地下水资源开发利用研究历程和展望

　　摘    要：　解决红层区缺水问题一直是水文地质界关注的热点问题之一.通过系统分析文献资料和野外调查等, 论述了红层缺水区地下水资源开发利用的发展和存在的主要问题.红层缺水区地下水资源开发利用的发展可分为四个阶段:20世纪70年代以前为落后原始取水状态;20世纪70年代到2000年为区域水文地质普查与基础研究阶段;2000—2011年为红层地下水开发利用理论发展成熟与实践研究阶段;2011年—至今为地下水资源开发的可持续利用探讨阶段.当前采用的小型机井式开采浅层地下水资源的方法, 能够基本满足红层缺水区部分分散农户家庭的小量饮水需求, 由于其成本低 (政府出资打井, 农户仅承担供水设备费用) 、取水距离短, 取水时间自由, 社会效益显着等优点, 促使了机井布设的速度较快, 已成为当地缓解或解决红层缺水区人畜饮水困难的主要措施.但近年来, 这种模式供水的可持续性受到了严重挑战, 保护地下水资源持续利用非常迫切, 以防止该地区部分农户的人畜饮水困难和安全问题反弹有重要的现实意义.

　　关键词：　饮水困难; 地下水; 可持续; 红层区;

　　Abstract：　Solving water shortage troubles always are one of hotspots for hydro geologists in the Red Bed regions.By analysis literatures of underground water and field investigation, the paper deals with the development and trend of the underground water resources exploiting, and attentions are also paid to the potential and problems existed underground water resources exploiting.The history of underground water resources exploiting study can be divided into four stages:①Primitive and unsanitary drinking water utilization (before 1960) , ②Regional hydro geological reconnaissance and basic research of hydrogeology conditions (from 1960-1990) , ③Maturity theory of water-rich rocks and practice to promote digging well (from 1970 year to 2000 year) , ④Discuss of sustainable underground water supply (after 2011 until present) .At present, little of diameter well of suppling water may fulfill need of water for family, Characterized by lost cost of digging well (government dig well free for farmers except for water supply installations) , and short distance of water pipe, and free time of pump underground water, and significant social benefits, these superiorities impel dogged well faster, latter become important measures on solving water shortage troubles in the Red Bed regions.However, the mode of suppling underground water has crossed of sustainable problems for the past few years, so now need adopt urgently to protect underground water resources, in order to avoid rebound condition of water shortage troubles again for some family, this is a certain practical significances.

　　Keyword：　drinking water troubles; underground water; sustainable; the red beds;

　　我国红层出露面积超过80万km2, 主要分布在东部 (中南和东南) 、中部 (四川、陕西) 西北 (陕甘宁、柴达木等盆地) 、青藏高原四个区域.红层成因基本上为典型的红色陆相沉积, 多形成于中生代至新生代, 又特别集中在白垩纪.红层岩性较为复杂, 涵盖了砾岩到泥岩各个粒级的岩石, 并可能夹有淡水灰岩、石膏及岩盐层等[1].从降雨量上, 处于40—800mm降雨量红层主要分布在西北地区, 属于干旱—半干旱地区;处于1 000mm以上降雨量红层主要分布在东部和西南地区, 属于湿润地区.但实际上这些湿润地区的水资源非常匮乏, 人畜饮水较为困难, 也有部分红层地区分布“南方红层荒漠”[2,3].如重庆红层区人均水资源量为570m3左右, 为重庆人均水资源量的1/3, 占全国人均水资源量的1/4, 有近415万人口处于严重缺水状态[4,5].随着国家“一带一路”战略的深入实施, 这些红层地区的社会—经济—生态协调可持续发展必然面临水资源短缺问题的严重挑战.

