岩溶水处理

Ⅰ 表层岩溶水的开发利用

西南岩溶峰丛洼地区气候暖湿，年平均降雨量1000～2000m m，平均气温15～20℃，具有林业（自然植被）和农业发展的优势条件。导致生态脆弱的原因之一，是由于长期强烈的岩溶化作用造成的地表地下双重空间结构，这不仅导致地表水漏失，使地下水深埋，枯季地表干旱缺水，而暴雨来临，地下管道来不及排泄，又造成洪涝灾害，许多农田往往是旱涝交加。长期的岩溶作用与水土流失使周围山坡上的岩石裸露，在洼地底部淤积了小片土壤，也因年年受淹而不宜植被生长。加上粮食产量低，导致上山开荒毁林，进一步加剧了水土流失和石山的石漠化。这一恶性循环链的始端是未能有效利用岩溶水资源。因此必须重点解决水的问题，然后开展综合治理。近年来，有关部门在峰丛洼地区采用了各种各样的方式开发岩溶水，本书主要探索表层岩溶水的开发利用。

表层岩溶带是地表和土下各种岩溶形态构成的不规则带状的强岩溶化层。通过对西南表层岩溶水资源进行了初步评价，表明西南岩溶石山地区具备表层带岩溶调蓄能力的面积在24.5万km²左右，表层带岩溶含水层所具备的年调蓄能力总量为247.4亿m³。而且由于表层岩溶水位置高，开发利用相对便捷、经济。据广西地调院统计，广西东兰、宜山等19个县、市调查的表层岩溶泉为471个，已开发利用的泉水为252个。表层岩溶泉水已成为我国西南岩溶山区尤其是峰丛洼地区居民聚集和繁衍的重要水源。

（一）平果果化示范区表层水资源有效开发利用模式和方法

在峰丛山区高位的汇流状表层岩溶带地下水分布区（有表层岩溶带泉出露），可引泉蓄水并通过配套的管、渠自流引用，可获得很好的效果。

在峰丛山区坡麓地带的散流状表层岩溶带地下水分布区（无表层岩溶带泉出露），通过修建集水槽和水柜，截取坡面流和表层岩溶水，成本低效益明显。

在高洼地底部的表层岩溶水，利用竖井、天窗等地下水天然露头修建提水站，将地下水提到高处储蓄后自流引用，效益显著。

在洼地（或谷地）地下水浅埋的径流区，采用开挖大口井的方式进行开发，是经济、有效的方法之一。在地下水埋藏较深的地带，应采用钻井的方式进行开发。

在表层岩溶带调蓄能力低、饱水带地下水埋藏较深而又无地表水的地区，通过修建集雨水柜、塘堰等积蓄雨水，以解决峰丛山区居民的饮水和部分农作物的灌溉，也不失为峰丛山区水资源开发的一种有效的方式。

石漠化不但破坏了生态环境，也加剧了表层岩溶水的漏失。因此，对于石漠化比较严重的地区，要尽可能尽快恢复生态，发展水源林，提高表层岩溶带的水源涵养和对水循环的调蓄能力，以增大表层岩溶泉的水资源量和出流时间，提高表层岩溶水资源开发的潜力和效果。

（二）水柜建设工程技术

1.水柜的规划及选点布置

为防止水土流失，凡坡度超过25°的坡地，不规划搞玉米、甘蔗类作物的地头水柜灌溉，要鼓励农民种植水果等经济林木，在种植果树后再逐步搞地头水柜开发表层岩溶水灌溉。

水柜应选择靠近泉水、引水渠、水沟等便于引水拦蓄的地方。应沿山边布置，尽量少占耕地，同时注意选择地势稳定的位置，避开滑坡体、高边坡和泥石流危害地段。在地形上，水柜点选在高于所需灌溉田地的坡地平台上，便于自流灌溉和应用节水灌溉措施。

尽量考虑交通方便的国道、省道、县道和乡村公路边，偏于运输修建水柜的建筑材料。

水柜的基础要求为密实的原状土层或完整的岩基，避开构造破碎带，不能建在地下水出露的地方和裂隙发育的地方，以免地下水产生的扬压力破坏水柜底板。要避免在裂隙发育的地方建池，防止地下水扬压力对池底的破坏。

家庭水柜选择屋前屋后或庭院附近，并尽量选择较居住地高的位置，以达自流用水的目的。但要远离猪圈、厕所、生活垃圾以及耕地，避免污染。

2.水柜的类型

根据水柜所处位置基础条件的不同，分为半埋式水柜、傍坡式水柜和地面式水柜。半埋式水柜外面的土石能平衡部分内水压力。傍坡式水柜可以利用坡面缓解水柜内壁的抗压力，普遍适宜石山区。

3.水柜的容积计算

家庭水柜的容量大小，主要依据表层岩溶水量大小和供水人、畜数量来确定。

按人、畜数量计算人、畜需水量公式为：

V₁=N★₁T

式中：V₁为人、畜需水量；N为用水人口数，要考虑人口增长，一般可按现状人口的1.2倍计；I₁为用水定额，依据国家规范结合实际取值为40L/（人·日）；T为连续缺水时间（取值根据实际缺水时段确定）。在实际设计中，考虑再加畜禽用水2m³，计算得理论需水量。

依据表层岩溶泉水流量和动态变化特征确定可供水量的公式：

V₂=PI₂W

式中：V₂表层岩溶泉的可供水量；P为多年平均降雨量；I₂为表层岩溶泉的调蓄系数；W 为泉域汇水面积。各种类型表层岩溶泉的调蓄系数见表27。

表27 不同类型表层岩溶泉的调蓄系数

地头水柜的容量大小主要依据表层岩溶水量大小和作物缺水量来确定。计算方法同家庭水柜。梯形耕地灌水每隔一星期一次，一次灌水按4m³/亩计算。旱年灌水6～8次，水柜总容量按照年16～20m³/亩计算；洼地平旱地每隔一星期一次，一次灌水按3m³/亩计算。旱年灌水5～6次，水柜总容量按照年12～15m³/亩计算；果树每隔一星期一次，一次灌水按2.5m³/亩计算。旱年灌水5～6次，水柜总容量按照年8～10m³/亩计算。

地头水柜的蓄水次数。实际生产中，地头水柜一年可以循环多次蓄水。特旱年地头水柜蓄水次数见表28。

表28 不同表层岩溶泉地头水柜的蓄水次数

家庭水柜的总容积取表层岩溶泉可供水量与实际人畜需水量中较小者，如果考虑通过集雨蓄水满足生活用水，水柜的总容积按实际人畜需水量计算；地头水柜的总容积取表层岩溶泉可供水量与实际作物缺水量中较小者，如果考虑通过集雨蓄水满足作物用水，水柜的总容积按实际作物需水量计算。

地头水柜实际需要修建的水柜库容大小等于总容积于蓄水次数的比值。家庭水柜按特旱年连续干旱天数与人畜日需水量的乘积计算。

对于浆砌石圆形水柜，较理想的断面是形状系数r=H²/Dt=0.6-2，其中H表示水柜的高度，D表示水柜圆形断面直径，t表示水柜壁厚度。

4.水柜结构及其技术要求

水柜从上到下由进水管（槽）、溢流管（槽）、铁梯、供水管、清洗管、柜壁、柜底构成。

进水管（槽）：进水管（槽）用于引表层岩溶水入水柜，其尺寸和大小主要依据泉水的丰水年最大流量来确定。

溢流管（槽）：溢流管安装在水柜顶往下约0.1m处，为直径25～80m m的镀锌钢管，或者直接在水柜顶开一个浅溢流槽。溢流管的直径或溢流槽宽度以能够顺利将雨季水柜多余水顺利排出确定。

铁梯：从水柜顶内壁往下0.2m处开始安装，到距柜底0.4m处止，间距0.4m。选用直径为18m m的螺纹钢制成。

供水设施：当水柜底板高于主用水位置时，采用自流供水方式，供水管安装于距水柜底板以上0.15～0.2m处，选用直径为20～80m m镀锌钢管，长度以到达用水位置的距离确定，并配备相应闸阀及龙头。

清洗管：安装在柜壁底部，比水柜底板面低0.03m 左右，与设置的清洗凼连接。选用材料、安装长度、管径与溢流管相同。

柜墙：水柜边墙必须设大脚（其是土层）基础，降低基础压强，确保水柜边墙稳定。采用M 7.5浆砌块石砌成，M 15砂浆抹面防渗，当基础为基岩时，水柜顶宽0.4m，土基时顶宽为0.5m。若遇软土基或软弱夹层，应先将软土清除后用M 15浆砌石填覆后再按确定的柜墙宽度安砌柜墙。柜墙的转角段应尽量砌成圆弧形。单个水柜容积超过60m³，需在柜墙四周间隔相等的距离配适量直径14m m的钢筋。壁厚在0.4m的水柜用75号水泥砂浆砌筑，水泥与砂子之比为1∶4（体积比）。壁厚在0.5m的，则用50号水泥砂浆砌筑，水泥与砂子之比为1∶5。砂子为中砂、粗砂。

水柜底：当为土基时，应铺设0.15m 厚基层石，然后用C 10混凝土现浇0.1m 厚；当为相同基岩时，直接用C 10混凝土现浇0.1m 厚。如有软弱夹层（带），应先将其清除，用M 7.5浆砌块石填覆后再现浇，面积过大清理困难时，则采用C 20钢筋混凝土现浇，配筋为直径10m m钢筋按间隔300m m 布置。

5.水柜建设

根据岩溶石山区土少石多、裂隙发育等特点，应先开挖出平台，尽量保证基础置于完整的岩基上，不允许一边在岩基一边在软基上，不允许基础直接放在高差较大或破碎的岩基上。水柜的基础都要挖到硬土或岩石上，对傍坡式水柜，整平的水柜基础上浇灌混凝土时，适当向坡内倾斜，倾斜度控制在2%～3%。

建设水柜的主要建筑材料有M 7.5浆砌石、C 14现浇混凝土、浆砌水泥砖等。浆砌石材料最适合岩溶石山区特点，能就地取材，结构简单，造价低。石料应选择新鲜坚硬的大块石，不允许裂隙发育、风化严重的石料上墙，料石、块石应尽量选个体大、四方平整的，以减少砂浆用量。

现浇混凝土或抹面砂浆施工时要严格按程序进行，现浇混凝土施工最好能一次浇筑完成，如分几个断面浇筑混凝土则一定要对施工缝进行处理后才可以进行下一轮的混凝土浇筑，以免接缝处漏水。浆砌水泥砖砌筑水柜时不允许用空心水泥砖。砌筑要求错缝不通缝，满浆不留空。勾缝用100号水泥砂浆，水泥与砂浆之比水1∶3，砂子为细砂。要求先勾缝后批档，勾缝时每条缝的边缘都要与石面紧密结合。做防水层前，池壁应扫洗干净，把灰缝黏结牢固。批档应先打底抹平，做素灰、砂浆防渗后，抹光压光。

水柜主体完成后，内壁抹三次水泥砂浆，三次总厚5cm。第二次抹砂浆在第一次抹后稍干，不能太干和太湿，每次抹面都必须连续完成。

6.附属设施

修建水柜附属建筑物的主要目的是水净化（饮用）和利于管理，一般有过滤池、沉沙池、放水管、护栏等。有条件的还可设置盖板，减少水柜中水量的蒸发。

（1）过滤池。在家庭水柜进水口上方修建过滤池，过滤池大小为0.8m×0.8m，用M 7.5浆砌高1.0m、厚0.3m的过滤池壁，内外均用M15砂浆抹面，在过滤池内由下至上依次填入棕丝、泥炭和细砂，分层高度分别为0.2m、0.3m、0.3m。表层覆盖厚0.02～0.04m的防冲碎石层。

（2）沉沙池。在地头水柜的上方（或者在家庭水柜过滤池的上方）约1～2m处建一沉沙池，沉沙池一般为1.0m×1.0m×1.5m（长×宽×高）的方体池子，用M 7.5浆砌块石护墙，用M 15砂浆抹面防渗，池底为C 10混凝土块石浇筑0.15m 而成。同时，沉沙池口设0.4m×0.1m的溢流口，出口处设置拦污栅，底部设冲沙孔。

（3）引水渠（管）。在泉点与沉沙池、沉沙池与过滤池、过滤池与水柜之间修建引水渠，或者采用直径20～80m m的镀锌钢管连接。连接沉沙池与过滤池、过滤池与水柜的引水渠和水管，控制坡降在3%左右。引水渠和水管的尺寸按泉水的最大流量设计，要对引水渠进行三面光硬化防渗处理。

（4）放水管。放水管预埋在砌体中，材料应选用热镀锌钢管，置于距水柜底板上0.15～0.2m处，防止排干水后阳光直射柜底引起底板开裂而漏水，并预防雨季大量泥沙堵塞水管。有条件扩建的水柜放水管应考虑扩建后放水需要，在满足现在放水要求的基础上适当加大放水管管径以备后用。

（5）护栏。为了人、畜的安全，对人、畜易至的水柜一定要设置护栏，护栏高度一般为0.8～1.0m。

（6）盖板。对家庭水柜，为防止杂物掉入水柜影响水质，采用C 20钢筋混凝土现浇板，厚0.12m，按直径8m m的钢筋间隔150m m配筋。同时在铁梯顶上预留0.8m×0.8m的检修孔。有条件的，对地头水柜也可加盖板减少水分蒸发。

7.水柜建设应注意的问题

按照设计确定的各部分尺寸到实地放好线，尽量减少不必要的开挖，做到布局合理、实用。

水泥砂浆批档施工时的天气条件必须掌握好，一般夏季施工时要避开烈日高温的天气进行，避免由于高温时强度增强过快而导致裂缝的产生。

避免使用质量不合格的建筑材料。主要是水泥的质量问题，要注意水泥的配比，切忌使用不合格水泥、贮运过程中已经受潮产生团块的水泥以及贮运时间超过5个月的袋装水泥。

水柜内壁抹砂浆时，一层一次完成，第二层抹时待第一层稍干后就进行。

Ⅱ 与采煤相关的岩溶水环境问题

一、矿井生产及排水情况

目前，焦作矿区有生产矿井12个，以市区为界分焦东矿区和焦西矿区。焦西矿区有朱村矿一个矿井，焦东矿区有韩王矿、白庄矿、方庄矿、赵固一矿、演马庄矿、凯马矿（原小马村矿）、冯营矿、中马村矿、九里山矿、古汉山矿（包括位村矿）和张屯矿。已经关闭的矿井有：焦西矿1999年10月关闭、王封矿1996年3月关闭、焦东矿1996年5月关闭。焦作市是全国著名的大水矿区，历史上高峰时矿区总排水量超过9.2m³/s。近年来，一些矿井因资源枯竭而关闭以及注浆加固堵水技术的普遍应用，各矿排水量减少，总排水量降至5～6m³/s，各矿排水情况见表10-3。

表10-3 焦煤集团矿井2005年生产及排水情况统计表

续表

二、矿山环境地质问题综述

焦作采煤所伴生的环境地质问题可归纳为三类：资源毁损、地质灾害和环境污染。

1.资源毁损

资源毁损主要是土地资源损失和水资源浪费。土地资源损失主要表现为煤矸石占压土地和开采沉陷毁坏土地。矿区自建矿以来产生煤矸石直接堆放于地表，已形成17座较大矸石山，历年堆存量已达1180.77万t，占地面积41.81万m²。矿区现有采空沉陷面积达到70km²。有些塌陷区常年积水，严重损坏耕地。矿山地貌受到严重破坏，水土流失面积不断扩大。近山前地带的孔隙水含水层因煤矿长期排水被疏干，岩溶水水位持续下降，并形成覆盖整个矿区的水位降落漏斗。

