。③表層喀斯特管道水、表層喀斯特帶內(nèi)的裂隙具有一定匯流空間，管道水流沿峽谷斜坡向花江排泄，沿途可見表層巖溶天窗或巖溶潭，大雨時(shí)天窗中表層裂隙水可以涌出地表，最大流量可達(dá)0．48 L/s。

2 喀斯特裂隙泉及雨水蓄水工程蓄水水質(zhì)

2．1 蓄水水質(zhì)分析 從花江示范區(qū)115個(gè)蓄水池中，選取能夠代表示范區(qū)表層裂隙喀斯特水和雨水的北盤江鎮(zhèn)馬刨井和板貴鄉(xiāng)萬年墳火龍果基地兩個(gè)蓄水池作為采樣點(diǎn)采集水樣。馬刨井泉點(diǎn)附近多石山，氣候干燥、土層薄，水土流失嚴(yán)重，農(nóng)作物產(chǎn)量低，以花椒、烤煙為主。蓄水池為全封閉半埋入式水池。水源為喀斯特裂隙水，墻體為漿砌條石，內(nèi)層抹水泥2 cm，容積1 500 m3，池底為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)有防滲層。萬年墳水池位于花江河段南段貞豐縣北盤江鎮(zhèn)東北部，具有海拔低、干熱河谷氣候的特點(diǎn)。水池為敞開式蓄水池，水源為雨棚收集的雨水，水池蓄水量568 m3。上有圍欄，墻體為漿砌塊石，厚60 cm，內(nèi)外墻用75#水泥砂漿抹面。池底為:5 cm75#砼找平層→15 cm150#鋼筋混凝土層→GST高分子防水層。坡面上設(shè)有80 cm高的擋泥墻。蓄水時(shí)間為2014年4月～8月。采樣按照生活飲用水監(jiān)測(cè)采樣操作方法(二次供水)進(jìn)行，樣品委托貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)儀器為iCAPQ等離子質(zhì)譜儀，檢測(cè)指標(biāo)包含毒理指標(biāo)和一般化學(xué)指標(biāo)總共29項(xiàng)，所使用的對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)為《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)。

由表1可知，馬刨井表層裂隙水各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到GB5749-2006的要求，而總硬度和溶解性總固體這兩項(xiàng)稍微偏高。其原因?yàn)榭λ固厮?jīng)過灰?guī)r、白云巖的巖層裂隙后，攜帶了一定量的 Ca2+、Mg2+、HCO3-［10］，呈 HCO3--Ca和HCO3--Ca·Mg型水，pH略偏堿性，都是喀斯特水的一般特征。然而，在萬年墳蓄水池雨水的檢測(cè)結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)CODMn達(dá)3．62 mg/L，超過標(biāo)準(zhǔn)限值21%。而pH達(dá)8．47，已接近標(biāo)準(zhǔn)限值8．5的上限。肉眼可見物方面，發(fā)現(xiàn)有細(xì)小灰白色物質(zhì)、硅藻以及少量藍(lán)綠藻。同時(shí)比較馬刨井喀斯特裂隙水，總硬度、溶解性總固體和氯化物的值要小得多。經(jīng)過水化學(xué)分析和借鑒之前花江示范區(qū)喀斯特水資源調(diào)查的成果，可以確定在水循環(huán)的過程中，由于在蒸發(fā)、水氣輸送過程中，采樣點(diǎn)原本的地表徑流、土壤水和喀斯特裂隙水所含的Ca2+、Na+、K+、Mg2+、Cl-、NO3-、SO24-等各類離子無法全部遷移，再加上水汽輸送過程中的脫氣作用，使得CO2(aq)和HCO3-等成分喪失。因此，示范區(qū)蓄積的雨水比喀斯特裂隙水在硬度、溶解性總固體和氯化物等指標(biāo)上偏低。而針對(duì)雨水中pH偏高，耗氧量偏高，甚至某些時(shí)段超過國家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)的情況，在有硅藻存在的情況下，測(cè)定了雨水在不同時(shí)間的pH和溶解氧。證明了水池封閉且陽光照射的情況下，藻類的繁殖會(huì)導(dǎo)致pH上升、耗氧量增加、水質(zhì)惡化。嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蓄水工程水體富營(yíng)養(yǎng)化［11］，產(chǎn)生腥臭氣味，無法提供村 民正常飲用水。

