基于表層巖溶帶調(diào)控的峰叢洼地低影響開發(fā)構(gòu)建

　　摘要：以峰叢洼地為代表的錐狀巖溶分布區(qū)巖溶景觀退化嚴(yán)重，且飲用水短缺、干旱以及水污染事件快速增加，低影響開發(fā)可能成為該類型地區(qū)實(shí)現(xiàn)發(fā)展可持續(xù)的有效手段。中國(guó)南方至中南半島往南到達(dá)印度尼西亞和菲律賓是全球錐狀巖溶發(fā)育最典型的地區(qū)。這里的堅(jiān)硬碳酸鹽巖或松軟礁灰?guī)r在季風(fēng)氣候下發(fā)育形成的裸巖型下墊面具有成熟表層巖溶帶結(jié)構(gòu)，水源涵養(yǎng)能力弱，致災(zāi)趨勢(shì)強(qiáng)，成為巖溶環(huán)境具有高度敏感性的原因。低影響開發(fā)模式主張圍繞表層巖溶帶的水文過程提出土地管理和環(huán)境問題解決方案。在開發(fā)利用過程中峰叢頂部留置生態(tài)保護(hù)區(qū)涵養(yǎng)水源，增加表層巖溶帶的入滲補(bǔ)給量。巖溶洼地底部在進(jìn)行土地集約式利用時(shí)，為落水洞排洪預(yù)留緩沖區(qū)，利用巖溶裂隙設(shè)置下凹式綠地，實(shí)現(xiàn)自然滲透和凈化。“峰”、“洼”之間過渡區(qū)需要明確表層巖溶泉匯水范圍和邊界條件，劃定水源地保護(hù)紅線。同時(shí)有必要設(shè)法增加雨水資源化利用率，填補(bǔ)生態(tài)和生活缺水量。

　　關(guān)鍵詞：低影響開發(fā);集雨;石漠化治理;降雨補(bǔ)給;水柜

　　0引言

　　由峰叢洼地、峰林平原、坡立谷、斷陷盆地等地表形態(tài)，以及溶洞、地下河等地下空間組合構(gòu)成的巖溶環(huán)境具有強(qiáng)烈的脆弱性。人類活動(dòng)易導(dǎo)致森林退化、塌陷、地下水污染、石漠化等問題。作為居住環(huán)境，巖溶洼地具有空間狹小、易旱易澇、水土流失嚴(yán)重等特征。洼地開發(fā)過程中需要設(shè)法緩解用水緊張，同時(shí)還要降低開發(fā)活動(dòng)對(duì)地表和地下空間環(huán)境的干擾，降低環(huán)境災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

　　地質(zhì)工程評(píng)職知識(shí)： 發(fā)表沉積地質(zhì)學(xué)專業(yè)論文的期刊

　　全球巖溶類型多樣，環(huán)境管理有不同的側(cè)重點(diǎn)。歐洲根據(jù)污染物遷移的路線和條件提出了巖溶含水層脆弱性評(píng)價(jià)方法，運(yùn)用該方法建立脆弱性分布圖，為大區(qū)域范圍有差別地制定地下水管理方案提供依據(jù)[1]。熱帶亞熱帶地區(qū)具有地理代表性以及重要科學(xué)、文化和生物多樣性價(jià)值的巖溶景觀則在多種國(guó)際公約框架下成立了保護(hù)區(qū)[2]。一些干擾強(qiáng)烈且環(huán)境破壞嚴(yán)重的巖溶地區(qū)需要進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，保持保護(hù)與開發(fā)的平衡[3]。經(jīng)歷了石漠化的中國(guó)南方巖溶區(qū)，其生態(tài)環(huán)境治理目標(biāo)圍繞選育兼具經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益的新品種、建立環(huán)境友好的產(chǎn)業(yè)模式。環(huán)境管理重點(diǎn)是遏制水土流失，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，通過雨水利用、表層巖溶泉開發(fā)等方式增加可利用的水資源量[4。

　　但同時(shí)一些治理工程對(duì)巖溶水文和生態(tài)過程認(rèn)識(shí)不足，以及技術(shù)方法單一導(dǎo)致環(huán)境管理缺乏系統(tǒng)性。表層巖溶帶位于含水層的上部，它與土壤和植被構(gòu)成不可分割的功能連續(xù)體，發(fā)揮固碳、增匯、保水、過濾污染物等作用，同時(shí)它對(duì)森林植被退化、山坡開墾、工程建設(shè)活動(dòng)敏感。表層巖溶帶調(diào)蓄功能強(qiáng)弱和管理措施直接關(guān)系到水資源開發(fā)利用和地下水的防護(hù)，是洼地開發(fā)利用必須關(guān)注的關(guān)鍵帶[8]。本研究借鑒城市低影響開發(fā)理念[9]，探討巖溶環(huán)境管理的思路;總結(jié)石漠化治理經(jīng)驗(yàn)，提出峰叢洼地環(huán)境的管理方案。

