馬祖陸，楊黃成

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西桂林 541004；2.廣西師范大學(xué)，廣西桂林 541004)

中國是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國家。2020年全國水資源總量 31 605.2億m3，地下水資源總量為8 553.5億m3[1]，人均水資源占有量不足世界平均水平的1/4，是世界上21個(gè)貧水和較缺水的國家之一。我國的基本狀況是人多水少、水資源時(shí)空分布不均勻，南多北少，近31% 的國土年降水量在250 mm以下，供需矛盾尖銳，用水缺口大[2]。全國600多個(gè)城市中有400多個(gè)供水不足，嚴(yán)重缺水城市有110個(gè)[2]。

中國也是一個(gè)巖溶大國，巖溶區(qū)總面積達(dá)334萬km2，滇、黔、桂、湘4個(gè)主要巖溶省(自治區(qū))地下水資源占全國的21.19%，主要為巖溶地下水[1,3]。因此，巖溶水是巖溶地區(qū)人類生產(chǎn)與生活的重要資源。但由于巖溶地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境、特殊的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水-土-人口配置，以及降水時(shí)空分配不均等原因，長期以來巖溶地區(qū)干旱缺水現(xiàn)象尤其嚴(yán)重。據(jù)估計(jì)，僅滇、黔、桂三省(自治區(qū))常年受旱面積就達(dá)到1.68×104km2，人畜飲水的水資源短缺量約達(dá)7×108m3[4]，制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。我國巖溶干旱總體上表現(xiàn)如下：在北方巖溶區(qū)，地下水過度開采、礦山水質(zhì)污染導(dǎo)致大中城市地下水位下降、巖溶大泉枯竭，屬典型的資源型缺水；在南方巖溶區(qū)，降水時(shí)空分布不均勻、水土配置不合理及巖溶發(fā)育不均勻?qū)е滤Y源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展地區(qū)需水空間不匹配,屬季節(jié)性及局域性缺水。除降水等自然因素外，在地表水的使用和地下水的開采已趨飽和的狀態(tài)下，水資源開發(fā)缺乏系統(tǒng)性、利用效率低、保護(hù)與開發(fā)利用(尤其水資源時(shí)空調(diào)蓄)缺乏關(guān)鍵技術(shù)和可推廣的成熟模式、管理手段缺乏等是主要原因。本文重點(diǎn)研究國外巖溶地區(qū)水資源開發(fā)利用的成功經(jīng)驗(yàn)、典型案例、關(guān)鍵技術(shù)或模式，并基于上述內(nèi)容對(duì)我國巖溶地區(qū)多目標(biāo)水資源總體規(guī)劃、保護(hù)、管理和開發(fā)提出建議，以期為我國巖溶地區(qū)巖溶水資源的開發(fā)利用、保護(hù)與管理提供借鑒。

1 國外巖溶地區(qū)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

巖溶水是指賦存并運(yùn)移于“巖溶化”巖層中的水。巖溶水資源總體上豐富，占全球陸地總面積約12%的巖溶地區(qū)為全球約25%的人口提供飲用水[5]。但巖溶地區(qū)總體上表現(xiàn)為地表干旱缺水、地下水資源豐富但分布不均勻。除俄羅斯外，全球大多數(shù)巖溶區(qū)人口密集，地表干旱缺水嚴(yán)重，對(duì)巖溶水資源的開發(fā)利用有著迫切的需求。尤其在中國北方和西南巖溶地區(qū)，東南亞，歐洲中、西、東南部以及地中海沿岸國家，北美、中美洲和加勒比海，北非，中東等，巖溶水資源在人畜飲水、灌溉和工業(yè)用水的供水中占有重要的地位[6,7]。但是，由于碳酸鹽巖分布、巖溶水文地質(zhì)條件、水資源開發(fā)技術(shù)水平等的差異性，國外不同地區(qū)巖溶水資源開發(fā)潛力、開發(fā)程度有較大的差異。美國是巖溶水資源開采量最大的國家，巖溶水資源總開采量約為268 m3/s，有遠(yuǎn)超5 000萬的美國人依賴巖溶水，尤其是美國東部巖溶區(qū)各州的大部分地區(qū)[8]。美國許多人口密集的州均開發(fā)利用巖溶含水層(如佛羅里達(dá)含水層、比斯坎含水層和愛德華茲-特里尼蒂含水層)中的地下水供水。人口數(shù)居美國第二的得克薩斯州，有一半以上人口依賴巖溶水系統(tǒng)供水，其中圣安東尼奧擁有150萬人口，是美國利用巖溶含水層中的地下水供水的最大城市；佛羅里達(dá)州人口位居美國第三，大部分人口依賴巖溶水，現(xiàn)每天抽取的巖溶地下水資源量達(dá)到1.3×107m3，其中大約有50%用于灌溉，35%(相當(dāng)于58 m3/s)用于飲水。上述兩州依賴巖溶水供水的人口數(shù)超過3 500萬[8]。比斯坎巖溶含水層(Biscayne Karst Aquifer)的水資源開發(fā)程度更高，其中有86%用于人畜飲水[8]。歐洲也是高度依賴巖溶水供水的地區(qū)，尤其是地中海沿岸一些高度巖溶化的國家，對(duì)巖溶水的開發(fā)利用依賴程度極高。如黑山共和國90%的人口飲用巖溶水，該國最近完成的、利用位于斯卡達(dá)爾湖畔的波列塞斯特(Bolje Sestre)巖溶泉供水的大型項(xiàng)目，為黑山的整個(gè)沿海地區(qū)提供飲用水[9]。羅馬尼亞80%地下水為巖溶地下水[10]。波斯尼亞和黑塞哥維那、奧地利、阿爾巴里亞，以及幾個(gè)巖溶島國，巖溶水資源豐富，均有一半以上的人口飲用巖溶地下水[11]。奧地利首都維也納擁有歐洲最大的巖溶供水系統(tǒng)，為170萬市民供水，格拉茨、薩爾茨堡和因斯布魯克也主要由巖溶地下水系統(tǒng)供水[12]。盡管碳酸鹽巖分布面積僅占全國國土面積的3%，但印度35%人口(大約有4 600萬)每天都在利用巖溶水。其他利用巖溶水資源人口超過1 000萬的國家有伊朗、墨西哥、印度尼西亞、俄羅斯、法國、菲律賓、土耳其和意大利。

