峰丛洼地典型家庭水柜水量及水质的动态变化特征

2017-03-22郭永丽姜光辉赵红亮王紫燕苑晓雨

中国农村水利水电 2017年10期

郭永丽，姜光辉，赵红亮，王紫燕，苑晓雨

(1.中国地质科学院岩溶地质研究所，国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室，广西桂林 541004；2. 联合国教科文组织国际岩溶研究中心，广西桂林 541004)

0 引言

根据地表岩溶形态及其组合关系，西南岩溶区地貌类型可划分峰林平原、溶丘洼地、峰丛山地和断陷盆地4种[1]。岩溶地貌是控制地下水资源赋存和分布规律的主要因素，峰丛山地区是西南岩溶区自然环境最恶劣的地区，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，地下水埋深一般大于300 m，耕地分布零星，村民居住分散，不适合大规模集中供水[2]。峰丛山地区由上向下岩溶发育可划分为表层岩溶带、垂向渗滤带和饱水带[3]；其中，强烈岩溶化的表层岩溶带由纵横交错的溶蚀缝洞构成的岩溶网络结构，孔隙度大且渗透性高，对水资源开发和生态建设有着特殊的意义。建设水柜工程、搞节水灌溉是峰丛山地区农村合理利用水资源的重要手段[4,5]。在地头和居民住处建立地头水柜和家庭集雨水柜，充分集蓄雨水、表层岩溶泉水和地表水源，进而分散蓄水和引水，解决零星分布的耕地灌溉和居民饮用水问题[6,7]，给农村带来经济和生态等多方面的效益[8]。本文选取桂西北山区峰丛洼地典型的家庭水柜，分析不同条件下水柜水质特征、及某一典型家庭水柜水量和水质动态变化特征，为合理开发利用石山地区水资源、执行利国利民和精准扶贫政策提供科学依据。

1 研究区概况

研究区地处北回归线以北，云贵高原南缘，属亚热带季风气候区；冬季无严寒，夏季无酷暑，冬短而干，夏长而湿，春秋相当，四季如春；历年平均气温19.2 ℃，1月最冷，7月最热。历年平均月降水量分配极不均匀详见图1[9]。降水量多集中在5-9月份(丰水期)，占全年降水量的75.7%，6-8月份为全年降水量的高峰，月均降水量227.7～320.4 mm，而12月份至翌年2月降水量最少，月均降雨量27.2～28.9 mm。凤山县年平均蒸发量比降水量少，属于湿润地区。乔音河纵贯凤山县中部，为半地表河，明流和地下流程长均约30 km；九曲河发源于凤山县城东部约1.5 km处凤凰山麓的鸳鸯泉，鸳鸯泉水长年不断，外流汇成小溪，自东向西穿过县城，汇入乔音河(图2)。

图1 凤山县历年平均月降水量分布图[9]Fig.1 The distribution map of average monthly precipitation of many years in Fengshan

凤山县位于广西西部，全县境内地貌属于典型的喀斯特岩溶地貌；出露的地层主要是石炭系、二叠系和三叠系，石炭系和二叠系是连续沉积的碳酸盐岩，总厚度超过1 000 m。全县总面积为1 738 km2，石山占58%，土山丘陵占42%。凤山县地形地貌复杂，按成因类型可划分为构造侵蚀和构造溶蚀，按形态特征可分为中低山、峰从洼地、峰丛谷地三类；地貌以峰从洼地、谷地为主，地表水资源匮乏，地下水埋深很大，当地村民无地表水可用，而地下水取用困难，属于典型的山区缺水县[9,10]；区内植被以灌木丛为主，且土壤贫瘠，多选择种植耐旱农作物；村屯零星分散在峰丛洼地内，离水源距离较远，集中供水较困难，家庭水柜能较好地解决村屯饮水问题[5]；凤山县“水柜农业”计划的实施对促进全县农业的发展起着极其重要的作用[10]。本次研究选取凤山县位于峰丛洼地村庄(油菜坪、弄雷村、龙头村和弄锅峒)的水柜(图2)进行水质和水量动态变化特征研究，进而为基于水柜载体合理利用水资源提供指导。

