豫西缺水山区找水方法探讨

王玉海，沙　晶，范浩敏，王邦贤

(河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南 郑州 450001)

豫西缺水山区找水方法探讨

王玉海，沙晶，范浩敏，王邦贤

(河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南 郑州 450001)

[摘要]渑池县作为较典型的豫西缺水山丘区之一，地下水形成自然条件差，水文地质条件复杂，含水层富水性弱，开采难度大，人畜饮水困难。此种背景条件下，河南省地矿局第五地质勘查院开展了“渑池县严重缺水山区人畜饮用水水源地调查”，通过收集析已有资料，研究缺水山区的地层结构特征、控水储水构造、地下水赋存、分布、循环演变规律；进行找水靶区的调研论证，并在缺水山区施工供水示范井。本文通过缺水山区找水方法步骤进行初步探讨，以调查分析研究、物探勘察解读等为手段，运用“以含水层为条件，地质构造为基础，地下水流运动规律为主导的储水构造三位一体找水模式”为指导，作为缺水山区找水的方法步骤，以此为开展省内缺水山区找水工作提供借鉴和参考。

[关键词]缺水山区；找水方法；探讨

渑池县作为较典型的豫西缺水山丘区之一，历年来干旱频繁，素有“十年九旱”之称，尤其春旱、伏旱，几乎年年都有，且面积广、时间长、危害大。据县水务志统计，自唐朝至清朝有文字记载的大旱59次，民国时期(1912—1948年)有19次，解放后有30次。水在这里成了具有特别重要的符号，翻开《渑池县志》、《渑池年鉴》等历史记录，可以明显的感受到的渑池人民为生产生活用水而进行的沉重奋斗历史。

渑池县广大乡村人畜饮用供水属于小型零星供水，其特点是总需水量不大，每日数百吨到二三千吨，一般只需一或几口水井即可满足需水量要求。由于自然地理位置、缺水程度等的差异，这类供水呈现多样化形式，主要为机民井供水、提水站供水、引水管道供水、抽取河水和水窖供水5种类型。其中，渑池县北部有300多个自然村，7万多人常年无水可取，只有靠打水窖蓄住天上降水，解决人畜吃水问题。如陈村乡一心村、白羊山村，段村乡中朝村等，均是水源奇缺的深山区，沟深坡陡，吃水困难，唯一靠打水窖吃水。

此种背景条件下，河南省地矿局第五地质勘查院开展了《渑池县严重缺水山区人畜饮用水水源地调查》，旨在收集资料、分析研究基础上，研究严重缺水山区的地层结构特征、控水储水构造、地下水赋存、分布、循环演变规律；进行找水靶区的调研论证，并在北部缺水山区施工一眼探采结合供水示范井。

“渑池县严重缺水山区人畜饮用水水源地调查”项目工作方法按照由浅入深的5个步骤进行，即：(1)收集资料：初步确定目的层，大概的水量控制,做到心中有数；(2)现场水文地质调查：了解地形地貌、含水层情况、地下水开发情况、判定储水构造类型，选定找水靶区；(3)地球物理勘查：结合水文地质条件，进一步查清储水构造类型和富水部位；(4)综合研究：根据水文地质条件和物探成果，在找水靶区确定具体孔位孔深，估计出水量；(5)选择相应合理的钻机类型。下文分述之。

1工作区概况的分析研究

首先尽量收集工作区的各种地质资料、水利规划资料、人文地理资料、地形图及各种图件等。了解当地气象水文、地形地貌、地层地质构造，分析研究供水缺水状况，初步确定找水目的层，大概的水量控制等，做到心中有数。

根据本次收集的水文地质勘察报告、钻孔及几十眼农村安全饮水工程供水井资料，结合缺水程度分布图，基本可以初步确定：在北部中低山严重缺水地区主要寻找中元古界脆性地层中的断层裂隙水，出水量5～10 m3/h；在中南部低山丘陵缺水地区主要寻找侏罗系等碎屑岩类地层中的孔隙裂隙水，出水量10～15 m3/h；在碳酸盐岩类地层中主要寻找寒武奥陶系埋藏型裂隙岩溶水，出水量10～100 m3/h。