2.主要环境地质问题及地质灾害

主要环境地质问题及地质灾害有地面塌陷、地裂缝、瓦斯突出、矿坑突水、煤矸石白燃等。

（1）地面塌陷

焦作煤田经过几十年的开采，地下已形成数处大面积的采空区，在地表形成了总面积约70.2km²的采空塌陷区。在焦西矿区，采空塌陷形成6处大的移动盆地，分布在东王封—西冯封、李封—塔掌—上白作、北朱村、许家坟、嘉禾屯和焦西沙锅窑；在焦东矿区，面积较大的塌陷区有6处，分布于焦东矿、韩王矿—演马、方庄、冯营、前靳作、马村等地。除此之外，沿山前洪积扇的上部还散布着一些小煤窑采煤造成的塌陷坑。因焦西矿、九里山矿、方庄矿、中马矿、冯营矿、演马矿还有15～45年的开采时间，因此，塌陷区的面积今后每年还要以1.2～1.5km²幅度增加。统计资料显示，28个村庄受采空塌陷影响，30处厂矿、学校和村庄公共设施受损，12个村庄的建筑物受到强烈变形破坏。

（2）地裂缝

采空区地裂缝十分发育，主要分布在采空区的边缘地带，区内发现规模最大的地裂缝为修武县西村乡洼村地裂缝，由洼村一煤矿、二矿和西村乡煤矿采煤所致。裂缝走向近东西，长约3km，宽0.1～0.3m，局部可达2m，深0.5～1m，局部大于5m，沿疙料返断层断续出现，危及农田、道路及村庄，直接威胁居民的安全。九里山采空塌陷区裂缝多达数十条，形成宽60m的裂缝发育带，裂缝宽0.1～0.5m，沿塌陷区形成半环形，农业生产受到严重影响。

（3）瓦斯突出

焦作煤田瓦斯含量较高，约有45%的煤炭资源在开采过程中受瓦斯突出的严重威胁。焦作矿区煤矿多次发生瓦斯突出事故。例如，1996年12月10日，马村前岳村矿发生瓦斯爆炸造成2人死亡，8人受伤；2011年10月27日凌晨0点36分，焦作煤业集团有限责任公司九里山矿发生煤与瓦斯突出事故，造成18人死亡，5人受伤，直接经济损失1151.89万元。

（4）矿坑突水

焦作煤田水文地质条件复杂，奥陶系和石炭系碳酸盐岩岩溶发育，煤矿在建井或采煤过程中，遇到导水、充水断层及岩溶裂隙，引起地下水突然涌入矿井，造成矿井淹没事故。据焦作市矿务局统计资料，曾发生底板岩溶突水的矿井有：中马村矿、韩庄矿、王封矿、冯营矿、演马庄矿等。自新中国成立以来曾发生过上千次突水，突水造成17次淹井。

（5）矸石山自燃

现有的矸石山中有5座发生过不同程度的自燃，矸石自燃时，将排放大量有毒有害气体及烟尘，污染大气环境，粉尘降落于地面也会对土壤产生污染。

（6）环境污染

除在采煤过程中，煤层、煤矸石自燃排放的有毒有害气体对大气环境产生污染外，煤矸石堆积过程中，经降水的冲刷和淋溶，有毒有害成分随水渗入土壤中，造成土壤污染，矿井排水和洗煤厂废水都会污染地表水和地下水。

三、主要水文地质环境问题

1.矿井排水消耗了大量地下水资源

焦作矿区煤矿主要开采二叠系二₁煤，矿井主要充水含水层有五个：煤层顶板有第四系砂砾石含水层和二叠系砂岩裂隙含水层，煤层底板有石炭系薄层灰岩岩溶裂隙含水层（包括八灰和二灰）、奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。其中，二叠系砂岩裂隙含水层是煤层顶板直接充水含水层，八灰是煤层底板直接充水含水层，其余属间接充水含水层。从矿井充水与煤层相对位置关系来看，第四系孔隙水和砂岩裂隙水属于煤层顶板水，在采动影响下，通过顶板砂岩原生裂隙和采动裂隙，以滴水淋水及流水的方式进入矿井。而石炭系八灰、二灰及奥灰岩溶水位于煤层底板，通过导水断层、构造裂隙或采动破坏裂隙、封闭不良钻孔或巷道、钻孔直接揭露等通道进入矿井，属于底板水。根据统计，底板岩溶水占矿井排水量的75%左右。当矿井开采深度较浅时，第四系孔隙水和煤层顶板砂岩裂隙水（包括风化带裂隙水）是矿井主要充水水源；当矿井开采深度较大时，底板岩溶水是矿井主要充水水源。矿区断层构造发育，煤层底板石炭系薄层灰岩岩溶水和奥灰岩溶水水力联系密切。焦作矿区地表塌陷和地表裂缝较为发育，一部分矿井排水还会通过塌陷坑塘再次进入矿井中，从而形成矿井的重复排水，重复排水量占总排水量的20%。

焦作矿区矿井排水量呈阶段性的变化，1965～1978年为直线增长期，矿井排水量从3m³/s增加至9.2m³/s，1978～1986年为峰值期，矿井排水量在8.2～9.2m³/s区间波动。1986～2003年为下降期，从峰值逐渐降低至4.5m³/s。2003年以来，随着煤炭产量的增加，涌水量略有增加。2008年焦作矿区12座生产矿井总排水量5.97m³/s，排水强度较大的矿井有6座，演马矿年均排水量1.27m³/s、中马矿年均排水量1.04m³/s、九里山矿年均排水量0.83m³/s、朱村矿年均排水量0.68m³/s、方庄矿年均排水量0.67m³/s、古汉山矿年均排水量0.60m³/s，6座矿井排水量占全矿区排水总量的85%。从吨煤排水量数据来看（图10-9），矿井开采初期，1960年前吨煤排水量小于10m³/t，1960年后阶梯状上升，至1984年达到73.65m³/t，此后逐步下降，2008年达到30.58m³/t。吨煤排水量的减少与煤矿普遍应用注浆堵水技术有关，致使矿井涌水量大幅度减少，突水危险降低，已连续20多年没有发生大的突水事故。

图10-9 焦作矿区吨煤排水量开采量变化曲线

焦作地区地下水天然资源总量为10.76m³/s，其中岩溶水为8.09m³/s，孔隙水为2.668m³/s。1978～1986年矿井最大排水量为9.2m³/s，扣除22%重复排水量，在峰值期实际排水量最大为8m³/s左右，相当于焦作地区地下水天然资源总量的75%。如果按2008年矿井排水量5.97m³/s计算，扣除重复排水量后，实际排水量是5.25m³/s，相当于焦作地区地下水天然资源总量的50%。由此可见，矿井排水是焦作矿区地下水主要排泄方式。

矿井排水和人工开采是孔隙水和岩溶水的两种重要排泄方式，受煤矿长期排水的影响，冲洪积平原上部孔隙含水层被疏干，疏干区分布在西冯封—岗庄—百间房—安阳城—古汉山一线以北，面积达到100km²，水位埋深30～60m。与此同时，岩溶水位呈阶梯状下降，九里山岩溶泉水断流，处在冲洪积平原前缘的小张庄孔隙水自流井、灵泉碑孔隙水泉等均断流。

岩溶水水位动态主要受山区大气降水和人工开采（包括矿井排水）双重因素的影响，随开采量增加和降水减少呈阶梯状下降（图10-10）。

20世纪60年代，岩溶水水位标高在110m上下波动，最高水位达到125m以上，岩溶水补给与排泄处在天然动态均衡状态，以泉群形式排泄。随着矿井排水量的逐步增加，岩溶水位逐步下降，至20世纪80年代，矿井排水量达到峰值。与此同时，随着岗庄水源地的建设，城市大规模开采深层岩溶水，矿井排水和城市开采量超过10m³/s，至20世纪80年代末，水位最低降至75m。在30年的时间里，岩溶水位整体下降幅度达到35～50m，年均下降幅度1.2～1.5m。

图10-10 焦作矿区岩溶水历年水位和矿井排水量开采量相关曲线

自1994年开始，随着王封矿、焦西矿和焦东矿相继关闭，矿井排水量逐年下降。但是，随着城市发展和人口增加，岩溶水开采量逐年上升，由此抵消了消减的矿井排水量，岩溶水开采总量仍然保持在较高的水平，在8.5～9.5m³/s之间，岩溶水水位在75～90m之间波动。

根据前人研究，赵庄断层是一条主要起阻水作用的断层，断层以北的奥陶系灰岩含水层被抬升至区域地下水位以上，中寒武统灰岩是岩溶水赋存和运移场所，岩溶发育程度较差，裂隙率低，连通性不好，致使岩溶水径流条件差；而赵庄断层以南，奥陶系灰岩地下水位以下，岩溶发育，裂隙率高，导水性强，岩溶水径流条件好。以赵庄断层为界形成了水位差达70～150m的地下水位陡坎，断层北为高水位区，断层南为低水位。焦作矿区奥灰含水层岩溶裂隙发育，断层发育，岩溶连通性好，岩溶水有统一的水位，并有相似的水位动态特征。低水位区岩溶水位在矿井排水、城市开采及降水共同影响下，常表现为整体性的水位升降。在矿区岩溶水水位等值线图上，矿区岩溶水沿山前形成了椭圆状不对称的水位下降漏斗，水位最低点出现在开采量大的水源地（如岗庄水源地）或排水量大的矿井（如演马矿和九里山矿）。

岩溶水位年内动态主要受到大气降水的影响。雨后岩溶高水位区水位迅速上升，低水位区水位上升较缓慢，一般到10月底达到全年最高。低水位区岩溶水位年内动态分三个阶段：1月下旬至3月底，此间几乎无降水，岩溶水位急剧下降，至5月底或6月中上旬水位降至全年最低；6月后降水急剧增加，岩溶水获得补给水位开始回升，至10月底达到全年最高；10月至次年2月底，降水量减少，在开采的影响下，水位缓慢下降。岩溶水位动态特征反映了岩溶水集中补给、缓慢消耗的特点（图10-11、图10-12）。

2.矿区水环境污染

矿井排水是一种混合水，由岩溶水、孔隙水、砂岩裂隙水构成。一般情况下，矿井水水化学特征与矿井所在区域内的岩溶水或孔隙水一致。反过来讲，浅层孔隙水又接受矿井水的补给，孔隙水的水化学特征与矿井排水相似。因此，在焦作矿区孔隙水、岩溶水、矿井排水的水文地球化学特征，有许多相识之处。

图10-11 焦作矿区2000～2008年岩溶水位和降水量相关曲线

图10-12 焦作矿区2000～2008年岩溶水位和矿井排水量相关曲线

在水文地球化学特征上，焦作矿区东部和西部矿井排水水化学成分和水质类型有明显差异（表10-4）。西部各矿矿井水化学类型为·-Ca²⁺·Mg²⁺型，水的总硬度一般为350～450mg/L，溶解性总固体一般为500～600mg/L，含量一般为100～130mg/L。而东部矿井水化学类型是-Ca²⁺·Mg²⁺型，总硬度一般为270～280mg/L，TDS一般为320～350mg/L，水中含量明显低于西部，一般为40～55mg/L，水中其他离子含量如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、、Cl^-等也较西部矿井水低。造成东西部矿井水水化学特征不同的原因是东部与西部地质环境不同，表现在：①西部矿区煤系地层中含量高于东部矿区；②东部与西部地下水水化学特征存在较大差异，矿井水与矿井所在区域地下水一致。

表10-4 焦作矿区东部和西部矿井水水化学成分对比表 单位：mg/L

矿井水来源于岩溶地下水和孔隙地下水，其水质应该同区内岩溶水、孔隙水相同或相似。但是，矿井水从矿井深处向外排放过程中，受开采条件、人为活动等因素影响，矿井水中往往会混入大量的煤尘和其他杂物，而且还会遭受井下废弃的石油类等物质的污染，从而使矿井水水质趋于恶化。焦作矿区矿井水感官性状较差，浊度、悬浮物、细菌总数和大肠杆菌数普遍超标，但一般化学指标符合现行饮用水水质要求，基本上不含有毒有害成分，含有少量的油类有机污染物（表10-5、表10-6）。

表10-5 焦作矿区各煤矿矿井水水质分析汇总表

续表

表10-6 演马矿和鑫珠春矿矿井水水质分析及评价结果

续表

矿井水排出地表后，除少部分被利用外，大部分被排入沟渠或坑塘，最终流出区外。自20世纪60年代起，为利用矿井排水灌溉农田，在焦作西部和东部兴建了引排矿井水的渠道，形成了以矿井水为水源的焦西灌区和焦东灌区。焦西灌区灌溉耕地面积1.14万亩，最多时达到2.4万亩，包括王封、上白作、朱村和王褚四个乡镇的27个村庄，焦东灌区灌溉耕地面积为1.6万亩，包括待王、百间房、安阳城和九里山四个乡镇。自20世纪90年代开始焦作西部煤矿李封矿、王封矿、焦西矿等相继闭坑，矿井排水量减少，农业失去了灌溉水源。焦西灌区因地表塌陷，灌溉渠道受到不同程度的破坏，可灌溉面积减小。农业利用矿井排水灌溉过程中，有20%～30%的灌溉水通过灌溉回渗进入浅层孔隙地下水，矿井排水进入沟渠坑塘后，也可通过塌陷及地裂缝进入孔隙水甚至进入矿井。矿井排水是浅层孔隙地下水补给源，也是重要的污染源，不仅将大量煤粉和岩粉带入土壤中，造成了土壤污染和土质的降低，也导致孔隙水水质受到不同程度的污染。由于矿井排水以漫灌自流状态进入农田及田间沟渠，通过灌溉回渗和渠道渗漏补给孔隙地下水，构成孔隙地下水的污染源。

根据焦作节水办历年来水质监测结果，焦作西部和东部冲洪积平原中上部的浅层孔隙水，其水化学类型有两种，·-Ca²⁺·Mg²⁺型或-Ca²⁺·Mg²⁺型，在水质监测的27个常规化验项目中，总硬度、TDS、硫酸盐、氟化物、氯化物和硝酸盐有超标水样，污染程度属于轻度至中度污染。需要指出的是，浅层孔隙水因埋藏浅，补给途径和补给来源多样化，除接受矿井排水补给外，大气降水和地表水（主要是污水）均是补给水源。造成浅层孔隙水污染的途径和污染源也较复杂，农业喷洒农药和大量使用化肥均会造成浅层孔隙地下水的污染。但煤矿长期疏排地下水是导致水质污染的重要因素，采煤塌陷为污染物进入地下水中提供了良好的通道。