據(jù)估算，2016年全球巖溶水資源總開采量為127 km3(或平均4 027 m3/s)，僅占全球預(yù)計(jì)可更新的巖溶地下水資源總量的4%，具有較高的開發(fā)潛力[5]，但地區(qū)上有較大的差異性。例如，奧地利水資源量目前僅開發(fā)利用4.7%；歐洲4個(gè)典型的巖溶國家——波斯尼亞和黑塞哥維那、黑山、阿爾巴尼亞和馬其頓均使用巖溶水，其中，阿爾巴尼亞人均可利用再生水資源量達(dá)13 000 m3/a (35 m3/d)，但目前開發(fā)利用率僅3.1%；波斯尼亞和黑塞哥維那的巖溶水資源利用率更低，僅0.9%，其鄰國克羅地亞巖溶水資源利用率則僅0.6%[13]。在一些干旱或半干旱國家，雖然巖溶含水層多，但是由于降水少或不穩(wěn)定，造成補(bǔ)給或可再生巖溶水資源嚴(yán)重短缺，人均水資源量甚至不足1 000 m3/a，典型的如沙特阿拉伯，需水量是其可利用再生水資源量的8倍；在阿曼，可再生水資源利用率達(dá)到84%，突尼斯為69%，巖溶水的進(jìn)一步開發(fā)利用潛力十分有限，并有逐步減少的趨勢(shì)[13]。索馬里也是一個(gè)巖溶分布面積很廣的國家，但炎熱、干旱的氣候條件造成可再生水資源量十分短缺，索馬里蘭和邦特蘭地下水徑流模數(shù)僅為0.5-1.5 L·s-1·km-2[14]，幾乎無可供開發(fā)的巖溶水資源。因此，這些地區(qū)不得不更多地依賴脫鹽淡化水，或開發(fā)利用其他來源的水資源(如異地調(diào)水等)[5]。

2 國外巖溶地區(qū)水資源開發(fā)利用的技術(shù)方法與經(jīng)驗(yàn)

巖溶地區(qū)水資源開發(fā)歷史悠久。針對(duì)不同的水文地質(zhì)條件，尤其是在巖溶水的補(bǔ)給、徑流、排泄區(qū)，巖溶水的開發(fā)利用方式以及采用的技術(shù)方法有一定差異。

2.1 巖溶地下水排泄區(qū)

對(duì)于巖溶地下水排泄區(qū)來說，主要是開發(fā)利用巖溶泉、巖溶地下河或巖溶地區(qū)地表河溪。開發(fā)利用方式包括直接筑渠取水，在地下河出口、巖溶泉口或地表河有利河段筑壩蓄水以提高水位，然后修渠引水；或通過從上述巖溶水點(diǎn)鉆孔抽提水并儲(chǔ)存于高位蓄水工程(儲(chǔ)水池、調(diào)節(jié)水庫)中，結(jié)合供水或灌溉系統(tǒng)，達(dá)到飲用、灌溉、發(fā)電、旅游、水土保持和生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)等多種目的。早在古羅馬時(shí)期，地中海沿岸的許多大型城市都建在巖溶大泉附近，使用巖溶泉作為城市供水。如在那不勒斯和巴里，沿襲第勒尼安(Tyrrhenian)海邊的古渡槽所修建的普格利澤(Pugliese)引水長渡槽，就是引巖溶大泉水為城市供水[15]。古羅馬帝國修建了11條長16-99 km不等的引水長渠，將>13 m3/s的巖溶大泉水引入羅馬古城；羅馬市中心著名的特雷維(Trevi)噴泉，也被引入供水渡槽，成為城市供水系統(tǒng)的組成部分[16]。亞得里亞海沿岸的許多城市，如里耶卡、斯普利特和杜布羅夫尼克等都建在巖溶大泉附近，周邊數(shù)百萬居民仍然依靠巖溶泉供水[17]。美國僅流量大于2.8 m3/s的巖溶大泉或地下河就有40多個(gè)，最大流量可達(dá)56.7 m3/s。早期這些巖溶大泉僅用于城鎮(zhèn)人畜飲水、農(nóng)田灌溉，后來逐漸涉及發(fā)電、旅游等，如黃石公園巖溶泉的旅游開發(fā)。在西亞和北非，引巖溶泉水進(jìn)行自流灌溉是一種傳統(tǒng)的灌溉方式[14]。對(duì)水資源豐富的封閉巖溶構(gòu)造儲(chǔ)水體，最佳的開發(fā)方案是在山腳低洼處開挖大口井，或在排泄口附近修建地表或地下蓄水工程自流引水[18]。美國的田納西河流域、科羅拉多河，歐洲的多瑙河等是地表巖溶水資源開發(fā)的成功樣板。當(dāng)然，在一些地形平坦、人口密集、需要大規(guī)模取水的地下水排泄區(qū)，當(dāng)泉(地下河)排泄量及地表河水不能滿足需要時(shí)，鉆井取水也非常普遍，如美國東南沿海的巖溶區(qū)[19]。

2.2 巖溶地下水徑流區(qū)

在徑流區(qū)，巖溶地下水一般深埋于巖溶含水層中，僅局部有天然地下水露頭，如溶潭、巖溶湖、地下河天窗或豎(斜)井。對(duì)于深埋巖溶地下水，一般是通過詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合地球物理探測(cè)定井技術(shù)，然后采用鉆井取水的方式開發(fā)；對(duì)有天然巖溶水露頭的地下水，則通常采用直接在地下水天然露頭點(diǎn)抽提地下水的方式開發(fā)。

