云南抗旱找水打井模式探討

張　陵, 趙德君, 王　芳, 李　軍

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 荊州　434020)

0　引言

2009—2010年西南五省普遍遭遇百年一遇的旱災(zāi),其中云南災(zāi)情尤其嚴(yán)重,耕地受旱面積達(dá)312萬hm2,受災(zāi)人數(shù)超700萬人,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)170億元。國(guó)務(wù)院總理溫家寶、副總理回良玉先后到云南指揮抗旱救災(zāi),深入災(zāi)區(qū)看望慰問受災(zāi)群眾,指導(dǎo)抗旱救災(zāi)工作。國(guó)土資源部和中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局緊急部署西南抗旱找水打井行動(dòng)并啟動(dòng)“西南嚴(yán)重缺水地區(qū)地下水勘查”項(xiàng)目。該項(xiàng)目的開展具有抗旱找水、直接解決當(dāng)?shù)厝罕婏嬘盟щy的現(xiàn)實(shí)意義,而且對(duì)于探索西南巖溶和紅層缺水地區(qū)找水打井經(jīng)驗(yàn)、掌握地下水賦存規(guī)律和開發(fā)利用條件、合理開發(fā)利用水資源均具有重要的指導(dǎo)意義。

1　地理、地質(zhì)、水文地質(zhì)背景

1.1　地理概況

湖北省地質(zhì)局承擔(dān)的抗旱找水打井工作區(qū)位于云南嚴(yán)重缺水的大理州永平縣、云龍縣、漾濞縣、洱源縣、劍川縣和大理市六縣市以及南部紅河州的建水縣、石屏縣共8個(gè)縣市。工作區(qū)地處云貴高原與橫斷山脈結(jié)合部位,地貌復(fù)雜多樣,點(diǎn)蒼山以西為高山峽谷區(qū)。點(diǎn)蒼山以東、祥云以西為中山陡坡地形。境內(nèi)的山脈主要屬云嶺山脈及怒山山脈。在低緯度、高海拔地理?xiàng)l件的綜合影響下,在相同地段內(nèi)具有年溫差變幅小、四季不明顯的氣候特點(diǎn)。但同時(shí)由于地形地貌復(fù)雜,海拔高差懸殊,氣候的垂直差異顯著。按海拔高低不同,氣候和植物呈立體分布,分屬北亞熱帶、溫暖帶和寒溫帶氣候[1]。

1.2　地質(zhì)概況

工作區(qū)具有紅層、巖溶分布面積廣、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的特點(diǎn),工作區(qū)的永平縣、云龍縣、漾濞縣屬紅層分布區(qū)域,洱源縣主要屬巖漿巖分布地段,劍川縣和大理市屬巖溶與紅層分布區(qū)段,紅河的建水縣、石屏縣屬巖溶分布區(qū)域。

1.3　水文地質(zhì)概況

工作區(qū)域主要含水巖類為碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖類、巖漿巖類裂隙含水巖類、變質(zhì)巖類裂隙含水巖類、碎屑巖裂隙含水巖類和松散巖孔隙含水巖類。

工作區(qū)域主要地下水類型有巖溶裂隙承壓水,基巖(碎屑巖、巖漿巖、變質(zhì)巖)裂隙水和松散孔隙水,一般均為潛水,局部地段為承壓水[2]。

2　地下水賦存規(guī)律與富集影響因素

2.1　地下水賦存規(guī)律

工作區(qū)的地下水類型主要為孔隙水、裂隙水及巖溶水三大類,這三類地下水的富水性、富水程度與地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、風(fēng)化作用、植被覆蓋情況密切相關(guān)。一般情況下所表現(xiàn)的富水性與富水程度大小規(guī)律為:巖溶水>裂隙水>孔隙水。

在云南碳酸鹽巖地區(qū)的巖溶裂隙水分為淺層和深層,淺層巖溶裂隙水運(yùn)移途徑短,于溝谷、低洼地以下降泉的形式排泄,其動(dòng)態(tài)特征受大氣降雨控制明顯。深層巖溶裂隙水則運(yùn)移途徑較長(zhǎng),具承壓性,在遇貫通于地表的斷裂破碎帶和巖溶管道、裂隙時(shí),往往以上升泉、斷層泉、裂隙泉的形式上升出露排泄。深層運(yùn)移循環(huán)的巖溶裂隙水含水層埋藏較深,一般>100～150 m。地下水量較大,單孔涌水量多在100～1 000 m3/d,地下水動(dòng)態(tài)、流量較為穩(wěn)定。經(jīng)深層運(yùn)移循環(huán)的巖溶裂隙水,由于地下水的溶濾礦化作用,地下水水質(zhì)一般較好,且多為礦泉水。