图2 研究区简图Fig.2 The diagram of the study area

2 分析和讨论

由于降水过程中会溶解大气中的CO2、NOx和SO2，即使没有人类活动影响的情况下，降水也会呈现弱酸性(pH=5.0～5.6)[11,12]，其电导率相对较低(65 μs/cm)[13]。降水流经区内石炭系和二叠系的碳酸盐岩，弱酸性水易与碳酸盐岩发生反应，经过离子交换和溶蚀作用等过程后形成岩溶地下河水和岩溶泉水的pH值增大，属于中性水。由于岩溶地下河径流过程中，影响因素复杂，降水可经落水洞、天窗等直接补给地下河水，且地下河流速较快；与岩溶地下河水相比，经表层岩溶带形成的岩溶泉水，其流速慢且径流路径相对封闭；所以岩溶地下河水的pH值变化范围(7.06～7.71)较岩溶泉水大(7.11～7.25)，而其电导率值(268～418 μs/cm)较岩溶泉水低(401～482 μs/cm)。区内地形地貌特征决定峰丛洼地内零星分散的村庄降水资源极易流失，储水困难，且地下水埋深大取用困难，解决这类村庄饮水问题的手段就是利用水柜为容器储存降水及流速缓慢的包气带水(土壤水及岩溶泉水)。基于区域内岩溶地下河水、岩溶泉水和大气降水的基本水化学参数特征，以下进行分析峰丛洼地典型家庭水柜水量和水质的动态变化及影响因素，为合理开发利用水资源提供科学依据。

2.1 不同条件下水柜水质状况

2.1.1 同一形成条件下水柜基本水化学参数特征

文中选取弄雷屯同一条件下形成的水柜的基本水化学参数进行分析，由表1统计可知，WT-1和WT-14水柜中DO的范围为1.38～8.59 mg/L；SPC的范围为75.9～230.2 μs/cm；pH的范围为7.05～9.49。其中WT-3中的DO最大，水温为23.9 ℃；WT-10的DO值最小，水温值最低(21.3 ℃)；WT-1水中的水温最大(24 ℃)，DO值为8.06 mg/L；WT-8中的SPC的值最大，而pH值最小；WT-12的SPC的值最大，而pH值最小。综合上述规律，DO值整体上随着温度的上升而增加，上升到一定程度，又随着温度的上升而下降；SPC值与pH整体上呈负相关关系，相关系数为0.81，且置信度(双测)为0.01。与区域岩溶水和大气降水的SPC和pH值相比，水柜的SPC较接近于大气降水且远远小于岩溶泉水，表明大气降水是这些水柜的主要储水来源。近80%水柜呈碱性水且大于其补给水源的pH值，一个水柜相当于一个小的生态系统，与外界直接连通，生物活动等加上水柜材质的影响，导致水柜的pH值增大影响水柜的水质状态；约20%水柜的pH值呈中性，是因为这些水柜是新建的或最近清洗过，水柜内生态系统较简单。

表1 弄雷村水柜水质数据汇总Tab.1 The statistical table of common water chemicals of water tanks in Nonglei

2.1.2 不同径流剖面下水柜的基本水化学参数特征

统计油菜坪和龙头村不同径流坡面下水柜基本水化学参数特征(表2)，水柜的集水面类型包括凹面型、凸面型、凹凸面交替型和近平面型；分析表2可知，DO、pH没有明显的规律性，而凹面型坡面中的SPC值大于凸面型坡面，是由大气降水在凹面型坡面及表层岩溶带内经历的时间较长造成的。

表2 油菜坪和龙头村基本水化学参数及水柜类型统计表Tab.2 The statistical table of common water chemicals and types of water tanks in Youcaiping and Longtou

2.1.3 岩溶泉水补给条件下水柜的水化学参数特征

S1、S2和S3常年有水，位于峰丛洼地坡脚处；S1和S2汇集于一水槽内，之后经坡面流入水柜内，水量尚可，其水量和水质动态变化特征有待进一步查明，更好地服务于当地村民，使得水资源得到合理开发利用。