美國的巖溶地下水主要賦存于包括始新世奧拉拉(Olala)和杰克遜(Jackson)灰?guī)r、二疊系灰?guī)r、膏巖、鹽巖、石炭系-奧陶系灰?guī)r等在內(nèi)的近20個(gè)重要巖溶含水層中。佛羅里達(dá)巖溶含水層位于地勢(shì)低平的美國東南沿海，分布面積達(dá)25.9萬km2；作為美國最重要的地下水供水水源，該含水層賦存有豐富的巖溶地下水，但地表排泄的巖溶水點(diǎn)卻很少(約27個(gè)巖溶大泉，總流量僅2.8 m3/s)，巖溶水資源的開發(fā)主要以打鉆取水為主，20世紀(jì)80年代地下水開采量即達(dá)到1 135萬m3/d以上[19]。

徑流區(qū)巖溶地下水資源的開發(fā)立足于攔截地下徑流、開發(fā)含水層賦存地下水，優(yōu)點(diǎn)是充分挖掘了巖溶含水層賦存地下水的潛力，就地及時(shí)解決了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)需水與工農(nóng)業(yè)缺水問題，減少了地表長距離引水工程的投資及其生態(tài)問題。但該做法的代價(jià)是下游排泄帶水資源減少、含水層水位下降(尤其在超采情況下)，因此，一些國家已經(jīng)從流域角度進(jìn)行總體評(píng)價(jià)和規(guī)劃，配合含水層回灌以科學(xué)開發(fā)利用巖溶水資源。在地下水深埋、開發(fā)難度大的巖溶徑流區(qū)，則建設(shè)地表蓄水工程以攔截地表洪水或徑流，以解決當(dāng)?shù)厝彼畣栴}，并為下游地區(qū)水資源生態(tài)調(diào)蓄服務(wù)。

2.3 巖溶地下水補(bǔ)給區(qū)

位于地下水分水嶺附近，通常地形陡峻，人跡罕至，地下水垂直入滲，埋藏較深，地表巖溶水資源極度匱乏。實(shí)施水源涵養(yǎng)、水土保持、保護(hù)濕地和生態(tài)環(huán)境等，是目前國內(nèi)外在巖溶地下水補(bǔ)給區(qū)的普遍措施。但是，在一些人口較多的巖溶水補(bǔ)給區(qū)，為滿足對(duì)水資源的需求，實(shí)施保護(hù)性開發(fā)也是一種常見的水資源開發(fā)利用方式。由于巖溶地下水貧乏，保護(hù)性開發(fā)主要是雨水資源、坡面徑流的收集利用，表(淺)層巖溶水資源的開發(fā)利用，典型的如意大利南部的阿普利亞(Aprilia)與巴斯利卡塔(Basilicata)巖溶區(qū)水資源的開發(fā)利用。

3 國外巖溶地區(qū)水資源開發(fā)利用的成功經(jīng)驗(yàn)和模式

根據(jù)對(duì)國外巖溶水資源開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)及關(guān)鍵技術(shù)的分析，從水資源時(shí)空調(diào)配利用、多種水資源綜合開發(fā)與集成、不同尺度(中小巖溶流域、巖溶大流域、跨流域或區(qū)域)管理與多目標(biāo)協(xié)調(diào)開發(fā)，以及巖溶含水層中地下水利用儲(chǔ)存與重復(fù)利用等方面總結(jié)、凝練出以下5個(gè)成功的巖溶水資源開發(fā)技術(shù)模式：雨水及表(淺)層巖溶水資源收集-儲(chǔ)存-利用、巖溶含水層水資源調(diào)蓄與循環(huán)利用、中小流域巖溶水資源綜合開發(fā)與管理、跨流域(區(qū)域)尺度巖溶水資源協(xié)調(diào)開發(fā)、巖溶大流域水資源梯級(jí)調(diào)蓄與綜合開發(fā)技術(shù)模式(表1)。下面分別對(duì)各技術(shù)模式的水資源開發(fā)特征、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件進(jìn)行闡述。

表1 國外巖溶地區(qū)水資源開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)模式Table 1 Key technical modes of water development and utilization in karst area abroad

續(xù)表Continued table

3.1 雨水及表(淺)層巖溶水資源收集-儲(chǔ)存-利用技術(shù)模式

該模式以阿普利亞與巴斯利卡塔巖溶區(qū)為代表。阿普利亞與巴斯利卡塔巖溶區(qū)位于意大利南部，水資源貧乏。本模式中，水資源開發(fā)利用的主要特點(diǎn)是通過在地表(包括屋頂)修建各種溝渠、梯田等收集雨水、攔截地表溝溪或坡面集水，對(duì)表(淺)層巖溶裂隙水圍堰引水，在地下(尤其山麓)開挖溝槽或隧洞攔截巖溶裂隙水，形成地表-地下溝渠化水資源收集系統(tǒng)，配合在洼地低洼處蓄水或在地下建設(shè)儲(chǔ)水設(shè)施(儲(chǔ)水池塘、水窖)、輸(送)溝渠管網(wǎng)系統(tǒng)。至今該地區(qū)還保留有許多早期的水利工程遺跡，尤其是保留了眾多的在坡麓人工挖掘收集坡面流的溝渠、截留表層巖溶裂隙水的地下溝槽，以及收集巖溶水的水窖、儲(chǔ)水池和輸水管道(地表、地下水渡槽)。這些巖溶水收集-儲(chǔ)存-輸送工程至今仍發(fā)揮著作用，其通過對(duì)地表徑流的渠化，配合梯田化，降低了地表、地下水土流失強(qiáng)度，提高了土壤、植被保水、涵養(yǎng)水源的能力。其中，保存最好的阿爾貝羅貝洛鎮(zhèn)(Alberobello)被聯(lián)合國教科文組織列為世界文化遺產(chǎn)[22]。