裂隙水含水層的富水性除巖性為主控因素外,還與構(gòu)造節(jié)理和風(fēng)化裂隙及植被較密切。就巖性而言,砂巖比重越大,越是性脆,節(jié)理裂隙越發(fā)育,富水性越強(qiáng),而玄武巖風(fēng)化程度越強(qiáng),巖性越破碎,富水程度越強(qiáng)。本次打井成功的多口井布井思路主要就是據(jù)此展開的,大理州各縣市多個(gè)成功的探采井大都如此。

巖漿巖裂隙含水巖類、碎屑巖裂隙含水巖類分布區(qū)域接受大氣降雨補(bǔ)給后,形成的裂隙水具運(yùn)移深度淺、運(yùn)移途徑較短的特點(diǎn),其動(dòng)態(tài)特征受大氣降雨控制明顯,即基本上也隨大氣降雨的變化而變化。

孔隙水含水層富水性差異比裂隙水含水層更大。本次開發(fā)利用的孔隙含水層一般富水性弱,單井涌水量大都<50 m3/d,局部地段可達(dá)50 m3/d以上。這種類型的孔隙水多為承壓水。富水性主要取決于砂礫石層厚度及分選性、距離河床和古河道中的位置等等。

松散巖孔隙含水巖類中的孔隙潛水其運(yùn)移深度則更淺、運(yùn)移途徑更短,動(dòng)態(tài)特征基本上受大氣降雨控制,隨大氣降雨的變化而變化。此外,該類型地下水分布區(qū)又是人類生產(chǎn)、生活的集中區(qū),地下水與人類生產(chǎn)、生活關(guān)系密切,干旱氣候嚴(yán)重破壞了水系統(tǒng)的平衡和人類的生存環(huán)境,制約了人類的正常經(jīng)濟(jì)發(fā)展,如遇特大干旱這種制約更為明顯。

2.2　富集影響因素

工作區(qū)內(nèi)影響地下水賦存和富集的主要因素主要為大氣降雨、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、微地形地貌等。

大氣降雨補(bǔ)給地下水具明顯的季節(jié)性變化規(guī)律,雨季急增,旱季驟減。在云南巖溶和紅層地區(qū)大氣降雨時(shí)間分配極為不均,一般年份枯水期可長(zhǎng)達(dá)5-6個(gè)月。由于大氣降雨對(duì)地下水的補(bǔ)給時(shí)間通常只有半年或稍多一點(diǎn)的時(shí)間,加之巖溶和紅層地區(qū)植被相對(duì)較少,降雨后極易蒸發(fā),這些均對(duì)地下水的補(bǔ)給富集不利,這也是巖溶和紅層地區(qū)地下水資源貧乏的重要原因之一[3]。

地層巖性是地下水賦存富集的基礎(chǔ)和先決條件。據(jù)鉆孔揭露,二疊系、震旦系地層中在地下30～90 m處,巖溶較發(fā)育。另外,侏羅系砂巖中的可溶性膠結(jié)物,因溶蝕而產(chǎn)生諸多蜂窩狀孔洞與洞穴,同時(shí)還可增加巖石的脆性,使其在構(gòu)造應(yīng)力作用下裂隙特別發(fā)育,從而進(jìn)一步增加鈣質(zhì)砂巖的富水性。在區(qū)內(nèi)的幾種主要巖石類型中(砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r,玄武巖),砂巖出露的水點(diǎn)最多,達(dá)70%左右,流量等級(jí)也高;特別是一些流量較大的泉,幾乎全部出露在砂巖,據(jù)此說明了砂巖含水性強(qiáng)。玄武巖水點(diǎn)數(shù)位居第二,流量等級(jí)偏低。

地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖溶和紅層地區(qū)地下水的儲(chǔ)存和富集起主要作用,它控制地下水補(bǔ)給、運(yùn)移和儲(chǔ)存,不同的構(gòu)造部位致使地下水的賦存與富集差異較大,多組大型構(gòu)造帶的結(jié)合部位往往地下水富集豐富,反之則差。

地貌既是巖性、構(gòu)造及外營(yíng)力綜合作用的結(jié)果,同時(shí)又是接受降雨補(bǔ)給的重要條件。作為聯(lián)系地下水形成的外部條件和內(nèi)部因素的紐帶,地貌條件將是控制地下水補(bǔ)給、徑流、排泄和影響地下水富集的最基本因素之一。在云南以淺層基巖裂隙水為主的紅層區(qū),其表現(xiàn)極為明顯。根據(jù)調(diào)查,起伏大、切割深的地形不利于地下水的富集;而寬緩低洼地或枝狀寬谷匯合處，“箕形”地形匯水地帶,“溝谷相交”地形匯水地帶往往是地下水的富水區(qū)。

