一种基于岩溶地下河系统的岩溶湿地水资源调蓄方法

摘要

本发明公开一种基于岩溶地下河系统的岩溶湿地水资源调蓄方法，包括以下步骤：(1)在岩溶湿地核心区建立湿地降雨量和水位在线监测系统，在地下河补给区入口水域、径流区溶洞口、排泄区地表出口和排泄区地下出口建立水位在线监测系统；(2)在岩溶湿地关键位置建立可用于引、堵、拦、蓄水的调控设施；(3)将岩溶湿地不同区域的降雨量和水位自动汇集于数据监控平台；(4)数据监控平台对湿地实时水位数据和岩溶湿地临界水位做对比分析，根据对比分析结果不同信号，管理者根据不同信号结合岩溶湿地实时降雨量和水位数值等，做出调控措施。本发明旨在解决现有技术中如何调蓄岩溶湿地水资源，使湿地水位保持在合理状态，维系湿地健康生态系统。

说明书

技术领域

本发明涉及水文地质、岩溶湿地水资源领域，具体涉及一种基于岩溶地下河系统的岩溶湿地水资源调蓄方法。

背景技术

我国西南岩溶地区，由于特殊的水文地质结构和人为活动影响，使得该地区水资源分布不均，生态系统较脆弱，该地区常常因地表水渗漏严重而长期干旱缺水、水土流失严重，造成生态环境不断恶化、石漠化现象加剧的现状。岩溶湿地是一种在特殊地质背景条件下形成的分布较少的岩溶区水资源赋存状态，其汇集了地表水、地下水、生态系统、景观资源等于一体，相当于一个小型“山水林田湖草”系统。该系统中地下水和地表水在人类、动物、植物生长和活动中起着至关重要的作用，影响着整个自然生态系统。

岩溶湿地通常分布于地形相对平缓的峰林平原区，维系岩溶湿地生态系统健康发展的主要因素是水资源，直接反映湿地水资源状况的指标是湿地水位，岩溶湿地水位通常有地下水位和地表水位，两者有时难以区分，在丰水期地表水位同时也是地下水位也是湿地水位，在枯水期往往以地下水位为主，地表水相对较少，此时地下水位代表湿地水位。

岩溶湿地由于其特殊的岩溶水文地质结构，水资源在整个湿地的分布极不均匀，且受季节性降雨影响较大，在岩溶湿地地下往往发育岩溶地下暗河，地下暗河动态变化极不稳定，且地下暗河水量直接影响着湿地水资源量，对于地下暗河影响下的岩溶湿地水资源的调蓄，在于如何科学合理调控地下河水量，但目前还处于探索阶段，尚未有具体的调蓄方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于岩溶地下河系统的岩溶湿地水资源调蓄方法，旨在解决现有技术中如何调蓄岩溶湿地水资源，使湿地水位保持在合理状态，维系湿地健康生态系统。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种基于岩溶地下河系统的岩溶湿地水资源调蓄方法，包括以下步骤：(1)在岩溶湿地核心区建立湿地降雨量和水位在线监测系统，在地下河补给区入口水域、径流区溶洞口、排泄区地表出口和排泄区地下出口建立水位在线监测系统；(2)在岩溶湿地关键位置建立可用于引、堵、拦、蓄水的调控设施；(3)将岩溶湿地不同区域的降雨量和水位在线监测系统、水位在线监测系统监测到的数据自动汇集于数据监控平台；(4)数据监控平台对湿地实时水位数据和岩溶湿地临界水位做对比分析，并根据对比分析结果自动发出岩溶湿地水位正常、预警、报警3种不同信号，管理者根据不同信号结合岩溶湿地实时降雨量和水位数值，以及降雨量和水位数值的持续时间，研判需要做出采取单一或联合的调控措施，通过补给区—径流区—排泄区不同区域分级调控地下河系统内水量，最终达到调蓄岩溶湿地水位的目的，使岩溶湿地核心区水位保持在岩溶湿地临界水位范围内。

优选的，在步骤(1)中，所述降雨量和水位在线监测系统主要由雨量计和水位计构成，所述水位计垂直吊置于两端贯通的水位监测管中，水位监测管下部埋于地下枯水期地下水水位线以下，水位监测管上部高度高于丰水期湿地地表水最高水位，且水位监测管下部和上部均开设有通水圆孔；所述雨量计固定于水位监测管顶部。

