紫鹊界古梯田区域地下水储量及其运移转化规律研究

李桂元 肖红宇 刘思妍

（1. 湖南省水利水电科学研究所 长沙市 410007；2. 湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 区域概况与研究技术路线

1.1 区域概况与研究缘由

紫鹊界古梯田位于湖南省新化县奉家山体系，该体系以境内最高峰海拔1 585.2 m 的风车巷为基点，向东北方向呈扇形展开，范围约93 km2，是我国三大著名古梯田之一。古梯田分布于海拔 （500～900）m 山体之间，坡度在20°～70°间，共400 余级，0.38 万hm2（5.7 万亩）。900 m 以上山峰森林茂密、植被完好，植物种类繁多，空间层次丰厚，从林冠至地下依次可分为四层：一层乔木、二层灌木、三层为蕨草和落叶、四层为树、草之根系，构成了降雨截流与蓄水保土的立体生态网络；在（500～900）m 山腰，人们科学利用地形地质土壤特征，因地制宜，修建梯田。梯田依山就势而造，小如碟、大如盆、长如带、弯如月、形态各异、变化万千，灵巧地镶于山坡，茫茫山坡，梯田层层叠叠，整体布局恢宏；人们充分利用山高坡陡，沟壑多及独特的花岗岩地质构造等天然条件，或在溪沟塞一小坝、或在田塍挖一个缺口，或安一段竹筒、一条木枧，对渗泉、流水巧引巧灌，形成了原生态的自流灌溉系统；500 m 以下山脚为锡溪河谷阶地，田块层叠、阡陌交错。如此景观格局被形象为 “山顶戴帽子，山腰围带子，山脚穿裙子”。方圆百里的高山峻岭，大于25°的陡坡，遍布近0.4 万hm2（6 万亩）梯田，虽无一处蓄水、提水设施，却任凭天干雨暴，连年人旺粮丰。“天下大旱，此地有收；天下大难，此地无忧。”紫鹊界一带流传着这一民谚，乃对这一方神奇水土的形象概括。地下水便是养育这一方水土的生命之基。厘清支撑紫鹊界梯田灌溉系统及整个生态景观的地下水的分布、储存形式、供给方式及运移转化规律，透彻掌握这种神奇现象的内在机理，不仅是更好地开发、利用和有效保护紫鹊界梯田自然资源所必须的理论基础，对我国其他梯田的开发、保护也具有重要的参考价值。

1.2 研究技术路线

通过地质查勘、地质钻探、水文地质实验等手段，研究区域水文地质特性，揭示区域水文地质构造、地下水含水层厚度、储量；通过同期降雨～径流观测与地下水位观测，研究地下水补给与排泄的关系，探索地下水运移与转化规律。

2 水文地质特性研究

2.1 基本水文地质条件

本区地处雪峰山脉东侧，山岭高程1 032 m～1 585 m，属中低山地貌，地势西高东低，山坡陡峻，一般山坡坡度为25°～30°，陡峻处可达40°～50°，地面起伏较大，绝对高差大于1 000 m。区内沟壑纵横，大小冲沟，几十条，且每沟均有溪流，沟谷一般切割深度大，一般为几十米，最大可达几百米，属典型流水剥蚀地貌。

区内主要地层有燕山早期第三次（γ52-3）中粗粒黑云母二长花岗岩、残坡积（Qedl）砂质粘性土等，二长花岗岩，分布厚度大，易风化，一般全风化厚度为（10～20）m，强风化花岗岩一方面具有多孔性，另一方面节理裂隙较发育，为地下水赋存提供良好的空间条件；砂质粘性土，主要为花岗岩残积土，结构松散，高孔隙比，亦为良好的储水介质，且其具有较好的渗透性，为地下水的补给和排泄提供了良好的物理条件。

