闽北山区乡镇供水地下水源找水工作方法探讨 ①

2021-01-24张富乐

福建地质 2020年4期

张富乐

(福建省闽北地质大队，南平，354000)

集中供水工程系指以村镇为单位，从水源取水，经净化消毒，水质达到饮用水卫生标准后，利用配水管网统一送到用户或集中供水点的供水工程；其他以户为单位和联户建设的供水工程为分散式供水工程[1]。南平乡镇集中供水基本以地表水为主，地表水水源占全市乡镇供水的95%以上[2]。近年来，随着城镇面积扩大、人口增加，早期的乡镇集中供水工程出现水源不足、季节性缺水等问题，面临寻找第二水源、后备水源的问题。2019年，省地矿局开展部分缺水乡镇(村)供水水文地质勘察项目，在邵武沿山镇开展的供水水文地质勘察(1)福建省闽北地质大队，邵武市沿山镇供水水文地质勘察报告，2020。。此次工作通过对在典型山区找水方法进行总结，为省内山地丘陵区找水工作提供参考。

1 研究区地理位置及水文气象

沿山镇位于邵武西北部郊区，距市区约17 km，镇辖区面积为261 km2，辖13个村，1个居委会，全镇户籍人口1.8万人，现镇区常住人口近0.7万人[3]。区域内属中亚热带东南季风性气候，四季分明，温暖湿润，日照充足，雨量充沛，根据近20年(1999～2019)气象资料，年降水量为1 061.8～2 504.1 mm，年平均降雨量为1 913.65 mm，丰水期为每年3～6月份，占全年降水量的58.12%。

2 供水现状及找水目标

镇区集中供水工程建于2010年，日供水量700 m3/d，受益人口为0.7万人，每天24 h供水，人均日给水量为100 L。随着镇区的扩容，常住人口将达1.2万人(2)福建省城乡规划设计院，邵武沿山镇总体规划(2017～2030)，2017。，经计算镇区自来水日供水需求约为1 200 m3/d，与现有镇区水源供水能力相差约500 m3/d。

镇区地表水源扩容受限，易受季节影响，雨季水源泥质过高、旱季水量不足，因此，考虑采用地下水源作为新水源。根据前人在镇区及周边开展的供水水文地质项目，松散岩类孔隙水、风化基岩裂隙水，单井流量一般分别为100～150 m3/d、80～100 m3/d，水量无法满足需求(3)福建省闽北地质大队，福建省邵武市农业水文地质区划图说明书，1983。。因此，此次的找水目标为深层断裂构造水，而且单井出水量不小于150 m3/d，总井口出水量不小于500 m3/d，水质满足生活饮用水卫生标准[4]。

3 富水构造的特征与验证

3.1 地质概况

研究区总体地势四周高、中间低，处于典型的山间盆地，周边群山环抱，海拔主要最高为1 280.4 m；沿山盆地地形平坦、开阔，最低海拔为210 m，相对高差为1 070 m。主要的地层有新元古代万全(岩)群黄潭(岩)组、下峰(岩)组的变粒岩、片岩，震旦纪西溪组变质砂岩，古生代寒武纪林田组变质砂岩，中生代早侏罗世梨山组砂岩、砂砾岩和第四系砂砾、卵石层；区内侵入岩分布广泛，出露面积约占78.27%，区内周边以燕山中期二长花岗岩为主。

3.2 水文地质条件

区内地下水主要为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和基岩裂隙水3种类型。

松散岩类孔隙水：主要分布于沿山河谷两岸及山间沟谷，含水岩组在第四系冲洪积卵石或砂砾石层中，含水岩组一般具二元结构，上部为弱透水的粉质黏土，下部为强透水或含水的卵石、砂砾石层，含水层厚度一般为0.5～2.5 m，单井涌水量一般为50～80 m3/d，水量贫乏。地下水为孔隙潜水，局部具微承压性，补给来源除大气降水补给外，还有河水侧向补给，另外靠近山前地带还接受基岩裂隙水补给。

图1 邵武市沿山镇水文地质略图Fig.1 Brief hydrogeological map of Yanshan town, Shaowu city1—第四系；2—燕山中期二长花岗岩；3—下降泉；4—上升泉；5—水文钻孔；6—涌水钻孔；7—充水断层/断层；8—地层界线；9—电阻率联合剖面测线；10—高密度电阻率测深剖面测线

碎屑岩类孔隙裂隙水：含水岩组主要为侏罗纪梨山组、寒武纪林田组砂岩，裂隙中因为泥质含量高，贮存条件差，泉流量一般小于0.1 L/s，总体水量属贫乏，主要为大气降水补给。

基岩裂隙水：可划分为侵入岩类基岩裂隙水、变质岩类基岩裂隙水和构造裂隙水。侵入岩类基岩裂隙水含水岩组主要为燕山期花岗岩，泉流量一般为0.11～0.454 L/s，单井涌水量为19.1～86.4 m3/d，总体水量属贫乏。变质岩类基岩裂隙水含水岩组为元古代变质岩，岩石节理裂隙较发育，连通性较差，地下水贮存条件较差，泉流量为0.08～0.10 L/s，水量贫乏。构造裂隙水主要贮存于张性断裂构造中，受断裂构造的产状、规模影响，富水性不一(图1)。

