某锶型天然矿泉水资源允许开采量评价★

张 晶，王洪亮，赵 斌

(1.华北有色工程勘察院有限公司,河北 石家庄 050021;2.自然资源部金属矿山地下水灾害防治工程技术创新中心,河北 石家庄 050021)

锶是人体骨骼和牙齿的重要组成元素,能够促进骨骼发育和类骨质的形成,还具有抗氧化、防衰老等诸多保健功能[1]。我国锶型食品品类较少,以矿泉水为主,因此,天然锶型矿泉水越来越受到消费者的追捧,消费市场存在巨大潜力[2]。随着我国天然矿泉水行业的迅猛发展[3],已经形成了众多天然矿泉水开发基地[4-7],承德市因自身地质条件优势,蕴育了丰富的锶型、偏硅酸型、偏硅酸·锶复合型天然矿泉水资源[8],极具研究价值。

勘察区位于承德市西部,地形总体上西高东低,海拔标高473 m～2 047 m,属大陆性季风型燕山山地气候,历年平均降水量为443.61 mm,历年平均蒸发量为1 359.64 mm。区内无大型工矿企业,水资源开发利用程度低,沟谷有常年性河流,植被茂盛,生态环境优美,具有得天独厚的自然条件。

1 含水系统特征

1.1 含水层岩性及富水性

勘察区内含水介质主要有松散岩类孔隙含水层、基岩风化裂隙含水层及基岩构造裂隙含水带。

1)松散岩类孔隙含水层。第四系全新统冲洪积层主要分布在沟底,岩性主要为砂砾卵石层,厚度约10 m,地下水水位埋深0.50 m～6.23 m,渗透系数为9.62 m/d～469.03 m/d,透水性强,降深5 m时单井涌水量360.72 m3/d～5 731.34 m3/d,富水性中等—极强。

第四系更新统风积坡洪积层岩性主要为风积黄土状亚黏土,局部夹洪坡积砂砾石,厚度约40 m,水位埋深3.90 m～5.50 m,渗透系数为0.21 m/d～6.03 m/d,透水性中等,降深5 m时单井涌水量小于366.77 m3/d,富水性微弱—中等。

2)基岩风化裂隙含水层。广泛分布于全区,基岩风化裂隙发育程度中等,风化层一般深度20 m～40 m,地下水水位埋深4.60 m～8.00 m,渗透系数为0.33 m/d～2.89 m/d,单位涌水量为0.074 L/(s·m)～0.100 L/(s·m)。该含水层中多出露下降泉,泉水流量季节性变化明显,流量最大为2.71 L/s～53.09 L/s。总体来看,该含水层透水性中等,富水性弱—中等。

3)基岩构造裂隙含水带。区内断层构造破碎带及其两翼影响带构造裂隙较发育,基岩构造裂隙含水带沿断层及其两侧呈带状分布,含水层厚度垂向发育较深,宽度10 m～250 m不等。含水层渗透系数为0.19 m/d～0.73 m/d,单位涌水量0.076 L/(s·m)～0.143 L/(s·m),该含水层透水性中等,富水性弱—中等。

1.2 地下水流动系统特征

区内地下水主要接受大气降水入渗补给,各含水层之间均存在一定的水力联系。第四系孔隙含水层与基岩风化裂隙含水层直接接触,水力联系密切,基岩风化裂隙水于沟谷两侧山区接受降水补给后,依地势向谷底汇集,在沟谷等地形切割强烈地带形成下降泉或泄流带,补给谷底第四系松散岩类孔隙含水层或以地表水排泄。部分基岩风化裂隙水沿构造裂隙继续下渗补给基岩构造裂隙含水带,沿断裂带向沟谷径流,在地势低洼处溢出成泉补给谷底河流。在基岩构造裂隙水补给区内,构造裂隙水接受上覆基岩风化裂隙水的补给,而在基岩构造裂隙水径流区内,基岩构造裂隙水则向上越流补给基岩风化裂隙水和第四系孔隙水,三个含水层相互联系,构成统一的地下含水系统,见图1。

1.3 地下水动态特征

由于勘察区第四系孔隙含水层和基岩构造裂隙含水带分布面积有限,且基岩风化裂隙含水层富水性较差,大部分地下水转化为河川基流,因此,地下水水位年内、年际动态变化小,地下水的动态变化主要体现在河川流量的变化。

1.4 地下水水化学特征

区域内大量分布花岗岩、闪长岩等火成岩地层,为地下水提供了锶和偏硅酸物质来源,断裂构造为地下水的溶滤、汇集和运移提供空间与场所。地层岩性与地质构造控制着区内地下水化学场的空间分布特征。

表1 钻孔GK02水质监测表

GB 8537—2008饮用天然矿泉水中规定:锶质量浓度不小于0.20 mg/L(含量在0.20 mg/L～0.40 mg/L时,水源水温应在25 ℃以上)。因勘察区地下水温度低于25 ℃,锶质量浓度需高于0.40 mg/L。

