宜春岩溶区地下水特征及其开发利用

方俊华， 谢振东， 黄 锦， 钱正江

(江西省地质调查研究院，江西 南昌 330030)

研究区包括新余市分宜县(操场乡、高岚镇和杨桥镇)、宜春市袁州区(寨下镇)、上高县(田心镇、墨山垦殖场、翰堂镇)和万载县(鹅峰乡)等地区。区内丘陵起伏，地形复杂，低山、丘陵和盆地交错分布，山丘海拔一般在200～600 m，大部为丘陵，北部墨山地区为低山，西北部湖潭地区为盆地。山脉走向以北东东向为主，为锦江、袁水分水岭。气候属中亚热带季风气候，四季分明，降水充沛，水系发育。

研究区位于萍乡-乐平岩溶发育带上，受地形地貌、地层岩性、构造、新构造运动等因素共同影响，其地质条件复杂。前人对区内的地层、构造进行了系统划分，对碳酸盐岩的分布范围、富水性及区域岩溶发育规律等进行了研究(陈志平，2019；向乾俊，2005；张爱华，2010；喻中文等，2007；陈铁汉等，1987)，但缺乏系统的区域岩溶水文地质调查，对岩溶地下水开发利用条件、岩溶地下水的分布、埋藏、富集规律认识有限，岩溶地下水系统结构规律性认识有待深入，难以有效指导区内岩溶地下水开发利用。笔者通过对区内岩溶地下水特征及其开发利用研究，可为有效解决区内群众饮用水、灌溉用水等问题以及建立表层岩溶水开发工程、岩溶地下水开发利用示范工程、岩溶地下水开发利用模式等提供依据。

1 区域地质背景

研究区位于扬子板块与华夏古板块的拼接部位，九岭逆冲推覆构造和武功山伸展构造体系的对接带上(图1)，经历了多旋回多期次构造活动，构造复杂，盖层褶皱构造、断裂构造、推(滑)覆构造极为发育，发育同向断层密集带与推覆、滑覆、褶断等典型构造组合带，北东、北东东、北西、东西等方向的构造复合交织构成一幅复杂的构造图案，控制岩溶地质特征的复式褶皱广泛分布，褶皱形变强烈(向乾俊，2005；钟南昌，1992；李先福等，2001；陈铁汉等，1987)。

图1 研究区构造纲要图Fig.1 Schematic diagram of the study area1.第四纪松散堆积、残坡积；2.晚白垩世红色碎屑建造；3.晚三叠世-早侏罗世河湖碎屑岩建造；4.早三叠世海相砂泥岩-碳酸盐岩建造；5.晚二叠世海陆交互相含煤建造；6.中二叠统碳酸盐岩建造；7.晚石炭-船山世碳酸盐岩建造；8.晚泥盆-早石炭世滨海碎屑岩建造、含铁建造；9.整合岩层界线；10.角度不整合岩层界线；11.断层；12.推覆断层；13.滑覆断层；14.飞来峰；15.构造窗；16.背斜；17.向斜；18.钻孔及编号

从岩溶地层分布来看，研究区位于萍乡-乐平岩溶发育带上，广泛发育晚古生代和中生代地层，主要碳酸盐岩地层有上石炭统大埔组(C2d)、上石炭统-下二叠统马平组(C2P1m)、中二叠统栖霞组(P2q)、小江边组(P2x)、茅口组(P2m)、南港组(P2n)、七宝山组(P3q)、长兴组(P3c)、青龙组(T1q)、周冲村组(T1z)等。

2 岩溶水文地质特征

2.1 岩溶含水岩组特征

根据地层发育及其岩性组合特征，区内的岩溶含水岩组的富水性可划分为3个等级，其分布特征如下所述：

(1)水量丰富的岩溶含水岩组。该含水岩组包括上石炭统大埔组(C2d)、上石炭统-下二叠统马平组(C2P1m)、中二叠统茅口组(P2m)、上二叠统长兴组(P3c)，分布于墨山农场、山陂-柏林、寨下-下屋里、高岚等地。岩溶发育最强烈，各种正负岩溶形态密布，普遍发育岩溶大泉、出水溶洞、地下河。枯季径流模数7.61～14.84 L/(s·km2)，水位埋深较浅，一般0.50～18.95 m，单位涌水量82.51～1135.99 m3/d，山泉村大埔组(C2d)地下河出口流量60.32 L/s，井陂村羊牯洞马平组(C2P1m)地下河出口流量125.10 L/s，东山下茅口组(P2m)地下河出口流量61.60 L/s，山下村长兴组(P3c)地下河出口流量82.30 L/s，富水性强。

