干旱地區(qū)找水勘探思路探討——蒙古國前巴音鉬礦水源地勘探實例

王國棟

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

對前巴音鉬礦水源地勘探項目水文地質(zhì)模型、勘探思路、資源量評價以及最終確定水源地的分析，總結(jié)類似干旱地區(qū)找水的特點及勘探思路，對干旱、半干旱地區(qū)找水有一定的借鑒作用。

干旱地區(qū);地下水資源;勘探思路;襲奪;蒸發(fā)量

蒙古國位于東亞內(nèi)陸的蒙古高原，大部分地區(qū)屬大陸溫帶草原性氣候，季節(jié)變化明顯，降水量很少，年平均降水量為120～250 mm，其中70%集中在7、8月份。其地處中亞東西向巨型銅金多金屬成礦帶中東段，礦產(chǎn)資源豐富，據(jù)蒙古礦產(chǎn)資源管理局統(tǒng)計，蒙古國已發(fā)現(xiàn)和評價了800多個礦床，4 500多個礦點［1］，但由于水資源的匱乏，大部分礦產(chǎn)資源得不到有效的開發(fā)與利用。

1 項目概況

前巴音鉬礦位于蒙古國東南的蘇赫巴托額省境內(nèi)，礦山規(guī)模較大，資源較豐富，設(shè)計生產(chǎn)用水量為6 000 m3/d，然而水資源的匱乏則嚴(yán)重制約了礦山的發(fā)展。

1.1 地形地貌

該項目工作區(qū)位于中生代斷陷盆地的東部邊緣地帶，地貌類型為低山丘陵，地勢南高北地，東西高中部低，海拔750～1 280 m，總體地形坡度為0.4%左右，構(gòu)成了一個完整的水文地質(zhì)單元，面積約為3 204.56 km2，單元內(nèi)溝谷較發(fā)育，兩條主要溝谷呈北東、北西向延展，在單元中下游匯合后形成一條南北向溝谷，向北延伸到區(qū)外(見圖1)。

區(qū)內(nèi)歷年平均降水量為 241.8 mm，平均蒸發(fā)量為(E601)1 032.2 mm，地表水系不發(fā)育，多為季節(jié)性河流，雨季南部中低山區(qū)形成短暫的行洪，順地勢沿溝谷向下游徑流，大部分就地蒸發(fā)排泄，部分入滲補(bǔ)給地下水，局部見零星泉水出露，地下水垂向交替運(yùn)動頻繁。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

該區(qū)處于南蒙古巨大弧形構(gòu)造帶南側(cè)，華北陸臺與西伯利亞板塊之間的古生代造山帶內(nèi)，受華北陸塊、古蒙古洋殼和西伯利亞板塊多期次俯沖、碰撞和對接作用影響，該區(qū)范圍內(nèi)古生代 －沉積巖分布廣泛，深大斷裂帶(層)縱橫交錯［2］，區(qū)內(nèi)地層主要有奧陶系千枚片巖和綠泥片巖、砂巖、粉砂巖;志留－泥盆系泥質(zhì)和硅質(zhì)片巖、砂巖、粉砂巖;石炭系的砂巖、粉砂巖和礫巖;侏羅系的酸性噴出巖 －石英斑巖、霏細(xì)巖;白堊系的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥質(zhì)頁巖;第三系的粘土、砂、砂巖以及第四系的中細(xì)砂、粉細(xì)砂等;區(qū)域上巖漿巖廣泛發(fā)育，主要表現(xiàn)為晚古生代和中生代的大面積花崗巖。

2 勘探思路

該地區(qū)以往僅圍繞著礦產(chǎn)資源進(jìn)行過部分地質(zhì)工作，未進(jìn)行過任何水文地質(zhì)工作的研究，水文地質(zhì)研究工作為空白區(qū)。

圖1 蒙古國前巴音鉬礦水源地區(qū)域地質(zhì)略圖

2.1 宏觀研究

根據(jù)工作區(qū)的實際條件為避免投入工作量的盲目性，勘探工作首先從整體上宏觀把握該區(qū)域形成水源地的可行性，通過采用物探以及區(qū)域水文地質(zhì)測繪等手段，達(dá)到對區(qū)域地下水系統(tǒng)的整體認(rèn)識。

