柴达木盆地南缘牛苦头矿区孔隙水水源地的分布特征及潜力分析

蒋本文，李红林

（中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650000）

1 工程概况

项目区属青海省格尔木市乌图美仁乡辖区，位于柴达木盆地南缘的牛苦头矿区，处于格尔木市西北面。为研究就近取水的可行性，评价第四系孔隙潜水资源的分布及潜力，我中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司开展了该项目详查阶段相关的水文地质勘查工作。

1.1 以往的水文地质研究程度

本区水文地质研究程度较低，仅有早期《乌图美仁1：20 万水文普查报告》中对区域地下水的赋存形式及补径排特征进行过简单阐述。

1.2 本次勘查方法及完成情况

在水文地质测绘的基础上，在四角羊沟及牛苦头沟2 条山间沟谷中-下游位置，各施工了7 个水文地质钻孔，口径Φ250mm，填砾并安装Φ168mm 滤管，进行了三次降深带观测孔的多孔抽水试验，以获得Q-s、q-s 曲线以及渗透系数、影响半径、给水度等水文地质参数，通过模拟开采条件下进行群孔抽水试验，计算了拟建水源地地下水的储存量、排泄量，采用近似抽水试验法以及水均衡理论，对牛苦头矿区第四系孔隙潜水水源地的分布特征及潜力进行系统的评价分析。

2 自然地理及地质概况

2.1 气象

项目区气候具少雨、蒸发强烈的特点，属于典型高原内陆高寒干旱气候。根据小灶火气象站观测资料，其多年平均降雨量为25.7mm，降水多集中在6 ～9 月份，约占年降水量的89%；多年平均蒸发量为2713mm，蒸发量是降水量的106 倍；月平均气温7 月份最高，一般为15.1°C ～18.7°C；月均最低气温出现在1 月份，一般为-9.1°C ～-13.4°C，最大冻结深度0.87m。

2.2 水文

勘查区内水系不发育，四角羊沟、牛苦头沟为勘查区邻近的两条主沟，属干沟，相互独立存在；仅在7-8 月份雨季时见间歇性流水，植被不发育；牛苦头沟长约16km，汇水面积约80km2。四角羊沟沟长约18km，汇水面积约98km2。4 月份以后，随着温度上升，中高山区的积雪开始融化，并在沟谷上游汇集形成暂时性地表径流，一天之内融雪水的流量变化范围可达50-6000m3/d。6 ～9 月是降水量最集中的季节，牛苦头沟阵雨形成洪流的洪峰流量可达6m3/s，洪水沿途渗漏，出山口数公里即全部渗失。

2.3 地形地貌

勘查区位于柴达木盆地南缘昆仑山支脉-祁漫塔格山麓，区域地面标高3600m-5020m，相对高差达1420m，属山地地貌，总体上南高北低。祁漫塔格山主山脉平均海拔4500m 以上，部分山体常年积雪；中低山区位于牛苦头沟、四角羊沟的中-下游地段的山体，海拔3500m～4000m，山体形态呈馒头状和环形，水源地拟建地段为山间沟谷的下游地段，地形坡度相对较缓。

3 水文地质条件

项目区地下水受地形地貌、地质构造、地层岩性、气象及水文等条件的制约。山间沟谷下游地段沉积了巨厚的新生界第四系全新统（Qhal+pl）冲洪积层砂砾石层，厚度0m～69m，透水性良好，为孔隙潜水的储存提供了良好的空间，富水性强，为地下水的汇流径流区区，水量大，下部为弱透水层的花岗岩及变质岩，使得中下游第四系孔隙潜水不会垂向漏失；第四系孔隙潜水的补给来源主要依靠冰雪融化形成的地表水，通过在山间沟谷的垂直渗漏补给以及沟谷地下水径流补给。

3.1 地下水的赋存条件及分布规律

构造运动的差异性使北部的冲洪积平原较南部祁漫塔格山区低1800m 以上，造成区内气候、地貌、岩性、水文地质条件等具有明显的分带性，同时也决定了地下水的主要径流方向及不同地带的赋存特点和规律。