焦作矿区岩溶水埋藏于石炭-二叠煤系地层之下，煤系地层以及煤系地层之上的新生界地层构成岩溶水的天然保护盖层，可以起到避免岩溶水遭受人为污染和保护岩溶水质的作用。岩溶水补给区山高陡峭，人烟稀少，基本上没有大型污染源，包气带厚度大，是天然的卫生防护区。岩溶水受人为活动影响较小，水质良好，属于低硬度和低FDS的淡水。本区岩溶水中Cl^-背景值含量为26.69mg/L，但自20世纪90年代开始，岩溶水氯化物含量逐年递增（表5-6）。焦煤水文队水井1999年Cl^-含量为141mg/L，2002升至2135mg/L；54772部队2000年为680.7mg/L，2002年升至1447mg/L，两口水井皆因水质恶化而停用。一般情况下，水中氯化物多来源于生活污染和工业污染，岩溶水Cl^-含量超出背景值，表明已遭受污染。主要原因是：原焦作化工三厂烧碱废液池直接建在渗透性很强的奥陶系灰岩地层上，池底及四周未作任何防渗处理，废水Cl^-含量高达100g/L，通过岩溶裂隙渗入岩溶含水层。岩溶水自山区向山前运动，并在山前集中排泄，焦作几个大型岩溶水水源地均分布在近山前地带，距该废液池不足3km，岩溶水的运动和弥散作用，使山前岩溶水Cl^-含量升高。

在九里山奥陶系灰岩残丘附近，奥陶系灰岩与第四系冲洪积层直接接触，形成“天窗”。排放于地表的矿井水入渗补给孔隙水，孔隙水水位高于岩溶水位，又以越流形式补给岩溶水。

丹河是焦作矿区西部唯一的常年性河流，流经奥陶系灰岩分布区，河水渗漏补给岩溶水，是焦作矿区岩溶水的主要补给来源之一，多年平均渗漏量占焦作矿区岩溶水多年补给量的20%左右。河水已受到污染，主要污染因子是化学需氧量和挥发性酚，对岩溶水水质有一定影响。

3.煤矸石及其污染

煤矸石是煤矿建井和生产过程中排出来的一种混杂岩体，包括井巷掘进时排出的岩石、煤层顶底板的砂岩、泥岩、煤等。煤矸石矿物成分主要有石英、长石、黏土矿物、白云岩及石灰石及黄铁矿等。煤矸石化学成分比较复杂，主要为一些金属元素和非金属元素的氧化物，也含有微量的重金属元素，其中SiO₂和Al₂0₃占有相当高的比例。露天堆放的煤矸石不仅占用大量土地，还会造成周围环境的污染，矸石因氧化、风化和自燃，产生大量扬尘、SO₂、CO、CO₂、烟气等有害有毒气体，从而影响矿区周边生态环境。露天堆放的煤矸石受风吹、日晒和雨淋等作用，所含有毒重金属元素如铅、镉、汞、砷、铬等均有可能通过雨水淋溶进入地表水域或渗入土壤，并可渗入浅层地下水中，导致水土污染。煤矸石中黄铁矿结核经过风化和降水长期淋溶，会形成硫酸或酸性水，并离解出各种有毒有害元素如Cd、Hg等。此外，煤矸石自燃后会产生大量SO₂气体，遇水形成H₂SO₄，会造成土壤酸化。

焦作矿区煤矸石产出量占原煤产量的20%，目前原煤开采量已达到800万t，每年外排煤矸石150万t。目前矿区尚有矸石山17座，占地面积约64万m²，历年堆存量已达2500万t。根据郭慧霞等人的研究，焦作矿区煤矸石主要化学成分中，SiO₂相对含量为50.09%～58.21%，Al₂O₃相对含量为15.7%～28.11%、Fe₂O₃相对含量4.61%～5.49%，烧失量为12.32%～14.35%。煤矸石普遍含有影响环境的重金属元素，在所分析的Pb、Mn、Zn、Cu、Cr、Cd6种指标中，Cd的检出率为50%（Cd的最低检测限为0.05mg/kg），其他元素的检出率为100%，其中Zn的含量为123.89～291.11mg/kg，Mn含量为35.83～888mg/kg（表10-7）。

表10-7 焦作矿区煤矸石重金属元素含量分析结果 单位：mg/kg

焦作矿区煤矸石对土壤和地下水的影响主要表现为重金属污染，河南理工大学胡斌、李东艳等对演马矿、中马村矿、朱村矿矸石山周围土壤重金属污染问题进行过专题研究。在每座矸石山周围，沿主导风向和地形坡向上布置2～3条采样线，每条采样线上，由矸石山向外按5～50m的距离布置采样点，每个采样点采集深度10～15cm。土样分析结果见表10-8，研究表明：

表10-8 演马矿矸石山周围土壤重金属含量分析结果¹ 单位：mg/kg

1）朱村矿矸石山周围土壤无Cr污染；Cd污染不明显；Cu污染程度较轻，但已经超出本地的自然背景值，Pb污染主要与矿区交通环境有关。Zn污染较重，其污染浓度与矸石堆距离呈非线性负相关关系，距离矸石堆越远污染程度降低。说明土壤某些重金属元素污染是由矸石风化、扬尘、雨水淋溶等作用使其迁移到周围土壤中造成的。

2）演马矿矸石山周围土壤Cd为轻污染，Cr和Zn为中等污染，其含量与矸石堆距离呈非线性负相关关系，距离矸石堆越远污染程度越轻，土壤开始出现Pb污染，但主要受交通影响，土壤受Cu污染不明显。

3）中马村矿区矸石山周围土壤中，5种重金属元素的平均含量由高到低分别为Mn＞Zn＞Cr＞Pb＞Cu，其平均值为496.48mg/kg、242.78mg/kg、53.89mg/kg、37.27mg/kg、31.74mg/kg。土样Zn、Pb和Cu污染普遍，其平均值分别超过河南省土壤元素背景值的3.3倍、1.9倍、1.6倍，但Cu、Cr、Pb、Zn、Mn平均值均未超过《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）二级标准。

煤矸石山附近包气带和浅层地下水污染较为严重，矸石堆旁土壤水中K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、离子含量高，远离矸石堆离子含量普遍低，以离子表现得最为突出。

4.煤矿采空塌陷及其对水文地质条件的影响

当地下的煤层被采空后，便在地下形成采空区，采空区上的岩体失去原有的平衡状态，从而引起采空区上覆及周围岩体的移动、变形以至破坏。这种移动、变形和破坏在空间上是由采空区逐渐向周围扩展，当采空区范围扩大到一定程度时，岩层移动就发展到地表，在地表产生变形和破坏，即地表移动。地表移动和破坏形式与开采深度、开采厚度、采煤方法、顶板管理方式、岩性、煤层产状等因素有关，当采深与采厚的比值比较小时（深厚比H/m＜25～30，或覆盖层薄时），地表出现大的裂缝、塌陷坑。焦作煤田经过几十年的开采，地下已形成数处大面积的采空区，在地表形成了总面积约70km²的采空塌陷区（表10-9）。

表10-9 焦作各矿井采空区及塌陷面积统计表

根据2008年焦作市国土资源局《焦作市区地质灾害调查与区划》调查结果，市区因采空引发地面塌陷灾害共19处，除1处为开采赤铁矿引发的地面塌陷外，其余18处均为采煤引起（表10-10）。19处地面塌陷中，大型塌陷5处，中型塌陷13处，小型塌陷1处。采空塌陷在解放区、山阳区、中站区、马村区均有分布，涉及12个办事处。主要塌陷区有：小庄村塌陷、田涧村苗圃塌陷、嘉禾屯村塌陷、中马村西塌陷、桶张河村东塌陷、岗庄村西焦东矿塌陷、冯营塌陷、中马矿罗庄塌陷、九里山矿区塌陷、演马庄矿塌陷、韩王矿塌陷、王庄李封矿塌陷、红砂岭赤铁矿塌陷、朱村矿部塌陷、朱村四矿塌陷、中站区煤矿塌陷、西冯封村塌陷等。塌陷坑平面呈不规则圆形或椭圆形，直径一般500～2000m，个别大于2000m。从地面塌陷稳定性来看，12处稳定性差，7处稳定性较差。

表10-10 焦作市地面塌陷区分布位置及特征一览表

除此之外，沿山前洪积扇的上部还散布着一些小煤窑采煤造成的塌陷坑。因焦西矿区的焦西矿、焦东矿区的九里山矿、方庄矿、中马矿、冯营矿、演马矿、古汉山矿还有15～45年的开采时间，因此，塌陷区面积每年还在以1.2～1.5km²幅度增加。

焦作矿区地表移动的范围比采空区面积要大得多，其位置与形状取决于采空区的形状及煤层倾角的大小。矿区煤层大体上为一向东南倾斜的单斜构造，煤层倾角一般为8°～12°，煤厚5～6m，属于缓倾斜煤层。因此，充分采动条件下的地表移动盆地多位于采空区上方，移动盆地的形状与采空区形状有关，盆地中心略向地势倾斜方向偏移。地下采煤对地表的影响主要有垂直方向的移动和变形（下沉、倾斜、扭曲、曲率）与水平方向的移动和变形（水平移动、拉伸和压缩变形），这些移动和变形都会对地面建筑物产生各种形式的破坏。衡量移动盆地变形程度的指标有下沉量W、倾斜率I、曲率K、水平位移量U和水平变形值E，下沉系数η、水平移动系数b、影响角正切值tanβ是确定这5个指标的参数，其值见表10-11。

表10-11 焦作矿区地表移动实测参数表

焦作矿区地表最大下沉值一般为采高的70%～80%，最大水平移动量差别较大，最小只有230mm（焦西矿109工作面），最大则为3794mm（焦西矿106工作面），其余各矿水平移动一般介于500～1500mm之间。地表下沉一般在放顶后十天内开始，下沉期一般为5个月，最长可达8个月。地表下沉过程可分为起始阶段、活跃阶段和衰退阶段三个阶段。起始阶段一般为30d左右；活跃阶段持续时间60d左右，日均下沉量最大100mm；衰退阶段持续时间60d左右；一般来说，工作面停采1年后地面变形基本停止，3年后地表变形达到稳定。从实际调查来看，焦作马村、田门、冯营、九里山和方庄矿塌陷区最大下沉量在5～6m，与理论公式计算结果大致相同。

地面塌陷造成的危害主要表现为毁坏耕地、公路和村庄，有的塌陷坑内长期积聚矿井水及雨水，农田丧失耕种价值。地面塌陷对矿区浅层孔隙水和深层岩溶水水文地质条件也有一定影响，表现在以下几个方面：

1）地表塌陷及地裂缝成为矿井充水和突水的通道。地表塌陷使地表高低起伏不平，矿井排水和雨水等在一些较大的塌陷坑内汇集，由于塌陷坑或地表裂缝与井下巷道或采空区存在通道，塌陷坑内积水便可再次进入矿井，造成矿井重复排水。根据焦煤集团统计，重复排水量占到矿井排水总量的20%左右。

2）采空塌陷及地裂缝还为污染物进入地下水和矿坑提供了最直接的通道。汇集于地表塌陷坑内的地表水、雨水及矿井排水，可以通过渗漏形式补给第四系孔隙地下水，由于其水质较差，容易造成浅层孔隙水的污染。

Ⅲ 岩溶和土洞的处理方法有哪些

答：在岩溶地区进行建筑，应结合岩溶发育情况、工程要求、施工条件和经济安全原则常采取以下处理措施：1.对个体溶洞与溶蚀裂隙，可采用调整柱距、采用钢筋混凝土梁板或桁架跨越的办法；
2.浅层洞体顶板不稳定，可采用清、爆、挖等办法去除，然后可结合工程要求用块石、碎石、粘性土或毛石混凝土等回填至设计标高；3.溶洞大顶板有一定厚度可用石砌柱、拱或钢筋混凝土柱支撑，增加洞体稳定性；4.岩体裂隙可采用灌注水泥浆等方法处理；5.地下水宜输不宜堵，建筑物附近的排泄地表水、落水及岩溶泉应清理疏导，保持水路畅通。
土洞的处理措施有：1.处理地表水和地下水，地表水可用截流、防渗、堵漏等方法，杜绝地表水渗入土层内，地下水可采用截流或改道的方法，防止土洞地表塌陷的发展；2.浅层土洞和岩溶处理方法一样，采用挖填处理；3.灌砂处理，在顶板钻孔然后灌砂，压力灌注细石混凝土等；4.垫层处理，基础底面夯填粘性土夹碎石作垫层，提高基地标高，减少顶板附近基底压力；5.同样采用梁板跨越土体以支撑建筑物；6.采用桩基或沉井穿过覆盖土层，将荷载传至稳定基岩上。

Ⅳ 岩溶水系统生态环境重建与水资源有效利用模式

岩溶水流域的分水岭地段，是峰林、峰丛发育的地下水补给区和峰林谷地向峰林平原过渡的地下水径流区。就岩溶含水介质条件来看，具有水流循环交替迅速、资源分布不均一的特征，提高地下水资源的供水功能，必须增强水循环系统的调蓄功能，改变岩溶山地补给区降水快速下渗、形成径流快速排泄的状况。研究表明，当前该地区植被衰退十分严重，原始植被已全部为次生植被所代替，次生植被则大部分为草丛，相当面积已变为裸岩地。现有少数森林几乎全部为人工林，无论天然植被还是人工植被，旱生性状均十分明显。逆演替已由中草草丛向低草草丛退化，土壤湿度条件日趋恶化。森林植被涵养水分的功能已完全消失。因此，岩溶水流域分水岭地区的水资源的有效利用与防旱治旱，总体应以加强水循环过程的调控为主，采取生物工程、地表蓄水工程方法调控地下水的循环转化，有效开发地下水的方式，建立水源生态环境建设—水资源调蓄—节水利用—产业结构调整相结合，即采取水源区生态重建、引、提水、水源蓄积与水产养殖、节水灌溉与发展高效农业的综合治旱模式（图版Ⅶ）。如图所示，根据小平阳示范区的资源环境特点，开展了该类型岩溶平原区的综合治旱技术示范，建立模式的核心应用技术主要包括如下方面。

（一）水源生态环境重建

自然封育和人工造林是岩溶山地植被恢复的基本途径。就目前大多数岩溶山地来说，由于受自然和社会经济等条件的限制，自然封育仍是其植被恢复运用最为广泛的基本途径。小平阳地处桂中盆地的中心地带，一方面由于人为破坏频繁而导致绝大部分山地植被退化十分严重，森林覆盖率低，其现存的自然植被主要为草丛和灌草丛等低矮型植被，已丧失了基本的环境调节功能；另一方面，该地气候条件较为优越，植物种类丰富，立地类型多样，有着极为有利植被恢复的自然和社会经济条件。

研究表明，裸露石山环境的表层岩溶带对岩溶水的调蓄功能较弱，只有提高表层岩溶带的森林覆盖率才能增加表层岩溶水的调蓄功能，随着森林植被的恢复，地衣、藻类和苔藓等低等植物，在岩溶生态系统中对水资源的调蓄将起到重要的作用。已有试验成果显示：从饱和吸水状态经蒸发失水至恒重，藻类生物岩样失水量是相应岩石的16.3倍，时间也延长48%，主动吸水时，吸水量是相应岩石的2.6倍，时间也延长57%，而持水量为相应岩石的17.6倍。除森林和低等植物外，枯枝落叶层也是重要的蓄水介质，同时也是生态系统内部水分的主要调节者，也具有延缓地表径流时间和强度的功能。