优选的，所述雨量计用于监测湿地实时降雨情况，水位计用于在线实时监测湿地水位，丰水期湿地水量丰沛，地表水位即为湿地水位，枯水期湿地水量较少，当地表没有水时地下水位为此时湿地水位；水位计监测数据和雨量计监测数据通过无线传输模块(8)实时传输至数据监测平台，数据监测平台能够实时显示监测数据，通过降雨量和水位在线监测系统可以实时掌握岩溶湿地降雨补给情况和岩溶湿地水位状态。

优选的，在步骤(4)中，当湿地核心区实时水位值低于岩溶湿地临界水位最低值、或高于岩溶湿地临界水位最高值时监控平台自动发出报警信号，提醒管理者需进行水资源调控；在岩溶湿地实时水位达到岩溶湿地临界水位90％时，数据监控平台发出预警信号，提醒管理者需密切关注湿地水位状况；在岩溶湿地实时水位处于岩溶湿地临界水位范围内时，数据监控平台发出正常信号。

优选的，在步骤(4)中，当湿地核心区实时水位值低于岩溶湿地临界水位最低值时数据监控平台发出报警信号，提醒管理者需进行水资源调控，调控措施包括在补给区地下河入口水域处打开闸门引水，加大进入地下河的水量，同时在排泄区地表主排泄通道插入挡水堰板和地下河出口处关闭闸门减少地下河排水量，增加地下河管道内蓄水量，若水位上升使得径流区溶洞中地下水溢流出地表时，需关闭溶洞口堵水闸门；

当湿地核心区实时水位值高于岩溶湿地临界水位最高值时数据监控平台发出报警信号，提醒管理者需进行水资源调控，调控措施包括在补给区地下河入口处关闭引水闸门，减少进入地下河的水量，同时在径流区溶洞口开闸放水，并在排泄区地表水主排泄通道拿掉挡水插板和地下河出口处打开闸门加大地下河排泄量。

优选的，步骤(2)中，岩溶湿地关键位置主要是指岩溶地下河系统补给区入口、径流区溶洞口、排泄区地下河出口和排泄区地表主排泄通道，分别是在补给区入口处修建活动螺旋式引水闸门，径流区溶洞口修建活动螺旋式堵水闸门，排泄区地下河出口处修建活动螺旋式堵水闸门，在排泄区地表主排泄通道修建活动插板式拦、排水堰坝。

优选的，所述活动插板式拦、排水堰坝包括两侧堵水边墙、及连接于两侧堵水边墙间的凹型堰坝，在凹型堰坝的凹口左右两侧堰壁上开始有卡槽，一活动式挡水板的两侧可上下移动的设置于卡槽内。

优选的，所述活动螺旋式堵水闸门包括左右两块混泥土挡墙、及横跨在左右两块混泥土挡墙上的拱形拦水坝，所述拱形拦水坝的最高处开设有闸门过水口，在闸门过水口上设有可将其堵住的螺旋式活动闸门A。

优选的，所述活动螺旋式引水闸门包括两侧挡水墙、及连接于两侧挡水墙间的凹型拦水坝，在挡水坝的凹口上设有可将其堵住的螺旋式活动闸门B。

优选的，所述临界水位是指维持指示性植物群落岩溶沼泽湿地健康的最低水位和最高水位。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的调蓄方法通过在线监测降雨量和不同区域岩溶湿地水位状况，通过数据监控平台根据实时数据发出相应信号，根据不同信号研判需要采取的调蓄手段，通过分级操作地下河系统不同位置调蓄设施，合理调蓄地下河系统水量和水位，能够及时有效的调蓄岩溶湿地水位和水资源；另外所涉及的监测系统和调蓄系统易于操作，成本较低，能够在保护岩溶湿地方面起到很好效果。

