枣庄市台儿庄区小龚庄岩溶地下水水源地允许开采量计算评价

丁冠涛，刘玉仙，高帅,2

(1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队, 山东 济南 250014; 2.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061)

0 引言

近些年，我国经济社会快速发展，对水资源的需求量也不断扩大，随着大量地下水资源的不合理开采和超采，诱发了岩溶塌陷、地面沉降、海水入侵、名泉断流等环境地质问题及地质灾害[1-3]，造成了较大的损失，因此进行地下水资源评价，为合理的可持续开发地下水资源提供科学依据非常关键，其中地下水可开采资源量的评价是地下水资源评价的核心内容[4-7]，常用方法有水量均衡法、开采试验法和数值模拟法等。

随着枣庄市台儿庄地区经济的迅速发展和城市规模的不断扩大，台儿庄城区供水需求也不断增大，用水紧张成为影响台儿庄地区工业、生活用水安全的重大难题。为了解决城市供水问题，经多方专家论证，台儿庄区自来水公司在小龚庄地区寻找了一处水源地，但在开采不久后就诱发了岩溶塌陷，破坏了农田及农作物。准确评价该水源地地下水允许开采量是保证其长期稳定、安全供水的关键[8-12]，该文利用群孔抽水试验资料，采用开采试验法来计算小龚庄水源地允许开采量，并设定岩溶塌陷预警水位，利用非稳定流Theis公式计算不易诱发岩溶塌陷的安全开采量范围，进一步对开采试验法计算结果进行评价，确保最大限度的开采地下水资源，又保证水源地运行时不易引发岩溶塌陷的环境地质问题，为小龚庄水源地的可持续开发提供了科学依据。同时此方法对存在岩溶塌陷隐患的地下水源地允许开采量评价具有一定的借鉴意义[注]山东省地矿工程勘察院，枣庄市台儿庄区小龚庄地区地面塌陷勘察报告，2013年。。

1 试验区概况

1.1 自然地理概况

小龚庄水源地位于枣庄市台儿庄区马兰屯镇小龚庄村西约200m处。抽水试验区范围北起马兰屯镇黄口村，南到涧头镇冯庄一带，东起彭楼村，西至涧头镇新河崖，面积约70km2。主要包括台儿庄区马兰屯镇的大部分和涧头集镇的北部地区(图1)。该区属于暖温带半湿润大陆性季风气候区，春冬干冷多风，夏秋湿热多雨，光照充足，雨量充沛，四季分明，多年(1996—2012年)平均降水量841.2mm，其中2003年降水量最多为1377.3mm；降水量最少的年份是1999年，仅为469mm。在全年的降水分配中，6—9月份的降水量约占全年的70%以上。

1—松散岩类含水岩组；2—碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组(裸露型)；3—碎屑岩类裂隙含水岩组；4—岩浆岩类裂隙含水岩组；5—隐伏型碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组(Q<1000m3/d);6—隐伏型碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组(Q>1000m3/d)；7—埋藏型碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组(Q>1000m3/d)；8—岩溶地下水流向；9—水源地位置图1 区域水文地质图

试验区地处鲁中南低山丘陵和淮北平原衔接地带，韩庄运河南部为低山丘陵，北部为山前倾斜平原，总体地势自西向东倾斜。小龚庄水源地一带地面标高28～29m，地势低平。试验区及附近地貌形态特征主要受地质构造格架、地层岩性及内外营力的综合影响，长期的南升北降作用造就了当今南高北低的地貌格局。

1.2 地质条件

试验区属于华北地层大区，鲁西地层分区。地层由老到新依次发育：震旦系、寒武系、奥陶系、石炭-二叠系、古近系和第四系。试验区构造以断裂为主，凹陷次之，断裂构造发育近EW向、近SN向、NE向和NW向等几组，近SN向的切割、复合于EW向的断层之上，形成地堑、地垒相间的构造格局。主要断裂有红瓦屋断裂、台儿庄断裂等。凹陷构造主要有小龚庄凹陷、叶庄凹陷及后枣庄凹陷等。小龚庄水源地就位于小龚庄凹陷内，凹陷内地层自上而下依次为第四系、古近系、奥陶系、寒武系；凹陷外第四系直接覆盖于奥陶系之上，第四系厚度23～29m为岩溶塌陷提供了地层条件。