此次工作主要運(yùn)用四極直流電測深法對區(qū)域各地層的導(dǎo)電性差異進(jìn)行了整體研究與區(qū)分，通過對所做物探測深點的測深曲線以及部分鉆探資料的對比解譯分析，認(rèn)為其電阻率值一般在15～25Ω·m的地層在區(qū)域內(nèi)分布較廣，厚度較大，存在可作為供水水源地的可能性。該地層在水文地質(zhì)單元的中下部普遍分布，南部局部地區(qū)該地層出露地表，自南往北該地層埋藏深度逐漸增大，地下水自南往北徑流受阻(見圖2)。

圖2 南北向測線1視電阻率等值斷面圖及電學(xué)推斷地質(zhì)斷面

2.2 模型認(rèn)識

通過地面物探對區(qū)域地層的總體把握，我們對區(qū)域地下水系統(tǒng)有了一個整體的認(rèn)識，區(qū)域內(nèi)為一個完整的水文地質(zhì)單元，天然狀態(tài)下地下水的補(bǔ)給來源主要為大氣降水，接受補(bǔ)給后大部分地下水經(jīng)短途運(yùn)移后就地蒸發(fā)排泄，部分則順地勢徑流補(bǔ)給至中下游含水層，但下游含水層埋深逐漸加大，地下水徑流受阻而呈承壓狀態(tài)，受壓力作用地下水垂向越流至地勢較低洼的溝谷內(nèi)第四系含水層，進(jìn)而通過第四系潛水的蒸發(fā)而排泄，少量地下水依然以徑流方式排泄至區(qū)外，于是在區(qū)域上沿溝谷形成了一條南北狹長的地下水排泄通道(見圖3)。

圖3 水文地質(zhì)單元內(nèi)地下水補(bǔ)給徑流排泄示意圖

天然狀態(tài)下該單元的地下水排泄量基本上得不到人為的利用，而且由于該地區(qū)潛水蒸發(fā)強(qiáng)烈在排泄區(qū)內(nèi)形成大量鹽堿化土地，由此我們設(shè)想能否選擇合適的地段將該單元地下水分散蒸發(fā)排泄改為集中人工開采，從而降低淺埋區(qū)水位，變減少的潛水蒸發(fā)量為人工開采量。

3 方法與手段

3.1 群孔抽水試驗

為了驗證水文地質(zhì)模型認(rèn)識的正確性以及襲奪淺埋區(qū)潛水蒸發(fā)量的可行性，我們通過對工作區(qū)的不斷摸索與施工，最終確定成井地段并順利的施工六眼勘探開采井，經(jīng)過單井試抽水試驗每口井的出水量均達(dá)到了130 m3/h，出水能力比較理想。

為能更好的暴露地下水系統(tǒng)的內(nèi)在矛盾以及驗證對該模型預(yù)想的正確性，在枯水期對六眼勘探開采井進(jìn)行了為期20 d的群孔抽水試驗，抽水量達(dá)12 000 m3/d。至抽水試驗結(jié)束時各勘探開采井的水位已基本趨于穩(wěn)定，并且水位降深不大(見圖4)，說明該地區(qū)有著一定的地下水資源量，具備建設(shè)水源地的可行性。

圖4 前巴音鉬礦水源地群孔抽水試驗S—t歷時曲線

表1 第四系潛水水位變化一覽表

在群孔抽水試驗過程中對影響范圍內(nèi)的第四系觀測孔進(jìn)行了動態(tài)觀測，發(fā)現(xiàn)第四系潛水含水層的水位分別出現(xiàn)了不同程度的下降(見表1)，說明下部開采層位的承壓水與上部潛水含水層地下水存在著一定的水力聯(lián)系，這也有力的佐證了對該地區(qū)水文地質(zhì)模型分析的正確性。

3.2 資源量評價

利用群孔抽水試驗的原始資料通過數(shù)值模擬的方法對該地區(qū)地下水資源量進(jìn)行評價，通過對水文地質(zhì)模型的概化建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步對該地區(qū)地下水資源量進(jìn)行求解。相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為:

第四系地下水:

基巖地下水:

式中:H1、H2為第四系、基巖地下水位(m);k1為第四系含水層滲透系數(shù)(m/d);D1為第四系含水層底板標(biāo)高(m);E0為水面蒸發(fā)強(qiáng)度(m);Ha為地表標(biāo)高(m);Smax為最大蒸發(fā)深度(m);k'為弱透水層的滲透系數(shù)(m/d);M'為弱透水層的厚度(m);ω為降雨入滲補(bǔ)給強(qiáng)度(m/d);T2為導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)，承壓含水層T2=K2M，K2基巖含水層滲透系數(shù)，M基巖含水層厚度，潛水或無壓含水層T2=K2(H2－D2)，D2基巖含水層底板標(biāo)高;Qi為地下水開采量(m3/d);H0為初始水位L;Ω為計算區(qū)域;μ為潛水或無壓含水層給水度，承壓含水層貯水系數(shù);qe(x，y，t)為二類邊界單寬補(bǔ)給量(m2/d)［3］。

通過三角網(wǎng)格有限差分法對所建模型進(jìn)行求解，然后利用群孔抽水試驗資料調(diào)試和識別模型的水文地質(zhì)參數(shù)，通過各種循環(huán)量的反復(fù)調(diào)整，使模型在沒有人工排水的情況下運(yùn)行幾十年，仍能基本保持較穩(wěn)定的地下水流場。對調(diào)整后的水文地質(zhì)單元進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)，利用不同分區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)而求得單元內(nèi)的地下水資源量(圖5及表2)。

表2 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)表

由此我們可以計算出該水文地質(zhì)單元內(nèi)的地下水補(bǔ)給資源量，再通過對當(dāng)?shù)厝宋那闆r、自然環(huán)境以及地下水環(huán)境的綜合分析可以得出，該地區(qū)具備建設(shè)6 000 m3/d水源地的可行性。

4 結(jié)語

類似蒙古高原的干旱半干旱地區(qū)在尋找地下水資源方面存在著一些共性的特點，首先，地處干旱半干旱的內(nèi)陸地區(qū)，年降水量較小，蒸發(fā)量較大，區(qū)域地下水以蒸發(fā)排泄為主，且多存在著沿主要溝谷或大型沖溝相對集中的地下水淺埋區(qū)排泄區(qū);其次，地勢相對平坦，水文地質(zhì)單元面積相對較大，雖年降水量較小，但由于匯水面積較大，地下水位的微弱波動便可匯集大量的地下水資源量，地下水資源量有著可靠的物質(zhì)來源。

圖5 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖

通過對該項目的實施以及對以上特點的認(rèn)識，認(rèn)為在類似干旱半干旱地區(qū)進(jìn)行水源地勘探時應(yīng)做到:

(1)首先整體掌握區(qū)域水文地質(zhì)條件，采用物探宏觀把握與鉆探輔助驗證分析的方法，初步查明區(qū)域地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄;

(2)其次根據(jù)物探與鉆探分析結(jié)果結(jié)合地質(zhì)資料，利用鉆探有針對性的在溝谷或大型沖溝的淺埋區(qū)排泄區(qū)附近尋找含水層透水性、富水性較好的地段，找到較好的儲水構(gòu)造，施工勘探開采井，變天然狀態(tài)下的分散消耗排泄為人工集中開采;

(3)采用科學(xué)合理的方法對區(qū)域地下水天然資源量以及水源地可采資源量進(jìn)行預(yù)測，這是保證水源地能否正常長期運(yùn)行的關(guān)鍵步驟，也是水源地勘探的核心問題。

干旱半干旱地區(qū)找水存在著一定的共性，但由于各個地區(qū)的地質(zhì)條件不同，又存在著一些差異，在此僅以該項目為例對類似地區(qū)的水源地勘探方法進(jìn)行一些探討，希望對其它地區(qū)的找水工作能起到一定的借鑒作用。

［1］韋星林.蒙古國地質(zhì)考察報告［R］.江西有色地質(zhì)勘查局.2004.

［2］蒙古蘇赫巴托爾省額爾頓查干縣前巴音礦區(qū)鉬礦詳查報告［R］.天津華北地質(zhì)勘查局地質(zhì)研究所.2010.

［3］蒙古國前巴音鉬礦水源地供水水文地質(zhì)勘探報告［R］.華北有色工程勘察院有限公司.2012.