陳官莊水源地開采環(huán)境地質(zhì)問題分析

井小琴，李 寧，邵忠瑞

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州450053;2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州450045;3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，河南 洛陽471023)

1 自然地理概況

水源地地處黃淮沖積平原，地勢平坦，視野開闊，西北略高，東南稍低，地面標(biāo)高32～34 m，地表巖性主要為沖積的粉質(zhì)粘土、粉土組成。研究區(qū)地處華北平原之東南部，屬暖溫帶季風(fēng)型氣候，一般春旱秋雨，夏熱冬寒，四季分明。降水量:年平均降水量為 836.3 mm，年最大降水量為 1 518.6 mm，年內(nèi)降水多集中在7、8、9三個月。蒸發(fā)量:年平均蒸發(fā)量為1 656.1 mm，年最大蒸發(fā)量為2 087.0 mm，年最小蒸發(fā)量為1 156.7 mm。氣溫:年平均氣溫為14.2℃，日最高氣溫為40.5℃，日最低氣溫 -23.4℃。本區(qū)地處黃河故道南緣，主要河流有王引河、小王引溝及縱橫交錯的人工渠道，水系較發(fā)育，走向呈西北 -東南向，屬淮河水系，均為季節(jié)性河流。

2 區(qū)域地質(zhì)概況

2.1 地層

地層主要有:寒武系以泥質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥巖、粉砂巖為主;奧陶系以灰色灰?guī)r、灰黃色白云質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)結(jié)核灰?guī)r為主;石炭系以深灰色灰?guī)r、泥巖、砂巖為主，含薄層煤層;二疊系以灰色中粗粒砂巖、粉砂巖為主;新近系區(qū)內(nèi)僅見新近系上新統(tǒng)，為沖湖積地層，一般埋深在90 m以下，含水層巖性以黃褐色細(xì)砂、粉砂為主，結(jié)構(gòu)松散，層位穩(wěn)定;第四系地層廣泛覆蓋于新近系上新統(tǒng)之上，巖性為黃褐色、棕褐色粘土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、粉砂。

2.2 構(gòu)造

本區(qū)位于華北地臺東南隅，秦嶺緯向構(gòu)造的東延部分，蕭縣向斜、永城隱伏背斜之間。構(gòu)造線方向呈北東、北北東。

2.2.1 褶皺

主要有永城隱伏背斜、葛店背斜。

1)永城隱伏背斜:軸面沿演集、丁集一線呈北東10°～15°方向延伸，軸部由寒武、奧陶系灰?guī)r組成。兩翼由石炭、二疊系含煤地層組成。背斜東翼有葛店、新莊、車集井田、西翼有城郊、新橋礦區(qū)。

2)葛店背斜:為一隱伏地壘式傾伏背斜，呈北東向，背斜軸部地層由南到北為太原組、山西組與下石盒子組。

2.2.2 斷層

區(qū)域內(nèi)較大的有魏老家斷層、劉河斷層。

1)魏老家斷層:位于永城隱伏背斜東翼，劉河斷層?xùn)|側(cè)，走向與背斜軸近于平行，長約65 km，斷面東傾，落差約400 m，傾角70°左右，為正斷層。

2)劉河斷層:位于永城隱伏背斜東翼，走向與背斜軸近于平行，斷面東傾，落差約300 m，傾角65°左右，為正斷層。

3 水文地質(zhì)條件

3.1 中層地下水

中層地下水賦存于第四系更新統(tǒng)中、下部，埋深在50～80 m，含水層巖性以細(xì)砂、粉砂為主，其次為中砂，1～3層，累積厚度為 3.00～16.00 m，平均厚度 9.30 m，底部隔水層為粉質(zhì)粘土及粘土層。根據(jù)區(qū)域資料，單位涌水量(q)平均為1.01 m3/h·m，滲透系數(shù)(k)為 1.30 ～1.94 m/d，水化學(xué)類型為 HCO3·SO4-Na·Mg型，礦化度 0.92 ～1.20 g/L。該層含水層薄，富水性較差，目前沒有單獨開采，不予贅述。

3.2 中深層地下水

3.2.1 中深層地下水的賦存條件

中深層地下水賦存于新近系上新統(tǒng)沖湖積層中，埋深在80～200 m，含水層頂板埋深約90 m，北部稍淺，西南部略深，底板埋深190 m左右，巖性以細(xì)砂、中細(xì)砂為主，次為粉砂，可見 4～8層，累積厚度 28.50～57.00 m，平均厚度 39.0 m，砂層分布較連續(xù)穩(wěn)定，富水性較好。

根據(jù)抽水試驗資料，單位涌水量1.86～4.24 m3/h· m，導(dǎo)水系數(shù)(T)為 226.23 ～312.22 m2/d，彈性釋水系數(shù)(μe)為2.10×10-4～4.57×10-4，壓力傳導(dǎo)系數(shù)(a)為 5.05 ×105～1.49×106m2/d，滲透系數(shù)(k)為 1.30 ～5.09 m/d。

