李桂元 肖紅宇 劉思妍

（1. 湖南省水利水電科學(xué)研究所 長沙市 410007；2. 湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

1 區(qū)域概況與研究技術(shù)路線

1.1 區(qū)域概況與研究緣由

紫鵲界古梯田位于湖南省新化縣奉家山體系，該體系以境內(nèi)最高峰海拔1 585.2 m 的風(fēng)車巷為基點(diǎn)，向東北方向呈扇形展開，范圍約93 km2，是我國三大著名古梯田之一。古梯田分布于海拔 （500～900）m 山體之間，坡度在20°～70°間，共400 余級，0.38 萬hm2（5.7 萬畝）。900 m 以上山峰森林茂密、植被完好，植物種類繁多，空間層次豐厚，從林冠至地下依次可分為四層：一層喬木、二層灌木、三層為蕨草和落葉、四層為樹、草之根系，構(gòu)成了降雨截流與蓄水保土的立體生態(tài)網(wǎng)絡(luò)；在（500～900）m 山腰，人們科學(xué)利用地形地質(zhì)土壤特征，因地制宜，修建梯田。梯田依山就勢而造，小如碟、大如盆、長如帶、彎如月、形態(tài)各異、變化萬千，靈巧地鑲于山坡，茫茫山坡，梯田層層疊疊，整體布局恢宏；人們充分利用山高坡陡，溝壑多及獨(dú)特的花崗巖地質(zhì)構(gòu)造等天然條件，或在溪溝塞一小壩、或在田塍挖一個(gè)缺口，或安一段竹筒、一條木枧，對滲泉、流水巧引巧灌，形成了原生態(tài)的自流灌溉系統(tǒng)；500 m 以下山腳為錫溪河谷階地，田塊層疊、阡陌交錯(cuò)。如此景觀格局被形象為 “山頂戴帽子，山腰圍帶子，山腳穿裙子”。方圓百里的高山峻嶺，大于25°的陡坡，遍布近0.4 萬hm2（6 萬畝）梯田，雖無一處蓄水、提水設(shè)施，卻任憑天干雨暴，連年人旺糧豐?！疤煜麓蠛担说赜惺?；天下大難，此地?zé)o憂?！弊嚣o界一帶流傳著這一民諺，乃對這一方神奇水土的形象概括。地下水便是養(yǎng)育這一方水土的生命之基。厘清支撐紫鵲界梯田灌溉系統(tǒng)及整個(gè)生態(tài)景觀的地下水的分布、儲存形式、供給方式及運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律，透徹掌握這種神奇現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理，不僅是更好地開發(fā)、利用和有效保護(hù)紫鵲界梯田自然資源所必須的理論基礎(chǔ)，對我國其他梯田的開發(fā)、保護(hù)也具有重要的參考價(jià)值。

1.2 研究技術(shù)路線

通過地質(zhì)查勘、地質(zhì)鉆探、水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)等手段，研究區(qū)域水文地質(zhì)特性，揭示區(qū)域水文地質(zhì)構(gòu)造、地下水含水層厚度、儲量；通過同期降雨～徑流觀測與地下水位觀測，研究地下水補(bǔ)給與排泄的關(guān)系，探索地下水運(yùn)移與轉(zhuǎn)化規(guī)律。

2 水文地質(zhì)特性研究

2.1 基本水文地質(zhì)條件

本區(qū)地處雪峰山脈東側(cè)，山嶺高程1 032 m～1 585 m，屬中低山地貌，地勢西高東低，山坡陡峻，一般山坡坡度為25°～30°，陡峻處可達(dá)40°～50°，地面起伏較大，絕對高差大于1 000 m。區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，大小沖溝，幾十條，且每溝均有溪流，溝谷一般切割深度大，一般為幾十米，最大可達(dá)幾百米，屬典型流水剝蝕地貌。

區(qū)內(nèi)主要地層有燕山早期第三次（γ52-3）中粗粒黑云母二長花崗巖、殘坡積（Qedl）砂質(zhì)粘性土等，二長花崗巖，分布厚度大，易風(fēng)化，一般全風(fēng)化厚度為（10～20）m，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖一方面具有多孔性，另一方面節(jié)理裂隙較發(fā)育，為地下水賦存提供良好的空間條件；砂質(zhì)粘性土，主要為花崗巖殘積土，結(jié)構(gòu)松散，高孔隙比，亦為良好的儲水介質(zhì)，且其具有較好的滲透性，為地下水的補(bǔ)給和排泄提供了良好的物理?xiàng)l件。

表1 水文地質(zhì)鉆探成果表 m

表2 室內(nèi)巖土試驗(yàn)參數(shù)