3.3 断裂构造及富水性

研究区处福建一级构造单元闽西北隆起带的中偏北部，属南华活动带武夷—云开褶皱带北段的华夏基底隆起带的一部分，为华夏古陆的重要组成部分。区内经历了众多构造期的变动，尤其是晚侏罗世以来，大规模陆内断陷及岩浆活动构成该区最基本和最主要的构造体系-岩浆岩展布，主要构造为北东、北北东向，次为南北向构造(4)福建省地质调查研究院，邵武幅1∶25万区域地质调查报告， 2005。，野外调查发现的主要断裂构造特征及富水性(表1)。

根据水文地质调查判断，工作区主干断裂构造为北东向(F1、F2)规模较大，延伸较长，但一般不含水，为阻水构造；次为近东西向断裂构造(F3、F4、F5)，规模较小，但富水性较好，尤其与北东向断裂相交部位，为北东向阻隔，富水性好。

构造裂隙水主要受断裂通过地层岩性、地质构造发育程度、地形(地貌)等因素影响，构造裂隙水的补给来源主要为大气降水、风化带孔隙裂隙水及断裂穿过沟谷、河流、水库的地表水。地下水沿破碎带由地形高处往低处径流，含水带一般具承压性，在断裂穿过沟谷地形低洼处一般以上升泉的形式排出地表。补给区与排泄区往往相距较远，泉流量与季节关系不密切。

区内周边群山环绕，汇水条件好，降雨量充沛，近东西向断裂构造(F5)切穿数个沟谷(图2)，可以获得较为稳定的补给来源。据泉点S104、S107的流量观测(2019-05～2020-04)

表1 邵武沿山主要断裂特征及富水性

及涌水钻孔SWGS-5(2019-09～2020-08)监测数据，通过泉、井流量与降雨量的相关性分析，构造裂隙水具有相对稳定的补给来源，流量与大气降水关系不密切，泉点丰水期最大流量分别为0.170 L/s(S104)和0.483 L/s(S107)、枯水期最小流量分别为0.140 L/s(S104)和0.325 L/s(S107)，泉流量随季节略有变化，丰水期流量是枯水期的1.21～1.48倍；SWGS-5孔水位年变化幅度仅为0.05 m，流量为0.035 L/s(表2)。

图2 邵武沿山F5断裂剖面(走向方向)示意图Fig.2 F5 fracture profile (strike direction) schematic of Yanshan town, Shaowu city1—第四系；2—燕山中期正长花岗岩；3—燕山中期二长花岗岩；4—上升泉；5—断层及编号；6—施工钻孔及编号

构造裂隙水的水化学主要为HCO3-Na·Ca型，个别为HCO3-Ca和HCO3-Na·Mg·Ca型，水化学类型主要与断裂穿过两侧围岩地下水水化学大致相同。因构造裂隙水上覆相对隔水层残坡积黏性土及第四系冲洪积黏土层，埋藏较深，径流途径长，水质不易受地

表工农业用水入渗影响，据SWGS-3、SWGS-5等孔丰、枯水期水质监测，pH值为6.50～6.65，铁(Fe)0.02～0.03 mg/L、锰(Mn)0.02～0.04 mg/L、氟化物(F)0.17～0.18 mg/L、硝酸盐(NO3)0.38～1.03 mg/L、偏硅酸(H2SiO3)32.33～34.683 mg/L等主要指标变化不大(表3)，水质总体稳定，适宜作为集中供水水源。

表3 邵武沿山—丰水期(SWGS5-1)、枯水期(SWGS5-2)水质测试成果

3.4 断裂构造验证

近东西向断裂构造为此次找水的重点。拟布设钻孔地段为第四系覆盖，在F4上布设了电阻率联合剖面法测量，测试成果显示，K1测线在120 m附近出现正交点，推断点190 m为张性破碎带构造；K2测线在230 m附近出现正交点，推断点230 m为张性破碎带构造。在物探推荐部位施工SWGS-2，抽水试验水量仅19.30 m3/d(降深28.0 m)。

F5断裂构造，地表露头较明显，且沿断裂构造有多处泉点出露，直接采用取芯钻孔验证。于F5含水断裂与F2阻水构造交汇部位，F5构造倾向方向施工SWGS-7，经钻孔揭露，孔深38.0～44.0 m处揭露断层破碎带，裂隙发育，裂隙面多见铁锰质，岩芯破碎，多呈碎块状、块状；经抽水试验，井口出水量为304.3 m3/d(降深26.65 m).此后。在东侧采用潜锤无芯钻探，孔深为130 m,主要含水段为31.3～36.67 m，井口出水量为810 m3/d(降深8.70 m)。于F5断裂东段施工SWGS-5，孔口出水量187.7 m3/d(降深19.75 m)，该孔为涌水孔，水头高于孔口0.65 m。于F3与F2断裂交会部位施工SWGS-4、SWGS-11孔，孔口出水量均大于400 m3/d。

