新疆三塘湖矿区新近系地下水资源量评价

刘叶青，高 江，张吉勇，赵海陆

(1.中煤地质工程总公司，北京 100040；2.新疆京能哈密煤业有限公司，乌鲁木齐 830000)



新疆三塘湖矿区新近系地下水资源量评价

刘叶青1，高 江2，张吉勇2，赵海陆1

(1.中煤地质工程总公司，北京 100040；2.新疆京能哈密煤业有限公司，乌鲁木齐 830000)

我国西北新疆地区气候干旱，三塘湖矿区多年平均降水量为41.6mm，年均蒸发量2273.7mm，降水量远小于蒸发量，地表水资源匮乏，水资源成了当地工业项目决策的重要条件。通过断面法计算该区新近系地下水的补给量为13826 m3/d，采用体积法计算地下水储存量为4.03×108m3，运用解析法非稳定流计算20a允许开采量为33163m3/d。这些参数，为该区将来大规模开发和清洁利用煤炭资源提供了基础依据。

新近系；水资源；边界；允许开采量

0 前言

新疆哈密地区西北部戈壁荒漠的深处，煤炭资源十分丰富，但目前运输条件差，企业为了更高效的开发利用煤炭资源，与煤矿同时规划了坑口电厂和煤化工项目，将煤炭就地转化，变成清洁的电力资源和工业附加值更高的化工产品。但该地区十分干旱，地表水资源稀缺，而项目本身每年约900万m3的需水量成了企业发展的瓶颈。以往在煤炭资源勘探阶段，并未发现富水异常区，但在矿井专门水文地质补充勘探阶段，发现本区新近系中蕴含有较丰富的地下水，并具有一定的供水意义，因此，对该地下水资源量进行评价具有重要的现实意义。

1 水文地质背景

评价区位于三塘湖盆地构造的西部。三塘湖盆地是一个中新生代的沉积盆地，属北天山-准噶尔构造区(I级)北准噶尔构造带(II级)三塘湖-淖毛湖华力西期后山间坳陷(Ⅲ级)，盆地内基底起伏不同，沉积的中新生代地层的厚度也不相同，进而形成了多个含水岩类构成的次一级地下水盆地。盆地南北两侧山区为地下水的主要补给区，接受大气降水和冰雪消融水补给，地下水通过侧向径流形式向盆地中央的平原区汇集、排泄(图1)。

图1 区域水文地质Figure 1 Regional hydrogeologicalmap

区内发育的地层主要有奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系，盆地内出露地层主要以大面积分布的第四系为主，局部零星出露侏罗系中统西山窑组砂岩。整体为一断陷盆地构造，盆地内为走向北北东向，倾向南南西的单斜构造，断层较发育，走向近东西。

依据含水介质的空隙类型和地层时代将区内含水层自上而下依次划分为三个含水层：第四系孔隙含水层、新近系孔隙裂隙含水层和侏罗系煤系裂隙含水层。第四系含水层以砂砾石层为主，地层透水性强，在接受大气降水入渗补给后，迅速向下游径流排泄，区内富水性弱且不均匀。侏罗系岩性主要为砂岩、泥岩、煤层，呈互层状发育，其中砂岩为主要含水层，岩心较为完整，裂隙不发育，该含水层埋藏深，补给不畅，富水性弱。因此，第四系含水层和侏罗系含水层均不具供水意义。

区内新近系含水层主要由巨厚的砾岩、砂岩和含砾泥岩组成，含水层厚度10～115.00m，平均厚度52.91m。该含水层地下水水位埋深46.46～110.40m，换算标准涌水量(统一为口径325mm、抽水水位降深5m)最大达4003m3/d，接受上游径流补给和山前第四系的直接补给，径流受地形控制，由西北向东南径流，总体上与地形坡降一致，水力坡度0.0022%～5.882%。

2 不同勘探阶段对新近系含水层的认识

在以往煤炭资源勘探各个阶段都不同程度的开展了水文地质工作，前后施工水文钻孔8个，累计抽水试验15层次，针对新近系含水层的抽水试验7次。由于资源勘探阶段水文孔口径普遍较小，大部分钻孔口径为121mm，资料显示单孔涌水量都不大，平均单位涌水量0.138L/(s·m)，最大0.289L/(s·m)。对照标准，该含水层富水性为弱—中等。后期在水文地质补充勘探阶段，水文孔均采用大口径，所有新近系抽水孔口径为350mm，过滤管口径273mm，管外采用填砾工艺，共布置抽水孔9个。为了取得地下水流场信息，进行群孔抽水试验1次，钻孔单孔抽水试验的平均单位涌水量为3.203L/(s·m)，最大达到8.022L/(s·m)，富水性等级为强——极强。

通过水文地质补充勘探，对本区的水文地质条件有了一个重新认识，尤其是新近系含水层，钻孔平均单位涌水量是以往的20倍以上，说明该含水层富水性极强，厚度大，平面分布稳定，且水位埋深浅，是理想的供水目的层。