（1）南部海拔4500m 以上的高山区，常年有冰冻层，为冻结层水的赋存提供了赋存条件。

（2）山区风化剥蚀的碎屑物质被地表水带入沟谷，在沟谷谷地中形成巨厚层状冲洪积松散层，主要为砂卵砾石，颗粒较粗，孔隙度大，具有良好的贮水空间，为地下水的赋存提供了良好场所；接受沟谷季节性河流大量垂直渗漏补给，形成孔隙潜水含水层，其特点是含水层渗透系数、给水度大，埋藏较深，富水性强，主要分布于四角羊沟及牛苦头沟2 条山间沟谷下游地段。

四角羊沟主沟长约20.0km，牛苦头沟主沟长约16.0km，本次水源地的勘查区位于2 条山间沟谷下游，含水层为第四系冲洪积松散堆积层；其中四角羊沟沟谷内堆积物厚度为0m ～53.0m，地下水位埋深约32.0m；牛苦头沟沟谷内堆积物厚度为0m ～69.0m，拟建水源地地下水位埋深32.0m ～39.5m，地下孔隙潜水丰富，渗透系数一般5.5m/d～40m/d，为潜水水量丰富地段，也是水源地建设的最优地段。

3.2 地下水的补给、径流、排泄条件

项目区地下水类型为第四系孔隙潜水，大气降水及融雪水在山间沟谷中地表径流的垂直渗漏是地下孔隙潜水主要补给来源，第四系孔隙潜水含水层岩性颗粒粗大，结构松散，透水性强，地下水的径流方向与沟谷的发育方向一致，地下孔隙潜水主要以潜流的形式向沟谷下游排泄。

4 地下水资源评价

4.1 地下水天然资源评价

4.1.1 水文地质参数的确定

（1）渗透系数（K）的确定：管井揭穿第四系松散层潜水含水层，属于完整井，选用主孔带2 个观测孔的三次降深抽水试验对渗透系数(K)进行计算，并对计算结果进行对比分析。计算公式：

式中：Q 为抽水试验时的出水量（m3/d）。H 为含水层的厚度（m），取值17.5 m。S1为距离抽水孔较近的观测孔水位降深值（m），取值50m。S2为距离抽水孔较远的观测孔水位降深值（m），取值70m。r1为抽水孔与较近观测孔之间距离（m）。r2为抽水孔与较远观测孔之间距离（m）。

经计算得大降深至小降深抽水试验时的渗透系数分别为：63.23（m/d）、61.40（m/d）、65.76（m/d）；取平均值作为含水层的渗透系数，K(GCK1-1)=63.46（m/d）。同理求得牛苦头沟第四系冲洪积地层的渗透系数K（G07）=32.07m/d 。

（2）给水度（μ）的确定：采用适用于K=0 ～600m/d中细砂以粗地层的经验公式计算给水度（μ）值，用经验公式计算的给水度值与经验值比较接近，但有些偏大，计算的地下水资源量会偏大。

计算得：四角羊沟水源地2-2′剖面处μ（四角羊沟）=0.211

牛苦头沟水源地G07 号井处μ（牛苦头沟）=0.192

（3）水力坡度（I）的确定：通过使用高精度测量仪器准确测量了各孔的地表高程，结合统测的地下水埋深，换算出统一的静止水位标高；采用以下公式：

式中： I 为水力坡度；

ΔS为沿地下水径流方向上两点之间的水头差

L 为沿地下水径流方向上两点之间的水平距离

经计算可知：

（4）影响半径（R）的确定：根据观测孔的水位降深及相应的计算公式综合确定钻孔的影响半径。通过分析计算得出的影响半径，得出四角羊沟拟建水源地影响半径为300m，牛苦头沟拟建水源地影响半径为500m。

4.1.2 地下水补给量

四角羊沟及牛苦头沟2 条山间沟谷水源地地下水的补给来源主要来自南部山区大气降水及融雪水补给，由于工作区的气象、水文资料较少，无法准确核算大气降雨对地下水的入渗补给量。