附图说明

图1是本发明一实施方式中基于岩溶地下河系统的岩溶湿地水资源调蓄方法流程图；

图2是本发明一实施方式中降雨量和水位在线监测系统的结构示意图；

图3是本发明一实施方式中排泄区地表水主排泄通道修建的活动插板式拦、排水堰坝；

图4是本发明一实施方式中排泄区地下河出口处修建的活动螺旋式堵水闸门；

图5是本发明一实施方式中补给区入口水域修建的活动螺旋式引水闸门；

图6是本发明一实施方式中会仙岩溶湿地狮子岩至分水塘一带遥感影像图及水资源调蓄设施布置图；

图7是本发明一实施方式中会仙岩溶湿地狮子岩至分水塘一带实际调蓄过程中降雨量和水位变化曲线图。

附图标记：1、水位监测管，2、雨量计，3、水位计，4、通水圆孔，5、外塑料圆管，6、细塑料硬管，7、孔柱保护罩，8、无线传输模块，9、电缆线，10、碎石块，11、堵水边墙，12、凹型堰坝，13、卡槽，14、活动式挡水板，15、混泥土挡墙，16、拱形拦水坝，17、闸门过水口，18、螺旋式活动闸门A，19、混泥土挡墙过水口，20、挡水墙，21、凹型拦水坝，22、螺旋式活动闸门B。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更清楚明了，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，为本发明一实施方式中一种基于岩溶地下河系统的岩溶湿地水资源调蓄方法流程图。

在本实施方式中，该基于岩溶地下河系统的岩溶湿地水资源调蓄方法通过在线监测岩溶湿地核心区降雨量和水位以及地下河不同区域地下水水位，数据监控平台根据降雨量和不同位置区的水位实时数据，判断岩溶湿地水位是否处于岩溶湿地临界水位范围内(生态系统健康范围内)，由此发出不同信号，当数据监控平台发出为预警和报警信号时，管理者需密切关注湿地水位状况，湿地管理者通过研判降雨量和水位实时数据，通过调控不同层级的调蓄系统对进入和排出湿地系统的地下河水和地表水进行调控，达到调蓄湿地水位和水资源量的目的。具体如下：

在步骤S1中，在岩溶湿地核心区建立湿地降雨量和水位在线监测系统，如图2所示，为本发明一实施方式中降雨量和水位在线监测系统的结构示意图，其由雨量计2和水位计3构成，所述水位计3垂直吊置于水位监测管1中，水位监测管1下部埋于地下枯水期地下水水位线以下，水位监测管1上部高度高于丰水期湿地地表水最高水位，且水位监测管1下部和上部均开设有通水圆孔4；所述雨量计2固定于水位监测管1顶部。另外，可以在水位监测管1地面以上部分的外部套一外塑料圆管5，在塑料水位监测管1和外塑料圆管5之间用细塑料硬管6连通，并且在外塑料圆管5顶部罩一孔柱保护罩7。

降雨量和水位在线监测系统的安装过程如下：在湿地核心监测位置点向地下挖凿浅孔，浅孔深度需超过枯水期水位线以下，孔径需大于水位监测管1直径10cm以上，待浅孔完成后，将水位监测管1垂直插入已做好的浅孔中，水位监测管1插入地下段的下端约地下部分1/2处需钻通水圆孔4，孔径约0.5-0.8cm，孔间距约1cm，这样方便地下水能够快速进入水位监测管1中，待水位监测管1直立时在水位监测管1与浅孔壁空隙处填埋电缆线9碎石块10，至地表面后再填埋适当土壤充填电缆线9碎石块10缝隙，这样既能保证塑料水位监测管1不倒，同时确保地下水能够顺畅进入水位监测管1中。地面以上部分需在水位监测管1外套一直径更大的外塑料圆管5，该外塑料圆管5直径需大于孔柱保护罩7的直径，在塑料水位监测管1和外塑料圆管5之间需用细塑料硬管6连通，保持水位监测管1和外塑料圆管5外面相通，地表水体能够从外面进入水位监测管1内部，在水位监测管1管壁和外塑料圆管5管壁间浇筑混凝土，至水位监测管1顶部，此时将已连接雨量筒的孔柱保护罩7水平放置于外塑料圆管5顶部，所述水位监测管1和外塑料圆管5细塑料硬管6高度需根据丰水期湿地最高水位而定，实际高度需高于丰水期湿地最高水位0.3m以上，待混凝土凝固后在保护罩内用已连接无线传输模块8的电缆线9吊装水位计3和安装无线传输模块8。

请继续参阅图1，在步骤S2中，在地下河补给区入口、径流区溶洞口和排泄区地下河出口和地表水主排泄通道附近水域建立水位在线监测系统，水位在线监测系统结构为降雨量和水位在线监测系统去掉雨量筒即可。

