西峰区巴家咀白垩系地下水水源地水质与可开采水资源量评价

许 泰，蒋兴波 ，张 卓，朱秀兰，张巨峰，杨峰峰

(1.陇东学院 能源工程学院，甘肃 庆阳 745000；2.青海师范大学 地理科学学院/青海省自然地理与环境过程重点实验室，青海 西宁 810008；3.甘肃省地质环境监测院，甘肃 兰州 730050)

巴家咀白垩系地下水水源地位于西峰区以西16 km蒲河河谷巴家咀段。其范围北起巴家咀水库库坝，南至页家河滩，东西分别达塬边线，呈一条沿蒲河河谷分布的东西宽300～400 m，南北长2 000 m的带状开采区，水源地范围内共有开采井8眼，正常使用7眼，总面积约1 km2(图1)。西峰区2020年供水报告显示：总需水量为33 600.0 m3/d，其中生活需水量为8 600.0 m3/d，工业需水量为15 000.0 m3/d，其它需水量为10 000.0 m3/d。随着城市需用水量的增加，具有最大供水能力的巴家咀水库在汛期不能保证城市正常用水，做为后备水源地的巴家咀地下水水源地将会发挥出巨大的功能。因此，对巴家咀水源地地下水水源地水质与可开采资源量评价具有重要意义。

图1 巴家咀地下水水源地位置及供水井分布图

1 研究区概况

1.1 地形地貌

研究区地势西北高，东南低，海拔1 040～1 291 m，相对高差240 m，分为黄土残塬沟壑和蒲河河谷两种地貌类型。黄土残塬沟壑分布在蒲河河谷两侧，黄土冲蚀地貌发育，黄土塬面宽阔平坦，塬边受沟谷地表水侧向侵蚀，呈不规则状，沟深坡陡，“V”型沟纵横交错。蒲河河谷由河流侵蚀堆积作用形成，区内呈南北向展布，河谷宽300～500 m，地势北高南低，仅发育一级基座阶地，且呈不对称分布，前缘高出河床1～2 m，以4‰的坡降向河床倾斜。

1.2 地层岩性与地质构造

巴家咀水源地地层较为简单，主要有第四系(Q)和下白垩系保安群(K1)。水源地第四系沉积齐全，从全新统至下更新统均有分布，成因上以风积为主，次为冲积、冲洪积。下白垩系在区内分布最为广泛，其厚度大、产状平缓、展布范围广，前人将陇东地区保安群分为宜君、洛河、华池、环河、罗汉洞、泾川六个岩组，其中泾川组在水源地范围内缺失，对本次研究有意义的是环河组和罗汉洞组[1]。

巴家咀水源地在构造上位于鄂尔多斯地台西南部，处于天环向斜东翼，属中生代内陆拗陷盆地，呈近南北向矩形轮廓，盆地内因基底相对稳定，构造活动不是十分强烈[2]。

2 水文地质条件

巴家咀水源地地下水划分为第四系松散岩类孔隙水和下白垩系碎屑岩类孔隙裂隙承压水。第四系松散岩类孔隙水赋存在蒲河河谷一级阶地，河漫滩及黄土中，含水层厚度薄、不连续、水量贫乏、易污染，做为水源地供水无实际意义。下白垩系碎屑岩类孔隙裂隙承压水是主要的开采目的层，是本次评价的对象(图2)。

图2 巴家咀水源地蒲河河谷地质地貌及水文地质剖面图

2.1 含水层埋藏与分布特征

(1)罗汉洞组承压含水层：含水层岩性主要以中粗、中细砂岩为主，呈面状分布，顶部夹薄层泥岩、泥质砂岩组成隔水顶板，水源地范围内厚度为40～60 m；其顶板埋深20 m，水头标高1 058～1 061 m，下部为含细砾中粗砂岩，砂质泥岩及泥质砂岩互层[3]。砂岩以石英、长石为主，泥、钙质胶结，孔隙性较好，具大型水平层理和斜交层理。泥质砂岩较致密坚硬，具水平层理。蒲河河谷区，裸露厚度不等，表部分布不均匀的风化带，出露厚度10～20 m，总厚度70～100 m。Ⅰ级阶地及漫滩等部位呈自流状态，含水层富水性较强，单位涌水量30～80 m3/d·m。