表1 水文地质钻探成果表 m

表2 室内岩土试验参数

区内地下水主要可分为松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水等两大类，其为该区域内地下水库的主要含水层。松散堆积层孔隙水，主要赋存于山坡残坡积层内和河谷冲积堆积层内，含水量丰富，土体处于饱水状态，主要受大气降水、地表径流补给。通过地表蒸发或蒸腾作用、泉水等方式排泄；基岩裂隙水，主要存在于花岗岩风化及构造裂隙中，水量较丰富，主要接受大气降水和松散堆积层孔隙水补给，以泉水形式进行排泄。

2.2 水文地质勘探与试验

为定量研究区域水文地质特性，在古梯田景区共布设了9 个水文地质钻探工作孔。钻孔分布于山顶生态植被区、山腰、山脚梯田区的典型地段。其中ZKy1～ZKy3 为典型试验样孔，大致沿山脊线布置，分别代表山脚、山腰梯田区及山峰生态植被区。完成了9 孔151.6 m 的钻孔进尺，结合钻孔进程，在ZKy1～ZKy3 取土样作室内岩土试验、钻孔注水试验、抽水试验等试验工作，地质钻孔与试验成果见表1～表4。

由表可以看出，该区域覆盖厚度一般在（0～6.9）m 之间，综合现场调查，拟定区域地花岗岩强风化层平均厚度约5 m。残坡积的砂质粘性土和强风化花岗岩岩体为中等透水层，为区内地下水提供了良好的赋存、排泄条件。而弱风化花岗岩节理裂隙不发育，一方面含水量少，另一方面地下水排泄困难，难以形成明流，故可以认为为相对不透水层。结合钻孔测得的地下水位分析，可以认为，残坡积的砂质粘性土和强风化花岗岩岩体地下水含水层构成区内地下水蓄水库。

2.3 地下水水质

自钻孔中取地下水样做水质化验，结果见表5。

表3 钻孔抽水试验成果表

表4 钻孔注水试验成果表

地下水ph 值为6.55，为中性水；矿化度为0.07，为淡水，硬度0.214 毫克当量/升，为极软水。均较低，水质较好。

表5 水分析成果表(水温11℃)

2.4 水文地质参数确定

由表2～表4 分析得出区域水文地质参数成果见表6。其中砂质粘性土物理力学指标采用室内试验参数平均值，给水度采用抽水试验计算平均值，强风化花岗岩孔隙率采用野外地质测绘统计值，渗透系数和给水度采用抽水试验计算值。

表6 岩土参数推荐表

3 地下水资源储量、补给量估算

3.1 地下水蓄水容积（储量）估算

区域内残坡积的砂质粘性土和强风化花岗岩岩体地下水含水层相对于一个完整的地下水蓄水库。其容量按下式估算：

式中 Q——地下水储量（万m3）；

μ——含水层给水度；

H——含水层厚度（m）；

F——含水层面积（km2）。

区域含水层面积93 km2，砂质粘性土含水层平均厚度5 m，给水度0.15，强风化岩体平均含水层厚度为8 m，给水度0.1。由式（1）计算地下水储量为14 415 万m3。

3.2 地下水补给量

地下水年均补给量按下式估算：

式中 Q——年平均降水入渗补给量（万m3）；

F——入渗面积（km2）；

α——年平均降水入渗系数；

X——年均降雨量(mm)。

分生态植被区和水田区分别估算。生态植被面积55 km2，梯田面积38 km2。由区内降雨～径流观测试验站资料[2]分析得生态植被区α 为0.32，水田区α为0.26，年平均降雨量为1 452 mm，据此估算古梯田区域地下水资源量（多年平均值）为3991 万m3。

4 地下水分布及其运移转化规律

为定量研究地下水时空分布及其运移转化规律，结合地质钻孔，布设了3 个地下水位观察站(ZK1～ZK3)。其中ZKy1 位于山脚梯田中心位置，ZKy2 位于山腰梯田位置，ZKy3 位于山峰生态植被区。ZK1～ZK3 基本处于一条山脉线上，其观测数据可以代表整个梯田景区不同高程的地下水位特征。