S1和S2泉水的Ca2+含量占阳离子的90%以上，结合所监测泉水的pH值，S1、S2和S3属于岩溶泉水(表3)。岩溶泉水经过长期的水-岩相互作用，泉水的SPC较其补给水柜的大(表3)。水柜是敞口的，同时也接收大气降水的补给，而大气降水的电导率较小；因此，水柜的电导率越大，其接收泉水补给的比例也较大。水柜中水的pH值较其补给泉水的大，且呈碱性，是受到水柜材质、水柜的清洁状态、水柜中的水长期不流动、蒸发作用和微生物作用的影响造成的。S1和S3监测的是直接出露的泉水，S2监测的是汇集泉水水槽内的水；由于S1和S3泉水出露前处于封闭状态，泉水中的DO值较水柜小；而S2长期与空气接触，故DO值相对较高(表3)。水柜与外界连通性好，DO值较高，泉水中有机质易被转化，导致水柜中的TOC和DOC值低于泉水(表3)。

2.2 典型水柜水量和水质动态变化特征

本文选取弄雷屯一个典型的水柜进行监测，获得电导率和pH值的动态资料，并利用记录的水位数据计算水柜存水量的动态变化特征，获取影响水柜水量和水质的因素，为合理开发利用水资源提供科学依据。

表3 泉水及其补给水柜的基本水化学统计Tab.3 The statistical table of common water chemicals of karst springs and their recharged water tanks

备注：S1泉水补给WT-24和WT-25，S2泉水补给WT-26，S3泉水补给WT-27。

2.2.1 典型水柜水量动态变化特征

图3为弄雷屯降水量和一典型水柜存水量随时间变化情况，可知，水柜存水量与降水量密切相关。2016年1-3月降水量较少，天气较冷则用水量较少，水柜存水量缓慢下降。2016年4月降水量开始增加，水柜存水量在3月末-4月初随降水明显增加，用水量慢慢增加，4月降水频率增加但降水量小，水柜存水量仍呈下降趋势，但幅度比1-3月要小，推测可能是由包气带水不断补给水柜造成的。2016年5-6月降水频率和降水量显著增加，水柜存水量整体上呈均衡状态，5月末的骤升骤降现象可能是村民为防止水柜溢水采取措施释放水柜里的水造成的；6月下旬-7月上旬，降水频率和降水量减少，天气炎热，用水量大，水柜的存水量降幅最大。

图3 弄雷屯降水量和水柜存水量变化图(枯季→雨季；冬季→夏季)Fig.3 The variation map of precipitation and water tank’s storage in Nonglei (Dry season → Rainy season; Winter → Summer)

结合当地天气、降水频率、降水量和典型水柜存水量变化情况，将用水模式分为3种情况：①天气寒冷，降水频率低且降水量小；②天气温暖，降水频率高但降水量小；③天气炎热，降水频率高且降水量大。这3种模式所对应的关系式分别为：①V用水量=0.12 m3/(人·d)×N人×D天；②V用水量=0.22 m3/(人·d)×N人×D天；③V用水量=0.32 m3/(人·d)×N人×D天；区内每人每天用水量最大值约是最小值的3倍；同时与3种模式对应的水柜存水量与降水量的相关关系详见图4。基于当地水柜的用水模式及水柜存水量与降水量之间的关系(图4)，结合区内的降水情况，提醒当地村民适当控制不同时期的用水量，可在一定程度上缓解用水紧张的问题。

2.2.2 典型水柜水质动态变化特征

1月份-3月末，区内降水量很少，无水源补给水柜存储量减少，水柜水存放时间长且随着气温的升高，水柜内微生物活动增强，进而导致电导率整体上升高且pH值变化范围较小(图3和图5)。4-5月，区内降水量增加，水柜储水量较1-3月增加；水柜接收降水补给和坡面流补给，降水量达到一定程度后，携带水柜经过冬季沉寂后的周围物质进入水柜中，影响因素多导致此时间段内pH变化范围最大；到5月末，水柜水中电导率骤升，是由于降水量积累到一定程度，包气带水饱和，携带大量泥土、腐殖质等经集流面进入水柜中(图3和图5)。同时，针对水柜的状况，村民会采取相应的对策，使得水柜水中电导率迅速降低，与水柜中的储水量的变化相一致(图3和图5)。6-7月上旬进入夏季，降水量也相对较充沛，村民用水量较大，且有相对持续的补给水源，水柜中电导率和pH整体上呈现出中等的状态(图3和图5)。