本区处于新疆哈密戈壁区，气候干燥，地表水资源十分匮乏和珍贵，根据已有资料初步评价新近系地下水资源量，为将来的煤矿和配套项目解决水源问题，粗略估算仅此一项，可以为企业节约资金1.4亿元/a。

3 水资源量的计算

3.1 计算原则

①地下水资源计算与评价分为补给量、排泄量、储存量、允许开采量，拟定供水水源地位置选择在富水性最强的西北部；

②项目区位于干旱少雨的西北荒漠区，降水稀少，蒸发量大，地下水天然补给量贫乏，为保障生产建设需要，允许开采量动用部分储存量；

③地下水资源补给量采用断面法计算侧向径流补给，储存量计算采用含水层体积法，允许开采量采用非稳定流解析法计算。

3.2 水文地质参数计算

本区新近系含水层为潜水类型，水资源评价所需水文地质参数主要为渗透系数(K)和给水度μ)。考虑到抽水试验时，水跃值(井损)的影响，在稳定流单孔抽水试验资料计算时，公式中的水位降深值进行了去“井损”处理。

3.2.1 水跃值(井损)的计算

水跃值确定方法采用阿勃拉莫夫经验公式计算：

式中：Δh为水跃值，m；Q为涌水量，m3/d；S为井中抽水降深，m；K为渗透系数，m/d；F为过滤器工作面积，m2；F=2πrL，r和L分别为滤管内半径和滤管工作长度，m；λ为经验系数，计算取值为20。

3.2.2 非稳定流计算

3.2.2.1 单孔试验泰斯公式雅柯布直线法

利用单孔抽水试验水位恢复数据计算导水系数和渗透系数，抽水持续时间(tp)相对于恢复时间(t′)足够长，可得泰斯公式如下形式：

式中：S′为剩余降深，S′=H0-H′，H0、H′分别为抽水前的水头和抽水停止后某一时间的恢复水头，m；Q为抽水孔定流量，m3/d；tp为抽水试验的持续时间；T′为从抽水停止以后算起的水位恢复时间。

从上式可知S′与1+tp/t′在单对数纸上为直线关系(图2)，可由直线的斜率i求得含水层的导水系数，T=0.183Q/i；再根据含水层的厚度H可求得渗透系数k，k=T/H。

3.2.2.2 纽曼配线法

利用本区一组带观测孔的新近系含水层群孔抽水试验数据，根据纽曼降深——时间配线法参数计算导水系数、给水度和弹性释水系数：

T=0.08QSd/S；μ=Tt/r2ty；

μ*=Tt/r2tS；K=T/H

式中：T为导水系数，m2/d；μ为给水度；μ*为弹性释水系数；K为渗透系数，m/d；H为含水层厚度，m；Sd、ty、ts分别为纽曼标准曲线上的配合点坐标读数。根据势的叠加原理，观测孔QG的水位降，相当于抽水孔QW2、QQ同时抽水对其的影响之和。在透明双对数坐标纸上做群孔抽水时观测孔QG的水位降深和时间的双对数曲线(图3)，与标准曲线叠置，分别进行B组、A组标准曲线匹配，选择配合点，读出相应的坐标。当标配曲线β=0.03时，得：

配线曲线后半部分(B组)，得：S=1m，t=60min=1h时，Sd=2.2，ty=0.083；

配线曲线前半部分(A组)，得：S=1m，t=60min=1h时，Sd=2.1，ts=58

T1=14.08m2/h；T2=13.44m2/h；T取平均数，T=13.76m2/h=330.24m2/d，

μ=0.012；μ*=0.000032。

图2 QW3孔抽水试验恢复水位S′-lg(1+tp/t′)曲线Figure 2 Borehole QW3 pumping test water level recovery S′-lg(1+tp/t′)curve

图3 群孔抽水试验观测孔lgs-lgt双对数曲线Figure 3 Borehole group pumping test observationboreholes lgs-lgt double logarithm curves

3.2.3 稳定流计算

根据裘布依潜水计算公式计算渗透系数和影响半径：

式中：K为渗透系数，m/d；Q为钻孔涌水量，m3/d；H0为自然水位至含水层底板的距离，m；S为水位降深(为孔内降深实测值减去水跃值h后的降深)；R为影响半径，m。根据潜水公式R=2S；r为钻孔滤管半径，m。

3.2.4 参数计算结果

水文地质参数计算结果汇总于表1。

表1 水文地质参数计算成果

注：K1为非稳定流计算结果，K2为稳定流计算结果。

3.3 地下水资源量计算

3.3.1 天然补给量计算

计算区位于西北内陆干旱季风区，年平均降水量仅41.6mm，新近系地下水的补给仅有地下水的侧向径流流入，地下水自西部和北部向东南部径流，自东南方向流出本区(图4)。新近系孔隙裂隙含水层的侧向径流补给量按下式计算：