3　抗旱找水與工程施工

湖北局在抗旱找水打井項(xiàng)目中共完成水文地質(zhì)調(diào)查246 km2,布設(shè)探采井101口。完成抗旱救災(zāi)探采井132口,成井115口,其中深井7口,淺井108口,探采井成功率達(dá)87.12%,總開采出水量10 449.2 m3/d,平均單井出水量90.86 m3/d,成功地解決了16余萬人和3 000多頭大型牲畜的飲用水問題,達(dá)到了“在云南氣象干旱缺水地區(qū)開展抗旱找水打井,直接解決部分群眾飲水困難”的項(xiàng)目工作任務(wù)要求。

4　云南缺水地區(qū)找水經(jīng)驗(yàn)與規(guī)律

云南巖溶和紅層嚴(yán)重缺水地區(qū)總體來說地下水資源貧乏,水文地質(zhì)研究程度也相對(duì)較低,但對(duì)于干旱嚴(yán)重缺水時(shí)尋找相對(duì)有供水意義的地下水資源還是有一定規(guī)律可循的,即充分分析山區(qū)小流域均衡場(chǎng)的水文地質(zhì)條件和地下水的賦存、運(yùn)移規(guī)律,在山前沖洪積松散堆積層、碎屑巖強(qiáng)風(fēng)化帶、網(wǎng)狀風(fēng)化裂隙發(fā)育地帶、構(gòu)造裂隙發(fā)育地帶和碳酸鹽巖巖溶裂隙發(fā)育地帶尋找地下水資源。

云南嚴(yán)重缺水地區(qū)有供水意義的地下水資源多分布于山前小流域區(qū)段,面積一般為2～5 km2左右,多為相對(duì)獨(dú)立的水均衡系統(tǒng),地下水類型主要有:紅層分布區(qū)山前沖洪積松散巖類孔隙水、紅層分布區(qū)碎屑巖類風(fēng)化裂隙水、基巖(巖漿巖)構(gòu)造裂隙水和碳酸鹽巖巖溶裂隙水四類。前三類分布埋藏較淺,一般為10～60 m,多賦存潛水,碳酸鹽巖巖溶裂隙水屬隱伏型,分布埋藏較深,一般>150 m以上,多賦存承壓水。

在紅層地區(qū)尋找可供集中開采的地下水關(guān)鍵在于井位的布設(shè)。紅層地下水的補(bǔ)給和交替徑流主要受地形、地貌條件控制。各種形態(tài)的寬凹地、低洼地,匯水條件較好,一般井位的布設(shè)首先應(yīng)選擇在地形有一定的匯水面積且相對(duì)低洼處，兩條或幾條溝谷的交匯處，溝谷的下游或拐彎處，地形相對(duì)切割較深的地方。井位不宜選擇在分水嶺處,籠狀嶺脊處,村莊后面的高地或堅(jiān)硬巖石露頭處。構(gòu)造破碎帶富水性好,是紅層地下水的主要儲(chǔ)存空間,但其發(fā)育具有極大的不均勻性。尋找構(gòu)造裂隙水,井位在平面上的位置應(yīng)選橫向斷裂不選縱向斷裂,選新構(gòu)造不選老構(gòu)造,選張扭性斷裂不選壓扭性斷裂,最好盡量布置在斷裂的來水面和構(gòu)造交匯點(diǎn)上[4]。

在干旱持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的情況下,松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙層間水及風(fēng)化殘積孔隙水的水位埋深大,加上該含水巖類含水層粘粒含量較高,地層透水性差,含水較弱,單井出水量1～5 m3/d,不具備集中供水意義,但對(duì)于地理位置偏僻,人口分散的村落,可采取點(diǎn)狀的分散供水,即一戶一井或幾戶一井的模式應(yīng)急供水,解決人、畜飲水困難。

5　開發(fā)利用模式

湖北局的工作區(qū)無論是大理州片區(qū)還是紅河州片區(qū)均屬西南巖溶石山和紅層分布地區(qū),地表儲(chǔ)水困難,水利設(shè)施薄弱,骨干蓄水工程少,工程性缺水問題十分突出?？购禐?zāi)能力和水資源的利用程度和效率很低。一般干旱年份就有約1/5的人、畜飲水和20%的土地耕種困難,2010年的特大干旱,更是造成了約1/3～1/2的人、畜飲水困難,近60%的農(nóng)耕土地?zé)o法耕種。