图4 3种用水模式下水柜存水量与降水量的相关关系Fig.4 The relationship map of precipitation and water tank’s storage in three situations

图5 弄雷屯降水量及水柜电导率、pH值随时间变化图Fig.5 The variation map of precipitation and water tank’s EC, pH values with time in Nonglei

由于大气降水是水柜的主要补给来源，弄雷屯典型水柜中的电导率和pH值的变化范围随着降水量的增加而减小(图6)；随着降水量的不断增加，电导率在90 μs/cm附近波动，而pH值趋近于9.50(图6)；其中，水质的酸碱度超过饮用水水质标准[14]。

图6 弄雷屯水柜电导率、pH值与降水量之间关系Fig.6 The relationship map of precipitation and water tank’s EC, pH values in Nonglei

3 结论

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，由于其独特的地质构造，地下水埋深大，含水层结构复杂，水资源储存困难；水柜作为广西大石山地区解决农村人饮水的有效手段，水柜的水量和水质与区内的降水量、水循环形式及人类活动密切相关。

(1)大气降水、土壤水、包气带水等都是水柜集水的来源，水柜建立的位置决定着是否能有效地收集水资源，凹面型坡面较凸面型坡面易形成集中水流，选择岩溶泉水为补给源之一的水柜更能持续长久、合理地利用水资源。

(2)经分析可知，岩溶泉水及不同坡面类型补给的水柜中的SPC值均较接近于大气降水(表1～表3)，表明大气降水是当地村民水柜储水的主要水源；降水过程中其本身会携带很多外来物质，即使是岩溶泉水补给的水柜，加上水柜材质等的影响，其pH值仍然大于饮用水标准(表3，图5～图6)；经表层岩溶带过滤作用形成的岩溶泉水，与水柜储水水质相比，其SPC较大、DO值较小，周围环境相对封闭不易受到外来生物影响，且其pH值符合饮用水标准，若能直接引常年性泉水供村民使用，更有益于当地村民。

(3)空间上典型家庭水柜的储水量由所建水柜的容积决定。时间上，水柜的储水量与大气降水及村民用水量决定，而水柜的用水模式与降水量和气候因素密切相关，可分为3种模式：①天气寒冷，降水频率低且降水量小，用水模式为V用水量=0.12 m3/(人·d)×N人×D天；②天气温暖，降水频率高但降水量小，用水模式为V用水量=0.22 m3/(人·d)×N人×D天；③天气炎热，降水频率高且降水量大，用水模式为V用水量=0.32 m3/(人·d)×N人×D天；结合区内的降水情况和气候条件，提醒当地村民适当控制不同时期的用水量，可在一定程度上缓解用水紧张的问题。

(4)水柜水质与降水过程、水资源径流过程、集流过程和储蓄利用过程密切相关。空间上：①同一形成条件下，SPC值与pH值呈显著负相关，相关系数为0.81(表1)；②凹面型坡面水流水岩相互作用长，凹面型坡面中的水流中的SPC值约是凸面型的1.2倍(表2)；③降水径流路径及其携带的地表物质决定着水柜水源的水质。时间上：①水循环速度决定着水柜的更替速度，进而影响着水质状况，人为地调控的水柜的循环条件可适当改善水柜水质状况；②水柜作为一个独立的个体，水柜的流动性和自净能力差，蒸发作用、生物作用、外来生物的加入及水柜材料等是决定水柜水质的重要因素，当持续日降水量≥20 mm时，电导率在90 μs/cm附近波动，而pH值趋近于9.50，生态系统趋于平衡状态(图6)。

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