在示范区，对分水岭和平原中的峰丛、峰林石山进行封山育林或营造人工生态经济林，是改善水源生态环境的主要措施，观测结果表明自然封育对增加植被高度和群落层次、改变植物种类组成以及改善小环境等方面起到一定的作用，这种作用随封育时间的增加而愈加明显。经调查乔木幼林区自然封育已达20年，尽管1985年遭受全面砍伐已基本退化至灌丛，但由于其所处位置特殊而得到及时的封育和保护，现已基本恢复至乔木幼林阶段，群落高度和总盖度分别达6 m和95%，其中乔木层盖度40%。乔木层中除山胶木为常绿树种外，其他均为落叶树种，其中猫尾木的数量最多，石岩枫次之，两者株数分别达到5株和4株。猫尾木和网脉紫薇（1株）共同占据了群落的最上层，两者胸径最大值分别达到11.52 cm和13.05 cm。除观测样方内的树种外，该区乔木层树种还有圆叶乌桕、黄连木、铁屎米、野梨、朴树和油甘果等。灌木层盖度高达80%，主要种类有灌木植物红背山麻杆、石山花椒和石山巴豆等，乔木幼树主要有黄连木、山胶木、铁屎米和油甘果等。草本层盖度较小，仅为15%。从整个群落的结构和物种组成来看，乔木幼林区正处于极不稳定的演替阶段，随着自然封育的继续，它将会逐渐演替为落叶阔叶林或常绿落叶阔叶混交林。

灌草丛区和樵牧区（对照区）的群落外貌均为灌草丛，与乔木幼林区存在较大差别，两者群落高度分别为2.2 m和1.6 m，整个群落仅包括灌木层和草本层。尽管如此，比较两者的调查结果可以发现，短时间的自然封育也会使其植物群落发生一些比较明显的变化，这些变化包括群落高度和种类组成等方面。由于人为干扰仍在继续，对照区的植被总盖度虽然高达95%，但其群落高度仅为1.6 m，大部分种类生长较差，以草本植物为优势，其盖度和种类数量要略高（多）于灌木植物；灌草丛区的群落高度达2.2 m，比对照区增加了约40%，已由原来草本植物占优势转变为灌木植物占优势，大部分种类生长良好。在灌草丛中，灌木层的盖度和种类数量要明显高（多）于草本层，其中灌木层种类达19种，比对照区增加了8种，增幅达73%，相反，草本层植物仅有7种，下降幅度达42%。这对于促进该区域的植被向乔木幼林演替和实现植被的最终恢复具有非常重要的意义，因为惟有木本种类尤其是乔木种类增加，灌草丛才有可能发生质的或者根本性的变化。因此，自然封育对小平阳山地的影响和作用主要体现在增加群落高度、改变群落结构和种类组成等方面，特别是自然封育有利于增加乔木种类和数量，这对促进现存植被演替和恢复均具有非常重要的意义。

人工造林，由于山地的立地条件在不同山地或不同坡位之间差异较大，因而人工造林也因树种和造林地而收到不同的效果。据野外观察，村边及山坡中下部的人工林长势较好，而位于山坡中部以上的人工林长势则较差。人工林中的自然植物种类主要是桃金娘、芒萁、金樱子、黄荆条、野牡丹和扫把枝等一些耐干瘠的灌草指示植物。

由上所述，示范区地处亚热带，水热作用活跃，植物生长迅速，生态系统自我恢复能力很强。通过封育，岩溶山地的植被已呈现良性演化趋势，在15～20年的封育区段，已基本恢复至乔木幼林阶段，群落高度和总盖度分别达6 m和95%，显示以森林为主体的植物群落将得到初步恢复，涵养水源的作用不断增强，有利于调蓄降水入渗和循环调节，地下水的动态变化趋缓。

（二）地下水开发、调蓄与水产养殖

在峰丛、峰林山地区周围的平原上由于接受上游补给区侧向径流和平原本身降水的双重补给，山前地带地下水资源相对集中，在地貌、岩溶和构造组合条件有利的部位形成地下水富水地段，采取钻井取水。同时在山前坡丘间或岩溶谷地的低洼地地段，选择有利部位筑坝、修建蓄水山塘，积蓄山地坡面流和山区表层岩溶带的季节性排水，拦截地表径流，蓄水防旱。通过修整和防渗处理，并钻井抽取地下水，保障山塘水源补给，开发山塘水产养殖功能，充分发挥山塘的蓄水抗旱与经济生产效益。

在小平阳示范区的刘村核心示范片，2001年可用于养殖的山塘面积180亩，通过项目实施，2005年水产养殖面积增加330亩。2002年建成刘村1口机井，出水量达100m³/h，配套修建输水管1 750m，调蓄水池1个，为莲花塘等8个主要养殖山塘提供补充水源，同时保障310亩的“望天田”能种上了双季稻。其中莲花塘原有水面积80亩，水深平均75 cm左右，蓄水约4×10⁴m³，通过筑坝、开挖和防渗，建坝320m，防渗约7 000m²，挖土约20 000m³，扩大养殖面积达150亩，水深平均1.5 m，蓄水量可达15×10⁴m³。不仅增强了山塘的水产养殖功能，而且调蓄水资源的能力增大了2.75倍，提高了防旱抗旱能力。2004年水产总量达250 t，同时在山塘边新建200头的养猪场和2 000羽养鸡、养鹅场各一个，建立杂交柑示范果园50亩，取得了显著的经济生产和综合治旱技术示范效益。

（三）岩溶平原区防洪排涝和引水调蓄

峰林山地至岩溶平原区过渡地带，由于地势低洼，雨季地下水位一般上升到地表，产生洪涝灾害，淹没农田；而旱季地下水位又迅速下降，造成干旱缺水。在山前开挖排洪引水沟，将山地洪水和季节泉洪水汇集引入山前山塘，蓄积水源，从而既解决防洪排涝问题，又解决山塘补给水源不足的问题。在刘村南修建550m排洪引水渠，使下游250亩低洼旱地免受洪水淹没，为近40亩水面的山塘引进充足水源，保障山塘养殖开发。

（四）产业结构和用地结构调整，发展节水旱地农业

岩溶平原区土地资源丰富，开垦耕种面积率高，旱地比例大，在粮食作物种植面和产量稳定的情况下，粮食生产满足人口需求，大量的作物秸秆和余粮为发展养殖业提供了物质基础。如刘村示范片，除了结合水资源调蓄进行水产养殖外，引进了2元杂种猪、良种鹅、鸡的养殖，建立养殖示范场，养殖业的生产率年平均增长12.58%，2005年养殖业收入达到农林牧渔业增产值的45.36%。同时发展节水旱地农业，果园用地增加420亩，经济作物用地增加1 500亩。在实现人均有粮350kg的同时人均纯收入达到2 626元。

（五）加强沼气池建设，合理利用生物能源，防止植被破坏，提高农业效益

岩溶平原区农村沼气综合利用是支撑农民增加收入、建设生物资源利用与生态良性循环机制，解决农民生活用能、缓解农村燃料短缺矛盾，防止水源涵养林破坏，保障岩溶生态恢复和保护农村生态环境的重要示范工程之一。结合产业结构调整，发展养殖业、经济果林种植，推广沼气建设。刘村示范片新建沼气池94户，占建新居农户和有修建条件老住户的85%，同时进行改厕、改水、改圈，改善民居卫生环境。沼气池的使用为农户提供50%以上的燃料，据测算每户节省薪材约2 500kg/a，节约劳动力人工40个，产出水肥18 t、渣肥6～7 t。沼气液、渣不仅是优质有机肥料，沼气液还是良好的鱼饲料。综合开发沼气产物的利用技术和与其关联的养殖、果蔬无公害种植技术，是调整农村能源结构、解决农民生活用能的能源工程，也是巩固水源涵养林封育成果、保护生态恢复和生态环境重建重要的基础工程。同时推进了农业产业结构调整、促进畜牧业发展、农业增效和农民增收，并有利于改善农村环境卫生，提高农民生活质量。

Ⅳ 岩溶地区隧道岩溶水的处理原则

对岩溶水的处理通常原则是以“排”为主，截、堵、排、防相结合的综合处理措施，笔者认为应该是以“通”为主，截、排、堵相结合的综合处理措施。“通”是指尽量保持原有过水通道，不能因为隧道的修建发生大的变化;“截”是指截断原有地下水通道，改走其他通道；“堵”是封死相交的地下水通道；“排”是特指引入隧洞，通过排水沟排走；“防”是指防止地下水进入隧道即可。岩溶水处理的较大工程措施有泄水洞和涵洞两类，采用泄水洞排水属于“排”和“截”的范围，采用涵洞过水属于“通”和“截”的范围。
1泄水洞排水
当预测到隧道区域的岩溶水量大、水压大，而隧道确实无法避开时，需考虑专门设置排水隧洞，达到排除岩溶水，降低地下水位，保持隧道干燥和施工安全的目的。
泄水洞应位于地下水来向的一侧，为防止岩溶水突然袭击，施工中要采用超前钻孔探测，预备足够的抽水设备。泄水洞的设置可能对生态环境有不利影响，是否采用应从施工、环保、安全等多方面进行评价，以保证方案考虑周全，成本最低。
2涵洞、倒虹管吸过水
隧道断面与岩溶水相交时，为保证岩溶水畅通，在隧道底部设钢筋混凝土圆涵，或倒虹管，同时涵洞出入口周边至隧道边墙外缘采用浆砌片石回填密实。在采用此方案时要正确考虑涵洞过水断面，一般应按丰水季节流量考虑

Ⅵ 隧道施工中遇到了了溶洞最好的的处理办法是什么

方法：在开挖施工中，利用超前地质预报手段进一步调查溶洞的地质条件，查明分布位置大小、类型、充填物、岩层的稳定情况等。

岩溶地段一般按照以疏导为主、堵排结合、因地制宜、综合治理的原则，采取跨越、绕行、加固洞穴、引排截流岩溶水、清除充填物或注浆加固、回填等处理措施。

岩溶地段

1、岩溶地段施工方法

溶洞是岩溶现象的一种，岩溶是指可溶性岩层，如石灰岩、白云岩、白云质灰岩、石膏、岩盐等，受水的化学和机械作用产生沟槽、裂缝和空洞以及由于空洞的顶部塌落使地表产生陷穴、洼地等类现象和作用。

2、溶洞对隧道施工的影响

当隧道穿过可溶性岩层时，有的溶洞岩质破碎，容易发生坍塌。有的溶洞位于隧道底部，充填物松软且深，使隧道基底难于处理。

有时遇到填满饱含水分的充填物溶槽，当隧道掘进至其边缘时，含水充填物不断涌入坑道，难以遏制，甚至使地表开裂下沉，山体压力剧增。有时遇到大的水囊或暗河，岩溶水或泥沙夹水大量涌入隧道。有的溶洞、暗河迂回交错、分支错综复杂、范围宽广，处理十分困难。

以上内容参考：网络——隧道施工技术

Ⅶ 岩溶治理

根据不同类别岩溶，确定齐岳山隧道岩溶治理方案，如表10-25。

表10-25 齐岳山隧道岩溶治理方案表

（1）贫水管道型

1）充填淤泥型。2004年3月22日，齐岳山隧道施工至PDK361＋582.5后停止掘进，采用地质钻机进行超前地质钻探。3月24日20：00 ，探孔钻进至13.8 m时，钻孔冲洗液变浊；20∶10 ，钻进至15.2 m时，钻孔内开始出现涌泥；20：13 ，钻孔内开始涌水，喷射距离2 m。经测试，涌水量为300m³/h。由于涌水量大，钻机无法钻进，随后停止钻进。1小时后，钻孔内涌水量减小到150m³/h，之后，涌水逐渐减小，稳定在30m³/h。

根据该岩溶涌水特征：随着充填介质淤泥的涌出，开始涌出清水，并且涌水量在短时间内逐渐减小，并稳定在30m³/h。结合该岩溶处于F3 断层，断层带内岩层破碎，平导PDK361＋597发育为垂直向岩溶管道，因此管道相对独立，管道内静储量已基本释放，因而，对于该岩溶，可采取“后处理”措施，即先采取爆破开挖，待岩溶管道完全揭示后，再进行处理。

2004年4月5日，对该岩溶管道进行爆破开挖。爆破开挖后，实际揭示在隧道左侧拱腰位置为一直径ϕ2m的岩溶管道，与预测情况基本一致。针对该岩溶管道，采取以下“后处理”措施，如图10-80。

①对隧道开挖轮廓线外5 m范围进行锚网喷防护。锚杆采用2 mϕ22mm砂浆锚杆，锚杆入岩深度1.5 m，外露0.5 m，间距1 m×1 m。钢筋网采用ϕ6mm钢筋，网格间距20cm×20cm；喷射C₂₀混凝土厚10cm。

②对DK361＋594～＋600段采取格栅钢架支撑，钢架间距1榀/0.5 m。

③对初期支护外岩溶管道采用M5浆砌片石回填，回填高度2 m。

④预埋ϕ100mmPVC排水盲管，保持原有水系排泄通畅。

⑤对DK361＋594～＋600段采用K0.5MPa抗水压加强型衬砌。

2）充填粘土型。2004年4月28日，齐岳山隧道正洞开挖到DK361＋597后，采取超前水平钻探，当钻至DK361＋614位置时，钻孔内出现了少量涌泥，取心显示该位置存在一充填型溶洞，充填介质为软-流塑状黏土。随后，停止钻探，继续开挖。2004年5月7日，隧道开挖到 DK361 ＋611 位置停止掘进，并进行进一步加强探测。当探孔钻探到DK361＋613～＋617时，突然发生突水、突泥，最远喷射距离15 m。随后继续钻探，表明正洞前方存在一条由隧道右侧拱部向隧道左侧底部发育的大型岩溶管道，管道直径3～5m。管道内充填大量泥砂、粘土，储量无法估计。根据对该岩溶管道的判断，为确保安全施工，不留后患，对该溶洞采取“注浆加固-管棚支护”综合措施进行治理，治理方案如图10-81。

图10-80 PDK361＋597岩溶管道治理方案

图10-81 DK361＋614岩溶管道处理方案图

（单位：cm）

①采用C₂₀模筑混凝土封闭掌子面，封闭厚度1 m。

②后部径向注浆加强：对掌子面后部DK361 ＋605～＋610 段采取5 m径向注浆。注浆管梅花型布置，间距1 m×1 m。注浆材料采用普通水泥单液浆，浆液配比：水灰比0.6∶1～1∶1。注浆采取定压控制，注浆终压为1.5～2MPa。

③超前帷幕注浆：对DK361＋611～＋625段14 m范围采取5 m超前帷幕注浆，加固溶洞充填物以及破碎围岩。注浆材料采用普通水泥单液浆、TGRM浆，以普通水泥单液浆为主。普通水泥浆浆液配比为：水灰比0.6∶1～0.8∶1 ，TGRM 浆浆液配比为：水灰比0.8∶1～1∶1。设计注浆扩散半径1.3 m。注浆采取定压控制，注浆终压为1.5～2MPa。

④超前大管棚：对DK361＋611～＋625段14 m拱部120°范围施做超前大管棚。大管棚采用ϕ108mm钢管，环向间距40cm，外插角5°。超前大管棚注入水泥砂浆。

⑤径向补注浆：DK361＋611～＋625段开挖后，对该段进行径向补注浆。注浆范围为开挖轮廓线外5m。

⑥底部加固注浆：对DK361＋611～＋625 段底部溶洞进行垂直加固注浆。注浆范围为基底以下5m。注浆管采用5m长ϕ42mm钢花管，梅花型布置，间距1m×1m。注浆材料采用普通水泥单液浆，浆液配比为：水灰比0.6∶1～1∶1。注浆采取定压控制，注浆终压为1.5～2MPa。