　　红层区人民经过利用水资源实践的不断探索, 形成了以小口径机井开发浅层地下水, 满足红层丘陵区分散农户家庭人畜饮水需求模式[6], 有效地缓解了红层区缺水状态, 取得了巨大的社会效益[7].截至2017年, 仅四川省和重庆市红层丘陵区实施机井近130多万口, 解决了近1 000万人口的饮水困难问题.但是, 由于红层特殊的岩性、地形地貌、构造、降雨等控制的水文地质条件[8,9,10], 和机井后续运行维护[11]、农户不合理的开采制度以及水环境保护意识淡薄等方面原因, 给这种模式的可持续发展带来严重挑战, 如地下水水位不断下降、弃井、水质污染等问题[12], 据有关调查表明, 机井的使用率比原来下降了30%左右, 且这一下降速度趋于不断增加的趋势.因此, 急需补充红层区地下水资源开发利用的研究成果, 以系统分析红层缺水区开发利用的历程和存在的主要问题, 对该区的水资源可持续利用具有重要推动意义.

　　1、 地下水资源开发利用研究的发展历史

　　1.1、 落后的原始取水状态 (20世纪70年代以前, 如图1A1—A3)

　　我国红层缺水区主要分布在丘陵山区, 由于红层的岩性特征, 降雨地表径流很容易流失.广大农村的饮水方式基本上是依靠庭院附近的溪沟水、土井、泥水井等取水, 卫生条件极差[7].但也有小部分取水来自天然的泉水, 水质较好.农业发展方面基本上是以雨养农业为主, 水利灌溉工程非常缺乏.这一时期中国红层分布区地下水资源基本上处于无开发状态.

　　图1 红层缺水区取水水源

　　(注:渝西北红层丘陵区一些村:A1—A3, B3和C1来源文献[7];B2来源华龙网重庆日报;B1, C2和C3实地考察)

　　1.2、 区域水文地质普查与基础研究阶段 (20世纪70年代—20世纪末)

　　20世纪70年代至80年代, 红层区缺水区相继开展了区域1∶20万地质和水文地质普查, 系统积累了红层区地质与水文地质基础资料, 为开发红层区经济开发提供基础资料支撑.

　　与此同时, 以川中红层区率先开展地下水资源开发利用试点工程, 以满足农业灌溉水源的需求和人畜饮水困难问题, 并取得了一定的效果, 如四川省在1972—1973年就打井132 000口, 主要利用红层侏罗系遂宁组地下水并对其富水条件从岩性、构造、地形地貌上进行探讨等[13].进入20世纪90年代后, 四川和重庆渝西红层区开展了1∶10万或1∶5万农业供水水文地质勘察, 来缓解和解决农业抗旱问题, 这时期形成了红层区地下水富集规律的基本认识.如遂宁组红层地下水主要富集于中下部泥岩的风化裂隙带中;遂宁组泥岩的岩性特点有利于蓄水裂隙的发育等[14].随后也伴随全国第一轮地下水评价的开展, 较为深入地研究了红层地下水资源形成条件、分布、规模以及可利用状态[15,16].如红层地区存在六种蓄水构造类型:1) 富含钙质粉、砂岩、泥岩风化卸荷带岩溶裂隙型;2) 钙质胶结灰岩质砾岩裂隙岩溶型;3) 红层层间裂隙或层间裂隙孔隙型;4) 红层与岩浆侵入接触带型;5) 构造裂隙及断裂接触带脉状型;6) 红层覆盖层下部基岩型.满足饮用水水质要求应从红层古地理环境及膏盐矿存在形态及含量考虑[17], 因为红层中常夹有石膏和含盐层, 而使地下水水质变坏.其界限深度随地区不同而有所变化.这个时期针对红层深层地下水资源开发的认识, 井深基本上大于50m以上, 通过水文地质钻孔涌水量50m3/d指标判断集中供水价值的指标.对浅层地下水 (小于30m) 含十层被认为贫水区, 无开发利用的价值.可以看出, 这一时期地下水资源的开发利用是从主要针对农业灌溉和集中供水的角度出发的, 未能针对山区分散农户供水进行探讨.