表7 为3 个地下水位观测站2012年7月～2013年6月连续观测的地下水埋深特征值统计表。图1为降雨量～地下水埋深过程线。分析表7、图1 可以得出以下结论：

（1）山峰、山腰2 处（ZKy3～ZKy2）水位埋深过程线基本重合，说明整个山体地下水位与地表坡度基本一致，古梯田区域终年存在一个持续且稳定的地下水蓄水库。

表7 地下水埋深特征值表 m

图1 降雨量～地下水埋深过程线

（2）地下水蓄水库的容量较大。山峰ZK3 地下水位埋深最浅15.2 m，最深达19.9 m，期间消落深度4.7 m，梯田区上部ZK2 地下水埋深由最浅的15.3 m消落到20.1 m，消落深度4.8 m。说明自山顶生态植被区至山腰梯田区地下水蓄水库平均至少有4.7 m的含水层可资利用。因此，可以推论，梯田区地下水蓄水库的有效容积不少于4.7 m。

（3）5～8月的地下水位消落深度显著高于其他月份。9月～次年4月，水位变幅很小。究其原因有二：一是受降雨影响。当侯雨量大于50 mm 时，即引起地下水位上涨。降雨越集中、雨量越大，地下水位涨幅越大，这与山塘或水库的蓄洪过程极为类似，洪水越大库水位涨幅越大；二是6～8月是梯田水稻耗水量高峰季节，也是生态植被蒸腾量高峰季节，需消耗地下水库大量水量，在未能及时得到降雨入渗补给时，地下水位即下降。这反证了古梯田区域地下蓄水库的存在及其对维持生态植被需水、提供水稻灌溉水源的重要作用。

（4）地下水位埋深起伏变化与降雨密切相关。但地下水位的上涨与消落过程明显滞后于降雨过程。图2 给出的2012年7月15日～8月15日降雨过程与地下水位过程线即明显反映了这一特征。地下水位上涨起点比降雨滞后了7～10 天。同样的，地下水位在高位后，在连续无雨期的消落过程中，再次遇到降雨时，并不马上停止消落而会持续消落一段时间。7月15日～19日的一次较大的降雨，7月15日～19日的一次降雨，地下水位在7月22日才明显上涨，连续上涨直到8月5日才开始回落。上涨过程即地下蓄水库的蓄水过程，回落过程即地下蓄水库供水过程。说明地下水库在时间上将“715”降雨径流（部分）推迟了10 天才利用。

图2 山体降雨～地下水位起涨关系线图（7.15～8.15）

5 结 论

（1）古梯田区域花岗岩地质构造孕育了区域地下水蓄水库。紫鹊界山顶森林茂盛，植被丰厚，以强风化花岗岩为主要成分的覆盖层厚度大，孔隙率高，纳雨蓄水功能强，基底为新鲜花岗岩，其岩底坚实、少裂隙，恰似池塘不透水之底板，由此构成了一个巨大的隐形水库。水库容积达1.44 亿m3，多年平均“入库水量”3991 万m3，使得古梯田区域生态需水及灌溉用水有足够保障。

（2）地下水蓄水库对天然降雨的调蓄利用具有“时空调节”的双重效率，从而使水资源获得高效利用。

降雨形成的水资源，大类上可分为地表径流与地下径流。地表径流一部分直接被植被或稻田拦蓄利用，地下径流被地下蓄水库纳蓄，经过一段漫长的过程后向下游坡面出露(排泄)，缓慢而持续地为下游梯田提供灌溉水源。这使得梯田、植被在充分利用完地表径流后能够及时获得地下水的供给。

[1] 贾恒义．中国梯田的探讨[J]．农业考古，2003，（1）：157-162.

[2] 李桂元，杜新忠，等. 基于数字滤波法的紫鹊界梯田区水源结构分析[J]．安徽农业科学，2012，（18）：9756-9758.

[3] 秦仁秋． 紫鹊界梯田保水机理解析[J]． 湖南水利水电，2005，（3）:47-48.

[4] 许志方，聂芳容，张硕辅，等．湖南紫鹊界梯田自流灌溉体系[J]．中国农村水利水电，2006，（4）：73-74.