表1 示范區(qū)表層裂隙水與雨水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

2．2 藻類光合作用對(duì)蓄水池水質(zhì)的影響 表層裂隙喀斯特水含有 Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO23-、H+［12］和溶解 CO2為主要成分，具有以碳酸鹽巖為主的管道及裂隙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，同時(shí)CO2參與喀斯特作用。蓄水池雨水的水化學(xué)變化要簡(jiǎn)單得多，但是由于水體中硅藻的存在，水池水體具有特殊的H2CO3平衡過程，可以表示如下:

在雨水蓄水池水體中，碳酸鹽體系主要依賴HCO-3的形式存在［14］，而藻類的光合作用則將水中的HCO-3和CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)、溶解氧和OH-，下列反應(yīng)式反映了光合作用與碳酸鹽體系的關(guān)系:

由于HCO3-的濃度決定了OH-和pH的大小，而藻類的光合作用在陽光照射時(shí)釋放出溶解氧，而在夜間由于呼吸作用消耗氧氣、釋放CO2。因此，花江示范區(qū)雨水蓄水池的pH、耗氧量、溶解氧等水質(zhì)指標(biāo)變化是由于藻類的光合作用和呼吸作用所導(dǎo)致的。為了證明這一結(jié)論，2014年12月16日在萬年墳火龍果基地水池再次取樣進(jìn)行分析，重點(diǎn)測(cè)定含硅藻的雨水樣在不同時(shí)段內(nèi)的pH、溶解氧。由表2可知，pH和溶解氧隨光照強(qiáng)度增大而增加，在13:00時(shí)升至極大值，之后由于光照強(qiáng)度減弱，pH和溶解氧都呈減小趨勢(shì)，pH和溶解氧呈正比例關(guān)系。而夜間則由于呼吸作用，溶解氧濃度降低，生物耗氧量增大。如果硅藻繼續(xù)生長(zhǎng)，pH和耗氧量必將持續(xù)增大。

3 結(jié)論和建議

(1)根據(jù)此次水質(zhì)調(diào)查，花江示范區(qū)蓄水工程使用澆筑方法建設(shè)的水池大多水質(zhì)良好、運(yùn)行穩(wěn)定，這類水池大多用于收集喀斯特裂隙水，如馬刨井水池。而用于收集雨水的水池大多沒有加筑頂板，這就導(dǎo)致了水池內(nèi)易滋生藻類、水質(zhì)惡化，不宜飲用。因此，雨水集水池應(yīng)通過屋面收集雨水→軟管導(dǎo)入→水窖儲(chǔ)存→管道輸出的方式降低光照，阻止藻類生長(zhǎng)，同時(shí)也可以將水溫保持在較低的水平，可大大減小水中細(xì)菌的自然繁殖速度，從而達(dá)到減少水中細(xì)菌數(shù)量的目的。

表2 含硅藻水樣不同時(shí)間段pH和溶解氧變化

(2)注意雨水型蓄水池的衛(wèi)生健康維護(hù)，在雨季雨水充足時(shí)，對(duì)水窖進(jìn)行徹底的清洗。每年在雨季投放0．5 mg/L濃度的硫酸銅，Cu2+作為重金屬離子，能夠比Mg2+、Na+更快地進(jìn)入到藻類葉綠體，導(dǎo)致葉綠體重金屬中毒，達(dá)到殺死藻類的目的。也可以使用二氧化氯、臭氧等，對(duì)藻類細(xì)胞酵素蛋白進(jìn)行破壞，清除藻類。硫酸銅等藥品投放后水池應(yīng)排空，清除淤泥，確保有害物質(zhì)無殘留后才能再次蓄水。

(3)若因客觀條件限制，無法對(duì)水池進(jìn)行以上改良和維護(hù)時(shí)，盡量將雨水蓄水工程作為灌溉水源。不得不在雨水蓄水池中取水時(shí)，應(yīng)盡量避免在下午取水。

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