1.3 区域水文地质条件

试验区在区域上属鲁中南中低山丘陵水文地质区的邹城-枣庄单斜断陷水文地质亚区之中的台儿庄断块裂隙岩溶、孔隙水水文地质小区。根据含水介质岩性组合、赋水条件、水理性质及动力条件，区域含水岩组可划分为4种类型，即：松散岩类孔隙含水岩组、碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组、碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组及岩浆岩类裂隙含水岩组(图1)。

试验区内主要为松散岩类孔隙含水岩组和碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组。松散岩类孔隙含水岩组出露地表，为第四纪地层，由河流冲洪积物组成。区内第四系厚度20～30m，砂层厚度5～10m，单位涌水量10～100m3/(d·m)；碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组主要含水岩层为寒武-奥陶纪灰岩，隐伏于第四系之下，在小龚庄凹陷内埋藏于第四系、古近系之下，其富水性受埋藏条件、地质构造等条件制约；在小龚庄凹陷及其南部—带，受构造控制明显，地下岩溶较发育，裂隙连通性好，含水层富水性较强，单位涌水量大于1000m3/(d·m)。其余地段富水性较弱。

1.4 小龚庄水源地水文地质条件

小龚庄水源地位于小龚庄断块内，断陷外围岩溶发育整体较弱。含水层主要发育在奥陶纪土峪组中，为水源地的取水层，岩性主要为泥质灰岩，其次为灰质白云岩，发育深度在100.70～200.16m之间。岩溶形态主要为蜂窝状溶蚀孔洞，少量为溶洞。据钻孔揭露含水层发育厚度在4.43～14.55m，单位涌水量470.26～1157.66m3/m·d。小龚庄水源地岩溶水的主要补给来源为西南部地区的侧向径流补给和区内孔隙水的越流补给，正常情况下区内第四系孔隙水水位一般高于岩溶水水位，孔隙水对岩溶水具有补给作用。天然状态下该区岩溶水径流方向为自西向东。岩溶水的排泄方式主要为人工开采和径流排泄。

1.5 岩溶塌陷发育情况

2012年11月24日—12月22日，小龚庄水源地详查工作抽水试验时，抽水量最大达3×104m3/d，导致水位大幅度下降(图2)，抽水主井K4水位由静止水位埋深3.62m，下降到最大埋深50.50m，岩溶塌陷附近第四系孔QG2水位埋深由4.01m下降到达23.81m，接近奥灰顶板(图3)。抽水试验时未发现岩溶塌陷，在试验结束后约1个月在小龚庄水源地西约390m麦田里发现一处岩溶塌陷坑，塌陷坑南北长4.8m，东西长5.3m，深约2m。分析认为在群孔抽水试验时，已产生了地下空洞，只是地面还没有塌陷，后期由于降雨等因素，在1个月后才发生塌陷。由于岩溶塌陷的发生有所滞后，因此临界水位不好确定。

图2 小龚庄水源地详查期间抽水主井动态曲线

1—第四纪粉质粘土；2—第四纪砂层；3—古近纪泥岩；4—古近纪细砂岩；5—奥陶纪土峪组白云质灰岩；6—奥陶纪北庵庄组石灰岩；7—孔隙水、岩溶水静水位;8—抽水时孔隙水、岩溶水动水位；9—岩溶发育段图3 小龚庄水源地K4至QG2孔(岩溶塌陷发生地)地质剖面图

小龚庄岩溶塌陷发生的机理大体为:在第四系松散层覆盖的岩溶发育的隐伏灰岩区,由于大量抽取岩溶地下水，造成水位急剧下降、水动力条件改变，引起岩溶腔内水面与上覆盖层脱开，形成无水空腔，随着地下水位不断下降，无水空腔体积增大，根据波义尔-马略特定律，无水空腔增大会引起空气部分负压增大，造成负压吸蚀作用。同时，地下水位的快速下降，使地下水水力坡度增大，在垂直方向上的渗透力增大，而且地下水位的下降也会引起覆盖层内地下水的浮托力减小，间接增大了覆盖层所承受的载荷[13]，由于多种因素的综合作用，地面发生塌陷现场，即形成了岩溶塌陷。

2 群井抽水试验

2.1 抽水试验布置

该次抽水试验选用1组抽水井，共2眼抽水主井，位于小龚庄水源地内，编号依次为K2、K4，成井深度分别为251.74m、202.35m，两井距离为20m，取水层为奥陶纪土峪组岩溶含水层，岩溶发育深度110.70～200.16m(表1)。两井均采用水泥浆止水的方式封隔第四系及古近系孔隙裂隙水，灰岩岩溶含水层采取裸眼方式完井，为该次抽水试验的抽水段(图4)。