3.2 巖溶含水層水資源調(diào)蓄與循環(huán)利用

巖溶含水層過度開采導(dǎo)致出現(xiàn)諸如區(qū)域地下水位下降、泉水干枯、地面塌陷、海水入侵等問題，進(jìn)而導(dǎo)致水質(zhì)惡化等生態(tài)環(huán)境問題，典型的如地中海地區(qū)最大的巖溶泉——敘利亞拉斯艾因(Ras el Ain)泉由于灌溉棉田被過度抽水而不復(fù)存在[18]。伊拉克北部的貝哈爾(Bekhal)泉，其豐水期流量為17 m3/s，枯水季節(jié)因過度抽水導(dǎo)致枯季泉流量急劇減少，由此減少的下游河流徑流量不僅導(dǎo)致附近的索蘭市和周邊許多村鎮(zhèn)居民生活用水、灌溉用水短缺，而且也造成依賴巖溶水資源的生態(tài)系統(tǒng)缺水，這種情況在干旱巖溶區(qū)極為典型。羅馬尼亞及地中海沿岸的西班牙等國家對(duì)巖溶地下水的超量開發(fā)均在一定程度上導(dǎo)致含水層地下水的鹽度升高，一些地方水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)甚至不得不將總?cè)芙夤腆w(Total Dissolved Solids,簡稱TDS)<3 000 mg/L的巖溶水作為淡水進(jìn)行開發(fā)利用[23]。針對(duì)上述問題，國外提出3種解決方案：一是有計(jì)劃開采，控制地下水開采量不超過年度巖溶含水層的可補(bǔ)給潛力；二是對(duì)開采的地下水進(jìn)行人工補(bǔ)給，包括通過巖溶水資源的重復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)地下水資源的動(dòng)態(tài)平衡；三是水資源優(yōu)化配置和科學(xué)調(diào)控[23,24]。其中利用巖溶含水層調(diào)蓄地下水資源，并通過向巖溶含水層人工補(bǔ)給水資源，從而實(shí)現(xiàn)巖溶水資源調(diào)蓄與循環(huán)利用的方案，成為當(dāng)前巖溶地區(qū)水資源優(yōu)化配置和調(diào)控利用的焦點(diǎn)。

地下水調(diào)蓄的關(guān)鍵是巖溶含水層具備儲(chǔ)蓄調(diào)節(jié)地下水的功能。提高巖溶含水層調(diào)蓄容量的方法包括建設(shè)地下巖溶水調(diào)蓄水庫(包括建設(shè)地表-地下聯(lián)合調(diào)蓄庫)，如堵洞成庫、帷幕灌漿封閉地下水或構(gòu)建無壩的天然地下水庫(儲(chǔ)水構(gòu)造)，也包括含水層適度超采提高其調(diào)蓄能力。而水資源補(bǔ)給除天然的降水、跨流域補(bǔ)水等外，通過鉆孔或落(消)水洞(帶)的人工補(bǔ)給，是實(shí)現(xiàn)巖溶含水層地下水調(diào)蓄和循環(huán)利用、修復(fù)巖溶含水層和區(qū)域巖溶生態(tài)環(huán)境、提高巖溶水供水能力和利用效率的主要途徑。歐美一些國家從19世紀(jì)末即開始巖溶含水層作為地下蓄水介質(zhì)儲(chǔ)蓄地下水資源和地下水人工補(bǔ)給的實(shí)踐。20世紀(jì)80年代美國開始實(shí)施“含水層儲(chǔ)存和回采工程(Aquifer Storage and Recovery，ASR)計(jì)劃”，即在干旱或半干旱巖溶地區(qū)，于枯水期(用水高峰期)適度超量開采地下水，增加含水層存儲(chǔ)空間，于豐水期實(shí)施向含水層回灌補(bǔ)給并儲(chǔ)存地下水，以解決因地下水過度開采所引起的地下水資源枯竭和海水入侵等問題，從而達(dá)到地表-地下水資源的時(shí)空調(diào)蓄[24,25]。同時(shí)期實(shí)施的“地下水管理行動(dòng)項(xiàng)目(GMA)”，在科羅拉多河攔河修建蓄水工程和530 km引水渠道，通過不同時(shí)節(jié)動(dòng)態(tài)調(diào)配地表水、地下水水資源，以及建設(shè)補(bǔ)給池、鉆孔和沿河道對(duì)地下含水層進(jìn)行人工注水補(bǔ)給“中水”，實(shí)現(xiàn)水資源的有效調(diào)控和可持續(xù)循環(huán)利用[24,25]。統(tǒng)計(jì)資料表明，美國每年人工補(bǔ)給地下水(含水層)的量可達(dá)地下水抽水總量的30%，德國有20個(gè)大城市達(dá)到40%以上，荷蘭也達(dá)到20%[26]。

ASR在防止海水入侵、增加可利用水資源方面發(fā)揮著重要作用，而地下水庫是ASR的基礎(chǔ)。日本長崎縣野畝崎町樺島在1972年建設(shè)了世界上第一座有壩地下水庫，荷蘭阿姆斯特丹市自20世紀(jì)中葉開始引萊茵河水，通過天然風(fēng)積沙丘注水方式人工補(bǔ)給地下水[27]。到2002年，美國正在運(yùn)行的ASR系統(tǒng)有56個(gè)，而建成的系統(tǒng)更是達(dá)到100個(gè)以上[28]。

3.3 中小流域巖溶水資源綜合開發(fā)與管理技術(shù)模式

20世紀(jì)中后期，美國提出以流域?yàn)閱挝坏乃Y源綜合開發(fā)與治理思路，田納西河流域綜合治理是成功實(shí)現(xiàn)這一思路的典范[29,30]。田納西河屬于典型的巖溶流域，位于美國東南部，其發(fā)源于阿巴拉契亞山脈中南部西弗吉尼亞州與北卡羅來納州境內(nèi)，全長1 043 km，流域面積10.4萬km2。早期由于大規(guī)模掠奪式開發(fā)，導(dǎo)致流域內(nèi)森林破壞、干旱缺水、土地退化和環(huán)境(水質(zhì))污染等一系列問題，經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后。美國提出的以流域?yàn)閱挝坏闹行×饔蚓C合開發(fā)與治理方案首先以田納西河流域?yàn)樵圏c(diǎn)，總體思路和措施如下。