　　1峰叢洼地的開發(fā)及環(huán)境破壞

　　巖溶洼地或漏斗是石灰?guī)r等可溶巖分布區(qū)在豐富雨水溶蝕作用下形成的一種形似漏斗的負(fù)地形，在東南亞和中美洲被稱為“平底鍋”地貌[10]。巖溶洼地廣泛分布在中國(guó)南方、東南亞、中東歐、美國(guó)肯塔基州、中美洲、新西蘭等國(guó)家和地區(qū)，被認(rèn)為是判斷可溶巖地區(qū)巖溶是否發(fā)育的標(biāo)志性地貌。巖溶洼地有利于降雨入滲，沒有地表排水口，其底部的落水洞成為徑流快速排泄通道。這也導(dǎo)致地表易旱易澇和地下水易污染。巖溶洼地與峰叢組合形成峰叢洼地，是中國(guó)南方分布最廣泛、最典型的巖溶地貌。巖溶地貌發(fā)育和水文系統(tǒng)形成過程中地下水呈現(xiàn)垂直分帶[11]。

　　表層巖溶帶承擔(dān)將降雨滲流匯集并經(jīng)由溶蝕裂隙、落水洞等通道進(jìn)入含水層的功能。外源水以及洼地形成的坡面流可能不經(jīng)過表層巖溶帶，而是直接通過落水洞排泄進(jìn)入地下河。在此過程中碳酸鈣發(fā)生溶蝕并流失，巖石上留下溶溝等多種溶蝕形態(tài)。表層巖溶帶成為巖溶含水層頂部溶蝕最強(qiáng)烈的部分。表層巖溶帶具有良好的滲透性和吸收降雨徑流的能力，但厚度小，調(diào)蓄功能和防護(hù)能力弱。表層巖溶帶的下界面滲透性降低，阻擋徑流繼續(xù)下滲，局部區(qū)域出現(xiàn)側(cè)向徑流和形成表層巖溶泉。表層巖溶帶的下部為包氣帶，地下水運(yùn)動(dòng)以垂直滲流為主。含水層的飽水帶徑流匯集至少量巖溶管道，不僅徑流速度快，而且水位或流量具有劇烈的動(dòng)態(tài)。

　　表層巖溶帶的發(fā)育增強(qiáng)了巖溶洼地的滲透性，使水資源和土壤難以保存，巖溶洼地成為干旱和水土流失易發(fā)區(qū)。隨著人口不斷增加，巖溶洼地被開發(fā)利用，生態(tài)環(huán)境一度遭受嚴(yán)重破壞，引起表層巖溶帶結(jié)構(gòu)改變和功能弱化。人類活動(dòng)對(duì)表層巖溶帶的影響包括：建房、修路、采石等活動(dòng)直接破壞其結(jié)構(gòu);森林退化伴隨著蒸發(fā)、入滲、產(chǎn)流、排泄、溶蝕等水文和水化學(xué)的響應(yīng);一些地區(qū)采取鑿巖摳土的方法來改造坡耕地。

　　相比較而言，中南半島與中國(guó)南方地區(qū)同在季風(fēng)控制區(qū)和特提斯構(gòu)造帶，不僅巖溶發(fā)育具有顯著的相似性，而且石漠化和水環(huán)境質(zhì)量下降也廣泛發(fā)生，峰叢洼地的環(huán)境管理成為一個(gè)受到關(guān)注的國(guó)際性問題[1。越南政府在西北部石漠化嚴(yán)重的河江省和北部高平省巖溶區(qū)申報(bào)建立了世界地質(zhì)公園，采取從碎屑巖山區(qū)遠(yuǎn)距離引水的方法在巖溶洼地建成以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為中心的集中供水設(shè)施，支持旅游業(yè)發(fā)展。國(guó)際巖溶研究中心培訓(xùn)班收集的資料顯示，泰國(guó)清萊府則采取修建蓄水池開發(fā)利用巖溶泉和打井開采地下水相結(jié)合的方法解決缺水問題，鼓勵(lì)當(dāng)?shù)厝罕姲l(fā)展園藝旅游業(yè)[1。