(2)环河组承压含水层：以泥岩、泥质砂岩、砂岩互层为主，地层厚度在横向上极不稳定，相差悬殊，从20～400 m不等[3]。该含水岩组特点是砂岩层次多，单层厚度薄，总厚度较小，泥岩与砂质泥岩分布不稳定，总厚度较大，这决定了含水层的富水性普遍较差。从区域地质资料推测研究区厚度为300～350 m。地层岩相复杂且变化大，砂岩与泥质砂岩不等厚互层。横向上砂岩与泥质砂岩层厚度不稳定，近距离相变很快，因此地下水在该层的分布规律也较为复杂，在巴家咀一带，上部40～50 m环河组以砂岩、砾岩为主，呈面状分布。40～50 m下有1～2 m的薄含水层存在，但含水层富水性相对较弱，构成一个弱含水介质，即可看作一隔水底板。该承压含水层水头较高，区内多自流，富水性较弱，单位涌水量10～50 m3/d·m。溶解性总固体为1～3 g/L,水化学类型为HCO3--Ca2+-Mg2+-Na+型和HCO3--Ca2+型[4-5]。

2.2 地下水补、径、排条件及动态变化规律

区内承压水主要接受六盘山前远距离径流补给，以3‰～6‰的水力坡度自西北向东南径流，除了水平方向上的径流补给外，在其径流途中，罗汉洞组承压水局部地段与地表水、上层潜水之间在垂直方向上也存在一定的水力联系。而排泄主要以径流形式流出，当承压含水层顶板被沟谷切割后，则以渗流形式向沟(河)谷中排泄。人工开采也是承压水排泄方式之一。

承压水水位动态呈季节性变化，主要受气候因素、埋藏深度和径流的控制，同时受人工开采、地貌、地层岩性等因素的影响，动态类型为径流-开采型。高水位一般出现4、5、6月，低水位出现在7、8、11、12及次年1、2月份，其它为平水期，总年变幅为2.5 m。4、5、6月补给区降雨增加，水头抬升，7、8月虽然为汛期，但也是水源地开始集中供水开采时段，水头降低，11、12月及次年1、2月为枯水期，补给减少，水头降低。

3 水源地地下水水质与可开采资源量评价

3.1 水源地概况及开发利用现状

巴家咀水源地内共有开采机井7眼(表1)，均分布在蒲河两岸Ⅰ级、Ⅱ级阶地上，占地面积约1 km2，间距300～500 m，井深120 m左右。蒲河右岸正常使用机井为2#、5#、6#、7#，左岸正常使用机井为3#、4#、8#，原有的1#机井已废弃。下白垩系罗汉洞组和环河组顶部孔隙裂隙承压水是主要的开采目的层，含水层厚度平均达80 m，富水性较强，单井涌水量1 100～1 200 m3/d，最大达1 500 m3/d。

表1 巴家嘴水源地开采井开发利用前基本情况

巴家咀水源地于2003年底建成使用至今,水源地每年供水2个月，主要在汛期巴家嘴水库水浑浊不能使用时开采，开采季节7口井交替开采，每日3～4口井抽水，每日供水最高4 000 m3，平均3 500 m3，其余时期主要利用水库水,开采量较小,以辅助用水进行供水(表2，表3)。

表2 巴家嘴水源地开采井基本情况

表3 巴家嘴水源地开采量基本情况

3.2 地下水水质评价

采用单项组分和综合指数两种方法评价巴家咀水源地地下水水质。

3.2.1 单项组分评价

选取巴家咀水源地范围内的2#钻孔地下水进行水质分析，将各组分值与地下水质量标准逐项对比，确定级别并进行评价[6-7]。本文是将地下水水质监测井中选取的每个监测项目的实测值与《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)中各项目的水质类别标准进行比较，最后选择最差类别作为该监测井的水质类别。由表4可以看出，2008年和2001年水质评价结果近似，说明水源地水质变化很小。水源地内罗汉洞组、环河组顶部地下水的感官性状良好，已检项目中除SO4、氟化物略高外，其余各项指标均符合地下水标准Ⅲ类水水质要求，满足国家饮用水标准。

表4 巴家咀水源地2#钻孔地下水水质分析与评价

3.2.2 综合指数评价

综合指数评价是根据单项组分评价划分的结果，确定各组分的评价分值Fi，标准如表5。

表5 综合评价打分标准

然后根据公式计算水质综合分值F：

(1)