⑦开挖支护：该段采取短台阶法开挖，二次衬砌采用K1.0MPa抗水压加强型衬砌。

3）充填块石型。2005年2月17日，正洞掘进至DK362＋274.5，掌子面超前5 m探孔内出现突水，射距20m，流量为100m³/h。突水4小时后射距减小为12 m，8小时后射距减小为5 m。突水48小时后水量稳定在20m³/h。经现场分析判断，掌子面前方发生大规模突水的可能性不大，于是2月19日22：00揭示该溶腔。揭示后，溶腔内仅有少量零星块石坠落，观察溶腔主要位于隧道顶部（左侧为起拱线上50cm，右侧为55cm），溶腔沿隧道横向发育宽度8.3 m，纵向1.7 m。2月20日23：30，在3#横通道爆破施工时，溶腔上部填充物突然坍塌、涌出，涌出物堆满掌子面17.5 m空间，涌出物体积约500m³。涌出物主要为块石和少量粘性土，最大块石为3 m×2 m×1 m。后经探测，该溶腔沿隧道轴线长14 m，可探高度拱部以上13 m均泥夹孤石。针对DK362＋277溶洞，根据其坍塌介质为块石土的特点，施工中采取以下治理措施。

①在确保安全情况下，对堆积体上半断面向掌子面方向适当清理，形成上、下半断面台阶。

②采用C₂₀混凝土封闭掌子面，止浆墙厚度1.5 m，止浆墙应采用径向锚杆和周边围岩连接。

③对止浆墙下部堆积体进行花管注浆，固结松散堆积体。注浆管长度5 m，注浆材料采用普通水泥单液浆，浆液配比为：水灰比0.6∶1～0.8∶1。注浆采取定压原则，注浆终压1.5～2MPa。

④对拱部120°范围内施作ϕ108mm超前大管棚，管棚长度20m，环向间距30cm，外插角5°。管棚施作完毕后注入普通水泥单液浆，浆液配比为：水灰比0.6∶1～0.8∶1。注浆采取定压原则，注浆终压1.5～2MPa。

⑤采取台阶法开挖，按K1.0MPa抗水压结构设计二次衬砌。

⑥径向注浆加强：DK362＋277～＋297段开挖后，对该段进行径向注浆，注浆范围为开挖轮廓线外5m。

⑦对基底采取ϕ75mm钢管桩加固，加固深度12 m。钢管桩采用花管，梅花型布置，间距0.6 m×0.6 m。注浆材料采用普通水泥单液浆，浆液配比为：水灰比0.6∶1～0.8∶1。注浆采取定压原则，注浆终压1.5～2MPa。

（2）富水管道型

2004年5月31日3：50 ，齐岳山隧道平导掘进至PDK361＋870 ，采取超前炮眼孔进行超前探测。炮眼孔钻至PDK361＋873.5时，突然发生突水，最远喷射距离5 m，单孔涌水量60m³/h。于是，立即启动应急预案，封闭掌子面，进一步进行加强钻探并进行水压测试。针对平导PDK361＋873岩溶，通过采取TSP203、地质雷达，以及深孔超前钻探等综合超前地质预测预报手段，探测到含水体构造溶腔呈上窄下宽、右窄左宽形态。掌子面范围内溶腔宽度为0.4～4.7 m，溶腔由左上向右下延伸，左上最大溶腔宽度12 m，右下最大宽度4 m，如图10-82。测试最大水压力为0.26MPa，稳定水压力为0.14MPa，预估涌水量为（2～7）×10⁴m³/d。

1）方案制定。由于该富水溶腔规模大，同时，进口为反坡施工，因此，对该富水溶腔进行爆破开挖方案、泄水洞方案、绕行方案和注浆堵水方案进行方案比选。

通过对以上方案进行比选，从投资、安全、工艺、可行性、难度、远期危害等方面综合考虑，鉴于该富水动水溶腔规模大，目前针对该类似条件下注浆堵水无成熟的实例，且注浆周期长，投资高，又考虑到该溶腔主要受岩层产状控制，是以溶蚀作用为主而形成的层面裂隙管道型岩溶，该处地质又为背斜构造，这种地质条件下泄水洞方案比较成熟，对地表环境影响有限，同时，该隧道为反坡开挖，若有大量水存在，抽排水费用较高，因此，应采取泄水洞方案。考虑到齐岳山隧道工期紧，采取泄水洞方案需要一定的时间周期，因此，采取迂回导坑开挖，开辟新的工作面。现场采取右侧迂回导坑和左侧泄水洞综合方案，如图10-83。

图10-82 齐岳山隧道PDK361＋873岩溶管道形态图

图10-83 齐岳山隧道PDK361＋873岩溶管道治理方案

2）“迂回导坑＋泄水洞”方案。

①迂回导坑。综合施工地质探测成果，PDK361 ＋873 主要为一竖向发育的管道型岩溶，且具有上小下大，左、右均尖灭的特征，因此，左侧迂回、右侧迂回、竖向绕行均有一定的可行性，但考虑到右侧迂回对正洞施工有利，且费用最低，因而，选择采取右侧迂回方案。右侧迂回方案是从平导PDK361＋805位置向正洞开设2-1#横通道，由横通道进入正洞后，采取下导坑断面向前掘进，至DK361＋891处向左侧进行超前深孔钻探，设置2-2#横通道绕行穿过含水溶腔后拐进平导，之后平导向前正常开挖。迂回导坑完成后，平导正洞向前开挖，同时应尽快由2-1#横通道反向开挖正洞，实现正洞1#横通道与2-1#横通道之间的贯通，避免平导独头掘进。

②泄水洞。考虑到地形条件，以及正洞、平导的平面位置关系，以及出水点情况，在平导左侧距平导20m处设置平行泄水洞。泄水洞洞口设在隧道进口洞口乐园沟位置，高程1112.0（平导洞口高程1125.9），设计泄水洞为1‰上坡。泄水洞采用单车道断面，单道内净空尺寸为2.8 m×3.6 m。泄水洞全长1165 m。泄水洞衬砌Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩段采用喷锚衬砌，Ⅴ级围岩段采用喷锚整体式衬砌结构，在通过断层破碎带、岩溶构造裂隙、溶腔等地段时，采取绕避方案。

在泄水洞施工到PDK361＋873富水溶腔时，施工救援通道，爆开含水体，实现泄水。同时，对平导与正洞相应富水溶腔构造处设置泄水通道，实现泄水，本隧道共设置3条泄水通道。

（3）富水溶槽型

2004年10月15日，宜万铁路齐岳山隧道进口正洞施工到DK362＋050 ，采用TSP203超前预测预报揭示出DK362＋058～＋065段节理裂隙发育，局部有水。10月17日，隧道开挖到DK362＋060，采用5 m加深炮眼孔超前探测时，由探孔中射出水流，射程4 m，随即封闭掌子面。之后，在掌子面布置6 个ϕ90mm超前探孔，加强对前方超前预测预报。超前探测表明：在隧道前方自左上向右下发育一富水溶槽，溶槽左宽右窄，宽度为0.7～0.1 m。溶槽中充满水。经测试，充水溶槽内水压力为0.1MPa。

1）方案设计。

①端部加强：对DK362＋055～＋060已开挖段采取5 m径向注浆，加固该段破碎围岩，以避免由于对DK362＋060～＋070段超前帷幕注浆引起后部结构破坏。

②顶水注浆：对超前水平探孔进行顶水注浆，将水顶回到原有的流水通道，同时达到熟悉注浆工艺、试验注浆材料、确定注浆参数的目的。

③超前帷幕注浆：对DK362＋060～＋070段采取3 m超前帷幕注浆，形成注浆截水帷幕。

④超前大管棚：在DK362＋060～＋070 段开挖轮廓线外布设超前大管棚，并对大管棚进行注浆，大管棚和超前帷幕注浆共同作用，形成超前刚性支护体系，确保开挖施工安全。

⑤径向注浆：对DK362＋060～＋070段开挖后进行5 m径向注浆，提高充水溶槽段的注浆堵水加固效果。它和超前帷幕，以及抗水压二次衬砌结构共同作用，形成抗水压结构体系。

2）注浆设计。

①注浆设计参数：借鉴以往施工经验，制定该充水溶槽注浆堵水设计参数如表10-26。

表10-26 富水溶槽注浆堵水设计参数表

②注浆设计：根据设计参数进行注浆设计。

a.DK362＋055～＋060段径向注浆：分别在DK362＋056、＋057.5、＋059断面全环布置径向注浆孔，注浆孔环向间距1.5 m，孔深5 m。注浆管采用ϕ42mm焊接钢管，管长5 m，花管部分长4 m，溢浆孔间隔垂直梅花型布置，纵向开孔间距20cm，注浆管端部加工呈尖锥状。

b.顶水注浆：对超前探孔的6个钻孔进行顶水注浆。

c.DK362＋060～＋070段帷幕注浆：根据设计参数进行注浆设计，如图10-84。

图10-84 超前帷幕注浆设计图

（单位：cm）

d.DK362＋060～＋070段超前大管棚：超前帷幕注浆结束后，对DK362＋057～＋060段扩大断面1m形成3m（纵向）×1m（环向）工作间，利用工作间施做ϕ108mm超前大管棚，管棚环向间距0.5 m，外插角1°。

e.DK362＋060～＋070段径向注浆：开挖完成后，对DK362 ＋060～＋070 段进行径向注浆加强，确保帷幕注浆的抗水压作用。径向注浆加固孔布设间距为1 m×1 m。

3）注浆材料。注浆材料及浆液配比参数根据不同的注浆方案确定。

对于径向注浆，采用普通水泥单液浆。对于顶水注浆，采用豆石混凝土、水泥砂浆、普通水泥单注液浆和普通水泥-水玻璃双液浆。对于超前帷幕注浆，采用普通水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆，对于超前大管棚注浆，采用TGRM浆。

普通水泥单液浆浆液配比为：水灰比0.6∶1～0.8∶1。普通水泥-水玻璃双液浆配比为：水泥浆水灰比0.6∶1～1∶1、水泥浆与水玻璃体积比1∶1～1∶0.3、水玻璃浓度35Be′。TGRM浆浆液配比为：水灰比0.8∶1～1∶1。

4）注浆参数。注浆参数见表10-27 ，现场施工可根据实际情况动态优化调整。

表10-27 注浆参数选择表

5）注浆顺序。注浆顺序均采取由下到上、由右到左、间隔跳孔方式进行。

6）注浆结束标准。

①单孔结束标准：注浆压力逐步升高到设计终压，并持续10min以上。注浆结束时地层吸浆量小于5L/min。

②全段结束标准：所有注浆孔均符合单孔注浆结束标准，无漏注现象。钻检查孔，符合注浆效果质量要求。

7）注浆效果检查及评定。

①程序控制法：施工程序按规定的施工顺序进行。

②检查孔法（针对超前帷幕注浆）：在吸浆量较大的部位、设计的帷幕加固圈最外侧范围，以及可能存在的注浆薄弱环节钻设检查孔，检查孔数量为设计注浆孔数量的10%，且不小于3个。检查孔应成孔好，无坍孔现象。对检查孔取心，浆液充填饱满，浆液有效注入范围大于设计值。检查孔涌水量应小于0.2L/（m·min）。

③试验法（针对超前帷幕注浆）：对检查孔进行注浆试验，检查孔注浆压力应很快（一般不应超过10min）达到设计终压，达到终压时地层吸浆量很小（一般应小于5L/min）。

④计量评定法（针对径向注浆）：注浆后涌水量小于设计值5 m³/（m·d）。

8）现场施工。现场施工自2004年10月27日开始，到2004年12月13日结束，历时48天。

径向注浆和顶水注浆按设计正常施工。超前帷幕注浆按设计进行了A圈17 个孔的钻孔及注浆施工，在进行B圈孔钻孔时，发现钻孔中均无水，浆液充填饱满，于是未继续进行B圈和C圈孔的钻孔与注浆施工。根据注浆过程中各孔的吸浆情况，以及加固范围要求，共布置了8个检查孔，检查孔均成孔好，无坍孔现象，浆液充填饱满，无水。对检查孔进行注浆试验，注浆量100L，注浆压力很快达到4～5MPa，这表明原充水溶槽已被浆液有效填充。随后，对钻孔过程中出水量较大、溶槽宽度较宽的拱顶及左侧拱腰位置局部布置了8根超前大管棚，并注入TGRM浆。

2004年12月15日，对该富水溶槽进行爆破开挖，开挖效果如图10-85。和注浆前探水孔相比，原充水溶槽被浆液充填饱满，注浆效果较好，满足了安全开挖要求。开挖后又对该段进行了径向注浆加强。

图10-85 富水溶槽注浆效果照片

Ⅷ 岩溶水保护的原则

水资源保护是为防止水资源因不恰当的人类各种活动引发各种环境水文地质问题，而采取的法律、行政、经济、技术等措施的总和。岩溶地下水的保护与管理是一项综合性强而又复杂的工作，它不仅需要明确管理目标和任务，建立有权威性管理机构，而且还需要有先进的管理技术和法律法规，否则对岩溶地下水复杂的环境水文地质问题是无法管理好的。为此，必须通过对水文地质、陆地水文、水利工程、污水处理利用、生态学、经济发展、法律及政治方面的因素综合分析研究。与此同时，在我国现今的管理体制下，水资源管理决不是某一部门的事，必须要求水利、环保、国土、煤炭、城建等部门密切配合，明确职责，齐心协力来开展。从技术方面来看，北方岩溶地下水保护应遵循以下原则。

一、以系统思想为指导，兼顾全局，突出重点的原则

北方岩溶地下水以相对独立的系统进行循环。系统的地质、水资源、环境要素是一个有机整体，因此在水资源保护中要以系统论的科学方法为指导，强调系统的整体性，确定系统范围、边界条件、功能以及水煤资源相互依存和制约的关系，树立岩溶地下水以及泉域内各种类型的地下水、地表水、大气降水统一保护的思想。同时，由于北方岩溶泉域在系统结构、泉水形成条件、水文地质环境问题及成因具有突出的特点，有的放矢地开展岩溶地下水保护能够起到事半功倍的效果。岩溶水资源保护要从岩溶基础水文地质条件出发，根据岩溶水环境问题的成因，有重点地开展诸如水量、水质、泉水排泄区环境的保护工作。

1.水量保护

水量保护要遵循水量均衡的原则。针对北方岩溶水多以泉水形式集中排泄，在不增加岩溶水资源补给情况下，岩溶水系统内以任何方式开采岩溶水都将削减泉水流量的特点。因此要做到地域间的取水平衡、系统内打井取水量与泉口直接取水量间的平衡，在控制安全开采总量前提下，合理布局取水工程，统筹规划岩溶地下水利用量。特别要加强与泉水流量敏感地区的开采量管理，实施严格的取水量许可制度。

同时，水量保护应包括开源与节流两个方面。在控制取水许可制的同时，利用岩溶水系统的高度开放和巨大调蓄空间，积极开展岩溶地下水增补措施论证，包括直接修建漏库、利用水库放水（维持一定流量下的稳定放水）进行渗漏补给、在上游碎屑岩区植树造林、涵养水源，恢复浅层地下水循环系统，建设和完善雨洪利用体系并尽力发挥防洪、补源、改善生态环境等多项功效。岩溶地下水的人工补给，是一项系统的水资源管理工程，德国汉诺威、澳大利亚Mount Gambier市，我国济南、琉球群岛的宫古岛，前苏联、以色列、英国、美国等国家或地区已经实施并取得了显著成效。岩溶地下水的人工补给与实施应作为岩溶地下水水量保护的一项重要内容。