　　越南、老撾、泰國(guó)、馬來西亞受干擾程度小的峰叢洼地保留了原始森林生態(tài)系統(tǒng)，表層巖溶帶表現(xiàn)出良好的服務(wù)功能，支撐了豐富的生物多樣性資源。這些地區(qū)采取建立保護(hù)區(qū)的方式對(duì)巖溶環(huán)境進(jìn)行整體性保護(hù)。例如越南下龍灣、寧平長(zhǎng)安、峰牙己榜屬于世界自然遺產(chǎn)地保護(hù)區(qū)。

　　老撾南諾石山保護(hù)區(qū)申報(bào)成立世界自然遺產(chǎn)地。馬來群島至中國(guó)南海島礁，以及印尼至菲律賓的板塊結(jié)合部的島弧上出露新生代礁灰?guī)r。相比于中國(guó)南方地區(qū)和中南半島的中生代至古生代的碳酸鹽巖，礁灰?guī)r透水性好，且?guī)r溶洼地規(guī)模較小。印度尼西亞爪哇島南部巖溶區(qū)錐狀山峰海拔600，相對(duì)高度約50。礁灰?guī)r巖溶率達(dá)到6.5%~33.6。這種情況下巖石整體滲透性更強(qiáng)，表層巖溶帶很難儲(chǔ)水，其調(diào)蓄功能和凈化能力反而較弱。該地區(qū)采用礁灰?guī)r石塊建立擋土墻，利用了巖溶洼地底部堆積石灰土的低滲透性修建集水塘。

　　生活污水和農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)地下水造成污染。菲律賓薄荷島的巧克力山是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)俯沖帶陸塊多次抬升并經(jīng)長(zhǎng)期溶蝕而形成的一類錐狀巖溶地貌。越靠近海岸帶峰叢就越年輕，相反離海岸帶越遠(yuǎn)的巖溶地貌發(fā)育越成熟。遠(yuǎn)離海岸帶的峰叢僅能生長(zhǎng)草叢，因?yàn)槿彼�而枯黃，形成了形似巧克力狀的山丘，數(shù)量有776座。當(dāng)?shù)厝罕娎�用巖溶泉在坡立谷修建了水渠，種植水稻。但是隨著人口增加農(nóng)田不斷侵占森林，并且巧克力山的礁灰?guī)r作為建筑材料被開采，使政府保護(hù)巖溶景觀和生物多樣性的目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。

　　2中國(guó)南方峰叢洼地低影響開發(fā)的探索

　　廣西以及鄰近的貴州、云南以及越南北部山區(qū)峰叢洼地分布廣且發(fā)育典型，巖溶洼地的干擾程度高，石漠化曾經(jīng)十分嚴(yán)重，且干旱和洪澇問題突出。中國(guó)南方石漠化治理工程采取了生態(tài)移民、退耕還林、封山育林等生態(tài)措施，實(shí)施了水資源開發(fā)、土地整理、流域單元治理等工程方案，探索了生態(tài)旅游、種養(yǎng)一體等新型產(chǎn)業(yè)模式，取得了積極成效[18]。峰叢洼地降雨入滲系數(shù)達(dá)到50%左右，導(dǎo)致地表可調(diào)控利用的水量較少。表層巖溶泉枯季流量每天50，適合作為農(nóng)村家庭供水或村寨集中供水水源。

　　廣西通過普及農(nóng)村水柜，調(diào)蓄表層巖溶水和收集雨水作為飲用或灌溉水源。扶貧攻堅(jiān)期間廣西河池、百色典型巖溶貧困縣修建水柜上萬座。表層巖溶泉和降雨的水量不穩(wěn)定，具有強(qiáng)烈的季節(jié)性變化，引起飲用水水質(zhì)變質(zhì)問題。峰叢洼地低影響開發(fā)的重點(diǎn)是擴(kuò)大雨水收集利用，實(shí)現(xiàn)集水設(shè)施的科學(xué)管理20。雨水開發(fā)和表層巖溶水聯(lián)合利用，增強(qiáng)表層巖溶帶的“海綿”效應(yīng)，解決飲用水不達(dá)標(biāo)問題。巖溶洼地生活廢水排放和農(nóng)業(yè)活動(dòng)引起的水環(huán)境污染逐漸加重，在不少地區(qū)的表層巖溶泉中檢測(cè)到氮、磷、微生物、有機(jī)類污染物21。