此次共施工钻孔11个，可供利用的钻孔为8个，井口总出水量为2 500 m3/d，可解决1.2万人的日常饮用需求。根据10组水样分析成果，水质均符合生活饮用水卫生标准，地下水各组分中pH值为6.5～7.01，属中性水；总硬度(以CaCO3计)为19.12～79.33 mg/L，属软水-极软水；溶解性总固体为22～157 mg/L，属淡水。按地下水质量标准[5]指标，地下水质量综合类别为Ⅱ类和Ⅲ类，Ⅲ类指标主要为铁、锰，次为铝，地下水化学组分含量中等，适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水。此外，SWGS-3、SWGS-4、SWGS-5、SWGS-7、SWGS-11等钻孔水中的偏硅酸含量为31.3～38.4 mg/L，其他指标满足“饮用天然矿泉水”[6]水质标准，可作为偏硅酸型矿泉水开发利用。

后期对地下水的开发利用应保护好供水井周边的生态环境，设立Ⅰ级(井位周边30～50 m)、Ⅱ级(井位周边150～200 m)、Ⅲ级保护区范围；不得有影响供水井水质、水量的人类工程活动；供水井所在农田建议不耕种，防止地表水在供水井周边漫流、下渗，影响水质，并定期对水质、水量观测。

4 找水工作方法

4.1 含水构造的确定

在非岩溶山区，主要地下水类型为松散岩类孔隙水、风化基岩裂隙水、构造裂隙水3种类型。松散岩类孔隙水通常富水性中等-丰富，但易受生活、生产影响，水质较差；风化基岩裂隙水一般水量有限，且受季节影响流量不稳定，不宜作为集中供水水源。因此，在非岩溶山区寻找大量地下水，主要为构造裂隙水。野外调查应重点查明构造的力学性质、规模、产状要素、胶结与充填、岩脉与岩体活动和蚀变破碎情况、裂隙发育程度及地下水活动，以及断裂构造的交切关系等[7]。对构造的性质判断，对成功找水起到了至关重要的作用。水文工作应重视泉点的调查，特别是上升泉是对构造的富水性进行判断的重要依据，F5断层沿走向方向分布3处上升泉，最大流量为1.00 L/s，判断该断裂富水性好，后期钻孔验证亦与地表调查结论一致。

同一构造不同部位的富水性也有差异，主要受补给条件、与其他构造的交切关系等因素影响。研究区近东西向为富水构造，北东向为阻水构造，在二者的交切部位施工(SWGS-7、SWGS-4)孔，水量远远大于其他部位施工(SWGS-5、SWGS-10)孔。

4.2 物探方法的综合运用

物探是用物理方法找水的一种重要的地质勘探手段，应用前提是目标体与围岩体具有物性差异[8]。因此，实际生产中应该加强物探资料与地质资料综合研究，多种物探手段组合能够有效排除干扰和不确定因素，提高物探工作准确性。

沿山K1线联合剖面测量成果来看，曲线形态整体呈“V”字形，小极距在120 m有明显低阻正交点，大极距在140 m有明显的低阻正交点，推测为含水构造引起。后期在K1线130 m处施工钻孔SWGS-2，富水性差，抽水试验水量仅19.30 m3/d(降深28.0 m)，未达到预期目的，分析其原因可能为构造局部含泥质胶结引起低阻，泥质胶结物电阻率相对围岩电阻率较低，在联合剖面曲线上同样表现为低阻正交点(图3)。

图3 K1线电阻率联合剖面曲线Fig.3 Combined resistivity profile of K1 line

在F5构造上布设了电阻率联合剖面法和高密度电阻率测深法，联合剖面曲线形态整体呈“V”字形，小极距在200 m有明显低阻正交点，大极距在210 m有明显的低阻正交点，推测为含水构造；高密度测深断面图显示在210 m处有明显低阻异常向深部延伸。后期在K7线210 m处施工SWGS-5，孔深24.50～31.30 m处揭露断层破碎带，裂隙发育，裂隙面多见铁锰质，岩芯破碎，多呈碎块状、块状；经抽水试验，井口出水量为187.7 m3/d(图4、图5)。

图4 K7线高密度电阻率测深断面图Fig.4 High density resistivity bathymetric profile of K7 line

图5 K7线电阻率联合剖面曲线Fig.5 Combined resistivity profile of K7 line

4.3 钻探工艺的选择

潜孔锤无芯钻探具有钻进效率高、钻头寿命长、防斜效果好、成井质量高、出水量直观等优点[9]。岩芯钻探钻进平均速率为1 m/h，潜孔锤为20 m/h，钻探速率比为20，提高了施工效率，完成一个潜孔锤钻井的施工和成井的工作时间小于8 h，对于应急、抗旱打井应优先推广。使用潜孔锤工艺，在钻进过程向孔内输送高压气体，冲开岩层的裂隙，带走施工过程中的岩粉，对孔壁具有一定的破坏作用，可加大孔径，提高出水量。在同一位置(SWGS-3、SWGS-7)采用不同工艺，在相同孔深的情况下，潜孔锤工艺出水量(480 m3/d)是取芯工艺(300 m3/d)的1.6倍。