通過本次工作,筆者認(rèn)為:在云南巖溶和紅層嚴(yán)重缺水地區(qū)不同地下水類型分布區(qū)的地下水補(bǔ)、徑、排條件、生態(tài)環(huán)境、水文地質(zhì)條件(儲(chǔ)水構(gòu)造)等差異較大,地下水的開發(fā)利用條件也不同,在紅層嚴(yán)重缺水地區(qū)對(duì)于人類活動(dòng)相對(duì)較少、分散的地段可采取點(diǎn)狀、以鑿手壓井和小口徑(Φ100 mm)淺井(30 m以內(nèi))的方式開發(fā)利用水資源,也可采用修筑小型儲(chǔ)水池、塘堰的方式開發(fā)利用地表水資源。對(duì)于巖溶和紅層地區(qū)人類活動(dòng)相對(duì)集中的地段則以集中方式、采用井群鑿較大口徑(Φ150～200 mm)水井提水、集中塔(池)供的方法開發(fā)利用地下水資源。同時(shí)也應(yīng)充分考慮利用地表水資源，采用修建小型水庫儲(chǔ)水,經(jīng)凈化、消毒后(水廠化)以管道疏運(yùn)方法開發(fā)利用地表水資源。在巖溶缺水地區(qū)可采取大口徑(Φ250～350 mm)水井提水、集中塔供的方法開發(fā)利用地下水資源,但巖溶缺水地區(qū)可開發(fā)利用的地下水一般埋藏深度大,地下水賦存、運(yùn)移規(guī)律復(fù)雜,開采利用難度和費(fèi)用較大。此外,在干旱持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的情況下,松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙層間水及風(fēng)化殘積孔隙水的水位埋深大,加上該含水巖類含水層粘粒含量較高,地層透水性差,含水較弱,單井出水量一般在1～5 m3/d左右,不具備集中供水意義,但對(duì)于地理位置偏僻,人口分散的村落,可采取點(diǎn)狀的分散供水,即一戶一井或幾戶一井的模式應(yīng)急供水,解決人、畜飲水困難。

6　結(jié)語

(1) 云南巖溶和紅層嚴(yán)重缺水地區(qū)有供水意義的地下水資源多分布于山前小流域區(qū)段,面積一般為2～5 km2左右,多為相對(duì)獨(dú)立的水均衡系統(tǒng),地下水類型主要有:紅層分布區(qū)山前沖洪積松散巖類孔隙水、紅層分布區(qū)碎屑巖類風(fēng)化裂隙水、基巖(巖漿巖)構(gòu)造裂隙水和碳酸鹽巖巖溶裂隙水四類。前三類分布埋藏較淺,一般為10～60 m,多賦存潛水,碳酸鹽巖巖溶裂隙水屬隱伏型,分布埋藏較深,一般>150 m以上,多賦存承壓水。

(2) 只要充分分析山區(qū)小流域均衡場(chǎng)的水文地質(zhì)條件和地下水的賦存規(guī)律,在巖溶和紅層嚴(yán)重缺水地區(qū)的山前沖洪積松散堆積層、碎屑巖強(qiáng)風(fēng)化帶、網(wǎng)狀風(fēng)化裂隙發(fā)育地帶、構(gòu)造裂隙發(fā)育地帶和碳酸鹽巖巖溶裂隙發(fā)育地帶尋找有供水意義的地下水是可行的,應(yīng)急供水也是有效的。

(3) 抗旱找水打井時(shí)應(yīng)因地制宜的合理利用地下水資源,開采利用可采取集中與分散相結(jié)合的模式,對(duì)于人口相對(duì)比較集中地區(qū)可采取井群深鑿大口徑水井提水、集中塔(池)供水的方式開發(fā)利用地下水資源。對(duì)于人類活動(dòng)相對(duì)較少偏遠(yuǎn)分散的地區(qū)則可采取點(diǎn)狀分散的方式、小口徑淺井一戶一井或幾戶一井的開采開發(fā)利用模式——即云南模式。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局.西部嚴(yán)重缺水區(qū)人畜飲用地下水勘查示范工程[M].北京：中國(guó)大地出版社，2006.

[2]中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局.嚴(yán)重缺水地區(qū)地下水勘查論文集:第二集[C].北京：地質(zhì)出版社，2004.

[3]張超岳.紅層地下水形成條件及找水方向[J].地下水，1987(1)：47-53.

[4]段仲源，等.紅層裂隙水特征與找水方法[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，25(4)：283-287.