经监测,水质界限指标中锶元素含量分别为:0.520 mg/L(平水期)、0.460 mg/L(枯水期)、0.460 mg/L(丰水期),均达到规范中界限指标要求,且水质感官指标符合要求,限量指标、污染物指标、微生物指标均未超标,可定为锶型天然矿泉水。

2 地下水资源评价

2.1 水文地质概念模型

勘察区北、西、南为地表水分水岭,东部为地表水和地下水出口,构成一个半封闭的水文地质单元,面积102.45 km2,如图2所示。

单元内主要含水层有沿谷底呈带状分布的第四系松散岩类孔隙含水层、广泛分布的基岩风化裂隙含水层和沿断裂构造及其影响带分布的基岩构造裂隙含水带,三个含水层之间具有一定水力联系,构成统一的地下含水系统。

天然状态下,地下水接受大气降水入渗补给后,依地势向沟谷汇聚,部分形成河川基流,部分沿沟谷向下游径流排泄,深部基岩构造裂隙水呈高承压性质;开采条件下,深部基岩构造裂隙水压力释放,沿构造破碎带,形成椭圆形地下水头降落漏斗,两侧山区基岩裂隙水沿断层破碎带向水源井径流,谷底上部的第四系孔隙水和基岩风化裂隙水向下补给深部基岩构造裂隙水。

2.2 水量均衡计算

勘察区内地下水位年内、年际动态变化小,地下水储存量变化小,可忽略不计。用排泄量法计算地下补给量:Q补=Q排=Q开+Q蒸+Q侧排+Q河流。

1)地下水开采量。勘察区内地下水开采量主要为农业开采和人畜用水开采。统计勘察区内人口,共4 023口;牲畜360头;灌溉田218.67 hm2。按照定额计算,地下水开采量为37.15万m3/a。农业灌溉回归系数β取经验值0.20,即农业灌溉水回渗量为6.15万m3/a。则Q开计算值为31.00万m3/a。

经计算,勘察区内潜水蒸发量为191.98万m3/a。

3)东部边界侧向排泄量。根据Darcy公式计算东部侧向排泄量,选择垂直于地下水流向的CK01—GK02钻孔一线作为计算断面,计算公式:Q侧排=K·I·M·L。其中,K为含水层渗透系数,m/d,第四系孔隙含水层和风化裂隙含水层渗透系数取水源井GK02抽水试验计算值3.26 m/d;I为地下水水力坡度,%,取CK01,GK01,GK02之间水力坡度平均值4.477%;M为含水层厚度,m,第四系孔隙含水层和风化裂隙含水层厚度取CK01,GK01,GK02孔揭露厚度平均值27.30 m;L为断面长度,m,取谷底第四系覆盖区宽度353 m。

通过计算,东部侧向排泄量为51.34万m3/a。

4)河川基流量。根据杨继营村西流量观测点实测流量,采用河流基流量分割程序HupbaseFlow软件,求取河川基流量。取参数N=3,f1=0.96,f2=0.5,对杨继营观测点流量过程线进行切割,见图3。计算勘察区内地下水排泄于主沟河流的河川基流量为176.20万m3/a。

综上计算,勘察区内地下水补给资源量Q补=Q排=Q开+Q蒸+Q侧排+Q河流=31.00+191.98+51.34+176.20=450.52万m3/a(12 343.01 m3/d)。

2.3 允许开采量评价

于枯水期对钻孔GK02开展了单孔多落程稳定流抽水试验,其抽水量和对应的降深值见表2。

表2 抽水试验抽水量及降深值

对应的Q-S曲线见图4。

含水层由上部第四系孔隙含水层(1.82 m～7.50 m)和下部基岩风化裂隙含水层(7.50 m～30.60 m)组成,上部第四系孔隙水含水层透水性强,且与地表水水力联系密切,下部基岩风化裂隙含水层透水性差,补给条件较差,造成当地下水水位处于第四系孔隙水含水层中时,钻孔出水量随降深增加幅度很大,而当水位下降至第四系孔隙含水层之下时,出水量随水位降深增加剧烈减小。

根据含水层结构特点及抽水试验成果分析,计算采用单井最大稳定出水量对应的水位降深等于第四系含水层和基岩强风化层厚度之和,取S=6.00 m作为抽水试验最大降深值推算钻孔GK02出水量,计算允许开采量为9.40 L/s,即812.16 m3/d。开采估算基准日为1月,处于枯水期。计算开采量为枯水期抽水试验最大涌水量的84%,保障程度较高。

3 结论

本文通过水均衡方法计算得出勘察区地下水资源量为12 343.01 m3/d,扣除人工开采量849.32 m3/d后,剩余资源量为11 493.69 m3/d。确定水源地取水层位为第四系含水层和基岩强风化层,评价锶型矿泉水资源允许开采量为812.16 m3/d(C级)。计算允许开采量仅占剩余资源量的7.07%,可见该水源地开采资源是有足够保障的。