(2)水量较丰富的岩溶含水层岩组。 该含水岩组包括中二叠统栖霞组一段(P2q1)及二段(P2q2)、下三叠统青龙组(T1q)、下三叠统周冲村组(T1z)，分布于寨下-柏林、榨下-东茅巷等地。溶洞、地下河较发育。栖霞组二段见中、小型溶洞、暗河等，地下水赋存于岩溶孔洞裂隙中，溶蚀不强烈。枯季径流模数3.91～5.25 L/(s·km2)，单位涌水量44.32～52.70 m3/d，井陂村青龙组(T1q)岩溶上升泉流量14.09 L/s，枧头村周冲村组(T1z)岩溶下降泉流量15.79 L/s，富水性较强。

(3)水量中等的岩溶含水岩组。该含水岩组包括上泥盆统佘田桥组(D2s)、中二叠统南港组(P2n)、栖霞组三段(P2q3)、小江边组(P2x)、上二叠统七宝山组(P3q)等，分布于袁家老屋-下枚、下沙江-下洋、陂下-洋屋、寨下-牛泥塘、榨下-磨形里等地。岩溶发育程度弱，地下河不发育，形成一系列接触泉。枯季径流模数1.11～2.03 L/(s·km2)，龙塘村小江边组(P2x)岩溶下降泉流量2.13 L/s，袁家老屋村南港组(P2n)出水溶洞流量59.57 L/s，富水性中等。

2.2 地下水补径排特征

区内碳酸盐岩类岩溶水的补给、径流、排泄条件，主要受构造、地貌、地层及岩性控制(图2)。

图2 地下水运动特征示意剖面图Fig.2 Schematic diagram of groundwater movement characteristics1.碳酸盐岩类；2.非可溶岩类；3.松散岩类；4.溶洞；5.暗河；6.上升泉；7.下降泉；8.地下水运动方向；9.纵向径流为主的地段

袁水区寨下到分宜县清水塘、龙埚一带，地势较高，为锦江、袁水的地表、地下分水岭地区。受构造作用影响，断裂发育，裂隙密集，岩石切割强烈，岩溶普遍发育，地下水储存于岩溶管道和裂隙中。可溶岩中岩溶隙、落水洞、溶斗等竖向岩溶发育，主要接受大气降水垂向补给，并汇集于沿断裂或顺层发育的暗河中，一般为岩溶水的补给区。受两侧碎屑岩所隔，地下水多呈北东向、北东东向流动，局部地段沿北西向断裂或隐伏灰岩向南北两侧径流，并在地形低洼处或可溶岩边界呈大量泉群出露。

分水岭以南溶丘洼地多为线状褶皱储水构造地区，主要含水层为岩溶发育的茅口组灰岩，其上覆和下伏的南港组、小江边组与乐平组碎屑岩较为稳定，构成良好的阻水边界。碳酸盐岩多成山岭，碎屑岩多为北东向长条形谷地。因此，地下水主要接受大气降水的补给，局部地区则接受北西向断裂脉状水的补给。地下水一般沿褶皱轴向呈南西、南西西向流动，在地形低洼的操场-高岚一带，可溶岩边界以泉群大量泄出。

分水岭以北残丘坡地，地势较低，多为覆盖岩溶区。地下水主要接受南部分水岭地区和低山丘陵的侧向补给，为排泄区。地下水多储存于岩溶极发育的大埔组、马平组灰岩网络状的管道中，储水条件相对均匀。地下水常在低洼处、溪河沿岸以上升泉或沼泽形式排泄。

2.3 岩溶地下水化学特征

研究区钻孔岩溶地下水采样分析结果显示，pH值7.05～7.88，中性-弱碱性；总硬度157～224 mg/L。主要阳离子K+含量0.05～1.68 mg/L，Na+含量0.42～3.20 mg/L，Ca2+含量57.0～62.4 mg/L，Mg2+含量2.12～19.3 mg/L，主要阴离子Cl-含量8.68～17.40 mg/L，SO42-含量5～20 mg/L，HCO3-含量153～250 mg/L。水化学类型以HCO3-Ca型为主，次为HCO3-Ca·Mg型(表1)。