2确定主要含水目的层

缺水山区找水一般是寻找岩层裂隙中的地下水，需要在不同岩类分布区确定其主要的含水目的层，并根据不同的含水层及区域水文地质条件初步判定目的层、孔深、出水量等。

2.1碎屑岩类分布区

该类地区一般来讲，侏罗系义马组砂砾岩、三叠系二马营群长石石英砂岩和刘家沟组的铁质石英砂岩富水性5～10 m3/h；二叠系石千峰组灰绿色砂岩、石盒子组平顶山砂岩、大占砂岩等富水性10～15 m3/h。

2.2碳酸盐岩类分布区

一般来讲，奥陶系马家沟组灰岩富水性10～100 m3/h；上寒武系白云质灰岩富水性10～30 m3/h；寒武系中统张夏组灰岩富水性10～50 m3/h；寒武系下统馒头组灰岩夹层及朱砂洞组灰岩富水性10～40 m3/h。

2.3火成岩及变质岩分布区

火成岩及变质岩分布区一般为区域隔水层，该区找水难度最大。在含水夹层、构造破碎带、岩墙储水构造有利部位，单井出水量3～5 m3/h。

3找水靶区选定

3.1地质图研读

分析研究地层出露产状特征、区域大地应力场与主要地质构造带发育方向关系，各种地质构造组合特征及可能的储水导水断裂带。

3.2水文地质图判读

分析研究地形地貌、流域分水岭，地形地貌是地层岩性、构造及地表水系以及新构造运动特征的综合反映。因此，地下水的富集，特别是浅层地下水的富集，与地形地貌有着密切的联系。不同的地貌条件，地下水的补给，径流排泄及富集特征也不同。水往低处流是地貌汇水的一般规律，汇水的范围愈大，低洼地貌的规模愈大，则汇聚的水量也愈多。

观察河流的发育形态、走向特征，判断是否与断层发育影响有关。一般沿张性断裂带发育的河流，其河流两侧泉水呈锯齿状排列出露。宽缓沟谷段通常是在较宽大的断裂破碎带或断裂交汇部位上形成的。当存在脆性岩层或可溶岩层时，这些岩层必然裂隙非常发育，导水和储水空隙率较高。加上宽缓沟谷段的地形条件有利于汇集和滞留地下水，因而，易于形成富水块段。

分析研究不同的地下水类型出露分布规律、富水性、泉水出露平面分布特征及其与地质构造的关系，地下水补给、径流、排泄条件、地下水分水岭等。

3.3野外调查研究

野外水文地质调查是缺水山区找水最基础的工作，具有不可替代的作用。在室内分析研究的基础上，对严重缺水地区所处地貌部位、汇水条件、出露地层岩性、岩层产状、构造的规模、产状、力学性质，裂隙发育情况等进行详细调查，初步判断储水构造，同时了解交通及施工条件，对找水靶区的选择和井位的合理确定至关重要。

褶皱构造：义马(陕渑)向斜为狭长开阔褶曲，并被若干条走向断裂所切割，且遭受多次构造运动，向斜两翼殊不对称。陕渑煤田位于向斜北翼，沉积有二迭系煤层，义马煤田位于向斜轴部及南翼，大部分为弱透水岩层或相对隔水层所覆盖，主要含水层出露宽度不大，且深埋地段岩溶裂隙不发育，由此限制了对地下水的补给作用，并直接控制了地下水的形成和分布。

断裂构造：区内多为压性或张性高角度复杂断裂。在义马煤田南边界，为大型压性断裂带，构成水文地质单元的天然边界，控制井田区裂隙(孔隙)地下水的形成与分布；在陕渑煤田一带，发育有一系列以张性为主北东向、北西向或近南北向的断裂，这些以张性为主的断裂致使含水层错断，常形成地下水的阻水帷幕，受其影响地下水在局部地段富集。

