环县西部严重缺水区构造裂隙水找水实践

2011-02-23刘心彪卢造权张龙生

地下水 2011年5期

刘心彪，卢造权，张龙生

(1.甘肃省地质环境监测院，甘肃兰州 730050，2.甘肃省庆阳市环保局，甘肃庆阳745000)

环县位于甘肃省东部，庆阳市西北部，地处毛乌素沙漠边缘的黄土丘陵沟壑区，干旱少雨，是全国43个扶贫开发重点县和甘肃省21个干旱县之一，当地12.27万人和36.6万头牲畜的饮用水源主要依靠降雨集水(窖水)。县城西部毛井、车道等乡镇，地表和浅层地下水60%以上为人畜不宜饮用的苦咸水，是甘肃省有名的“苦水区”，地下水矿化度一般为3～6 g/L，最高达18 g/L，地表水矿化度3～10 g/L，基本无法饮用。2004年9月到2007年9月，环县经历了有气象记载以来最严重的干旱，在长达一千多天的日子里，几乎没有一次有效降雨，地表水断流，15.4万眼水窖中有10.8万眼窖中无蓄水。为了维持生计，当地群众耗费人力物力远距离运水，生活用水每吨价格高达70～80元，形成了“水贵如油”的困难局面。严重干旱缺水直接威胁到人民群众的生存安全，而且制约了当地经济社会的可持续发展，解决吃水问题是当地群众生存发展的头等大事1。

1 自然地理

1.1 气象水文

环县属温带半干旱气候带，具有干旱少雨多风的气候特点。根据环县气象站资料，多年平均气温8.6℃，最冷月(元月)平均气温－13℃，最热月(七月)平均气温28.9℃，极端最高气温37.5℃，极端最低气温－23.2℃(发生在1975年12月12日)，最大冻土深度1.50 m，无霜期142～185天。

降水量自东南向西北方向递减，而蒸发量则逐步递增。年平均降水量为330 mm，年平均蒸发量为1 861.3 mm。年内降水量季节性分布明显，降水主要集中在7、8、9三个月，约占全年降水量的62.8%，常以暴雨的形式出现，日最大降水量88.5 mm，1小时最大降水量51.7 mm，均出现在1988年7月18日，其日降雨量占全年降雨量的14%，而小时降雨量占日降雨量的58%。另外，年际降水量分布极不均衡，最大降雨量为812.9 mm(1964年)，年最小降雨量为277.2 mm(1987年)。

区内河流主要有蒲河、环江及其支流马坊川、罗山川、西城川、合道川、安山川等，多为季节性沟谷。水质苦咸，矿化度很高，不宜直接灌溉和人畜饮用。

1.2 地形地貌

区内地处黄土高原丘陵沟壑区，地形复杂，山、川、塬兼有，梁、峁、谷相间。地势大致西北高东南低，海拔一般为1 200～2 000 m。依据地貌的形态特征，可分为河(沟)谷川区、梁峁丘陵区两种地貌类型。河(沟)谷川区分布于环江较大的一级支沟谷区，河谷宽度0.5～1 km，横剖面呈狭窄的“U”字型。梁峁丘陵沟壑区分为掌形地发育的梁峁丘陵沟壑区和干杖地发育的梁峁丘陵沟壑区。掌形地发育的梁峁丘陵沟壑区分布于甜水堡－车道一线以东，平面上形如手掌，发育在梁间沟脑地带，其间冲沟发育，切割深度40～60 m，单掌面积在1 km2左右，掌面坡降比20‰～300‰，冲沟切割密度0.5～2 km/km2;干杖地发育的梁峁丘陵沟壑区分布于毛井、车道一带，处于梁峁之间，呈一长条形凹地，杖面平坦，宽度 100～600 m，长度 1.5～5 km，坡降比 15‰ ～100‰，中上段无冲沟，杖地北坡陡，南坡缓，在主杖南侧发育有支杖呈梳状展布。

2 地质与水文地质

2.1 地质概况

研究区大地构造位置上位于贺兰褶皱带，地处“南北古脊梁”隆起，地壳运动频繁，地层之间多为断层衔接，新近系、古近系、白垩系地层分布于断陷洼地之中(图1)。贺兰褶皱带元古界地层经受加里东期运动后，形成了S～N向构造雏形，以后经历海西、燕山和喜马拉雅运动，形成了一系列近S～N向断裂构造;其东部伊陕盾地经受加里东期运动后一直处于下沉状态，具有相对稳定性，下白垩系岩层褶皱平缓，仅有天环向斜。区域地质构造有:

1)甜车大断裂(F1):南北向贯穿环县境内，北伸至甜水，南延伸到车道坡，断裂东侧是中、新生界凹陷，西侧是古生界隆起。

2)沙坡子－张中庄断层(F2):走向近正南北，北起沙坡子九连山，南至张中庄，倾向西，倾角70°～80°，属高角度正断层。

3)白家沟－樱桃沟大断裂(F3):走向近南北，断层面倾向东，倾角70°～80°，断层东部下陷，西部上升，为一正断层。

4)塬峁推测断裂(F4):在张中庄以西小南沟以北呈南北向展布，向南延伸到环县西南盘龙坡附近，断层性质不明。

5)杨东掌大断裂(F5):走向近S～N，断层西侧为古生界地层，出露标高1 950 m，东侧为新生界老第三系地层，出露标高1 750 m，明显形成陡坎。

6)沙滩断裂(F6):走向近EW向，东起大天池经秦团庄向西延伸至山城乡杨咀子。在西端走向北东80°，倾向北西，倾角75°，断裂东段走向为北东 70°～80°，倾向北西，倾角40°～50°，该断裂为逆断层，断层线上西端有泉水溢出，水质咸苦。

区内第四系风积黄土大面积分布，基岩主要出露在沟谷谷坡、坡脚部位(图1)，贺兰褶皱带除缺失志留系、泥盆系和石炭系外，从震旦系到第四系均有分布;伊陕盾地主要是下白垩系各套岩层，东部为一套泥岩、砂岩、河湖相碎屑岩，西部为一套洪积相砾岩，二者成锯齿状衔接，褶皱平缓。

2.2 水文地质条件

根据地下水的赋存条件和含水介质类型，区内地下水主要为松散岩类孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水、岩溶裂隙水三大类型。

1)松散岩类孔隙水主要为黄土潜水，赋存于黄土梁峁丘陵沟壑区，主要在干杖地和掌形地发育区富水，分布于虎洞、王家大掌等掌形地，毛井－宋杖一带的干杖地，含水层为上更新统早期(Q31)粉土和黄土状亚砂土，上部疏松，具孔隙裂隙，下部致密。掌区含水层厚度一般都小于10 m，毛井－宋杖一带含水层厚度10～50 m，富水性不均匀，渗透系数一般1.0～5.0 m/d。大气降水通过饱气带土层，沿黄土的孔隙裂隙下渗，在下部有粘土隔水层时，形成黄土潜水，黄土潜水补给区到排泄区距离很短，微地貌控制地下水的径流，每一冲沟成为独立补给、径流、排泄系统，径流方向基本与地形坡向一致;含水层大多被冲沟切穿，地下水呈泉溢出。

2)碎屑岩类孔隙裂隙水

①下白垩系孔隙裂隙水分布于断陷盆地中，主要赋存于下白垩系保安群砂岩、泥质砂岩及六盘山区砾岩孔隙裂隙和层间裂隙之中，水量较为贫乏，富水性较差，单泉流量一般为0.01～0.05 l/s，呈南北向条带状分布，深部具有承压性，下白垩系孔隙裂隙水主要接受大气降水及黄土潜水的补给，在沟谷地段地表水渗入补给，由于含水层胶结之谜、泥质含量，地下水径流缓慢，在沟谷地带多呈片状渗流排泄补给地表水。

②古近系孔隙裂隙水主要赋存于固原统砂砾岩孔隙裂隙之中，分布在甜水－车道一线以西，属山间凹陷型堆积，四周被中古生界岩层包围，由于含水层上部是泥岩、粉砂岩，地下水补给不足，仅在局部富水性较好，单位涌水量0.1～5 m3/d.m。在毛井以南，主要接受来自固原一带地下水的径流补给，其它地段接受地表水、潜水及元、古、中生界地下水的入渗补给后，自南向北径流，主要以地下径流的方式排泄。

3)灰岩岩溶裂隙水

分布于毛井－张中庄－甜水堡一线以西，由于受多期构造运动影响，断裂发育，褶皱强烈，地层之间大多呈断层接触，含水层富水性不均，地下水为构造裂隙承压水。含水层岩性为震旦－奥陶系灰岩、白云岩。受构造、岩性、地貌、气象和水文诸因素的制约和影响，南北古脊梁隆起不仅分割着两侧不同的储水盆地，构成地下水分水岭，其本身也是一个狭长的碳酸盐岩裂隙岩溶水储水带。该含水层中，水位埋藏深，水量、水质变化大，地下水赋存条件复杂。地下水矿化度在毛井以北为2～5g/L，水化学类型属CL－SO4－Na－Mg型水。该类地下水主要接受远距离径流补给，其次，接受境内地表水和潜水渗漏补给，地下水总体径流方向是自北向南。