2.水质保护

水质保护必须要从大气、地表水、地下水整体出发，从三水的循环转化机制来研究防治岩溶地下水污染的对策，根据岩溶地下水循环机制，从治理污染源和污染途径两方面着手开展岩溶地下水水质保护。各部门间应密切配合，特别要在燃煤产业生产工艺的改进方面、地面污水的处理方面、重点点污染源的治理方面采取齐抓共管的措施，使岩溶地下水循环的每个环节形成良好的质量环境。

我国北方煤矿“老窑水”对岩溶水潜在的污染问题必须引起足够的重视，在煤矿闭坑前采取必要措施进行处置或闭坑后补救性处置应该作为岩溶水水质保护的一项重要内容来抓。

3.岩溶大泉排泄区保护

北方很多岩溶大泉集供水、旅游、生态多种功能于一体，应尽量保持其自然状态，其自然景观的和古建筑物都应得到保护。提倡先观后用的开采方式，尽量不采用泉口直接打井取水的杀鸡取卵式的开采。

二、以科学为依据的原则

北方岩溶系统是庞大的多要素构成的复杂水资源系统，引发岩溶环境水文地质问题根源多样。开展岩溶地下水保护必须以科学为依据，查清每一个岩溶水系统的环境条件。主要内容包括：

1）系统地质结构特征（包括系统组成，含水层、隔水层和包气带结构、空间分布，系统边界特征及形成演化等）。

2）系统水资源组成要素及其相互转化关系（包括大气降水、地表水、包气带水、岩溶地下水及与其密切相关的其他类型地下水）。

3）各水资源要素的分布、循环、演化规律（水质、水量）。

4）系统内岩溶地下水的天然资源量、可开采资源量、水质质量状况以及影响因素。

5）系统与外界环境的关系。

6）系统内水资源的开发利用状况（取水工程规模、布局、取水量及相关的环境水文地质问题）。

7）岩溶水环境问题、成因及发展演化趋势。

只有在全面掌握泉域系统水资源、系统环境及相互间关系基础上，才能够有针对性地提出岩溶水资源保护与治理措施。因此，采用必要的技术手段，建立监测体系，加强基础数据的监测（气候、水文、地下水水位、水质、泉水流量、岩溶地下水开采量等）、持续开展岩溶地下水环境问题、成因机制与对策研究，以此为基础，制定切实可行的保护目标，开展水资源开发利用的规划与保护。

三、实现经济效益、社会效益、环境效益三统一的原则

发展经济，提高人民生活水平，促进社会和谐发展是各级政府的主要任务。水资源是参与人类活动各个环节的必需资源，在发展经济与水资源环境出现矛盾时，不能一味以追求经济利益而牺牲水环境为代价，一时的经济繁荣掩盖不了长期积累的水环境问题，由人类引起的各种环境欠账终究是要由自己来偿还。在北方能源基地，坚持与煤炭资源相关的一切活动对水资源影响的论证管理是非常必要的。水资源保护是一项长期艰苦的工作，是一项保证国民经济长期、稳定健康发展的必需工作，是以持续利用为目的，实现经济效益、社会效益、环境效益三统一，以促进人与自然和谐发展的工作。

四、依法开展水资源保护的原则

《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国水污染防治法》以及地方性的如《山西省泉域水资源保护条例》、《太原市晋祠泉域水资源保护条例》、《徐州市地下水资源管理条例》、《辽宁省地下水资源保护条例》等法律、法规是开展岩溶地下水资源保护的重要依据。煤炭资源开发及相关产业在北方工业结构中占重要地位，采煤、洗煤、焦化、发电、煤化工等工业具有高耗水、高污染的特点，依法开展水资源的管理与保护就凸显其重要性。在一些地区污染气体任意排放、未经处理的工业废水、生活污水放任自流，固体垃圾随处堆积的现象比较普遍。擅自打井的现象；取水不计量、少报、瞒报现象；为工程上马，领导批条子超量审批开采量的现象时有发生。无法可依、有法不依、执法不严的状况是在很大程度上造成北方岩溶地下水环境问题突出的原因。再严格的法律、法规，再好的保护管理措施如不能严格执行，也不能起到作用。

鉴于北方岩溶水资源重要地位和岩溶水系统环境质量的脆弱性及环境问题成因的复杂性，有针对性地制定岩溶水系统保护的法律法规是非常必要的，但目前在不少地区还是空白，一些突出的问题还存在无法可依的问题。这方面山西省做了大量工作，早在1987年山西省人大第十三次会议就通过了《山西省泉域水资源保护条例》，1998年11月，山西省人民省政府以晋政函〔1998〕137号文批复了山西省水利厅《关于山西省泉域边界范围及重点保护区划分成果审批的请示》并对岩溶泉域水资源开展了有效的管理与保护。2010年11月，针对泉域岩溶水资源保护中出现的新问题，省人大又对《山西省泉域水资源保护条例》进行了修改，2011年，中共山西省委、山西省人民政府在《中共山西省委、山西省人民政府关于加快水利改革发展的实施意见》（晋发【2011】21号文件）中提出关于“调整泉域保护区范围”的要求，并组织山西省水利厅、国土资源厅和岩溶地质研究所等单位对重点保护区进行了重新划定。与此同时，针对岩溶水系统跨越不同行政区的特点，建立了以岩溶水系统（泉域）为单位的专门水资源管理机构，依法开展水资源管理与保护。

Ⅸ 岩溶水资源合理开发利用和保护对策

一、矿井水资源化利用及途径

1.矿井水利用现状

矿井排水来源于孔隙水、砂岩裂隙水和灰岩岩溶水，其中岩溶水占75%。岩溶水是焦作市城市供水的重要水源，合理开发利用和保护岩溶水关系到居民供水安全。在全球化水资源越来越紧张的大背景下，将矿井排水进行资源化利用是非常有必要的。焦作矿区年排放矿井水量为1.5亿m³，目前利用量约为3700万m³/a，占整个矿区排水总量的23%，其余被排入周边河流，白白流失。矿井水利用途径主要是：焦作市环境用水量为360万m³/a，煤矿生产用水量为340万m³/a左右，煤矿周边农田灌溉利用量为3000万m³/a。根据焦作市用水规划，2030年需水量为4.72亿m³，供水量仅为0.70亿m³，水资源缺口4.01亿m³。因此，对矿井排水进行资源化利用是解决焦作市不足的便利途径。

焦作矿区产生的矿井水的水质符合含一般悬浮物矿井水的特征。悬浮物SS通常小于400mg/L，COD通常小于70mg/L，毒理学和放射性指标完全符合饮用水要求。从低附加值的矿井水利用角度，矿井水经过初次沉池的沉淀，基本可满足农业灌溉用水要求；从高附加值的矿井水利用角度，矿井水经过“混凝+沉淀+过滤”，完全能够达到工业（主要是电厂）用水的要求；再经过“消毒”等深度处理，处理后的矿井水也可以达到生活饮用水的水质要求。我国矿井水处理已有成熟的技术和经验，焦作矿区排水量大，水量稳定，水质简单易于处理，矿井水的资源化利用是可行的。

2.矿井水资源化利用的途径

目前，国内矿井水资源化的方式主要有：①井下实行清水污水分流，清水经过简单处理后直接利用；②农业灌溉；③矿井水净化处理后利用；④矿井水回灌补源。其中方式①～③应用较为广泛，方式④仅限于特定条件下。

华北石炭-二叠岩溶型煤田煤层底板岩溶水是矿井水的重要来源，发生岩溶水突水或从疏放钻孔、泄水巷流入矿坑的岩溶水，未在采煤巷道或采空区长距离流动并且没有与其他矿井水混合时，其水质保持天然水质，可以直接作为生产和生活用水。煤矿可将直接从含水层中流出并未受污染的地下水，与从采空区或工作面流出的被污染矿井水分开排放，将清水排至地面简单处理后加以利用。

华北石炭-二叠岩溶型煤田各煤矿涌水量都较大，水质较简单，多属于含一般悬浮物的矿井水，悬浮物浓度通常为300mg/L，这为煤矿周边农田灌溉提供了水源条件。焦作矿区在20世纪70～80年代，利用矿井水灌溉农田近10万亩，取得较好的社会效益。

从空间角度，矿井水净化处理工程主要分为两类：地面处理工程和井下处理工程。前者是井下各处产生的矿井水经巷道汇集到矿井的中央水仓，由中央泵房将混合的矿井水提升至地面，在地面建净化站处理，达标后再分别输送到各用水部门使用；后者是在矿井水进入中央水仓前，经过井下净化站处理，达标后进入中央水仓，中央泵房再将清水输送到各用水部门使用。

3.矿井水处理工艺

（1）矿井水的地面处理

目前，对于含一般悬浮物矿井水，地面处理工程的工艺相对成熟单一，基本沿用“混凝—沉淀—过滤—消毒”的流程进行，出水可达到生活饮用水水质要求。常用的构筑物有：调节池、澄清池、无阀重力双层滤池、污泥浓缩池、加氯消毒车间。该工艺关键问题是：

1）混凝药剂的选择与复配，以降低药剂费用，提高出水水质。聚合氯化铝（PAC）+聚丙烯酰胺（PAM^-）是常用的药剂组合。PAC适宜处理含浊水质，PAM^-分子量大，助凝性能优良，两者组合处理效果远远优于单独使用的效果。

2）集澄清和过滤作用一体的净化器。澄清池集混合絮凝沉淀于一体，减少了构筑物的数量，因而获得广泛的应用；部分厂矿开发的高效矿井水净化设备集澄清池和过滤池于一体的一体化净化器，已普遍用于中小规模矿井水处理厂。

（2）矿井水的井下处理

井下处理工程，形式多样。主要形式亦有两类：一类是在各矿井水涌出口，未经巷道就地建立简易井下处理站，处理后输送到各用水部门。另一类是矿井水在经过巷道进入中心水仓前增加净化处理站，中心水仓变成清水仓，从而解决了定期清理中心水仓的难题，中心泵房再将处理后的清水输送到各用水工作断面。如兖州东滩煤矿开发的“格栅-沉砂-混合-漩流反应及斜管沉淀-混凝-过滤吸附以及污泥压滤”工艺的井下处理工程，徐州权台煤矿则是将中心水仓改造成混凝反应的主要设备，对矿井水进行预处理后，再由中心泵房提升至地面净化站进行二级处理。

4.焦作矿区矿井水处理工艺设计

焦作矿区矿井排水量大，宜采用地面处理工程统一处理，达到相应水质标准后，再输送到各用水部门。焦作矿区矿井水除浊度、悬浮物、大肠杆菌超标外，其余指标均符合饮用水标准，处理工艺相对简单。根据焦作矿区矿井水的水质、水量和处理后的用途，处理工艺可分两段：基础处理工段和深度处理工段。经过基础处理工段的处理，矿井水应能满足工业用水要求；经深度处理工段的处理，矿井水应达到生活饮用水水质要求。

基础处理工段去除的主要污染物包括：悬浮物、有机物和油类。悬浮物主要是煤粉和岩粉，此外还有少量的煤层中的古生物残体、细菌等物。处理工艺流程见图10-13。

图10-13 矿井水基础处理工段工艺流程

深度处理工段去除的污染物主要是菌类和微量有机物，处理工艺流程见图10-14。

图10-14 矿井水深度处理工段工艺流程

根据焦作矿区矿井水的水质水量特征，PAC的工程投加量为10～15mg/L，PAM^-的工程投加量为0.2～0.25mg/L。采用“微絮凝-过滤”工艺时，PAC的工程投加量改为5～7mg/L。2006年11月，取演马矿矿井水，投加工业试剂聚合氯化铝（PAC）15mg/L与聚丙烯酰胺（PAM^-）0.2mg/L，采用实验室模拟工程设计工艺：“混凝-砂滤-活性炭过滤”，各工段处理效果见表10-12。

表10-12 实验室模拟工艺处理演马矿矿井水效果

二、加强煤矿水害综合防治，减少矿井水的排放

1.岩溶水突水是煤矿安全生产的隐患

焦作矿区受水威胁煤矿资源储量约60132.6万t，目前仅解放储量4685.0万t，尚有92.2%约55447.6万t的储量等待解放（表10-13）。特别是石炭系太原组一₅煤（储量9462万t）和一₂煤（储量27909万t），因受煤层底板高承压岩溶水的严重威胁，不能正常开采。矿井排水不仅造成大量水资源被浪费，而且企业每年要付出大量的排水费，2003年焦作煤业集团公司共有的8对生产矿井（表10-14），总排水量达282m³/min，总排水费用高达8000万元，吨煤排水电费高达20～30元。

表10-13 焦作矿区受岩溶承压水威胁的储量及被解放的储量 单位：万t

表10-14 焦作矿区2003年生产矿井排水经济技术指标统计表

2.岩溶承压水突水危险性评价

焦作矿区石炭二叠系共含煤11～14层，总厚9～14m，其中可采煤层三层，包括二叠系山西组二₁煤（大煤）、石炭系太原组一₅煤（二煤）和石炭系太原组一₂煤（三煤）。二₁煤为稳定煤层，全区可采，一般厚6m，是各矿主采煤层。一₅煤距二₁煤6～80m，一般厚1～1.5m，矿区西部普遍可采，东部夹1～2层矸，部分可采。一₂煤距二₁煤85～105m，一般厚度1.5～2.0m，普遍可采。石炭系太原组一₅煤和一₂煤统称下组煤，煤层底板距二灰和奥灰强含水层近，开采下组煤受煤层底板岩溶承压水的突水威胁，矿区内仅马村矿、中马村矿和朱村矿开采一₅煤，而一₂煤没有开采。

“特殊水量脆弱性”的矿坑突水在九里山泉域表现得非常突出，其原因主要有以下几点：

1）最下层煤（三煤）距奥陶系岩溶含水层的厚度薄，一般为10～20m（图10-15）。

2）煤系地层中发育数层碳酸盐岩夹层，且直接分布在每层顶板，特别以“二灰”和“八灰”最为典型（图10-15），这些夹层式碳酸盐岩含水层水不仅是矿坑突水的补给源，而且由于其发育稳定、分布广，往往又成为沟通下伏奥陶系含水层的导水层。

3）矿区位于太行山前且由东线向北东的转折部位，东西及北东向构造断裂交错发育，特别是一些大型断裂构造成为岩溶地下水径流的良好通道，同时巨大的断距使得下伏岩溶含水层与煤层及其煤系地层中碳酸盐岩夹层对接，为岩溶水向矿井涌水提供了条件。

4）煤层总体由北向南东倾斜，多位于区域岩溶水位以下，南部地区煤层的岩溶水带压水头在数百米以上，高压状态下的底鼓突水成为巨大隐患。

煤层底板承压水突水危险评价方法有：斯列萨列夫公式法、突水系数法、多源地学信息复合叠加法、脆弱性指数法、五图双系数法等。突水系数法因公式简单，便于应用，自20世纪60年代提出以来，至今一直是煤矿评价和预测底板突水的重要方法。突水系数是指煤层底板单位厚度隔水层所能够承受的静水压力，表达式为