在步骤S3中，在基于岩溶地下河系统的岩溶湿地关键位置建立引、堵、拦、蓄水的调蓄设施，组建地下河系统不同层级的调蓄系统。

在本实施方式中，所述岩溶湿地关键位置主要是指岩溶地下河补给区入口水域、径流区溶洞口、排泄区地下河出口溶洞口处，以及湿地核心区地表水主排泄通道处。

在本实施方式中，所述引、堵、拦、蓄水的调蓄措施主要是通过建设如图3、图4、图5装置实现对水资源的调蓄。如图3所示，为活动插板式拦、排水堰坝，其适用于对过水面有一定要求的排泄区地表水主排泄通道拦蓄位置，在建设完成后不影响湿地内小型渔船的正常通行。所述活动插板式拦、排水堰坝包括两侧堵水边墙11、及连接于两侧堵水边墙11间的凹型堰坝12，在凹型堰坝12的凹口左右两侧堰壁上开始有卡槽13，一活动式挡水板14的两侧可上下移动的设置于卡槽13内。本装置的安装方式如图3所示，朝向水流方向，通过上移或下压活动式挡水板14，实现排水或拦水。如图4所示，为活动螺旋式堵水闸门，其适用于排泄区地下河出口、溶洞口中的拦蓄水装置，所述活动螺旋式堵水闸门包括左右两块混泥土挡墙15、及横跨在左右两块混泥土挡墙上的拱形拦水坝16，左右两块混泥土挡墙中间形成混泥土挡墙过水口19，所述拱形拦水坝16的最高处开设有闸门过水口17，在闸门过水口17上设有可将其堵住的螺旋式活动闸门A18，所述螺旋式活动闸门A18包括活动闸门和垂直设置于活动闸门上的螺杆，螺杆的顶端设有旋转手柄。如图5所示，为活动螺旋式引水闸门，其适用于补给区入口水域，所述活动螺旋式引水闸门包括两侧挡水墙20、及连接于两侧挡水墙20间的凹型拦水坝21，在挡水坝的凹口上设有可将其堵住的螺旋式活动闸门B22。

在步骤S4中，通过水位监测管1上的无线模块将降雨量数据和水位数据实时传输汇总到数据监控平台，该平台是基于电脑终端的数据汇总和分析平台。

在步骤S5中，数据监控平台根据实时数据与数据监管平台内设置存储的湿地健康临界水位限值数据进行对比分析，实时水位值大于临界水位最大值和小于临界水位最小值时均会发出报警信号，在实时水位值达到临界水位最大值或最小值的90％时会发出预警信号提醒，其他情况下会显示正常信号。

在步骤S6中，管理者根据不同信号，结合降雨量和水位数据，科学研判下一步需采取的调控手段和措施，总体上当湿地水位低于临界水位最小值时，需要增加湿地蓄水量，抬升湿地水位；当湿地水位超过临界水位最大值时，需减少湿地蓄水量。

在步骤S7中，根据科学研判做出的调控手段，采取单一或联合调控手段从补给区—径流区—排泄区分级调控，使湿地水位保持在临界水位幅度范围内(临界水位最大值至最小值之间)。当湿地核心区实时水位低于湿地健康临界水位最小值时，需在地下河补给区入口处打开螺旋式活动闸门A18，加大进入地下河管道水量，同时在地下河出口溶洞处关闭螺旋式活动闸门B22，在地下河溶洞管道内蓄水，抬升水位，同时需在湿地核心区地表水主排泄通道插入活动挡水板，减少湿地地表水域排泄量以及延长湿地地表水蓄存时间，调蓄使得水位逐级上升，若径流区溶洞中地下水溢流出地表时，需关闭溶洞口堵水闸门。

在步骤S7中，当湿地水位超过生态健康临界水位最大值时，总体上需在补给区地下河入口处关闭螺旋式活动闸门A18，减少通过地下河管道进入湿地的水量，同时在排泄区地表主排泄通道拿掉活动挡水板加大地表水域水量排泄，在地下河出口打开闸门放水，加大地下河排泄量。

补给区、径流区、排泄区调蓄设施开闭大小程度及持续时间需根据降雨量和不同分级区域湿地蓄水空间综合研判，可以是最大程度的调控，也可是半幅或其他程度的调控，可以是补给区、径流区、排泄区同时调控，亦可单独或其中某两个联合调控，具体调控手段需根据实际情况综合考虑。在调控的同时需考虑周边农田地势高低情况，不能长时间淹没农田，影响周边村民正常耕作。

