川北地区岩溶发育特征及水资源利用前景浅析——以曾家山地区为例

（四川省地质矿产勘查开发局九〇九水文地质工程地质队，四川 绵阳 621000）

曾家山地区位于广元市朝天区东北部，地处川陕两省的结合部之秦巴山南麓，辖六乡一镇，面积约580km2。该区属岩溶台地，碳酸盐岩集中分布，溶洞、暗河等岩溶地貌景观十分发育，享有“石林洞乡”之美称，随着县域旅游资源的持续开发，水资源短缺矛盾日益成为发展制约因素。区内降雨充沛，水资源补给条件优越，具有较好水资源利用前景。通过系统研究工作区地质背景、岩溶发育特征、水文地质条件、计算水资源量，为合理规划利用水资源，促进当地社会经济发展提供保障。

图1 工作区地质背景及主要泉点、岩溶地貌点分布图

1 区域地质背景

评价区地处四川盆地北边缘，扬子准地台之龙门大巴台缘坳陷与四川台坳过渡带内，强烈的构造运动塑造了区域自北向南倾斜的典型地台-地槽过渡地形，海拔标高+687～+1610m，切割剧烈。区内构造体系以NE50°～80°展布为主，褶皱多具下褶上叠、前滑后冲变形特征，形成复背斜及格槽式复向斜，断层多发育于褶皱翼部及核部转折端，以由北向南逆冲的断裂为主。

区内出露地层有志留系韩家店组、二叠系、三叠系中下统及第四系（图1）第四系地层分布面积小；三叠系飞仙关组主要分布于南北的向斜核部，为一套浅海页岩-泥灰岩相沉积；志留系一般在局部背斜核部或沟壑深切割处可见露头，与上覆的二叠系呈平行不整合接触，岩性为黄绿色泥岩夹薄层粉砂岩。二叠系是区内分布最广泛地层，其中下二叠系为一套浅海相-滨海边缘相的碳酸盐建造，以纯质厚层灰岩为主，厚320m；上二叠系为海陆交互相-滨海边缘沼泽相的浅海相碳酸盐-硅质岩建造，灰岩中多含燧石结核，顶部发育硅质层，厚60m，二叠系总厚385m，发育齐全，具有自下而上灰岩杂质逐渐增多的特点。

表1 岩溶发育程度评判表

2 岩溶发育特征

2.1 岩溶发育程度分区

岩溶发育强度取决于岩石的可溶性、透水性，水的溶蚀性、流动性四个因素。按所含矿物成分重量百分比，碳酸盐岩可分为七个类型[1]。工作区二叠系下统地层以纯质厚层灰岩，属高溶解度岩石，上统灰岩中含燧石条块和硅质层，溶解性相对较弱；原生碳酸盐类岩石的孔隙度40%～70%，透水性较好，区域地处板块过渡带，沿构造线两侧透水性更佳，常见管状岩溶通道；区内多年平均降雨量1119.27mm，自北向南降水量和水位差逐渐减小；气温水温变化不大，水溶蚀性差异很小；地下水北部多以垂直循环带为主，南部排泄区附近逐渐转为水平循环带，自北向南流动性逐渐减弱。根据上述四个岩溶发育影响因素，利用模糊综合评判法对工作区岩溶发育程度建立评价矩阵见表1，岩溶发育程度分区见表2。

表2 曾家山地区岩溶发育程度分区

2.2 岩溶分布规律

根据上述分区，岩溶发育程度在平面上具有很强的差异性，差异性由地层差异、构造发育情况及现代地表水网分布三因素形成。

2.2.1 地层差异

区内可溶岩主要为二叠系地层，二叠系下统栖霞茅口灰岩质纯厚度大，除底部存在数层厚度以厘米为单位的炭质页岩外，可溶性极佳，较大水头差促使了岩溶持续向下发育形成垂直管状岩溶，形成溶蚀漏斗、竖井、天坑等典型垂直循环带岩溶地貌。二叠上统吴家坪、大隆组灰岩厚度相对较小，自下而上含难溶的硅、碳质成分逐渐增高，到大隆组顶部形成难溶的硅质层，阻隔了地层内岩溶发育与连通，以蜂窝状溶孔、溶隙等小规模溶蚀为主，鲜见溶洞。局部发育非可溶岩地层完整连续形成相对隔水层，溶洞多发育于岩性变化、隔水层界面之上。只有隔水层遭受构造作用破坏，可向下溶蚀，这是区内常形成多层次岩溶分层的原因之一。