表1 抽水井含水层埋深 m

图4 K2和K4井钻孔柱状图

K2井安装“QJ100-108”型潜水电泵，其额定流量100m3/h，扬程108m，配套水表为“LXLG-125E”，直径125mm。K4井安装“QJ370-60”型潜水电泵，其额定流量370m3/h，扬程60m，配套水表为“LXLG-200E”，直径200mm(表2)。采用同时开泵定流量抽水，一次下降过程的抽水试验方法，全程平均抽水流量约为12503m3/d。

表2 试验中水泵及配套设备参数

抽水试验水位观测点共布置39个(图5)，其中岩溶水观测井24个，孔隙水观测井15个。水位观测点分为加密观测点和一般观测点，加密观测点16个，观测频率按非稳定流要求进行观测，一般观测点23个，每1h观测1次，其中观测点中距抽水井最近的为K3号孔，约8.5m，距抽水最远的观测点为J7号井，约5600m，观测点布置遵循自抽水主井向外围由密到疏放射状分布的基本原则，控制了抽水可能影响的范围。

1—孔隙水观测孔；2—孔隙水加密观测孔；3—岩溶水观测孔；4—岩溶水加密观测孔；5—抽水孔图5 抽水试验水位观测点布置图

2.2 抽水试验过程

整个抽水试验划分为3个阶段，即抽水前统测阶段、抽水试验阶段和水位恢复阶段，共历时15天。抽水前统测阶段对抽水主井及主要观测点进行了2天的自然水位观测，实测水位自然降幅在抽水主井附近基本为0，外围观测点日降幅为1～2cm。抽水试验阶段在枯水期进行，从5月1日17时开始至5月11日17时结束，抽水试验开始后对试验区域的观测井按照水文地质手册要求，水泵开启后各抽水井的动水位和出水量按非稳定流要求进行观测。停止抽水后以同样的方式观测抽水井和观测点的水位恢复情况，共进行了3天水位恢复观测，得到抽水井和观测点的水位恢复资料，5月14日8时，水位恢复达到要求，抽水试验结束。

3 允许开采量的计算

开采试验法是在所要评价的富水区域内，模拟开采过程进行抽水试验，根据试验揭露的问题和取得的资料进行计算评价。该方法适合于水文地质条件复杂的区域，抽水试验一般安排在枯水季节进行，抽水时间往往长达1个月。该方法具有较强的实用性，但是需要花费较多人力、物力，一般适用于中小型水源地的水资源评价[4,14-16]。小龚庄水源地前期开采时已发生过岩溶塌陷，水文地质条件复杂，且属于中小型水源地，综合对比分析各种水资源量评价方法后，选用开采试验法作为确定小龚庄水源地允许开采量的估算方法[17-18]。

3.1 方法原理

(1)

其中：Q抽—试验抽水总量，m3/d；Q补—抽水条件下的补给量，m3/d；μ*—含水层弹性释水系数，无量纲；F—抽水试验形成的漏斗面积，m2；ΔH—抽水试验期间由于消耗储存量引起的水位下降值，m；Δt—抽水试验时间，d。

3.2 计算结果

由抽水试验资料可知，在抽水期间，抽水主井和主要观测井动水位持续缓慢下降，水位恢复后的抽水主井K2、K4水位与抽水前水位相差0.41m、0.42m，未恢复抽水前水位(图6)。

(2)

根据该次群孔抽水试验资料，分别计算出含水层弹性释水系数、抽水降落漏斗面积等各参数，代入公式(2)得到该水源地的允许开采量为11354m3/d。

图6 抽水试验历时曲线

4 允许开采量的评价

4.1 非稳定流Theis公式法确定安全开采量

该试验区北部奥陶纪灰岩直接与震旦纪砂岩、泥岩断层接触，透水性差，可视为隔水边界，西边界接受西部侧向径流补给为补给边界，东边界为排泄边界，南部山区为补给边界。

根据该次抽水试验岩溶水的降落漏斗范围，距离北部隔水边界较远，而且距南部山区补给边界也较远，因此试验区内奥陶纪灰岩承压含水层组，在平面上可假设该含水层均质、各向同性、等厚且无限延伸,水力坡度很小无限含水层，且在成井时揭穿了整个奥陶纪土峪组灰岩承压含水层。因此，当拟建水源地供水井抽水时，基本符合无限含水层中地下水向承压完整井的运动规律。