4合理的物探方法选择

结合水文地质条件，在找水靶区进行地球物理勘查，确定孔位孔深。一般的主要物探方法较多，各有其特点。本次主要采用了瞬变电磁法及EH4电磁剖面法，主要寻找构造裂隙发育带，解译效果较理想。

4.1瞬变电磁剖面法

瞬变电磁法属时间域电磁法，利用了电磁感应的原理，以脉冲电流的形式向地面铺设的发送回线供电。当发送回线中通以稳定电流时，在感应地质体中产生稳定的一次磁场；在电流关断的瞬间，一次磁场突然消失，感应地质体内部由于磁通量的变化而感生出涡旋电流，并进一步产生了与一次磁场方向相反的二次感应磁场。这样的过程交替循环，形成了向下传播的能量逐渐衰减的电磁场，由此形成的场称为瞬变电磁场。在瞬变电磁场衰变期间，二次场随时间的延迟而不断减弱；涡流随时间的推移渐渐向深部扩散，同时向外扩散的距离不断增大。瞬变场的延迟时间特性与地下地质体的几何参数及电性参数有关。良导地质体的规模越大、导电性越好，瞬变场的强度就越大、衰减越慢、延迟时间就越长；反之则瞬变场的强度小、衰减快、延迟时间短。根据理论公式可知，发射回线中心磁场的大小与地层的电阻率之间存在一定的函数对应关系。因此，通过观测随时间衰变的磁场便可以测出电阻率随深度的变化。反映地层富水性、地层构造裂隙发育，确定具体孔位孔深。选定物探剖面参数值小于100 Ω·m的闭合区域为地下水富集地段，实际验证效果良好。

4.2EH4电磁剖面

EH4电磁系统通常采用天然场源，只有在天然场信号很弱或者根本没有信号的频点上，才使用人工场源。从发射天线的频率范围可以看出，采用人工场源发射仅是加强浅部的数据信号。

主要反映地层富水性、地层构造裂隙发育，确定具体孔位孔深，选定物探剖面参数值小于2000Ω·m的闭合区域为地下水富集地段，实际验证效果良好。

5合理的凿井位置确定

在找水靶区内，合理的凿井位置主要对几项较为敏感的方面进行考虑：

(1)注意含水层的转化问题，下奥陶统白云岩等往往在断层裂隙发育带具有较好的富水性能；北部砂岩分布山区深部断层发育裂隙带具有一定含水性能；云梦山组石英砂岩所夹的紫红色薄层泥岩具有含水供水意义等。

(2)分水岭地区要注意充分考虑地下水补径排条件、地下分水岭性质；

(3)背斜轴部及两翼要注意充分考虑地下水补径排条件；

(4)矿区及其周边要高度重视矿区矿井排水的影响；

(5)要注意矿区及周边物探资料的综合分析，粘土岩物探资料的解释和利用；

(6)构造分析要注意充分把握断层性质及规模；

(7)涌水量的确定参考已有的成井率，充分考虑不同含水层、地下水系统的不同部位问题；

(8)重视不同含水层增大涌水量的洗井方法；

(9)具体孔位要考虑不受不良地质环境和地质灾害的影响；

(10)注意当地的民俗民风，井位尽量布置在干扰小、群众比较满意的地方。

根据水文地质条件分析和物探结果，找水靶区选定在在缺水最严重的段村乡中朝村。该靶区位于中低山区，出露主要地层岩性为蓟县系北大尖组和白草坪组的灰白色、肉红色坚硬脆性的白云岩、石英砂岩，深部下伏太古界泥岩等较软地层。地下水类型属于碎屑岩类孔隙裂隙水，推测地下水位埋深相对较浅，处于北西—南东向高角度断层和东西向次级断层之间，EH4物探剖面显示两条断层破碎带轮廓明显，下部延伸深度大，见图1。野外调查断层构造发育特征明显，岩体破碎，裂隙发育，可见较大断层角砾岩块体，有利于地下水运移和储藏。