表6 地下水评价等级分类标准

由表4可以看出，综合指数F值2008年为4.29，2001年为4.30，地下水评价等级类别为Ⅳ(较差)水。符合一般工业用水水质标准区，地下水水质较差。超标项目主要为SO4、氟化物，2008年分别高出规定标准30.84%、11%。如果将SO4经过处理达到250 mg/L，则地下水可达Ⅲ(较好)类水，适用于集中式生活饮用水及工农业用水。

3.3 水源地可开采资源量的计算与评价

3.3.1 确定计算参数

根据《甘肃省西峰市巴家咀白垩系地下水水源地勘查报告》，确定的参数为：渗透系数K值为1.60 m/d；含水层厚度M为80 m；水力坡度I为6‰；导水系数T为128 m2/d；弹性释水系数Ue为6.577×10-4。

3.3.2 水源地天然补给量计算

采用《地下水资源及分级标准》(GB15218-94)指定的断面法Q=KIBM进行计算，式中B为计算断面宽度，取1 600 m。

计算出水源地开采层下白垩系承压水天然径流补给量为443.84万 m3/a(1.216×104m3/d)。由于该承压水有较完整的隔水顶板，蒲河、雨洪地表水河谷浅层地下水转化渗入量极其微弱，无深部越流补给，可忽略不计，因此将该量作为水源地现状条件下的天然补给量是合理的。

3.3.3 地下水允许开采量计算

巴家咀水源地设计日开采量1.0万 m3，占天然补给资源量83%。水源地有开采机井8眼，井深110～120 m，井径0.3 m，单井涌水量可达1 100～1 200 m3/d。

3.3.4 地下水允许开采量保证程度分析

巴家咀水源地承压水在开采状态下含水层将形成开采性降落漏斗，有效夺取天然地下径流量，在水源地开采期达3年后处于完全稳定，此时西北补给边界平均水力坡度可达到8‰～12‰，相应开采状态下的补给量1.946～2.018万 m3/d，补给大于开采，故水源地设计允许开采量1.0万 m3是有充分保证的，且保证程度较高，已建巴家咀水源地的17 a运行的经验也可以证实这一点。

3.3.5 开采地下水对环境的评价

下白垩系罗汉洞组和环河组顶部孔隙裂隙承压水的含水层岩性以中粗、中细砂岩为主，含水层厚度80 m，表层覆盖厚度为3～11.5 m的第四系粉质粘土，水头高度-7.0～1.07 m(高出地面为正，反之为负)，水头绝对海拔约1 060 m，根据水源地允许开采量计算出目前开采方案井中最大水位降深为44.8 m，这说明开采地下水不会引发地面沉降和地裂缝等环境地质灾害问题，并且已建巴家咀水源地多年运行经验也是最好的证明。目前开采状态下水源地最大动水位为19.74 m，最大水位降深入值为11.34 m(按静止水头8.4 m计)，相应条件下的开采量为1 274.4 m3/d；水源井施工时期的最大动水位为40.86 m，最大水头降深入值为40.86 m(按静止水头0.85 m计)，相应条件下的开采量为1 248 m3/d。由此可以看出，当前状态下水源地地下水的渗透系数比2001年水源地地下水的渗透系数大，在相同动水位下目前开采状态比勘探时出水量大。测得的地下水静止水头比勘探时的静止水头低，是因为目前水源地处于开采状态。

目前，水源地范围内无明显污染源，而承压水主要接受六盘山山前远距离径流补给，补给来源途径较长，近年来石油开发规模不断增大[1,8-9]，对罗汉洞组构成污染隐患，所以石油开采要按环保要求达标后方可实施，否则会造成水源地的污染。

4 结语

巴家咀水源地内罗汉洞组、环河组顶部地下水的感官性状良好，除SO4、氟化物略高外，其余各项指标均符合地下水标准Ⅲ类水水质要求，可做为城市生活及工农业用水水源。水源地开采层下白垩系承压水天然地下径流补给量为1.216×104m3/d，大于设计开采量1.0万 m3/d，且保证程度较高。水源地不会因开采地下水而引发地面沉降和地裂缝等环境问题，但要注意防范石油开采对水源地污染的隐患。