3 勘查部署实施

3.1 勘查思路

区内黄土掌形地潜水由于含水层厚度小，受沟谷切割分布不完整，不利于地下水的富集，加之该区干旱降雨补给不足，作为应急开采意义不大。碎屑岩类孔隙裂隙水含水层含泥质较多，胶结严密，裂隙不发育，或受地层空间结构的影响，不利于地下水下渗补给和运移，仅局部洼陷盆地有少量地下水，且矿化度高，基本没有供水意义。该区构造强烈，震旦系－奥陶系灰岩受多期区域构造作用断层发育，断层带岩层节理裂隙有利于地下水的运移和富集，在阻水断裂带附近有水质较好，水量丰富的地下水，如南湫乡断裂上升泉流量603.36 m3/d，水质较好。利用以往地质、水文地质研究成果，结合严重缺水地区人畜饮用水缺乏问题，在重点调查区开展1∶5万水文地质调查，通过对地质、水文地质、物探资料分析，合理部署物探剖面，解译追溯深部控水构造，布井探查构造裂隙岩溶水是环县西部找水的新思路。

3.2 勘查实施

工作区地形条件复杂，沟壑纵横，且地表覆盖厚层第四系黄土，是岩溶裂隙地下水勘查的空白区，地面调查地质、水文地质信息较少。已有的重力布格异常图(图2)显示，区内构造方向以南北向为主，重力异常高低相间，重力梯级带对应了两组断裂，方向自NW—NNE—N总体呈反“S”状展布，基本反映出了这两组断裂构造受到外力挤压、扭曲的特点。为了真实的反映断层空间展布特征及水文地质条件布设物探测深。在分析已有资料的基础上布设3条可控源音频大地地磁测深(CSAMT)剖面，1、2剖面为NW向，3剖面为NE向，剖面长度分别为:8.7 km、8.9 km 和 12.3 km，点距 100 m。可控源音频大地地磁测深(CSAMT)是大地电磁发(MT)和音频大地电磁法(AMT)的基础上发展起来的一种人工源频率域电磁测深方法，具有使用人工场源，改变频率测深的特点，是目前中等深度(1000 m)水文地质勘查中的主要测试方法。本次勘查中其主要地质任务是:探测高阻灰岩顶面起伏，研究其与上覆地层构造的继承关系，以查明构造断裂的的空间展布规律及其富水特征。

图1 物探剖面布置图

根据三条CSAMT断面(图3)推断次低阻电性层和下部低阻电性层推断为白垩系地层，呈厚层状西厚(1 500 m)东薄(200 m)以不整合接触关系超覆在碳酸盐岩上。在三条地电断面高阻碳酸盐岩中，出现垂向相对低阻带，低阻带呈南北向展布，呈高角度西倾，分布在重力推断基底隆起部位，对此低阻带初步推断为裂隙破碎带，三条断面低阻带呈南北向展布推断为断层裂隙破碎带。

图2 CSAMT电阻率及地质解译断面图

3.3 钻孔孔位确定及实施结果

经地面调查及物探分析钻孔孔位定在2－2'物探剖面138点南大台子村，设计深度1 000m。其主要依据:一、区内岩溶裂隙水呈脉状赋存于断裂带及其影响裂隙带中，断裂构造对地下水的补给、径流、排泄起控制作用，断裂构造是的存在是地下水富集的基本条件，物探显示断裂构造带呈高角度西倾，钻孔宜布设断层上盘，钻探深度宜进入断层影响带中;具备良好的施工条件和用水条件，该处交通便利、地形平坦，沟谷有地表水可供施工，施工条件有利，钻孔成井后易于管理，组织安排群众的用水，能够解决严重缺水地区人畜饮用水这个突出问题。

钻孔采用全孔取芯，实施深度991.75 m，终孔后进行水文测井(图4)、抽水试验及水质分析等工作。钻孔揭露与物探测深基本吻合，地层从上到下为:

1)0～42 m:第四系(Q)，风积黄土。

2)42－324.60米:白垩系(K15)罗汉洞组紫红色砂质泥岩、泥质砂岩、砂岩。

2)324.60 ～991.75 米:奥陶系(O)灰岩，呈灰色、浅灰色厚层状构造，该层裂隙发育，主要的岩溶水赋存层位。

水质分析表明溶解性总固体2 450 mg/L。地下水静水位90 m，主要富水位置在430～900 m内灰岩破碎带。实际抽水降深47.9 m，出水量400 m3/d，推算降深80m，出水量540 m3/d。