图1　EH4电磁反演视电阻率断面图

通过解译，确定此区域存在三条近东西向的高角度断层通过，断层带为地下水的汇集储存提供了较有利的条件。水位埋藏相对较浅，凿井深度330 m以浅，估算涌水量10～15 m3/h。

6合理的钻探方法选择

缺水地区找水打井，与选择合理的钻探方法有重要关系。由于缺水地区的地下水贫乏，一般情况下，其地下水的补给条件较差，开采有利地段的含水富水程度相对来说不高，不合理的钻进方法会将孔内泥质成分挤压进入孔壁，导致岩石裂隙填充、水路阻塞，造成井孔水量偏小。因此本次工作北部中朝示范供水井除上部土层和泥卵石层采用冲击钻进外，下部均采用潜孔锤或全部采用清水取芯钻进，有效保护了泥岩夹层的微小裂隙，增大了出水量，取得了良好的效果。

藉此，在靶区成功施工了ZSGS2供水示范井，地层为蓟县系石英岩和石英砂岩，在断层带边缘采用空气潜孔锤施工，成井深度330 m，抽水试验降深17.2 m，出水量16.05 m3/h，单位涌水量达到0.93 m3/h·m，效果理想。

7结语

渑池县属豫西缺水山区，地下水形成自然条件差，水文地质条件复杂，含水层富水性弱，开采难度大，人畜饮水困难。中低山区和低山丘陵坡地区，地下水开采利用率低，人畜饮水困难。中低山缺水地区地层岩性主要为中元古界脆性岩层，基本不含水不透水，其找水目的层主要是寻找断层裂隙集中发育带的裂隙水(EH4物探剖面参数值小于2 000Ω·m的闭合区域)，根据地下水流运动汇集规律，供水井位尽量布置在地势较低的沟谷内(出水量5～10 m3/h)。

本项目的实施和对定井找水供水成果准确率的验证，说明以调查分析研究、物探勘察解读等为手段，运用“以含水层为条件，地质构造为基础，地下水流运动规律为主导的储水构造三位一体找水模式”为指导，作为缺水山区找水的方法步骤和模式具有较好的科学性和实践性。

To explore the methods in dry mountainous areas

WANG Yu-hai，SHAjing，FAN Hao-min，WANG Bang-xian

(Fifth geological prospecting institute of geology and mineral resources exploration development authorities in henan province，Zhengzhou 450001，Henan)

Abstract:Mianchi County as a typical Western Henan dry hills area of groundwater formation poor natural conditions, complex hydrogeological conditions, aquifer water weak, difficult to mine, people and livestock drinking water. Under this kind of background, bureau of Geology and mineral resources of Henan Province the fifth Geological Exploration Institute of “a serious water shortage in Mianchi County mountain people and livestock drinking water sources survey was carried out, through the analysis of the existing data collection, mountains of water shortage of the structural features of strata, control water storage water structure, groundwater occurrence, distribution, circulation evolution; water prospecting target areas of research and demonstration, and in dry mountainous areas for water supply in construction of demonstration well. This paper through the steps of the mountain water geophysical methods of preliminary study, research, geophysical interpretation as a means to use ”to aquifer condition, geological structure as the foundation, the law of motion of the underground water for water storage structure leading Trinity detection groundwater model as a guide, as the method and steps of mountain water for groundwater, taking the opportunity of development water exploration work in mountain areas in the water shortage in the province and provide the reference to investigate analysis.

Key words:To investigate the method of water shortage in Mountainous Areas

[收稿日期]2016-03-08

[作者简介]王玉海(1977-)，男，河南唐河人，助理工程师，主要从事水文地质、环境地质、地质灾害防治方面勘察、设计工作。

[中图分类号]P641.6

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)03-0122-03