　　直至20世纪末期, 随着对红层地下水资源的深入研究, 人们对浅层地下水资源的开发利用有了更深的认识[18,19], 在西南四川红层区, 浅层地下水水量受控于气候、地形地貌、地表水文网、岩性、构造运动等环境因素.并且根据红层富水的特点, 如红层富水具不均一性、垂向层控性、平面分带性及构造控水明显性等富水特征.进一步划分了地下水类型, 如地下水类型可分为风化带网状裂隙水、孔隙裂隙层间水、断裂带脉状水3种类型;在华南湖南红层区岩性为钙泥岩砂、砾岩和钙质粗碎屑岩三大类.结合水循环特点, 地下水类型可以分为风化孔隙裂隙水、钙质泥岩溶蚀溶孔水、砂砾岩孔隙裂隙层间水、灰砾岩岩溶水和断裂构造水共5种类型.在找水技术方法上提出了运用3S技术和地球物理勘探手段来勘查地下水, 并取得较好的应用效果等.这一时期浅层地下水被列为重点研究方向, 总的研究表明, 不同的红层分布区因红层的形成条件不同, 岩性及构造的水文地质意义差异较大.但浅层含水层供水水量基本上能够满足分散农户家庭人蓄饮水水量 (<50m3/d) .这些研究成果积极地推动了浅层地下水开发利用的可能性.

　　1.3、 2000—2011年红层地下水开发利用理论发展成熟与实践研究阶段 (如图1B1—B3)

　　21世纪前十年, 特别是中国地质环境局组织实施的“西南红层水严重缺水区地下勘查、地下水调查与开发利用规划及找水打井示范”项目, 取得了丰硕的成果[7,20,21,22,23,24,25,26,27,28].如西南地区总结了红层区浅层地下水勘查的规范等, 标志着红层浅层地下水资源开发利用是有价值的, 改变了红层区“贫水区”说法.首先, 从红层找水途径的实践与研究, 各个红层区都较为系统地研究了富水的规律及其水循环, 即从构造、岩性、地貌以及降雨的综合关系上, 分别阐述了找水地质条件.有代表性的如图2A-C所示;其次, 红层区浅层地下水水质分布规律, 不存在统一的咸淡水界面, 仅在部分地层和地区的点上分布有咸淡水界面.最后, 依据试点浅层地下水找水打井工程实践, 迅速推广富水模式, 取得巨大成效.这一实践—理论—实践的找水打井的过程, 最终形成以浅层风化裂隙水为主, 主要特点是分布广, 埋藏浅, 易开采, 淡水水质为主的特征, 与红层丘陵区农村人口居住分散, 人畜需水量相对较少特点等相吻合, 以分散小口径 (130mm) 机井开采为主的“庭院式自来水”供水模式和小型集中供水模式.

　　图2 西南红层区主要的宜井区

　　(注:A1:台状低山型;A2:脊状丘陵低山型;A3:浅丘谷地型;B1:河谷阶地;B2:低中山型;B3:宽缓沟谷型;C1:背斜谷地或垄岗型;C2:山地边缘存在阻水断层切割型;C3:平缓山体斜坡型)

　　1.4、 2012年至今为地下水资源开发的可持续利用探讨阶段 (如图1C1—C3)

　　红层丘陵区浅层地下水被机井开发利用5-10年后, 据有关实际调查[29,30], 机井的使用率大幅度下降, 其中某些地区的使用率从97%下降到56%, 其可持续性引起了社会广泛的关注.很多学者从水量、水质和管理进行了浅层地下水地下水资源开发可持续利用的探讨.水量方面主要小于1m3/d流量机井所占比例较大, 因成井含水层时本身受岩性、构造地形等限制, 加之过度抽取, 导致含水层供水能力下降, 地下水位持续下降;在水质方面主要受人类活动的影响, 如农业污染源 (化肥、农药、家禽养殖粪便等) 和土地利用等, 污染浅层地下水水质, 严重影响了人畜饮水安全, 如重庆西部的“三氮”污染物超标占49.7%样本, 成都市红层水质抽样检测表明42%机井水质不合格等[31,32,33,34,35].从管理方面主要从浅层风化裂隙-孔隙水含水层的资源功能弱、生态功能强和地质环境功能弱评价来探讨可持续性[36].但实质上地下水资源持续开发利用前提是含水层的储存量即储存调节功能以丰补歉的原则, 否则含水层难以持续供水.总的来说, 红层丘陵区地下水开发利用的可持续性开始受到学者和社会的广泛注意, 但目前从点到面上评价, 还存在缺乏一定的可靠度, 地下水资源可持续利用受多种因素影响.因此, 有学者建议加快推进地下水监测网络的建设[30], 获得较长时期地下水动态变化过程, 对区域红层丘陵区地下水评价的可靠性具有重要意义.