(1)成立具有高度自治的田納西河流域建設(shè)局，開展以流域?yàn)閱挝坏乃Y源科學(xué)評(píng)價(jià)，實(shí)施水、土、田園、林、路、景觀等的統(tǒng)一規(guī)劃、協(xié)調(diào)開發(fā)和統(tǒng)一管理。以水資源開發(fā)為主線，實(shí)施航運(yùn)、防洪、發(fā)電、灌溉、旅游、人畜飲水與生態(tài)需水等多目的的綜合開發(fā)。

(2)水資源開發(fā)與綜合調(diào)控利用相結(jié)合。根據(jù)流域水資源分布特點(diǎn)，因地制宜，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)不同水資源(河水、巖溶地下水)在時(shí)空上的調(diào)控利用。如巖溶地下水的開發(fā)主要用于人畜飲水和農(nóng)田灌溉，一些巖溶泉成為下游流域唯一的灌溉水源；而沿田納西河修建的梯級(jí)水利樞紐，通過水資源時(shí)空調(diào)蓄，有效提高地表-地下水位，增加枯季可用水資源量，實(shí)現(xiàn)供水、航運(yùn)、防洪、漁業(yè)、發(fā)電、旅游多目標(biāo)的開發(fā)利用，促進(jìn)流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展[31]。

(3)水生態(tài)與環(huán)境保護(hù)修復(fù)。建立國家森林保護(hù)區(qū)(公園)涵養(yǎng)水土，在河流兩岸各支流河口修建梯級(jí)水庫形成濕地，有效凈化水質(zhì)，調(diào)節(jié)小氣候，改善區(qū)域水環(huán)境。

3.4 跨流域(區(qū)域)尺度巖溶水資源協(xié)調(diào)開發(fā)技術(shù)模式

歐洲中部為巖溶山地，巖溶化程度高、地勢(shì)高。河流水系如規(guī)模較大的多瑙河、萊茵河、羅納河、內(nèi)雷特瓦河等，均來源或源自巖溶山區(qū)，且多為跨國河流。而耕地集中在歐洲北部、東部平原及山脈的周邊沿海地域，加上人口密集，這些地區(qū)對(duì)水資源的需求迫切。這種水土地域分布特點(diǎn)以及社會(huì)發(fā)展需求確定了歐洲跨流域(區(qū)域)尺度的水資源協(xié)調(diào)開發(fā)技術(shù)模式。除了水資源保護(hù)與管理立法、泉水或地下水開發(fā)利用、建設(shè)梯級(jí)電站等措施外，其水資源開發(fā)的主要特點(diǎn)如下。

(1)建立在歐盟框架下的流域或跨流域管理機(jī)構(gòu)或跨國協(xié)調(diào)機(jī)制，積極推進(jìn)跨境(國)、跨流域的水資源開發(fā)，對(duì)水資源開發(fā)(包括水資源調(diào)配、防洪、發(fā)電、生態(tài)保護(hù)、航運(yùn)等方面)實(shí)施跨國、跨流域協(xié)調(diào)規(guī)劃與管理。2000年9月歐盟議會(huì)和理事會(huì)通過了《歐盟水框架指令》(EU Water Framework Directive)并于2000年12月22日生效[32]，進(jìn)一步推進(jìn)了歐洲跨流域尺度、跨國性區(qū)域水資源可持續(xù)綜合開發(fā)與調(diào)控利用。

(2)強(qiáng)調(diào)人與自然協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)、保護(hù)與修復(fù)并重。以可持續(xù)開發(fā)、人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展為出發(fā)點(diǎn)，兼顧經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益。在跨流域(跨國)尺度的區(qū)域水資源調(diào)查、評(píng)價(jià)、規(guī)劃的基礎(chǔ)上，采用生態(tài)措施與工程措施相結(jié)合，開發(fā)與保護(hù)并重，綜合開發(fā)利用水資源。其中，人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展是歐洲水資源開發(fā)利用的亮點(diǎn)之一。

(3)跨流域調(diào)水工程與水資源協(xié)調(diào)開發(fā)、統(tǒng)一調(diào)配。歐洲平原地區(qū)耕地多，但河流稀疏并直入大海，灌溉用水短缺。通過跨流域水資源綜合開發(fā)與科學(xué)調(diào)控，形成相互連通的跨流域調(diào)水工程在歐洲十分常見。如多瑙河與萊茵河之間的運(yùn)河帶來巨大的航運(yùn)、旅游和水資源調(diào)度效益，其中，萊茵河被認(rèn)為是世界上人與河流關(guān)系處理最成功、管理最好的河流[32]。

3.5 巖溶大流域水資源梯級(jí)調(diào)蓄與綜合開發(fā)技術(shù)模式

內(nèi)雷特瓦河、特雷比涅河位于波斯尼亞和黑塞哥維那東南部巖溶山區(qū)，流域局部延伸到塞爾維亞和黑山，然后穿越克羅地亞匯入(或潛入)亞得里亞海。兩條河流均為典型的巖溶山區(qū)河流，以巖溶地下河、巖溶泉為源，并在中下游河段通過地下巖溶管道相互連通，具有明顯的水力聯(lián)系，因此本文將其歸屬為巖溶大流域范疇，是一個(gè)跨國巖溶流域(圖1)。

圖1 內(nèi)雷特瓦-特雷比涅河大流域巖溶水文系統(tǒng)[33]Fig.1 Karst hydrological system in Neletwa-Trebini River Basin[33]

內(nèi)雷特瓦-特雷比涅巖溶大流域地表-地下水資源開發(fā)利用模式是在歐洲跨流域規(guī)劃管理和調(diào)配水資源、人與自然協(xié)調(diào)開發(fā)框架下的進(jìn)一步拓展，其主要特點(diǎn)如下。