　　重慶、四川、貴州、湘西等地區(qū)分布由緊密褶皺構(gòu)造控制而發(fā)育形成的槽谷型洼地，其底部經(jīng)常有季節(jié)性的河流水系流入落水洞。低影響開發(fā)需要對(duì)作為水源的表層巖溶泉制定保護(hù)方案，提高廢水達(dá)標(biāo)排放率，通過引入植草溝、人工濕地等技術(shù)增強(qiáng)表層巖溶帶的過濾凈化功能，減少污水通過落水洞排放。控制水土流失也是峰叢洼地開發(fā)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。貴州畢節(jié)等地區(qū)由間互型或互層型碳酸鹽巖發(fā)育形成的峰叢洼地土壤較厚，易發(fā)水土流失。貴州畢節(jié)地區(qū)探索通過修建生物籬，建立混農(nóng)林模式，采取秸稈還田等生物措施阻止表土流失。但是阻斷土壤通過表層巖溶帶地下漏失的技術(shù)成果還較少應(yīng)用。

　　3石漠化治理示范區(qū)的低影響開發(fā)試驗(yàn)

　　位于右江河谷的廣西平果縣果化石漠化治理示范區(qū)成立于2004年。果化示范區(qū)在峰叢洼地嚴(yán)重石漠化區(qū)先后試驗(yàn)了玉米牧草輪作、水果草藥復(fù)合種植等技術(shù)，最終選擇推廣火龍果[2�；瘕埞�原產(chǎn)地為中美洲，在廣西亞熱帶巖溶石山適宜性好。示范區(qū)修建兩座500水池調(diào)蓄峰叢洼地的個(gè)表層巖溶泉，提高了水資源開發(fā)利用率，保證了火龍果灌溉用水。

　　火龍果代替廣種薄收的玉米成為巖溶洼地主要種植品種。示范區(qū)通過開發(fā)表層巖溶泉、改變種植品種、恢復(fù)植被、坡改梯等措施有效遏制水土流失，構(gòu)建低影響開發(fā)模式。貴州石漠化治理也以控制水土流失為主要任務(wù)。示范區(qū)通過農(nóng)林品種優(yōu)選、土壤質(zhì)量管理、水利工程開發(fā)等改善農(nóng)業(yè)條件。治理工程采取免耕技術(shù)減小對(duì)土壤的干擾，通過植草種樹增加土壤覆蓋度和減少裸巖率，修建排水溝和擋土墻減輕山洪徑流沖刷。

　　治理工程采取坡改梯等工程性的措施，或者采取秸稈還田和施加生物炭等農(nóng)藝管理措施改善土壤質(zhì)地，提高抗侵蝕能力�；ń�示范區(qū)在北盤江南岸巖溶峽谷山坡嚴(yán)重石漠化區(qū)構(gòu)建了花椒種植園。花椒屬于蕓香科小喬木，根系發(fā)達(dá)，對(duì)土壤質(zhì)量要求不高，喜鈣且耐旱，成為貴州和重慶等地區(qū)進(jìn)行石漠化治理的優(yōu)選物種。示范區(qū)嘗試構(gòu)建混農(nóng)林業(yè)發(fā)展模式，提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的抗逆性和水分利用效率，推行保水劑、秸稈還田、鋪設(shè)地膜等農(nóng)藝節(jié)水措施。

　　簡(jiǎn)而言之，當(dāng)前石漠化治理示范區(qū)研究作物優(yōu)選、水土保持技術(shù)和農(nóng)藝水肥管理，主要目標(biāo)是通過農(nóng)業(yè)增收實(shí)現(xiàn)脫貧致富，同時(shí)遏制水土流失，保持土地資源可持續(xù)。本研究提出的峰叢洼地低影響開發(fā)主要是應(yīng)用雨洪管理和表層巖溶帶徑流調(diào)控技術(shù)，克服地表降雨快速下滲引起的干旱、洪澇、水土流失和污染等問題。兩者目標(biāo)有共同之處。

　　4低影響開發(fā)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)土地的功能和國(guó)土資源開發(fā)方式的差異，研究提出峰叢洼地存在三種類型敏感區(qū)：(1)土地開墾、種植、施肥、噴藥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)形成的坡耕地敏感區(qū);(2)水資源開發(fā)活動(dòng)引起的與農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖、生活等排污行為關(guān)聯(lián)的水源敏感區(qū);(1)受到開發(fā)活動(dòng)波及影響的地下河敏感區(qū)。每一種類型敏感區(qū)的管理需要采取相應(yīng)的低影響開發(fā)技術(shù)作為支撐。針對(duì)三種類型的敏感區(qū)，峰叢洼地低影響開發(fā)確定飲水安全、水土保持、水環(huán)境保護(hù)方面的五個(gè)目標(biāo)。管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要充分考慮表層巖溶帶的含水特征，綜合采取雨水利用、表層巖溶水開發(fā)、降雨入滲管理等技術(shù)手段。