表1 钻孔岩溶地下水化学分析Table 1 Chemical analysis of karst groundwater from boreholes /(mg·L-1)

2.4 岩溶地下水动态特征

区内的岩溶大泉和地下河监测数据显示，地下水流量动态曲线有多峰型、单峰型两种类型。由于水文地质条件的差异，地下水水量动态变化幅度也会出现相应的变化。

多峰型动态曲线监测点有6个，其流量历时曲线在枯水期和平水期相对稳定，较大降水或者集中降水补给时段，峰值较高，出现多次峰值，其峰值的大小与降水量的多少有直接关系。如井陂村羊牯洞地下河出口(JK01)，出露下三叠统周冲村组厚-中厚层灰岩、白云质灰岩，地下河长约2.70 km，流量动态变化大，丰水期最大流量为287.13 L/s，枯水期最小流量为9.65 L/s，不稳定系数可达29.75，2015年3月5日、5月5日、5月15日测得3个峰值流量(图3a)。南江村(JK15)出露下三叠统周冲村组二段灰岩，洞口呈不规则状，最宽2.30 m，高1.10 m，流量动态变化大，丰水期最大流量为1749.02 L/s，枯水期最小流量为2.34 L/s，不稳定系数为749，2015年4月15日、5月25日、6月20日测得3个峰值流量(图3b)。

图3 岩溶地下水流量动态曲线Fig.3 Dynamic curve of karst groundwater flowa.地下河出口(JK01)流量多峰型；b.地下河出口(JK15)流量多峰型；c.地下河出口(JK14)单峰型；d.季节性岩溶泉(JK19)单峰型

单峰型动态曲线监测点有3个，其历时流量曲线在枯水期比较稳定，进入雨季后，地下水流量逐渐增加，流量动态变化表现出一定的滞后性，含水介质表现出一定的调蓄能力。随着降水减少，地下水流量也相应逐渐减少，但地下水流量动态曲线不会出现暴涨暴落的现象，如上湖镜村地下河出口(JK14)，出露上石炭-下二叠统马平组灰岩，泉口呈倾斜三角形，底宽2.70 m，高1.60 m，洞口溶蚀明显，发育溶痕，流量动态变化大，丰水期最大流量为103.09 L/s，枯水期最小流量为2.31 L/s，不稳定系数为44.70，2015年7月5日测得峰值流量(图3c)；塘西村季节性岩溶泉(JK19)，第四系联圩组亚砂土覆盖，推测底部隐伏岩层为中二叠统茅口组灰岩，流量动态变化大，丰水期最大流量为10.41 L/s，枯水期最小流量为0.26 L/s，不稳定系数为40.70，2015年6月30日测得峰值流量(图3d)。

岩溶地下水随季节性变化较大，流量动态变化大，一般情况下丰水期流量大，枯水期流量小，不稳定系数大于40。在岩溶地下水开发过程中区内岩溶水动态特征应重点考虑。

3 岩溶地下水储存条件

研究区岩溶地下水的富集，由地层岩性、构造等因素综合影响所致，地层岩性是含水层生成的基本条件，并且是决定储水空间形态、规模的重要因素之一，构造往往是主导因素，对地下水系的形成和发展影响极为深刻。从大范围看，褶皱控制着区域地下水系的展布格局，而断裂及裂隙系统则控制着地下水系的径流通道(图4)。区内褶皱轴部张裂隙发育，地下水有沿着轴部富集和运移的特点，成为地下水富集带。断裂、裂隙密集发育带、各构造体系复合部位岩溶发育，是岩溶水富集发育带。

图4 研究区褶皱储水构造Fig.4 Folds water storage structure in the study area1.松散岩类含水岩组； 2.水量丰富的岩溶含水岩组；3.水量较丰富的岩溶含水岩组； 4.水量中等的岩溶含水岩组；5.基岩含水岩组； 6.砂砾层；7.粉砂岩 8.长石石英砂岩；9.泥岩；10.灰岩；11.碎屑灰岩；12.下降泉；13.上升泉；14.上升泉群；15.出水溶洞；16.含水层界线；17.不明性质断层；18.推测断层；19.逆断层；20.地层代号