區(qū)內(nèi)地下水主要可分為松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水等兩大類，其為該區(qū)域內(nèi)地下水庫的主要含水層。松散堆積層孔隙水，主要賦存于山坡殘坡積層內(nèi)和河谷沖積堆積層內(nèi)，含水量豐富，土體處于飽水狀態(tài)，主要受大氣降水、地表徑流補(bǔ)給。通過地表蒸發(fā)或蒸騰作用、泉水等方式排泄；基巖裂隙水，主要存在于花崗巖風(fēng)化及構(gòu)造裂隙中，水量較豐富，主要接受大氣降水和松散堆積層孔隙水補(bǔ)給，以泉水形式進(jìn)行排泄。

2.2 水文地質(zhì)勘探與試驗(yàn)

為定量研究區(qū)域水文地質(zhì)特性，在古梯田景區(qū)共布設(shè)了9 個(gè)水文地質(zhì)鉆探工作孔。鉆孔分布于山頂生態(tài)植被區(qū)、山腰、山腳梯田區(qū)的典型地段。其中ZKy1～ZKy3 為典型試驗(yàn)樣孔，大致沿山脊線布置，分別代表山腳、山腰梯田區(qū)及山峰生態(tài)植被區(qū)。完成了9 孔151.6 m 的鉆孔進(jìn)尺，結(jié)合鉆孔進(jìn)程，在ZKy1～ZKy3 取土樣作室內(nèi)巖土試驗(yàn)、鉆孔注水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)等試驗(yàn)工作，地質(zhì)鉆孔與試驗(yàn)成果見表1～表4。

由表可以看出，該區(qū)域覆蓋厚度一般在（0～6.9）m 之間，綜合現(xiàn)場調(diào)查，擬定區(qū)域地花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層平均厚度約5 m。殘坡積的砂質(zhì)粘性土和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖體為中等透水層，為區(qū)內(nèi)地下水提供了良好的賦存、排泄條件。而弱風(fēng)化花崗巖節(jié)理裂隙不發(fā)育，一方面含水量少，另一方面地下水排泄困難，難以形成明流，故可以認(rèn)為為相對不透水層。結(jié)合鉆孔測得的地下水位分析，可以認(rèn)為，殘坡積的砂質(zhì)粘性土和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖體地下水含水層構(gòu)成區(qū)內(nèi)地下水蓄水庫。

2.3 地下水水質(zhì)

自鉆孔中取地下水樣做水質(zhì)化驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表3 鉆孔抽水試驗(yàn)成果表

表4 鉆孔注水試驗(yàn)成果表

地下水ph 值為6.55，為中性水；礦化度為0.07，為淡水，硬度0.214 毫克當(dāng)量/升，為極軟水。均較低，水質(zhì)較好。

表5 水分析成果表(水溫11℃)

2.4 水文地質(zhì)參數(shù)確定

由表2～表4 分析得出區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)成果見表6。其中砂質(zhì)粘性土物理力學(xué)指標(biāo)采用室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)平均值，給水度采用抽水試驗(yàn)計(jì)算平均值，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖孔隙率采用野外地質(zhì)測繪統(tǒng)計(jì)值，滲透系數(shù)和給水度采用抽水試驗(yàn)計(jì)算值。

表6 巖土參數(shù)推薦表

3 地下水資源儲量、補(bǔ)給量估算

3.1 地下水蓄水容積（儲量）估算

區(qū)域內(nèi)殘坡積的砂質(zhì)粘性土和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖體地下水含水層相對于一個(gè)完整的地下水蓄水庫。其容量按下式估算：

式中 Q——地下水儲量（萬m3）；

μ——含水層給水度；

H——含水層厚度（m）；

F——含水層面積（km2）。

區(qū)域含水層面積93 km2，砂質(zhì)粘性土含水層平均厚度5 m，給水度0.15，強(qiáng)風(fēng)化巖體平均含水層厚度為8 m，給水度0.1。由式（1）計(jì)算地下水儲量為14 415 萬m3。

3.2 地下水補(bǔ)給量

地下水年均補(bǔ)給量按下式估算：

式中 Q——年平均降水入滲補(bǔ)給量（萬m3）；

F——入滲面積（km2）；

α——年平均降水入滲系數(shù)；

X——年均降雨量(mm)。

分生態(tài)植被區(qū)和水田區(qū)分別估算。生態(tài)植被面積55 km2，梯田面積38 km2。由區(qū)內(nèi)降雨～徑流觀測試驗(yàn)站資料[2]分析得生態(tài)植被區(qū)α 為0.32，水田區(qū)α為0.26，年平均降雨量為1 452 mm，據(jù)此估算古梯田區(qū)域地下水資源量（多年平均值）為3991 萬m3。

4 地下水分布及其運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律

為定量研究地下水時(shí)空分布及其運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律，結(jié)合地質(zhì)鉆孔，布設(shè)了3 個(gè)地下水位觀察站(ZK1～ZK3)。其中ZKy1 位于山腳梯田中心位置，ZKy2 位于山腰梯田位置，ZKy3 位于山峰生態(tài)植被區(qū)。ZK1～ZK3 基本處于一條山脈線上，其觀測數(shù)據(jù)可以代表整個(gè)梯田景區(qū)不同高程的地下水位特征。