　　5峰叢洼地的低影響開發(fā)構(gòu)建

　　峰叢洼地巖溶地貌的發(fā)育形成有利于降雨通過地表和地下路徑快速滲漏排泄，引起干旱、內(nèi)澇、水土流失、水環(huán)境污染等問題。該類型脆弱環(huán)境區(qū)需要建立以低影響開發(fā)為中心的環(huán)境管理新模式，促進(jìn)土地、水資源、地質(zhì)景觀、生物多樣性的可持續(xù)，實(shí)現(xiàn)峰叢洼地的合理開發(fā)。受到地形和巖溶發(fā)育特點(diǎn)等因素制約，巖溶洼地的底部比峰叢頂部更容易積存土壤和水分，致使土地功能存在空間差異，其開發(fā)利用方式呈現(xiàn)垂直“三分法”土地利用結(jié)構(gòu)。峰叢頂部裸巖表層巖溶帶適宜保留林、灌、草等原生態(tài)特征，作為封山育林區(qū)。

　　巖溶洼地的底部覆蓋型表層巖溶帶是居住和農(nóng)業(yè)等集約利用區(qū)。兩者之間的過渡地帶為林、果、農(nóng)混合種植區(qū)。依據(jù)土地利用“三分法”以及巖溶洼地三種敏感區(qū)的劃分，巖溶環(huán)境管理新模式強(qiáng)化雨水、坡面流、表層巖溶水的資源化利用，以達(dá)到緩解用水緊張、減緩徑流外排的目標(biāo)。新模式建議借鑒城市低影響開發(fā)的思路和技術(shù)，根據(jù)表層巖溶帶水文地質(zhì)條件設(shè)置水源保護(hù)紅線，保證表層巖溶泉飲用水安全。新模式建議依照水土流失和污染物排放的發(fā)生條件和遷移路徑，抓住表層巖溶帶水量漲落的關(guān)鍵時(shí)機(jī)，做好涵養(yǎng)、攔蓄、收集、堵漏、過濾等控制設(shè)施，達(dá)到充分積存、充分凈化、消減洪水、細(xì)水長(zhǎng)流的效應(yīng)。

　　6結(jié)語(yǔ)

　　錐狀或塔狀巖溶是熱帶和亞熱帶地區(qū)具有代表性的地貌。印度尼西亞爪哇島具有錐狀峰叢與巖溶洼地組合地貌。菲律賓薄荷島具有一種錐狀峰叢巧克力山與坡立谷組合而成的巖溶地貌，中國(guó)南方以及中南半島多個(gè)地區(qū)具有峰叢與巖溶洼地組合形成的峰叢洼地。這些地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，歷史上或現(xiàn)在由于過度開發(fā)引起多種環(huán)境問題。

　　為此該類型巖溶環(huán)境的管理受到國(guó)際關(guān)注。由于巖溶環(huán)境中土壤缺少且?guī)r石裸露率高，表層巖溶帶發(fā)育并對(duì)水資源調(diào)蓄發(fā)揮重要作用。巖溶環(huán)境的管理需要針對(duì)表層巖溶帶研發(fā)和采取低影響開發(fā)技術(shù)，保持表層巖溶帶的調(diào)蓄能力和污染物過濾功能，減少開發(fā)活動(dòng)對(duì)脆弱環(huán)境的影響。經(jīng)歷了長(zhǎng)期開發(fā)后峰叢洼地形成了垂直“三分法”的土地功能分區(qū)和土地利用結(jié)構(gòu)。峰叢頂部適宜建立水源涵養(yǎng)區(qū)，增加表層巖溶水的補(bǔ)給。山坡的林、果、農(nóng)混合種植區(qū)是水土流失重點(diǎn)防控區(qū)，同時(shí)應(yīng)劃出水源地保護(hù)區(qū)，保證表層巖溶泉作為水源的飲用水安全。

　　在水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)管理生活污水、路面徑流和坡耕地施肥活動(dòng)，減少水源污染風(fēng)險(xiǎn)。峰叢洼地坡耕地的管理需要加強(qiáng)雨水收集技術(shù)的應(yīng)用，構(gòu)建坡耕地雨水灌溉設(shè)施。雨水收集的集水面采用不同材質(zhì)和建筑方式的接雨器，并且有可能將雨水收集與表層巖溶帶調(diào)蓄結(jié)合起來，提高雨水利用效率。巖溶洼地底部通過落水洞管理減少地下河污染負(fù)荷。在落水洞徑流路徑上設(shè)置串珠狀的下凹式綠地和人工濕地，利用溶蝕裂隙等巖溶負(fù)形態(tài)增強(qiáng)過濾功能。

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　　作者：姜光輝，劉凡，王奇崗，郭芳

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