中国北方岩溶地下水环境问题与保护

图10-15 焦作矿区地层柱状图

式中：T为突水系数（MPa/m）；P为底板隔水层承受的水压（MPa）；M为底板隔水层厚度（m）。

一般来说，突水系数越大，底板突水危险性越高。临界突水系数是指单位隔水层厚度所能承受的最大水压或极限水压。当突水系数超过临界突水系数时，底板具有突水危险；当突水系数小于临界突水系数时，底板基本无突水危险。临界突水系数受矿区水文地质条件、矿井充水条件、开采条件和开采方法等因素的影响，不同矿区或同一矿区的不同矿井往往有不同的临界突水系数值。因此，很多矿区或矿井通过对历史实际突水资料的总结，建立了适用于本矿区的临界突水系数值（表10-15）。就全国实际资料看，受构造破坏块段临界突水系数为0.06MPa/m，正常构造块段临界突水系数为0.1MPa/m。

表10-15 我国一些矿区临界突水系数值

焦作矿区主要生产矿井当前采掘深度二₁煤底板八灰岩溶水突水系数值见表10-16，各矿突水系数均超过临界突水系数，各矿在带压开采二₁煤时，八灰水突水危险很大。

表10-16 焦作矿区二₁煤底板八灰突水系数

一₅煤底板直接充水含水层是二灰（L₂），一₅煤和二灰间的隔水层厚度20m，一₂煤底板直接充水含水层为奥灰，隔水层厚度10～20m。二灰和奥灰水力联系密切，二者水位相同，可以视为一个含水层组。奥灰水位按当前75m、一₅煤隔水层厚度按20m、一₂煤隔水层厚度按10m，根据各井田煤层赋存最大标高，求得一₅煤和一₂煤的最小突水系数，如表10-17所示。由此可见，开采一₅煤和一₂煤，底板二灰和奥水突水危险很大。

表10-17 焦作矿区各井田太原组最低突水系数

下面将采用突水系数对矿区“二煤（一₅煤）”岩溶突水的风险性进行初步评价。评价中按照突水系数大小分为以下Ⅳ级：

Ⅰ级，无岩溶水突水危害区，“二煤（一₅煤）”处于岩溶地下水位以上，不存在下伏岩溶含水层突水的风险。

Ⅱ级，岩溶水轻度突水危害区，下组煤处于岩溶地下水位以下，突水系数介于0～0.06MPa/m之间的地区。

Ⅲ级，岩溶水中等突水危害区，突水系数介于0.06～0.1MPa/m之间的地区，这类区的突水系数已接近煤炭部制定的《矿井水文地质规程》中的突水危险区的临界值0.6。

Ⅳ级，岩溶水严重突水危害区，值突水系数＞0.1MPa/m地区。

根据以上计算标准，得到泉域下组煤岩溶突水的风险性评价结果见图10-16。

从图10-16中可以看出，从北西向南东煤矿岩溶水突水的风险性增加，与地层埋深、岩溶地下水流向相一致。Ⅰ级、Ⅱ级区主要分布在系统西北部山区和朱村断层及凤凰山底层以北地区；Ⅲ级区呈条带平行分布在李庄断层与九里山断层的煤系地层翘起段；Ⅳ级区分布在岩溶水系统的东南部。

系统内各区的分布面积分别为：

无岩溶水突水危害区（Ⅰ级）面积90km²。

岩溶水轻度突水危害区（Ⅱ级）面积23km²。

岩溶水中等突水危害区（Ⅲ级）面积18km²。

岩溶水严重突水危害区（Ⅳ级）面积326km²。

3.矿区水害防治的建议

1）Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级区不宜开采“三煤”。

2）沿区域性断层留一定厚度的保安煤柱，厚度不小于300m。这些断层包括凤凰山断层、九里山断层、方庄断层、马坊断层、峪河断层等，沿一般断层保安煤柱厚度不小于50m。

3）在Ⅲ级、Ⅳ级区采煤，对开采过程中可能出现的未探明断层、岩溶陷落柱等应引起足够重视，执行“有疑必探、先探后掘”的原则，防止突水事故的发生。

4）在Ⅲ级、Ⅳ级区采煤，在充分查明矿区水文地质条件基础上，针对下伏岩溶水突水问题，可因地制宜地采用煤矿石炭系灰岩隐伏露头注浆截流工程，对突水点的地面钻孔注浆封堵突水点工程，矿井分翼（区）隔离技术和强排技术应用、疏水降压工程与煤层底板含水层注浆改造，工作面煤层底板注浆加固和含水层改造技术等。

三、减少固体废弃物堆存与利用

煤矸石的利用途径主要有三种。一是用煤矸石生产无煤烧结砖。具体做法是，采用成熟的制砖技术，将煤矸石粉碎后添加20%的粉煤灰，利用原煤矸石中的黏土矿物和残余的发热量，烧结成煤矸石砖。焦作现已建成5座煤矸石砖厂，有14条隧道窑生产线。2005年生产煤矸砖1.2亿块，实现了销售收入1437万元，年消耗煤矸石30万t。二是用煤矸石发电。现已建成四座煤矸石发电厂，综合利用电站锅炉8台，总装机容量194MW。2005年矸石发电12.5亿kW·h，实现销售收入2.5亿元，年消耗煤炭洗选加工所产生的煤矸石70余万t。三是用煤矸石充填塌陷区，每年消耗煤矸石1万t以上。煤矸石堆放场

图10-16 九里山泉域下组煤煤矿岩溶水系突水风险性评价分区图

四周应修建集水沟和沉淀池，用于收集矸石山坡面的雨水，沉淀后的雨水用于运矸道路和矸石山的洒水降尘，改善矿区地面环境。对煤矸石堆要采取覆土防渗处理，并种植树木或花草。

Ⅹ 广东典型岩溶流域地下水资源开发与利用——以黎水地下河和龙坪地下河为例

杨群兴，曾土荣

（广东省地质调查院水工环地调所，湛江 524049）

基金项目：国土资源大调查项目“广东重点地区岩溶地下水与环境地质调查”（200410400014）。

作者简介：杨群兴（1968—），男，高级工程师，主要从事水文、工程、环境地质调查研究工作。

摘要：受地质环境和地域经济等条件的制约，广东在地下河的开发领域还处于探索和试验阶段，技术水平和方法仍很落后，开发利用效果也不理想。为此，本文以黎水地下河和龙坪地下河开发为例进行研究和经验总结，旨在为今后岩溶流域地下水的合理开发提供经验参考和技术指引，以更好地利用岩溶水资源、更好地弥补地下河时空分布的差异性、更好地解决岩溶石山地区干旱缺水问题，推动当地经济的发展。

关键词：经验总结；合理开发；地下水；典型岩溶流域

1 前言

广东岩溶地下河主要分布于粤北岩溶石山地区，根据岩溶水系统空间介质具地表和地下双层结构的特点，岩溶流域（岩溶水系统）的结构类型按岩溶地貌组合形态分为峰丛洼（谷）地、岩溶丘陵洼（谷）地、岩溶盆（谷）地、岩溶平原等四大类。岩溶地下河沿NE向和NW向构造活动带发育，其支流和干流总体发育方向与构造带走向基本一致。粤北岩溶石山地区已调查发现的地下河110条，单条地下河枯季流量8.92～760.5L/s，岩溶水天然资源量为56.5亿m³/a，可采资源量为43.8亿m³/a。

各级地方政府及当地老百姓经过长时期的探索和尝试，对如何开发利用地下河水资源已经积累了一定的经验。据调查，约有75%的地下河已得到不同程度的开发利用，对天然岩溶水主要采用筑坝拦截水、修渠引水、洼地堵漏成库、挖隧道引地下河水、蓄水发电、抽水提水及旅游资源开发等方式，覆盖型和埋藏型岩溶地下水主要通过民井或钻孔采用抽、提方式进行开发利用。

粤北岩溶石山地区尤以峰丛洼（谷）地、岩溶丘陵洼（谷）地等地段最为干旱缺水，本文以峰丛洼（谷）地的黎水地下河和龙坪地下河开发为例进行经验总结，为今后岩溶流域地下水的合理开发提供参考。

2 黎水地下河开发的经验与教训

2.1 区域地质条件

按粤北岩溶石山地区岩溶水系统划分，黎水地下河隶属于连州岩溶山地及谷地四级岩溶水系统（以下简称四级系统），是一个独立的五级岩溶水系统。

四级系统位于南岭山脉中段南侧，黎水地下河以北一带为构造-侵蚀类中高山-中山地形，以南为岩溶低山峰林盆（谷）地和峰丛洼地地貌；系统内主要出露泥盆系（东岗岭组、棋梓桥组、榴江组、融县组、天子岭组）、石炭系（连县组、石磴子组、梓门桥组、壶天群）、二叠系（栖霞组、茅口组、长兴组）和三叠系（大冶组、四望嶂组）等碳酸盐岩类地层，部分以并层形式出露；区域地质构造复杂，四级系统位于南岭东西向复杂构造带、湘南南北向构造带及多期构造的交汇复合部位。

四级系统具温暖、潮湿、多雨、雨季与旱季分季明显等气候特征，多年平均气温18.1～19.8℃，多年平均降雨量1413.1～1747.2mm。

2.2 岩溶发育规律

四级系统岩溶发育处于青年期，以垂向发育为主、横向发育为辅。垂向上岩溶一般分三个带（层）发育，层与层之间常以溶洞或大溶蚀裂隙相连通，水力联系较密切；横向上溶洞及溶蚀裂隙多沿构造发育方向（断层面、褶皱轴向、构造裂隙等）或岩层层面延伸，常发育地下河系统。岩溶地貌形态常表现为峰林、峰丛和洼地，峰丛成簇、洼地成片或呈串珠状发育，与NE、NNE和NW向主要构造发育线基本一致。峰顶呈倒锥状、馒头状，上陡下缓，局部见陡壁，山峰多以基座相连成簇。峰丛洼（谷）地多呈小规模的椭圆状或长条形，常发育落水洞和漏斗，并多以地下溶洞管道相通，是大气降雨及地表水向地下水转化的主要场所；峰丛洼（谷）地地表多干旱缺水，偶见季节性溪流。

岩溶发育主要受岩性、地层结构、地质构造、地貌、新构造运动等因素的控制，在不同的岩溶发育期、不同的构造部位或不同的地貌单元中常有明显的差异。据统计，超过70%的地下河（如黎水和龙坪地下河）、81.9%以上的岩溶大泉主要发育于褶皱轴部、扬起端和倾伏端、断裂带以及构造的转折、交汇部位；岩性及岩组特征是影响岩溶发育的基本因素，层厚质纯灰岩岩溶发育较含杂质多或薄层的灰岩强烈得多；在地形变化较大处或突变部位，由于水力坡度变化及地下水交替循环强烈而岩溶发育强度较大，如山峰与洼（谷）地过渡带、陡崖（坡）脚等地段常常发育地下河或大泉。

2.3 地下河系统特征

黎水地下河出口位于连州市大路边镇山塘村委会黎水村北西侧，流域面积31.96km²（图1）。

地下河处于低山岩溶峰丛地貌边缘，峰顶高程535～665m，坡度10°～20°。流域内出露融县组（D₃r）、连县组（C₁l）、石磴子组（C₁s）、测水组（C₁c）、梓门桥组与大埔组并层（C₁z⁃dp）、壶天群（C₂h）、栖霞组、孤峰组与童子组并层（P₁q⁃t）等碳酸盐岩地层。

地下河出口发育于核部由D₃r灰岩组成的背斜倾伏端，标高340m，溶洞洞口高15m、宽2～10m、朝向145°，呈三角状；主要入口——南门水溶洞位于该背斜北翼，发育于C₁s灰岩中，洞口高程447m、宽25m、高15～20m，中央见一宽20～30m天窗。地下河发源于荒塘坪、观头洞、荒塘坪农场、麦田坪及童子岭一带，该地带岩溶下降泉汇成的地表水流自南门水溶洞潜入地下形成地下水；地下河自南门水入口往SW沿鹧鸪坪断裂发育，至童子岭北侧洼地后转向NEE沿C₁l与D₃r接触带顺层发育延伸，最后转向SE直至黎水出口，全程5.2km（图1、图2）。地下河出、入口高差110m，平均水力坡度2.1%，枯季流量151.4L/s。

图1 黎水地下河流域水文地质平面示意图

1—断层；2—地层代号及界线；3—地下分水岭；4—暗河出口，左为编号，右分子为流量（L/s）、分母为测流日期（月：日）；5—暗河入口，左为编号，右分子为流量（L/s）、分母为测流日期（月：日）；6—推测地下河管道；7—泉及其流量（L/s）；8—岩溶洼地；9—落水洞；10—峰顶高程（m）

地下河入口SW 600m发育一洼地，洼地内竖井状落水洞发育。落水洞上覆薄层冲洪积盖层，大雨时洼地常积水成涝；在水压力作用下，落水洞中充填物及上覆盖层容易被水压塌和冲走，使地表水与地下水交替的通道得以畅通，地表水直接补给地下水。

地下河流域受SN向临武断裂、NE向鹧鸪坪断裂及NNE向东村江断裂活动的作用，岩溶发育强烈，发育有洼地（漏斗）12个、暗河1条、泉点4个。

图2 黎水地下河纵剖面示意图

1—梓门桥与大埔组并层；2—石磴子组；3—连县组；4—融县组；5—灰岩；6—推测地下河管道；7—左为地下河出、入口编号，右分子为流量（L/s）、分母为测流日期（月：日）；8—岩层产状

2.4 岩溶水资源及开发利用条件

流域内地下水主要接受大气降水补给，地下河为单一的集中排泄口，故地下河的天然资源量近似于50%保证率条件下大气降雨入渗补给量、可采资源量相当于地下河天然排泄量、多年平均可采资源量相当于年平均排泄量。经计算，黎水地下河天然补给量1775.1万m³/a、可采资源量477.5万m³/a（即13081m³/d）、多年平均可采资源量1383.3万m³/a（即37895.7m³/d），多年平均可采资源量是补给量的77.9%，可见地下河的可采资源量是有保证的。

地下河主干河道最大高差110m，水力坡度2.1%，总体地势变化不大；岩溶流域属中低山区的径流排泄带，地下水主要富集于溶洞、构造裂隙及溶蚀裂隙当中，以管状流为主、脉状流及网状流并存，水位埋深大于50m，流域内地下水交替循环强烈程度中等。这些决定了黎水地下河的开发利用条件较为复杂。

2.5 社会需求分析

地下河流域及其附近工农业用水及生活饮用水都依靠岩溶地下水，出口一带现状、近期社会经济发展对水资源的需求情况见表1。

表1中数据对比前述水资源量，地下河水资源量能满足居民生活饮用水、牲畜饮水及农业用水的现状需要和近期内社会经济发展需要，能满足现有电站装机容量现状需水量的29.2%和近期发展需水量的29.1%。据调查，丰水季流量是枯水季流量的20～40倍，该时段是电站利用水资源发电的高峰期。

表1 水资源社会需求统计表

注：农田日需水量按照200天生长期由年需水量6000m³/hm²算得。

2.6 岩溶水开发利用工程方案

地下河开发利用包括抽水或引水方式供村民生活饮用水、修筑引水渠道供农业灌溉及种养殖业用水、利用隧道及环山渠道引水发电等方式。这里主要论述黎水一级发电站工程（图3）。