(1)按照巖溶水生態(tài)系統(tǒng)“近自然恢復(fù)”的思路，在兩個(gè)具有相互水力聯(lián)系的大流域框架下，實(shí)施以防洪排澇與水生態(tài)調(diào)蓄為主線，兼顧發(fā)電、灌溉和旅游等多個(gè)目標(biāo)。堅(jiān)持在水資源總體評(píng)價(jià)、規(guī)劃的基礎(chǔ)上，實(shí)施水資源統(tǒng)一開發(fā)與調(diào)控利用。其中，始于20世紀(jì)60年代的特雷比涅多目標(biāo)巖溶水文-水力系統(tǒng)計(jì)劃，是從大流域尺度將水資源開發(fā)與防洪、水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)有機(jī)結(jié)合的成功案例[33]。

(2)堅(jiān)持在工程措施輔助下的生態(tài)修復(fù)、保護(hù)與開發(fā)并重。在巖溶水補(bǔ)給區(qū)實(shí)施水源林保護(hù)，恢復(fù)植被生態(tài)系統(tǒng)，涵養(yǎng)水源；在巖溶水徑流區(qū)，通過疏通或封堵落水洞，充分利用巖溶地下管道和不同高程的巖溶谷地庫容，輔以排澇渠道，建設(shè)防洪排澇(包括跨流域的排澇)工程、生態(tài)蓄洪區(qū)，結(jié)合在主河道建設(shè)的梯級(jí)水電站，達(dá)到防洪排澇、水資源時(shí)空調(diào)蓄、發(fā)電等目的；在近濱海的河流下游段、巖溶地下水排泄區(qū)，則以優(yōu)化農(nóng)田灌溉系統(tǒng)，建設(shè)巖溶濕地、濱海巖溶濕地保護(hù)區(qū)為主要目標(biāo)。

(3)在建立的大流域水資源實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的支持下，通過跨流域輸水渠道及其控制樞紐，對(duì)各河流、天然或人工蓄水工程、生態(tài)蓄洪區(qū)的水資源進(jìn)行科學(xué)調(diào)度，確保大巖溶流域水生態(tài)系統(tǒng)的良好運(yùn)行及生態(tài)服務(wù)功能的提升[33]。其中，充分利用巖溶地下管道、排洪渠，雨季將洪水輸送到相互聯(lián)系的相鄰巖溶流域，借助巖溶含水層地下儲(chǔ)水庫容和不同高程巖溶洼(谷)地修建的生態(tài)蓄洪區(qū)，實(shí)現(xiàn)水資源的時(shí)空調(diào)蓄；在枯水季節(jié)確保水生態(tài)系統(tǒng)的良好運(yùn)行，是本模式的主要特征。

4 我國巖溶地區(qū)水資源開發(fā)現(xiàn)狀

我國巖溶地區(qū)水資源開發(fā)歷經(jīng)數(shù)十年，有許多成功的經(jīng)驗(yàn)，可歸納為3種技術(shù)模式[34]：蓄水模式、引水模式、提水模式。

蓄水模式包括溶洼成庫、溶谷成庫、地下河堵洞成庫、地下河出口(泉口)圍水成庫等模式。典型的如廣西靖西龍?zhí)兜叵潞映隹诮▔涡钏?、貴州安順油菜河匯入龍宮地下河的入口和廣西上林大龍洞地下河明流段(伏流入口，補(bǔ)給區(qū)與徑流區(qū)交接地帶)處堵洞成庫，是溶洼堵洞成庫的典型代表，解決了當(dāng)?shù)毓┧?、工農(nóng)業(yè)用水和發(fā)電等問題。至于利用大型巖溶洼地或谷地因地制宜建設(shè)地表蓄水工程更是非常普遍，尤其是20世紀(jì)中葉在巖溶地區(qū)建設(shè)有一大批地表水庫，但由于缺乏詳細(xì)的前期調(diào)查、勘探和系統(tǒng)規(guī)劃，多數(shù)水庫滲漏嚴(yán)重，達(dá)不到設(shè)計(jì)效果，催生了很多問題水庫。近年來隨著水壩防滲、帷幕灌漿技術(shù)的進(jìn)步，巖溶地區(qū)蓄水工程將有更廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前一些缺水嚴(yán)重、巖溶發(fā)育強(qiáng)烈、成庫條件較差的地區(qū)，已經(jīng)逐步開展全庫防滲的蓄水工程建設(shè)。

引水模式是在天然巖溶水點(diǎn)，如落水洞或地下河天窗、溶井、腳洞等地取水，包括在水位較高的水點(diǎn)直接引水、筑壩抬高水位引水、堵洞截流引水和隧洞截流引水等。典型的如云南廣南蘇都庫地下河截流壅水引水工程，在地下河天窗的中間部位設(shè)置高12 m的混凝土堵體，堵水抬高水位，實(shí)現(xiàn)自流引水，解決了蘇都庫村及周圍3個(gè)小村子人畜飲水，300余畝(1畝≈666.67 m2)水田、400余畝(1畝≈666.67 m2)旱地灌溉用水困難及雨季排洪。而廣西南丹拉友地下河段洞內(nèi)建壩抬高水位后，在八圩谷地通過溶洞或鉆孔取水，或鑿引水隧道灌溉水田500畝(1畝≈666.67 m2)，裝機(jī)發(fā)電150 kW。

提水模式包括利用巖溶水的天然露頭(巖溶泉、地下河天窗或出口、豎井、溶潭、巖溶河、巖溶湖泊或水庫)提水和打井提水兩種形式。前者典型的如廣西武鳴城廂鎮(zhèn)東風(fēng)農(nóng)場(chǎng)天窗提水工程，利用位于武鳴城廂鎮(zhèn)東風(fēng)農(nóng)場(chǎng)峰叢谷地中部的地下河天窗“印月潭”提水。后者是通過地面調(diào)查、物探、遙感等技術(shù)定井位，然后打井抽水，用于人畜飲用和農(nóng)田灌溉，在西南巖溶地區(qū)很普遍。近年來隨著物探找水定井技術(shù)的不斷成熟，定井成功率達(dá)到90%以上，這項(xiàng)技術(shù)模式幾乎成為巖溶地下水開發(fā)的主流。如2010-2014年在廣西區(qū)內(nèi)啟動(dòng)的抗旱打井項(xiàng)目共成井1 840孔，開采地下水493 833.35 m3/d，解決了125.4萬人的飲水問題[35]。