2.2.2 构造分布

工作区岩溶发育方向以NE-SE向为主，与区域构造轴线方向基本一致，构造作用形成顺走向及横张裂隙，为地下水的富集及溶蚀形成提供有利空间，控制了暗河、管状岩溶通道发育展布方向。如吊滩河自两河口乔皮洞出口变为地表明流后，沿鱼儿洞～双庙子背斜径流，穿过背斜核部才得以继续向下溶蚀转为潜流。背斜倾伏端和向斜翼部、杨起端往往地势较高，形成地下水补给地段，发育落水洞、竖井等垂直岩溶地貌；水平溶洞少而分散，背斜倾伏端和向斜槽谷往往是地下水汇集的地方，发育水平溶洞规模大。升降运动是形成多层岩溶发育的重要原因。

2.2.3 现代地表水网

曾家山地区地处旺苍西河与朝天嘉陵江干流间地块，宽度10～20km，各级夷平面保存较好，成高台地形。地下水系中、上游段自第四纪初发育至今，成脉状管道系统，地下水力坡度2‰～15‰，相对稳定，使台原面岩溶发育较均匀。到下游现代水文网切割经影响台原边缘，如麻柳峡里一带，水力坡度可达50‰以上，岩溶发育极不均匀，更为集中，形成大规模岩溶管道。

此区岩溶垂直分带十分明显，如川洞庵天坑最上部以垂向落水洞、漏斗、竖井为主，属垂直循环带，海拔标高+1 350～1 400m；坑底标高+1 350m左右，未见大规模岩溶溶洞发育。发育纵向溶隙及季节性岩溶泉，岩溶地貌多变，属季节变动带；位于枯水期潜水面下，至可溶岩底板之上，成为饱水带(水平循环带)，终年呈饱水状态，亦为暗河发育地段，如坑底南部发育烟云洞暗河水平循环带，水位标高1 300m，有自由水面，水流方向近水平。当有新的水流汇入或流速加大时，原水平循环带溶蚀强度会迅速增大，并向下游加大而改变原水平循环带的平衡条件。

3 水文地质条件

工作区鲜有地表水系发育，中部吊滩河因背斜核部韩家店组难溶地层形成隔水底板，发育一段长5km的NE-W向明流，穿过核部进入二叠下统地层后变为潜流；在明洞子处、地洞河处亦有类似明流发育，分布长度不到1km，地表水出露皆因隔水层发育于浅部，阻碍溶蚀垂向发育。区内以暗河为主，地表地下水交替，明流、潜流交替展布延伸。

3.1 地下水类型

根据含水介质岩性、地下水赋存条件律及含水层间水力联系，划分本区地下水类型为：松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶水三类。

松散堆积层孔隙水仅在少量槽谷、洼地的第四系地层中赋存，分布零星易受人类活动污染，不具备集中利用价值；基岩裂隙水发育于韩家店组和飞仙关组的页、泥岩地层中，单斜构造中常形成富水段，单位涌水量在5～50 m3/d·m，具有一定的开采价值。该类地下水常因地层产状陡，出现水头值高、涌水量小，产状缓时出现水头值低、涌水量较大的特征。总体富水性较差，无构造影响的部位常施工出干孔，或暂时涌水，常因地下水补给条件差、动储量不足而疏干。

区内碳酸盐岩岩溶水发育区面积580km2，按溶洞、暗河的发育程度划分为强烈发育、中等发育、不发育三个亚类。①溶洞暗河强烈发育岩溶水：赋存于二叠系下统栖霞茅口灰岩，是区内主要地下水类型，以岩溶管道流为主，部分形成脉状岩溶管道系统，流量常在200L/s以上；远离岩溶管流的完整灰岩富水性差，地下水富水性各向异性明显；②溶洞暗河中等发育的岩溶水：赋存于三叠系铜街子组泥灰岩夹白云岩中，岩溶管流较发育，暗河、大泉流量一般在1～30L/s，分布于工作区南边缘；③溶洞暗河不发育的岩溶裂隙水：包括二叠系上统及三叠系飞仙关含灰岩段，一般泉流量0.1～5L/s，由于灰岩中常含较多杂质而富水性较不均匀，是区内较重要的一种地下水类型，常与①类地下水相间分布。

3.2 补径排条件

工作区大都位于地下水补给区，地下水的补给、运动与岩溶发育规律密切相关。基岩裂隙水分散分布分水岭或非可溶含水层中。岩溶发育程度差，相对隔水层存在；大气降雨入渗地下后沿裂隙通道形成上层滞水，向横谷、斜谷底运动，形成下降泉或暂时性地表水。有就地补给就地排泄的特点。碳酸盐岩岩溶水接受大气降雨补给，还可接受地表水、基岩裂隙水向溶蚀孔洞、暗河排泄式补给，在岩溶管道或岩溶裂隙聚集，沿地形坡度降向自北向南径流，在遇深切割或最低侵蚀基准面时，以岩溶大泉形式排泄转换成地表水。区域地下水排泄带位于南部的麻柳峡附近，成为南河地表水源头，河岸两边发育多处暗河出口，最大岩溶大泉枯期流量达807L/s。