根据工程结构特征，本工程由土质重力坝、隧道、环山引水渠、压力管、发电机房等电站建筑及发电设备等五个单项工程组成，总费用224万元。

图3中，土质重力坝近SN向横跨洼地，坝长98m，顶宽1.5m，底宽4.5m，高2m；隧道自地下河洼地西端至奄堂宕南西600m处一沟谷侧坡穿出地表，长1.433km，宽1.0m，高1.2m，全为天然洞壁，隧道入水口装有闸门及监控室；环山引水渠自隧道出口沿山坡蜿蜒修筑至黎水暗河出口NE向的水口岭西侧，长1106m，排水口与压力管间设有压力池，环山引水渠过水断面宽1.6m、深1.5～1.7m、壁厚0.5m，压力池长14m、宽10m、深3.9m、壁厚1m，环山引水渠为石砌结构；压力管采用Φ1000mm钢管，上端与压力池相连，顺山坡铺设至发电机房，长471m，压力水头90m；黎水一级电站位于地下河出口下游50m的左岸，机房、管理办公室及宿舍等汇集在两层框架结构的楼房内，楼房为砖混结构，总建筑面积400m²，机房内安装水轮发电机组2套，装机容量500kW。

2.7 开发后取得的效益

黎水电站于2002年底建成投产，年均发电量904万kW，电费总收入为271.5万元/a，电站的运营不仅带来直接经济收益，也缓解了当地电力不足现象，提高了老百姓生活水平。

黎水村在地下河出口利用抽水、取水方式解决了约560人的饮用及部分生活用水，结束了长期挑水的历史；出口一带还利用水资源灌溉农田约64hm²、种植西洋菜等反季节蔬菜约2.13hm²、养殖鱼塘约0.5hm²，为当地老百姓产生了可观的经济效益。

据调查，黎水地下河开发利用工程很好地解决了如何充分利用岩溶石山地区时空分布不均的水资源问题，有效地提高了岩溶水资源的利用价值，产生了明显的生态环境效益。

图3 黎水地下河开发利用工程平面布置示意图

1—拦水土质坝；2—引水隧洞；3—环山引水渠；4—压力池；5—压力管；6—发电机房；7—抽水泵房；8—地下河出口及其编号；9—地下河入口及其编号；10—推测地下河管道；11—岩溶洼地；12—落水洞；13—地下分水岭；14—峰顶高程（m）

2.8 成功经验与教训

黎水地下河水资源开发利用工程方案成功经验体现在因地制宜、开发形式多样、一次性投资、见效快及效益高等特点。该方案充分利用了地下河流域的区域地质条件、地下河系统特征及水文地质条件等，有的放矢，合理布局，有效地提高地下河流域水资源的利用率，产生了明显的社会、经济和生态环境效益。

在总结成功经验的同时，对工程初期出现的一些问题应引以为戒。工程初期由于未摸清岩溶洼地的岩溶发育规律，只对洼地西端边缘与坡脚接触处可见的消水洞进行堵塞，而洼地内发育的竖井状落水洞并未处理，因而未能发挥蓄水成库的功能；后经水文地质勘查工作，选择在坡脚外约100m处修筑土坝拦蓄水，避开了落水洞强发育块段，蓄水后未发现较大渗漏现象。但经调查，目前蓄水区域的地下浅层岩溶也较发育，且多数与地表连通，故今后在未对库底实施堵漏前，建议拦水坝不宜超出现有2m的高度，以控制水压力；同时应疏通坡脚附近消水洞，增大消水能力，以保证洪涝期间能迅速排走汇聚在洼地的积水，避免水位过高造成库底塌陷而产生跌窝渗漏。

3 龙坪地下河开发的经验

3.1 区域地质条件

龙坪地下河隶属于连州岩溶山地及谷地四级岩溶水系统，是一个独立的五级岩溶水系统。

岩溶流域地貌类型为峰丛谷（洼）地，峰顶高程550～800m，地面坡度5°～20°；出露石磴子组（C₁s）、梓门桥组（C₁z）、壶天群（C₂h）、栖霞组（P₁q）、茅口组（P₁m）等碳酸盐岩类地层，岩性为灰岩、白云质灰岩、白云岩（图4）。

地质构造较为复杂。地下河地处EW向流沙向斜北翼与孔塘背斜北翼接触部位和位于连州流沙旋卷构造北侧及西江旋卷构造北侧的收敛部位，流域汇水范围涉及第一级夷平面（高程150～270m）、第二级夷平面（高程350～450m）、第三级夷平面（高程550～700m）。

3.2 岩溶发育规律

地下河流域地处一级区域构造隆起带，碳酸盐岩组的岩性、岩相特征是影响岩溶发育的基本因素和物质基础，岩溶发育受褶皱及断裂构造的控制。龙坪地下河流域岩溶发育正处于青年期，溶蚀作用强烈，岩溶谷地、洼地、漏斗、落水洞、溶隙及溶洞等形态发育，峰丛洼地、漏斗、落水洞呈串珠状分布，峰丛、槽（谷）地及漏斗的分布以NE、NNE及NNW向为主，与主要断裂构造发育线基本一致。

3.3 流域概况

地下河发源于孔塘、围子村一带的地表水流及岩溶下降泉，水体入渗或流入围子村—孔塘村—黎屋村以西一带（即孔塘背斜轴部及其北翼倾伏部位）的岩溶谷（洼）地、天窗、漏斗和落水洞中，上游在勿村SE见多次岩溶泉呈NE向出露，经短暂地表径流后继续渗至地下，通过地下岩溶管道在龙坪街流出地表，其间穿越地层

→C₁c→C₁z⁃dp→C₂h→

（图4）。地下河出露水体除被用作饮用、养殖、农业灌溉和蒸发外，又下渗补给地下，成为下游龙塘大泉（图4中6号泉）及龙塘水库的水源。

地下河流域地面高程230～700m，入口高程380m，出口高程240m，出、入口高差140m，流域汇水面积17.63km²。地下河水位埋深在龙坪街—勿村一带为0.0～60.0m，龙坪圩镇附近多小于10.0m，地下河流量1980年11月10日测得47.147L/s、2002年9月30日测得49.88L/s、2004年8月19日测得32.82L/s，水温为18～20℃，水化学类型为HCO₃-Ca型。

3.4 补、径、排条件

图4 龙坪地下河流域水文地质平面示意图

1—断层；2—地层代号及界线；3—峰顶高程；4—地表水系；5—地下分水岭；6—推测地下河管道；7—岩溶洼地；8—落水洞；9—地下河入口；10—地下河出口，左为编号，右分子为流量（L/s）、分母为测流日期（月：日）；11—下降泉，左为编号，右分子为流量（L/s）、分母为测流日期（月：日）；12—龙坪地下河蓄水工程；13—钻孔，左分子为编号、分母为孔深（m），右分子为流量（m³/d）、分母为降深（m）

岩溶水以大气降水入渗补给为主，谷地边缘下降泉和基岩裂隙水的侧向补给次之。大气降水通过岩溶洼地、漏斗、落水洞、溶蚀裂隙直接补给地下水，丰水期补给最大，平水期补给次之，枯水期以侧向补给为主、该时段地下河主要为排泄过程。据连州站测得多年平均降雨量为1764.8mm，丰水期为每年的4～8月，11月至次年2月为枯水期，3、9及10月份为平水期，多年平均气温为19.3～20.2℃。

地下径流以管道型、裂隙型为主，具流速快、径流途径较长、地下水交替循环较好等特点。受地下分水岭及地形的控制，围子村—孔塘村—黎屋村以西地带入渗补给的部分水源在勿村SE第二级夷平面台地边缘以多次泉水出露，然后水体流经第一级夷平面的第二级岩溶谷地强岩溶化地段，地表水流全部入渗补给地下河，体现了岩溶山地地表水与地下水相互转化的地下径流特点。

地下河与11号钻孔（图4）为同一水源，钻孔的水位随地下河的流量增减而升降；外源水对地下河水量的调剂起了很重要的作用，地下河水量和钻孔水位随其南围子水库放水24小时后明显增大和上升（图5）。

图5 龙坪地下河流量及11号钻孔水位动态变化曲线

3.5 结构特征

受地质构造活动的影响，地下河流域存在多个源水补给点，主、支管道在平面上的展布为树枝状结构，沿途可见黎屋NW500m地下河入口、岩溶洼地、落水洞、天窗及多个泉水点。其中黎屋村以西洼地见4处NW向展布的落水洞，最大的落水洞呈长轴30m、短轴20m、深20m的平面椭圆状及垂直漏斗形，底部可隐约见到地下延伸管道和听到地下水流声，落水洞延伸方向与地下河入口的方向一致。

地下河流域垂直岩溶发育，据11号钻孔揭露深度9.77～172.16m，均见溶蚀现象，地下溶洞主要发育在9.77～54.55m深度范围内，其中26.0～30.0m见4.0m高溶洞。

地下河出露于

中厚层白云质灰岩中，岩层产状100°∠65°，节理不发育，沿地下河溶洞方向溶蚀裂隙发育。地下河出口位于NNE向东山湾断裂与近EW向的堡坪断裂、大田西帚状断裂的交汇部位，原见三个大小不等的岩溶洞穴（图6），溶洞长约10～15m，水体自SW向NE垂直涌出地表，现出口已被蓄水工程水体及地下河冲积物淹没而不清。

图6 龙坪地下河出口剖面示意图

3.6 岩溶水资源及开发利用条件

由于地下河流域地表径流枯水期和大部分平水期基本断流，岩溶水主要接受大气降水补给，且地下河以集中式单一出口排泄，故岩溶水资源量近似于50%保证率条件下大气降雨入渗补给量，可采资源量基本与地下河的多年天然平均排泄量一致。经计算，龙坪地下河天然资源量为382.73万m³/a、多年平均可采资源量为299.8万m³/a，多年平均可采资源量是天然资源量的78.33%。

地下河主干河道最大高差140m，坡度5°～20°，黎屋村—勿村一带地势变化较大、水力坡度较大，勿村—龙坪街一带地势变化不大、水力坡度较小；流域属岩溶谷地的径流-排泄带，地下水主要富集于地下溶洞及裂隙当中，以管状流为主、脉状流及网状流并存，地下水交替循环强烈程度中等；地下河出口位于龙坪圩镇，人口较密集、土地较多。这些为岩溶水资源开发利用提供了充足储备，决定了水资源的开发利用技术条件简单及利用率高。

3.7 社会需求分析

地下河水资源主要被用于龙坪圩镇居民及龙坪村村民的生活、畜牧业、渔业养殖及农田灌溉等，龙坪圩镇一带现状、近期及中远期对水资源的需求情况见表2。

表2中数据与前述水资源量对比，现状需求水资源量与多年平均可采资源量的比率为23.1%，近期需求水资源量与多年平均可采资源量的比率为49.2%，中远期需求水资源量与多年平均可采资源量的比率为57.5%，社会需求的水资源量未超出地下河多年平均可采资源量，可见地下河水资源量能够满足水资源利用现状、近期内及中远期的社会经济发展需要。

3.8 地下河出口蓄水工程

本工程1994年初建成，工程布局具结构较简单、功能较全面及实用性较强等特点，工程费用33.35万元。

表2 水资源社会需求统计表

蓄水工程布局总体呈南北向，由蓄水与饮用水源区、洗涤与引水灌溉区、养殖与引水灌溉区等三大功能区组成，总占地面积约0.8hm²，每个功能区均为水泥砂浆砌石结构墙分隔。蓄水与饮用水源区位于地下河出口内侧，占地面积约1300m²，蓄水深度0.8m，作用是建立一定规模的地下水库、提供充足优质的生活用水、更好地合理调配地下水资源，附近居（村）民1000多人的生活用水正是从地下河出口处抽取或引用；洗涤与引水灌溉区位于蓄水与饮用水源区北侧，占地面积400m²，蓄水深度0.3m，是居（村）民洗涤、耍水嬉戏及饭后休闲的场所；养殖与引水灌溉区位于蓄水与饮用水源区东侧，占地面积0.6hm²，利用优质流动的岩溶水资源养殖鲩鱼、鳙鱼、鲤鱼等。

蓄水工程在结构上由重力坝、蓄水结构池及排洪沟构成。重力坝修筑在蓄水结构池外侧，坝体呈NE向，长120.0m、高2.5m、底面宽4.0m、顶面宽3.0m，除近圩镇端20.0m为水泥砂浆砌石坝外、其余为均质土坝，坝体具支挡蓄水结构池、引水灌溉及排洪等功能。

蓄水结构池构成蓄水工程的三大功能区，由呈网格状的七个结构池组成，池底为厚0.2m的混凝土铺设，外墙和分隔墙为水泥砂浆砌石结构及墙壁均抹水泥砂浆并用水泥浆光面，墙体宽60cm、高1.3m。其中洗涤与引水灌溉区又被墙体分隔成12格，呈网格状，墙体宽1.0m、高0.5m，养殖与引水灌溉区由五个结构池组成、结构池间设有引水沟，地下河出口两侧及洗涤区均铺设石砌阶梯，以方便村民取水及洗涤。

排洪沟设在蓄水工程东侧紧挨丘陵山脚延伸，由白云质灰岩铺砌，沟长150.0m、宽3.0m、深2.0m，主要是将勿村—龙坪一带的地表水流导走，保护蓄水工程。

3.9 钻孔取水工程

11号钻孔原为水文地质普查钻孔，后经龙坪镇投入6.89万元建为水源地。钻孔成井口径φ150mm，静水位2.94m，涌水量10.71L/s时的水位降深为2.36m（抽水试验影响半径为102.16m）；钻井的下泵深度为28.0m，深井泵流量30m³/h、功率7.5kW，水源供给龙坪镇政府的办公场所、圩镇中心的居（村）民，受益人员5500多人。

3.10 取得的效益及经验总结

10年来，龙坪地下河开发利用已取得很好的社会、经济和生态环境效益。10年间共向6500多人、大牲畜约300头供水290万m³，较好地保证了社会经济的持续稳定发展；利用水资源进行农田灌溉、种植果树与无公害蔬菜和利用优质流动的水资源进行渔业养殖，直接受益的农田达46.7hm²（全部用岩溶水灌溉有10hm²），年产稻谷约120t和年供肉质鲜美的鱼类产品1500kg，对提高当地的生活水平起了较好的促进作用；蓄水工程有效地了保护水源及水质，取得了明显的生态环境效益。

实践证明，龙坪地下河开发利用是成功的。因地制宜，选择有利地形修建蓄水工程，有效地控制工程规模和工程量，用较低成本便能合理地调节岩溶水资源，较好地解决了干旱缺水问题，使之切实符合民生的利益；充分利用国家资金投入完成的勘探试验孔，以较低成本的投入较好地解决了附近居（村）民的生活用水问题，其探采结合取水方式为干旱缺水地区的地学研究和找水提供了正确指引；蓄水工程布局合理性、功能和取水方式的多样性，使地下河始终保持天然排泄状态，满足了多方面的社会需要，取得了很好的社会、经济和生态环境效益。

4 结语

地下河开发利用具一次性投资、短期见效、功能多、长期实用等优点，因地制宜科学合理地开发地下河对于解决干旱缺水、调节水资源的时空分布不均、改善生态环境和促进地方经济的持续发展等具有积极意义；在开发的同时应不断改善地下河流域生态环境，增强水土涵养功能，加强地表水与地下水的调蓄能力，增大天然资源量，更好地弥补地下河时空分布的差异性，以充分发挥岩溶水资源的效用。

本文在编写过程中，魏凤英、林琼珍等同志做了图件清绘等工作，在此致谢！