無論蓄水、引水還是提水方式，都建立在有水可開發(fā)的前提下，可以根據(jù)巖溶水在補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)或排泄區(qū)的賦存形式，確定相應(yīng)的開發(fā)利用方式。如在貴州平塘巨木地下河中部徑流區(qū)，在洼地底部圍堵地下河成庫，實(shí)施蓄、提、引結(jié)合的水資源開發(fā)工程[36]；而在干旱缺水的分水嶺地帶或開發(fā)成本過高的巖溶干旱盆地，可借鑒表層巖溶水開發(fā)與水柜相結(jié)合的模式[37]，或采用跨流域(區(qū)域)尺度巖溶水資源協(xié)調(diào)開發(fā)模式，“滇中引水”“黔中引水”工程即是基于跨流域引水的思路。

5 國外巖溶地區(qū)水資源開發(fā)利用技術(shù)模式對(duì)我國的啟示

如上節(jié)所述，我國巖溶地區(qū)水資源開發(fā)利用取得了顯著成效，但仍然存在不少問題，而國外成功的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)模式或可供我國借鑒。

一是水資源開發(fā)利用缺乏系統(tǒng)性。盡管我國對(duì)巖溶水文系統(tǒng)的認(rèn)知已經(jīng)明顯提高，設(shè)置流域管理委員會(huì)，對(duì)跨行政區(qū)域的流域?qū)嵤┙y(tǒng)一管理，但是由于巖溶區(qū)的特殊性，目前水資源開發(fā)仍屬于需求驅(qū)動(dòng)，各自為政，缺乏從流域整體效益最大化或流域生態(tài)系統(tǒng)總體服務(wù)功能提升角度進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和多目標(biāo)協(xié)調(diào)開發(fā)的思維。這種無序的水資源開發(fā)方式會(huì)導(dǎo)致一系列水環(huán)境問題。如云南麗江城市供排水系統(tǒng)是我國古代巖溶水開發(fā)的成功典范，但自20世紀(jì)后期，無序的地下水過度開發(fā)導(dǎo)致地下水位逐步下降，最終導(dǎo)致主要水源地黑龍?zhí)度嚎萁?內(nèi)容來源于中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司《麗江市黑白水河引水麗江壩水生態(tài)修復(fù)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》)。此外，一些大型工程(如水電站建設(shè)、引水隧道或公路隧道)施工引發(fā)的水環(huán)境問題，也是因?yàn)樗h(huán)境評(píng)價(jià)限于工程區(qū)范圍，對(duì)所涉及的巖溶水系統(tǒng)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性認(rèn)識(shí)不足所致。如雅礱江二級(jí)水電站隧洞施工過程中因破壞錦屏巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造致使區(qū)域水位下降，進(jìn)而導(dǎo)致磨房溝、老莊子兩大相鄰巖溶泉(群)枯竭。因此，借鑒美國田納西河、歐洲跨流域或大流域水資源開發(fā)模式，開展以流域、跨流域(區(qū)域)為單位的巖溶水資源調(diào)查、評(píng)價(jià)與開發(fā)利用規(guī)劃十分必要，穿越巖溶區(qū)的大型工程建設(shè)的水環(huán)境評(píng)價(jià)也應(yīng)拓展到所涉及的整個(gè)巖溶流域尺度。

二是巖溶水資源的時(shí)空調(diào)蓄技術(shù)需要進(jìn)一步完善。我國巖溶地區(qū)尤其是巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的南方巖溶區(qū)，降水時(shí)空分布不均及含水介質(zhì)不均勻，地表水通過落水洞和地下管道快速流失，造成季節(jié)性、局域性缺水。解決方案除了增強(qiáng)植被-土壤系統(tǒng)涵養(yǎng)水源能力外，還可以進(jìn)一步完善巖溶水資源的時(shí)空調(diào)蓄技術(shù)，包括修建地表、地下或地表-地下聯(lián)合調(diào)蓄水庫。完善時(shí)空調(diào)蓄技術(shù)可借鑒國外兩種成功模式——雨水及表(淺)層巖溶水收集-儲(chǔ)存-利用技術(shù)模式和巖溶大流域水資源梯級(jí)調(diào)蓄與綜合開發(fā)技術(shù)模式。前者廣泛應(yīng)用于巖溶發(fā)育較弱、地下水貧乏或地下水深埋而開發(fā)難度大的巖溶區(qū)，尤其是分水嶺地帶，該模式主要利用雨水資源、坡面徑流和表(淺)層巖溶水，類似于我國西南巖溶區(qū)常見的“雨水收集+水窖” 技術(shù)。后者即在適宜地點(diǎn)(洼地、谷地、河谷平原、地表-地下水轉(zhuǎn)換帶等)建設(shè)兼顧水資源利用與水生態(tài)調(diào)節(jié)功能的地表、地下或地表+地下聯(lián)合蓄水調(diào)節(jié)工程。按照內(nèi)雷特瓦-特雷比涅梯級(jí)水資源調(diào)蓄的啟示，充分利用我國西南巖溶區(qū)地形西高東低、峰叢洼(谷)遍布不同高程巖溶臺(tái)地的特點(diǎn)，優(yōu)先探查具有水力聯(lián)系的洼(谷、盆)地和巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造，構(gòu)建梯級(jí)地表-地下水資源調(diào)蓄工程，進(jìn)一步優(yōu)化和完善巖溶水資源調(diào)控體系。20世紀(jì)五六十年代我國巖溶地區(qū)修建了眾多類型的水庫，雖然許多水庫滲漏嚴(yán)重已經(jīng)失去其價(jià)值，但是經(jīng)過適當(dāng)改造，在流域水生態(tài)調(diào)蓄中仍然可以發(fā)揮重要的作用。