表3 年降水量频率计算表

4 水资源量计算

4.1 地表水资源量

因工作区地表水发育较少，实测径流深资料缺乏，根据相关研究，在降水量800mm以上的降水丰沛地区，在较长时段分析时降水与径流的形成频率基本一致[2]，本次选择降水径流频率相应法对区内地表水资源量计算。

根据工作区1986～2015年降水量统计，计算保证率90%的年降水量见表3。计算公式为经验频率P=m/（n+1）模比系数k=xi(X)1/2，式中m为序号，n为总年数。按各年份计算的模比系数和经验频率，将X-P对应点绘制于概率格纸与皮尔逊Ⅲ型理论曲线配线见图2，符合度较好。根据配线，工作区降水变差系数Cv=0.3，偏态系数Cs=2Cv=0.6，保证率为90%的年降水量为795.83mm。

按同样方法（图3）求得区内保证率为90%的径流深为461.5mm。

由以上求得的工作年降雨量和年径流深，扣除了水面与陆地蒸发量，用面积加权求出90%保证率的地表水资源量为26 767.00万m3/a。

图2 工作区年降水量频率曲线

图3 工作区年径流深频率曲线

4.2 地下水资源量

曾家山地区地处补给区，无常年河水入渗补给，灌溉用水来自当地水源，为循环内水；大气降雨为区内地下水唯一补给来源。由于缺乏当地枯期测流数据，难于采取径流模数法计算地下水资源。本次选用降雨入渗法对区内地下水资源量进行计算。以工作区地下类型为基础，根据含水岩组的特征及富水性差异，将全区划分为41个入渗率不同块段；由于松散堆积层形成孔隙含水层分布面积小而零散，未单独划分计算。降雨补给的地下水资源量按Q=2.74*λ*h*F计算，式中入渗系数依据经验值及类似地区含水层取值；降雨量按保证率为90%的年降水量795.83mm计算计算结果见表4。

表4 工作区地下水资源量计算表

4.3 水质评价

根据在曾家山地区采样测试的4组地表水样和30组地下水样检测成果，地下水水化学类型主要为HCO3-Ca型，pH7.3～8.2，属弱碱性水，依据《地下水质量标准》均属Ⅰ-Ⅲ类水，水质整体较好。地表、地下水水化学类型基本一致，说明两者之间联系紧密，循环转换频繁。

5 水资源开发现状及利用前景

我国岩溶地区水资源利用方式主要有修建地表地下联合水库，溶洼成库，堵、截、引地下暗河、扩泉围堰，利用天窗或溶潭提水、钻井取水等[3]。目前工作区内主要利用方式为扩泉引水、零散水窖蓄水以及少量天窗提水。现有生活用水供水量130.2万m3/a。随县域旅游经济的发展，按居民生活用水定额取80L/人·d，规划未来五年曾家山地区生活用水猛增至299.3万m3/a[4]，形成较大的供需水缺口，成为制约未来经济的发展重要自然资源要素。

前述计算工作区年产流地表水资源量26 767.00万m3/a，地下水资源资源量8 627.97万m3/a，可见地表、地下水资源具有较大的开发潜力。参考国内岩溶地区水资源利用经验，针对本区岩溶发育特征及水资源现状，本地区水资源利用宜以地下水、地表水结合为主的综合利用方式，概括如下：

1）在查明地下水分水岭及其变化的基础上，立项开展拦截地下水排泄区地下暗河出口及岩溶大泉，修建地表地下联合水库及联合调度工程的调查、可行性研究、工程规划方案等前期工作；作为解决本区用水问题、纳入国土空间规划，地下水资源科学利用的依据；

2）立项开展利用地表水明流段，拦蓄地表水引水：充分利用暗河转明流段发育志留系非可溶岩，可修筑水坝及引水渠利用地表水可解决周边供水，用于旅游、发电等专题调查与项目可行性研究；

3）对可溶岩中非可溶岩接触带发育上层滞水形成的下降泉，采取扩泉修建储水池，蓄水提引利用：解决部分周边用水；开展系统调查与评价，作为规划开发利用的依据。

4）凿井开采地下水：区内二叠系上统及三叠系飞仙关含灰岩段地层发育溶洞暗河不发育的岩溶裂隙水，富水性较为均匀，可在地质构造有利部位凿井取水，缓解地表水及泉不发育地区的用水问题。