3.1 向斜储水构造

区内复式向斜总体宽缓，由于构造的破坏，完整的封闭向斜构造较少，富水构造主要发育于褶皱较平缓的向斜轴部灰岩地段，下伏发育砂、页岩隔水层，地下水于向斜轴面富集。如分宜县操场-高岚乡一带位于三阳桥-操场复式向斜北东部翘起端(榨下-操场复式向斜)(图4)。核部为下三叠统周冲村组碳酸盐岩，北部以北东向断裂为边界，东部以地下分水岭为界，南部以上二叠统乐平组泥岩、砂岩为相对隔水边界，中部以复式向斜中段的上二叠统乐平组砂岩、泥岩为相对隔水边界，轴向北东，岩溶地下水由北翼朝向斜核部流，受上二叠统乐平组泥岩、砂岩相对隔水边界阻隔，岩溶地下水溢出地表，形成上升泉群，其北西侧见A859上升泉群流量57.375 L/s，A793上升泉流量14.219 L/s，A715上升泉群流量20.056 L/s，A611上升泉群流量21.02 L/s，A659出水溶洞流量11.428 L/s。南东侧见A862岩溶大泉流量21.51 L/s。ZK04、ZK05和ZK11水文地质钻探，日涌水量分别为1135.99 t/d、839.29 t/d和421.89 t/d，岩溶地下水资源丰富。

3.2 背斜储水构造

区内复式倒转背斜紧密，在背斜翼部常会伴生由于挤压作用而形成的沿背斜轴方向的断裂，有利于岩溶发育，地下水较富集。背斜核部紧密，挤压变形剧烈，岩层产状较陡，总体上不利于岩溶水富集，但在一些背斜谷地附近，因背斜核部纵张裂隙发育，断裂较多，形成导水裂隙，岩溶沿裂隙带发育，地下水也较富集，如坳岭背斜(图4)。

3.3 断裂储水构造

区内断裂与各构造体系的发育规律一致。由于断裂储水构造方向不同，力学性质不同，断裂储水条件不一。

北东-北北东向断裂，其规模大，延伸长，多属压-压扭性，断裂带一般形成数米至百余米的构造角砾岩带，胶结紧密，透水性差。泉点主要分布于两侧破碎带以及次级断裂带内，由于其单侧阻水作用，断裂带一侧常出现上升泉，如新棚下-台上压性或压扭性断裂为弱透水或相对阻水，其断裂带东段出露岩溶大泉A696、A773，流量分别为13.75 L/s、15.607 L/s，上升泉A770，流量为1.029 L/s。断裂带西部出露下降泉A838、A761、A762等(图5)。

图5 新棚下-台上断裂储水构造Fig.5 Xinpengxia-Taishang fault water storage structure1.地下河；2.上升泉；3.下降泉；4.上升泉群；5.基岩裂隙泉；6.干枯的落水井；7.消溢水洞；8.岩溶洼地；9. 溶洞；10.地下河进口；11.地下河出口；12.出水溶洞；13.非岩溶泉

北西向断裂，延伸短，但多数为张性、张扭性，自身导水性好，泉流量较大，以平行各主要褶曲的压扭性断裂及压性断裂最发育，规模亦最大。这些断裂在历次构造作用下，局部地段兼具张扭性，岩溶发育，控制岩溶泉、地下河等。断裂的复合部位，构造应力集中，地层破碎，岩溶发育，地势往往较低，有利于地下水的富集，常出现岩溶大泉、泉群，如A696点岩溶大泉，就出现在北北东和北西向两组断裂交叉部分。

4 岩溶地下水开发利用

4.1 岩溶地下水开发利用现状

区内地下水赋存于岩溶地下河及岩溶管道-裂隙含水层中，水资源较为丰富，以地下河及岩溶泉形式溢出地表(何小芊，2014；何小芊等，2014；喻中文等，2007；曾昭华，1998；方玉杰等，2006；张爱华，2010；王权，1985；刘晓东等，2002)。地下水开发以地下河和岩溶泉为主。