根据Theis公式，假设拟建水源地给定降深抽水时，其出水量可由下式表示：

(3)

式中：Q—抽水井出水量，m3/d；s—抽水t时抽水影响范围内某一点处的降深，m；t—抽水延续时间，d；r—计算点到抽水井的距离，m；T—含水层的导水系数，m2/d；μ*—含水层弹性释水系数，无量纲。

根据该次群孔抽水试验资料及观测孔资料，利用Theis配线法，分别计算导水系数(T)、弹性释水系数(μ*)、压力传导系数(a)，所用公式如下[20-23]：

T=[Q/(4πs)]W(u)

(4)

a=[r2(1/u)] /4t

(5)

μ*=T/a

(6)

利用观测孔K7水位降深与抽水累计时间数据，在双对数坐标纸上绘制lgs—lgt曲线，将lgs—lgt曲线与Theis标准曲线W(u)～(1/u)配线，查出该拟合点的对应参数lgs、lgt、W(u)、(1/u)，带入公式(4)～(6)，计算其导水系数(T)、压力传导系数(T)、弹性释水系数(μ*),其计算结果见表3。

表3 Theis配线法计算结果

由于前期详查期间抽水试验时在GT2孔处已经发生了岩溶塌陷，说明GT2孔是岩溶塌陷最敏感的地段，因此对基岩观测井GT2处水位进行控制并设置预警水位，可以保障水源安全运行。根据岩溶塌陷产生的机理，设置灰岩顶板埋深以上2m作为下限预警水位Sd，灰岩顶板埋深以上5m作为上限预警水位Su，计算水源地允许开采量范围(图7)。

1—第四纪粉质粘土；2—第四纪砂层；3—古近纪泥岩；4—古近纪细砂岩；5—奥陶纪土峪组白云质灰岩；6—奥陶纪北庵庄组石灰岩；7—地下水静水位;8—抽水时岩溶地下水动水位；9—GT2孔处下限预警水位和上限预警水位;10—岩溶发育段图7 小龚庄水源地至GT2孔(岩溶塌陷发生地)地质剖面图

根据钻孔资料可知GT2井灰岩顶板埋深为26m，在丰水期来之前静水位埋深为3.90m，计算预警降深上下阈值Sd和Su分别为20.10m、17.10m。GT2井距抽水井的距离为310m，抽水延续时间t按水源地运行自丰水期末至下一年丰水期前的延续时间，即自第一年的10月1日至第二年的6月1日，计243天。导水系数T参照水均衡法计算时参数计算结果，取水源地K7孔计算结果397.97 m2/d，弹性释水系数采用参数计算表中K7孔的弹性释水系数3.25×10-3。

将上述计算参数代入公式(3)，其计算得到上下限预警水位Su、Sd时的允许开采量为分别Qu=11187m3/d，Qd=13150m3/d。

故按照非稳定流Theis公式进行计算，在预警水位范围内即水位在灰岩顶板埋深以上2～5m时，水源地的安全开采量为11187～13150m3/d之间。

4.2 允许开采量的确定与评价

开采试验法计算的允许开采量为11354m3/d，介于按非稳定流泰斯公式计算的安全开采量范围11187～13150m3/d之间，后者对前者进行了验证，说明开采实验法计算的允许开采量是可靠的。最终推荐允许开采量为11354m3/d，在最大程度开采地下水资源的情况下，保证水源地运行时不易引发岩溶塌陷的环境地质问题。

5 结论与建议

(1)经过对小龚庄水源地水文地质资料的详细分析，该文采用开采试验法计算的小龚庄水源地允许开采量为11354m3/d。通过设定岩溶塌陷预警水位，利用非稳定流Theis公式计算不易诱发岩溶塌陷的安全开采量范围为11187～13150m3/d，后者对前者进行了验证，说明以12187m3/d作为小龚庄水源地允许开采量是可靠的，最终推荐允许开采量为11354m3/d。

(2)鉴于该次计算依据的抽水试验时间较短，计算的水文地质参数精度可能不够，建议在水源地运行一个水文年后根据运行期间监测数据对水源地允许开采量进行修正。

(3)该文通过开采试验法与非稳定流Theis公式法相结合的方式最终确定了小龚庄水源地的地下水允许开采量，保证了水源地可以最大限度的开采地下水资源，同时在水源地运行时不易诱发岩溶塌陷的发生环境地质问题。对该类型水源地地下水允许开采量的计算评价具有一定的借鉴意义。