需要指出的是，本实施例所述临界水位是指维持指示性植物群落岩溶沼泽湿地健康的最低水位和最高水位。临界水位的确定方法包括以下步骤：1、根据湿地内植物分布情况，选择湿地内分布广，生长好的具有代表性的一两种或多种植物为指示性植物；2、建立一个指示性植物标准样方，通过观察记录一个水文年内不同时期样方内指示性植物生长状况及对应水位数据；3、统计分析指示性植物生长状况数据和对应水位数据，最终确定湿地健康的临界水位。

以下通过具体实例示例对本发明再次进行说明。

如图6所示为本发明一实施方式中会仙岩溶湿地狮子岩至分水塘一带遥感影像图及水资源调蓄设施布置图。

如图6所示的实施示例为广西桂林市会仙岩溶湿地新民村冯家西侧狮子岩至分水塘一带为水资源调控示范区，示范区整体上位于会仙湿地研究区中部，地形地貌整体上为峰林平原，局部有峰丛洼地，地势除狮子岩山体外，整体上北高南低，出露地层岩性有D

如图6所示，根据岩溶湿地水文地质条件和水资源分布情况，在湿地补给区地下河入口A处水域实施引水工程，在径流区地下河溶洞口B处实施堵水工程，在湿地局部水域内地下河分段入口C处实施蓄水工程，在地下河总出口D处实施蓄水工程，在地表排泄通道处E实施拦水工程。同时在各调蓄工程处附近水域建设水位在线监测系统，其中在E处设置降雨量和水位在线监测系统。

图7所示为该湿地实际调蓄过程水位变化和调蓄效果，由于湿地范围内地形起伏，湿地不同水域海拔高程不同，而湿地健康正常水位是针对不同区域一个相对区间，因此用统一的海拔高程水位难以表示湿地不同区域的正常水位波动范围，故采用相对水位及区间值来表示湿地水位健康区间范围。示范区湿地临界水位范围为0.9-2.0m，其中C点和E点水位代表两个不同区域的湿地水位，在①号线时间点即2020年2月5日之前湿地水位一直低于正常水位范围最小值，该数据在上传数据监测平台后，数据监测平台一直显示报警模式，经数据研判，此时湿地水位需要提高，于是马上采取调蓄措施，在排泄区关闭了E点地表排泄通道闸门和D点地下河溶洞出水口闸门，在径流区关闭了B点溢流口闸门，打开C点地下河分段入口闸门，同时在补给区A点水域进水口打开闸门加大进水量，经过水资源调蓄措施实施后代表湿地水位点C和E点水位开始上升，短时间内恢复到正常水位范围内，由于会仙岩溶湿地内村庄分布较多，周边村民农业种植较多，故湿地水位即使在正常健康范围内时也需考虑水位对周边农田种植的影响，水位过高会淹没农田，影响村民日常农业种植，所以湿地水位需根据降雨量和实际需求零活调整，确保湿地水位在正常健康范围内，同时尽量减少对周边村民的影响。在正常水位范围内通过调控关闭和打开闸门幅度来调蓄湿地正常水位波动范围，通过不同程度的联合调控，湿地水位在接近②号线之前一段时间内一直处于健康正常水位范围内，由于降雨量的持续减少，在接近②号线时间点附近时，水位将要突破健康正常水位下限值，此时监测平台预警信号出现，于是恢复满负荷调控措施，最大限度关闭排泄口闸门，同时最大限度打开进水口闸门，使得湿地水位止降并逐渐上升，恢复到正常范围内，由于降雨量的不断增大，湿地水位在上升很快，在③号线时间点时突破湿地正常水位上限值，此时监控平台水位预警和报警信号在短时间内不断出现，根据水位监测数据研判，急需降低湿地水位，于是马上采取水位调蓄措施，最大幅度打开排泄区地表和地下排泄口闸门，径流区溢流溶洞口闸门也同时打开，并将补给区地下河进水口闸门关闭，建设进入湿地水量，调蓄效果显示，在③号线时间点和④号线时间点范围内，湿地水位短时间达到最大值后，开始下降，并在短时间内恢复到正常范围内，之后根据降雨量具体情况，通过零活联合调控不通位置闸门开闭幅度，使湿地水位保持在正常健康波动范围内。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。