区内发现地下河及伏流出口20处，多见于区内中部的分水岭两侧，分水岭地带水力坡度稍大，夷平面上的暗河水力坡度小，大部分地下河出口地势较低，地下水开发利用较为困难，多用于农业灌溉，少量用于饮用水水源地。综合利用程度相对较低，开发方式较为简单，以地下河引流、拦蓄建水塘或水库为主，部分抽引、汇流入水库见表2。

表2 岩溶地下河出口开发利用Table 2 Development and utilization of karst river water runoffs

岩溶泉是岩溶水出露最普遍的形式，区内发现岩溶泉超过300处，现大部分泉水已开发利用，开发方式多以抽、引、拦蓄相结合，水资源利用率较高。表层岩溶水资源量不大，在缺水地区是重要的饮用水源和灌溉水源。

4.2 岩溶地下水开发利用区划

笔者采用降水入渗系数法计算得出岩溶地下水资源天然补给量为2.13×108m3/a，径流模数法计算得出岩溶地下水资源量为1.96×108m3/a，岩溶地下水资源丰富。地表河多建立了主干水利工程，地表水利用程度较高，但季节性缺水地区和水利开发条件较差地段仍存在用水紧张情况。岩溶地下水开发利用主要采用围堵地下河出口、岩溶泉引水，开发程度较低，部分地区甚至因开采岩溶地下水引发了岩溶塌陷等地质灾害(刘细元等，2006a，2006b；叶智亮，2016；封林波等，2017)。在综合岩溶区地下水和地表水富集程度、地下水开发条件和环境承载力等因素基础上，结合地貌和流域特点，对区内岩溶地下水资源开发利用进行了详细区划，具体如下：

(1)井采为主的隐伏岩溶区。该区分布于分宜操场、高岚侵蚀堆积平原区。隐伏岩溶含水层多为储水条件好的马平组、茅口组、长兴组，具有良好的侧向补给条件，为岩溶地下水的排泄地区，岩溶地下水常沿溶丘坡脚断裂、裂隙、节理溢出地表，岩溶泉点较多，第四系厚度较薄，一般小于30 m。施工钻孔涌水量一般大于100 t/d，最大可超过1 000 t/d，水位埋深一般2～6 m。

(2)引水扩泉、截流、井采相结合的溶丘区。该区位于研究区中南部，多为溶丘谷地、洼地区，工程地质条件复杂，碳酸盐岩类裂隙溶洞水最丰富，枯季资源平均为657.76 m3/(d·km2)，发育有地下河，地表泉点多，且流量大，是理想的开采层。碳酸盐岩夹碎屑岩裂隙溶洞水枯季天然资源量为331.20 m3/(d·km2)，而碎屑岩夹碳酸盐岩裂隙水枯季天然资源量为95.82 m3/(d·km2)。分宜操场、高岚等地为地下水的排泄区，岩溶泉点密集，岩溶大泉较多，具有较大开发价值，可作为中-大型供水远景区，以引水、扩泉、截流为主，井采为次。

(3)墨山-田心限制性地下水开发区。该区位于墨山-田心侵蚀堆积平原区，属于岩溶塌陷灾害易发生的高风险区，地下隐伏岩溶发育，地下水位埋藏浅，动态变化大，岩溶洞穴发育，覆土层厚度薄及结构抗潜蚀能力差。浅部岩溶发育地段，多见岩溶塌陷，塌陷形态各异、规模不等，以圆形、椭圆形为主，部分地区多个圆形塌陷坑相连成条带状。单陷坑平面直径为1～40 m，深为0.5～40.0 m。对该区的隐伏岩溶地下水资源开发利用活动要进行限制。

5 结语

宜春地区岩溶发育，岩溶地下水资源丰富，但资源分布不均匀、季节性变化较大，开发宜综合考虑岩溶含水岩组富水性、岩溶地下水的化学特征、水流量动态及储集特征等，并结合综合利用程度低、开发方式较为简单等特点，因地制宜。针对区内分宜(操场、高岚)侵蚀堆积平原区隐伏岩溶含水层储水条件好、中南部溶丘谷地、洼地区工程地质条件复杂及墨山-田心侵蚀堆积平原区岩溶塌陷地质灾害易发和高发等特点，制定相应的开采利用方式和保护措施，科学有效地利用区内岩溶地下水，可有效解决区内群众饮用水、灌溉用水等问题，为岩溶地下水开发利用示范工程、利用模式等提供支持。