　　2、 存在问题与展望

　　经过这几个阶段的发展, 红层缺水区地下水资源开发利用研究和推广应用取得了很大的发展, 这种浅层地下水利用形成的小口径机井供水模式在红层丘陵缺水区已经基本解决了人畜饮水困难的问题.但有些基础理论研究、技术应用和管理方面还需要深入研究.如红层含水层供需平衡问题、相邻机井相互干扰问题和机井周围水环境保护等方面[37].另一方面, 在红层浅层地下水含水层供水能力的可持续性及其对机井周围环境的影响等方面缺乏系统深入的研究[11,37].因此, 当前浅层地下水开发利用与推广应用要因地制宜, 特别是机井的井位和井深, 在不同水文地质单元要依据岩性、构造和地形地貌综合确定, 切忌流于形式.毕竟红层区岩性和水文地质条件决定了含水层供水能力有限, 大部分机井流量低于10m3/d, 持续开采抽水会影响地下水位的不断下降, 所以平衡含水层的储存调节功能成为可持续开采的关键.但含水层的储存调节功能强弱决定于其分布面积、厚度、孔隙度、给水度和弹性释水系数大小, 因此不同成因类型的含水层或地下水的储存调节功能强弱有很大的差别[38].而分散农户家庭需水程度也有差别, 这种差别的匹配的矛盾影响机井的高效使用.这种地下水开采利用模式的持续发展要考虑其他水源量的输入, 雨水资源利用完全可以充当机井含水层的补给功能, 机井本来就以家庭农户为单元, 这与以家庭庭院雨水集流系统非常相匹配, 可以形成一个家庭拥有小口径机井和雨水集流系统两种方式供水, 不仅可以解决含水层供水不足问题, 而且可以补充一部分农业灌溉水量, 才能发挥水资源利用的最佳效益.如重庆大足区2014-2016年年雨水资源量为90 000m2, 可相当于308口水井在0.8m3/d流量下的年开采量.

　　目前, 红层丘陵区利用浅层地下水技术有效地减缓缺水程度, 在找水布井方面进行了较深入的研究与系统集成.但在红层区水资源短缺背景下, 如何协调与日俱增的淡水需求量和有限的淡水资源之间的矛盾, 还面临较大挑战.为此, 建议今后浅层地下水可持续发开发利用还需要进行以下研究:

　　1) 开展小口径机井工程和家庭雨水集雨工程联合供水的模式研究与推广应用.从含水层供水能力分析, 用雨水资源补充含水层储存调节平衡.

　　2) 研究浅层地下水水质保护问题.从生活污染源、农业面源污染等与机井含水层水循环的补给区、排泄区之间的关系出发, 控制其流经的路径和方向, 保护地下水资源免受污染.

　　3) 红层“打井工程”开发对社会、经济和生态的影响研究.社会经济效益评价比较成熟, 但生态影响较为滞后.因此, 科学规划和建设地下水监测网络, 为客观评价综合效益提供数据支撑.

　　4) 特殊水质处理方法的研究.因红层区有一部分水井存在高Mn/Fe水质或卤水[39], 所以开展处理高Mn/Fe水质或卤水水质处理工艺, 使其具有低成本、工艺简单、移动方便等特点, 这将推动农村人畜饮水安全有重要的现实意义.

　　5) 现实研究部分家庭灌溉农业与水资源开发利用相结合模式.

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