三是推進(jìn)ASR技術(shù)在我國巖溶水環(huán)境修復(fù)、含水層水資源循環(huán)利用中的應(yīng)用。我國一些巖溶地區(qū)，水資源開發(fā)過量或存在水污染；或大型地下工程施工引發(fā)大規(guī)模涌水，造成不可逆的區(qū)域性巖溶水資源短缺與水環(huán)境問題，包括區(qū)域性水位下降及泉水?dāng)嗔?、水質(zhì)惡化等，典型的如濟(jì)南泉群斷流、娘子關(guān)泉流量減小及水質(zhì)惡化、麗江黑龍?zhí)度萁叩?。?duì)這些水環(huán)境或巖溶水文系統(tǒng)的修復(fù)，可借鑒國外“巖溶含水層水資源調(diào)蓄與循環(huán)利用”技術(shù)模式，利用巖溶含水層儲(chǔ)蓄水資源調(diào)蓄能力，修建地下儲(chǔ)水工程，結(jié)合人工回灌補(bǔ)給地下含水層，恢復(fù)巖溶水文生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)水資源和供水的能力。人工補(bǔ)給水源有3種：(1)攔截流域內(nèi)地表水，目前國內(nèi)人工補(bǔ)給水源的方式基本上屬于此類，如通過玉符河人工回灌補(bǔ)給恢復(fù)濟(jì)南泉[38]，滲漏水庫對(duì)含水層地下水的補(bǔ)給也屬于此類；(2)跨流域引外源水，如云南省麗江黑龍?zhí)稁r溶泉群的水生態(tài)修復(fù)即設(shè)計(jì)引黑、白水河水至東山頂，經(jīng)巖溶洼地調(diào)控后，通過落水洞補(bǔ)給黑龍?zhí)稁r溶地下水系統(tǒng)，恢復(fù)黑龍?zhí)度?內(nèi)容來源于中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司《麗江市黑白水河引水麗江壩水生態(tài)修復(fù)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》)；(3)向含水層回灌“中水” 是ASR技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)典，能通過重復(fù)利用方式最大程度地提高水資源利用率。ASR技術(shù)雖然在我國平原地區(qū)孔隙含水層已有成功的先例，但是由于回灌水源(“中水”)水質(zhì)無法保障、回灌成本高及效益不明確，在我國巖溶地區(qū)還處于試驗(yàn)階段[39]。但我國許多地方仍具備良好的ASR技術(shù)應(yīng)用條件，包括獨(dú)立的巖溶水文系統(tǒng)，具有確定的流域邊界、匯水面積大、有巨大調(diào)節(jié)庫容的巖溶巖含水層，有落水洞、洼地、漏斗、陷落柱或河床滲漏段等作為天然的入滲補(bǔ)給點(diǎn)，有臨近地區(qū)發(fā)電廠冷卻水或其他經(jīng)處理的“中水”作為補(bǔ)給水源。因此，人工回灌含水層地下水，循環(huán)、重復(fù)利用水資源的ASR技術(shù)在我國巖溶區(qū)有廣泛的應(yīng)用前景，而近年來常有巖溶地區(qū)未經(jīng)處理的工廠廢水通過作為“下水道”的落水洞進(jìn)入地下含水層污染地下水的報(bào)道，也從側(cè)面表明巖溶地下水人工補(bǔ)給技術(shù)是可行的。

四是當(dāng)前水資源開發(fā)利用率低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，西南巖溶區(qū)約78 km2，目前地下水開采量為90.53×108m3/a，僅占允許開采量的14.56%[40]，表明巖溶水資源開發(fā)利用技術(shù)仍然需要進(jìn)一步提升。目前我國巖溶區(qū)水資源開發(fā)目標(biāo)、手段仍顯單一，開發(fā)利用的水資源仍以地下水為主。雖然隨著定井技術(shù)的提高，巖溶地下水開發(fā)能力進(jìn)一步提升，但是仍然有絕大多數(shù)降水直接從地表或匯集成坡面徑流后經(jīng)落水洞等入滲地下流失，尤其是地下水深埋、開發(fā)難度大的巖溶區(qū)。雨水資源化、坡面徑流或表(淺)層巖溶水?dāng)r截利用、地表與地下水的調(diào)蓄與生態(tài)調(diào)蓄利用，以及水資源綜合開發(fā)等國外先進(jìn)技術(shù)對(duì)提高我國當(dāng)前水資源開發(fā)利用率有十分重要的借鑒作用。

五是當(dāng)前巖溶水資源利用效率較低，水資源浪費(fèi)較為普遍。我國當(dāng)前單位水資源產(chǎn)出水平僅相當(dāng)于美國的1/10、日本的1/20[2]，相當(dāng)于增加了對(duì)水資源的需求。由于特殊的水土結(jié)構(gòu)，巖溶地區(qū)對(duì)水資源的需求更甚。雖然近年來一些地區(qū)推廣利用滴灌等節(jié)水技術(shù)，但是因缺乏對(duì)巖溶土壤水循環(huán)環(huán)境下作物需水指標(biāo)的研究，以及相當(dāng)一部分的地區(qū)仍采用傳統(tǒng)的灌溉方式，水利用效率極低。對(duì)此，要進(jìn)一步開展包括不同作物在巖溶環(huán)境下的用水指標(biāo)在內(nèi)的技術(shù)研究，提高用水效率；借鑒國外水資源管理經(jīng)驗(yàn)，健全水資源開發(fā)利用的相關(guān)法規(guī)，加強(qiáng)節(jié)約用水宣傳力度，提高政府和公眾的節(jié)約用水意識(shí)，使用經(jīng)濟(jì)杠桿，遏止浪費(fèi)水資源的行為；在流域水環(huán)境綜合治理的思路下，充分借鑒國外“含水層儲(chǔ)存和回采工程(ASR)”等技術(shù)，通過實(shí)施水資源采補(bǔ)相結(jié)合的循環(huán)利用等模式，有效提高巖溶水資源利用效率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。