表7 為3 個(gè)地下水位觀測站2012年7月～2013年6月連續(xù)觀測的地下水埋深特征值統(tǒng)計(jì)表。圖1為降雨量～地下水埋深過程線。分析表7、圖1 可以得出以下結(jié)論：

（1）山峰、山腰2 處（ZKy3～ZKy2）水位埋深過程線基本重合，說明整個(gè)山體地下水位與地表坡度基本一致，古梯田區(qū)域終年存在一個(gè)持續(xù)且穩(wěn)定的地下水蓄水庫。

表7 地下水埋深特征值表 m

圖1 降雨量～地下水埋深過程線

（2）地下水蓄水庫的容量較大。山峰ZK3 地下水位埋深最淺15.2 m，最深達(dá)19.9 m，期間消落深度4.7 m，梯田區(qū)上部ZK2 地下水埋深由最淺的15.3 m消落到20.1 m，消落深度4.8 m。說明自山頂生態(tài)植被區(qū)至山腰梯田區(qū)地下水蓄水庫平均至少有4.7 m的含水層可資利用。因此，可以推論，梯田區(qū)地下水蓄水庫的有效容積不少于4.7 m。

（3）5～8月的地下水位消落深度顯著高于其他月份。9月～次年4月，水位變幅很小。究其原因有二：一是受降雨影響。當(dāng)侯雨量大于50 mm 時(shí)，即引起地下水位上漲。降雨越集中、雨量越大，地下水位漲幅越大，這與山塘或水庫的蓄洪過程極為類似，洪水越大庫水位漲幅越大；二是6～8月是梯田水稻耗水量高峰季節(jié)，也是生態(tài)植被蒸騰量高峰季節(jié)，需消耗地下水庫大量水量，在未能及時(shí)得到降雨入滲補(bǔ)給時(shí)，地下水位即下降。這反證了古梯田區(qū)域地下蓄水庫的存在及其對維持生態(tài)植被需水、提供水稻灌溉水源的重要作用。

（4）地下水位埋深起伏變化與降雨密切相關(guān)。但地下水位的上漲與消落過程明顯滯后于降雨過程。圖2 給出的2012年7月15日～8月15日降雨過程與地下水位過程線即明顯反映了這一特征。地下水位上漲起點(diǎn)比降雨滯后了7～10 天。同樣的，地下水位在高位后，在連續(xù)無雨期的消落過程中，再次遇到降雨時(shí)，并不馬上停止消落而會持續(xù)消落一段時(shí)間。7月15日～19日的一次較大的降雨，7月15日～19日的一次降雨，地下水位在7月22日才明顯上漲，連續(xù)上漲直到8月5日才開始回落。上漲過程即地下蓄水庫的蓄水過程，回落過程即地下蓄水庫供水過程。說明地下水庫在時(shí)間上將“715”降雨徑流（部分）推遲了10 天才利用。

圖2 山體降雨～地下水位起漲關(guān)系線圖（7.15～8.15）

5 結(jié) 論

（1）古梯田區(qū)域花崗巖地質(zhì)構(gòu)造孕育了區(qū)域地下水蓄水庫。紫鵲界山頂森林茂盛，植被豐厚，以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為主要成分的覆蓋層厚度大，孔隙率高，納雨蓄水功能強(qiáng)，基底為新鮮花崗巖，其巖底堅(jiān)實(shí)、少裂隙，恰似池塘不透水之底板，由此構(gòu)成了一個(gè)巨大的隱形水庫。水庫容積達(dá)1.44 億m3，多年平均“入庫水量”3991 萬m3，使得古梯田區(qū)域生態(tài)需水及灌溉用水有足夠保障。

（2）地下水蓄水庫對天然降雨的調(diào)蓄利用具有“時(shí)空調(diào)節(jié)”的雙重效率，從而使水資源獲得高效利用。

降雨形成的水資源，大類上可分為地表徑流與地下徑流。地表徑流一部分直接被植被或稻田攔蓄利用，地下徑流被地下蓄水庫納蓄，經(jīng)過一段漫長的過程后向下游坡面出露(排泄)，緩慢而持續(xù)地為下游梯田提供灌溉水源。這使得梯田、植被在充分利用完地表徑流后能夠及時(shí)獲得地下水的供給。

[1] 賈恒義．中國梯田的探討[J]．農(nóng)業(yè)考古，2003，（1）：157-162.

[2] 李桂元，杜新忠，等. 基于數(shù)字濾波法的紫鵲界梯田區(qū)水源結(jié)構(gòu)分析[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，（18）：9756-9758.

[3] 秦仁秋． 紫鵲界梯田保水機(jī)理解析[J]． 湖南水利水電，2005，（3）:47-48.

[4] 許志方，聶芳容，張碩輔，等．湖南紫鵲界梯田自流灌溉體系[J]．中國農(nóng)村水利水電，2006，（4）：73-74.