4.1.3 储存量的计算

根据1：2.5 万水文地质测绘及水文地质调查资料，牛苦头沟G07 至G01 段沟谷地形平缓宽阔，为拟建水源地的主要储水地段，该段以上沟谷宽度变得狭窄，地形坡降开始变大；根据牛苦头沟在G07 处获得的1 条水文地质剖面、已有7 口水井资料获得的沿沟谷发育方向的纵剖面、沟谷形态、水力坡度等资料可知，牛苦头沟山间沟谷拟建水源地地下孔隙潜水的平均含水层厚度为13.1m，平均宽度150m，选取G07 至G01 段共2.5km 沟谷计算地下水储存量。

根据地下水储存量容积法计算公式：

式中：μ 为给水度，为经验值，与实际经验值较为接近。V的取值为各剖面横断面面积的平均值与该段沟谷长度的乘积。

4.1.4 排泄量的计算

牛苦头沟山间沟谷3-3′剖面含水层厚度大，沟谷呈V 型，横断面面积为2111.8m2；按照达西渗透定律使用以下公式计算：

式中：Q 地下水径流量（m3/d）。K 渗透系数（m/d）。I 水力坡度。B 计算断面的宽度（m）。M 含水层厚度（m）。B 与M 的乘积为横断面面积（m2）。

经计算可知：四角羊沟拟建水源地在下游2-2′处渗透系数取值31.93m/d；水力坡度为2.1%，横断面地下水排泄量为：Q2-2′排=2892.9m3/d。

牛苦头沟在3-3′剖面处渗透系数取值32.07m/d；水力坡度为2.2%，横断面地下水排泄量为Q 3-3′排=1490.0m3/d。

4.2 地下水允许开采量计算

（1）四角羊沟山间沟谷水源地。通过近似开采试验法对沟谷上游施工的两个水文地质勘查孔同时进行抽水试验，当开采总量为1600m3/d 时，经过72 小时时间抽水试验可知，KT01 静止水位为31.44m，稳定水位36.3m，降深4.86m，稳定出水量968.4m3/d；GCK1-1 静止水位为31.09m，稳定水位32.86m，降深1.77m，稳定出水量628.8m3/d；停泵后，水位迅速回升，停泵后5 分钟，KT01 钻孔恢复水位剩余值为1.16m，GCK1-1 钻孔恢复水位剩余值为0.74m，经过48 小时后，水位基本恢复到原来水平，说明实际抽水量基本接近开采条件的补给量，可将抽水试验的抽水量近似为允许开采量，即Q允（四角羊沟）=1600 m3/d。

（2）牛苦头沟山间沟谷水源地。通过开采试验法模拟未来开采方式对G07、G06 进行了两个主孔同时抽水试验，当开采总量为1682m3/d 时，经过72 小时抽水试验可知，G07 静止水位为31.8m，稳定水位41.72m，降深10.24m，稳定出水量1054.0m3/d；G06 静止水位为32.73m，稳定水位35.49m，降深2.76m，稳定出水量628.8m3/d；停泵后5 分钟，水位迅速回升，此后水位恢复相对较慢。取用牛苦头沟3-3′剖面处的地下孔隙潜水排泄量作为地下水允许开采量，即Q允（牛苦头沟）=1490.0m3/d。

小结：牛苦头矿区四角羊沟及牛苦头沟2 条山间沟谷中的地下水允许开采量Q允=3090m3/d。

5 结论和建议

（1）通过勘察工作，对四角羊沟及牛苦头沟矿区水源地地下水采用近似抽水试验法，得出四角羊沟水源地地下水允许开采量Q允（四角羊沟）=1600.0m3/d；结合牛苦头沟3-3′水文地质剖面处地下孔隙潜水的排泄量，得出牛苦头沟地下水的允许开采量Q允（牛苦头沟）=1490.0 m3/d。

（2）由于勘查时使用近似抽水试验法的抽水时间较短，不能完全准确模拟未来水源地在开采使用条件下的状态，因此，在拟建水源地投入建设使用后，应对地下水的开采量、静止水位、动水位、降深、恢复水位等进行详细的记录，以此对地下水资源的允许开采量进行复核及调整。

（3）目前水源地已于2015 年建成并投入使用，到目前已使用了近5 年时间，根据投入使用的水源地各钻孔的抽水记录资料可知，前期的勘查资料非常准确。