Q=KIcosθBH，

式中：Q为地下水径流量，m3/d；K为渗透系数，m/d；I为水力坡度；θ为地下水流向与过水断面法线的夹角；B为计算断面的宽度，m；H为含水层厚度，m。

考虑到断面不同部位含水层厚度、渗透系数和水力坡度的变化，为了提高计算精度，将整个断面分为3个小断面来分别计算(图4)。计算得地下水天然状态下的径流补给量为13826 m3/d(表2)。

表2 断面流量计算

3.3.2 排泄量计算

区内目前无任何工业企业和永久居民，无人工开采，也没有泉点出露，天然排泄以蒸发为主。工作区潜水蒸发极限为5m，区内大部分地区潜水水位大于5m，仅在盆地中部水位埋深小于5m，存在蒸发排泄，蒸发排泄量计算公式为：

Q蒸=EgFλ，

式中：Q蒸为蒸发量，104m3/a；Eg为蒸发强度，取多年平均值2109.8mm；F为蒸发区面积，取13.5km2；λ为蒸发系数，取经验值0.01。计算得地下水天然排泄量为28.4×104m3/a。

3.3.3 储存量计算

潜水含水层的储存量计算公式：

W=μV，

式中：W为地下水的储存量，m3；μ为给水度，取本次计算结果0.012；V为含水层体积，m3。计算面积为评价区以西，面积约750 ×106m2，含水层厚度取44.77 m，含水层的体积为3.358 ×1010m3。

得地下水储存量为：W==4.03×108m3。

图4 新近系地下水径流补给断面计算Figure 4 Neogene groundwater runoff rechargeestimation

3.3.4 允许开采量计算

采用解析法计算非稳定流允许开采量。为了简化计算，将干扰井群视作一口“大井”，考虑地质边界条件，将评价区概化为南、北为平行的隔水边界，东、西为无限含水层的概念模型。此时根据镜像原理，以同时工作的抽水井代替边界作用，可得到无数个“映像”抽水井，“映像”抽水井按虚拟“大井”处理，当两边隔水边界距离足够远时，映射一次即可满足要求(图5)。

图5 计算边界条件示意Figure 5 A schematic diagram of computational boundary condition

此时，当拟建水源地井群开采时，其“大井”水位降深按势的叠加原理，就相当于三口抽水“大井”在不同距离处同时抽水对其的影响，井群涌水量计算公式为：

计算水位降至H0的70%，开采10 a，允许开采量为40379m3/d；开采20 a，允许开采量为33163m3/d。

4 水质

本区新近系地下水pH值7.97～8.4，呈弱碱性，矿化度948～4000mg/L，属于淡水—咸水，水化学类型主要为Cl·SO4—Na·Ca型、Cl·SO4—Na型水，局部为Cl·SO4—Ca·Na型和Cl·SO4—Ca型水，沿着地下水径流方向，矿化度逐渐升高，这是由于地下水在深部运移过程中，逐渐与地层中的矿物质发生溶滤和交换作用，岩石中的矿物离子进入地下水，使矿化度升高。采用《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)相关标准，地下水中的氟化物、硫酸盐、溶解性总固体、氨氮四个指标均超标，部分水样pH值、氯化物、耗氧量、钠离子超标。因此，区内新近系地下水质量较差，不适宜直接饮用，需经处理后方可饮用。

5 结论

①地下水补给量计算采用断面径流量法。为了提高计算精度，对断面进行了分段计算，不同计算分段采用不同的参数，计算得地下水天然补给量为13826m3/d。

②地下水储存量采用含水层体积法，计算得勘查区上游地下水储存量为4.03×108m3。

③通过计算，本区可以利用的新近系地下水资源量近1200万m3/ a，在干旱的戈壁地区能有如此丰富的地下水，是十分宝贵的，满足了项目年需水900万m3的要求，但在开发过程中应注意环境保护。

④本次水资源量初步计算是在矿井水文地质补充勘探基础上进行的，建议针对该水源地进行专门的勘探工作，以提高精度和可靠程度。

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Neogene Groundwater Resources Assessment in Santanghu Mining Area, Xinjiang

Liu Yeqing1, Gao Jiang2, Zhang Jiyong2and Zhao Hailu1

(1.China Coal Geological Engineering Corporation, Beijing 100040;2.Xinjiang Jingneng Hami Coal Industrial Co. Ltd., Urumqi, Xinjiang 830000)

The climate in the Xinjiang area, northwestern China is arid. Mean annual precipitation in the Santanghu mining area is 41.6mm; mean annual evaporation is 2273.7mm, far higher than precipitation. It caused lack of surface water resources, thus a major issue in local industrial project decision. The cross section method estimated Neogene groundwater recharge is 13826m3/d, volumetric method estimated ground water reserve is 4.03×108m3, through analytic method unsteady flow estimated 20 years allowable exploitation yield is 33163m3/d. All of the numbers have provided the basis to large-scale exploitation and clean utilization of coal resources in the area aftertime.

Neogene; water resource; boundary; allowable exploitation yield

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.09

1674-1803(2017)04-0043-05

刘叶青(1975—)，男，陕西宝鸡人，工程硕士，高级工程师，长期从事煤田水文地质工作。

2016-08-08

文献标识码：A

责任编辑：樊小舟