3.2.2 中深層地下水的富水性

綜合考慮含水層厚度，通過含水層厚度計算出砂層出水率，考慮單位涌水量的大小，換算成降深20 m出水量，再依據(jù)單井出水量的大小，劃分三個富水程度不同的水文地質(zhì)分區(qū)。

1)強(qiáng)富水區(qū)(單井出水量＞70 m3/h)分布在本區(qū)東北部的小楊莊～陳莊以北、張樓～張廟臺 ～周樓以東一帶和西南部梁井～張莊一帶，分布面積約10.0 km2，占水源地面積的28.57%，含水層巖性以中細(xì)砂、細(xì)砂為主，其次為粉砂，可見5～8層，累積厚度為38.00～52.00 m。根據(jù)抽水試驗資料，取水層段的管徑 φ325 mm，單位涌水量為 3.59～4.24 m3/h·m。根據(jù)砂層出水率，考慮單位涌水量的大小，換算成20m降深單井涌水量 71.8 ～84.8 m3/h。

2)富水區(qū)(單井出水量50～70 m3/h)分布在本區(qū)劉樓～小楊莊以南，劉樓～梁井～張老莊以東至王引河一帶，分布面積約18.5 km2，占水源地面積 52.86%，含水層巖性以細(xì)砂為主，其次為粉砂，可見3～7層，累積厚度35.50～42.50 m。根據(jù)抽水試驗資料，取水層段的管徑φ325 mm，單位涌水量為2.51～3.62 m3/h·m。根據(jù)砂層出水率，考慮單位涌水量的大小，換算成20m降深單井出水量50.4～67.2 m3/h。

3)中等富水區(qū)(單井出水量35～50 m3/h)零星分布在本區(qū)劉集5～后左寨和烈士陵園 ～董窯一帶，分布面積約6.5 km2，約占水源地面積的18.57%，含水層巖性以粉細(xì)砂、細(xì)砂為主，其次為粉砂，可見5～7層，累積厚度為38.00～46.50 m。根據(jù)抽水試驗資料，取水層段的管徑 φ325 mm，單位涌水量為1.86～2.27 m3/h·m。根據(jù)砂層出水率，考慮單位涌水量的大小，換算成20 m降深單井出水量為37.2～45.4 m3/h。

3.3 中深層地下水的補給、徑流、排泄條件

中深層地下水埋藏較深，不能直接得到大氣降水的補給，同時上部又分布有較厚的粉質(zhì)粘土層，與上部含水層的水力聯(lián)系很弱，其天然狀態(tài)下，近似處于靜止的封閉水，徑流緩慢，補給量小，形成開采漏斗時，才能接受漏斗周邊的徑流補給。中深層地下水的徑流，在天然狀態(tài)下其流向總體上由北向南和由東北向西南徑流。中深層地下水排泄途徑為人工開采和向下游側(cè)向徑流排泄。

3.4 中深層地下水水位埋深及動態(tài)變化

3.4.1 中深層地下水水位埋深現(xiàn)狀

根據(jù)鉆孔水位測量，中深層地下水靜止水位埋深一般為13.525～17.67 m，水力坡度為 1/20005～1/3500。

3.4.2 中深層地下水水位動態(tài)變化

中深層地下水水位的變化，反映了新近系河湖相沉積含水層的地下水壓力水頭的變化，水位下降速率取決于含水砂層的彈性釋水和貯水能力及中深層地下水的開采強(qiáng)度。區(qū)內(nèi)中深層地下水目前尚未開采，根據(jù)水位觀測資料，8月至11月份水位平穩(wěn)，12月至翌年3月底水位緩慢上升，一般幅度為 0.105～0.38 m。

中深層地下水位動態(tài)不受降水影響，只受開采強(qiáng)度影響。目前水源地四周除南部2003年建設(shè)的神火工業(yè)園區(qū)趙雙樓水源地外(距陳官莊水源地12 km)，其余基本沒有開采，根據(jù)該水源地的水位資料，天然水位下降速率僅有0.088 m;而2004年10月、2005年3月水位變化較大，是由于該廠試產(chǎn)開采所致。結(jié)合供水管井水位資料，年平均下降速率為0.36 m。綜合考慮，中深層地下水水位年下降速率為0.15 m。

3.5 中深層地下水水化學(xué)特征

中深層地下水無色透明、無嗅無味，水溫一般為18℃ ～19℃，pH 值為 7.305 ～7.70，呈中性;礦化度 1.115 ～1.47 g/L，平均為 1.23 g/L，為微咸水;總硬度(以 CaCO3計)225.55 ～523.0 mg/L，大部分為 228.05 ～314.0 mg/L，屬微硬水;水化學(xué)類型主要為 HCO3·SO4·Cl-Na及 SO4·HCO3·Cl-Na型水。HCO3·SO4·Cl-Na型水分布在水源地的郭莊5～劉集以北和梁井5～劉樓5～陳官莊以南、G311公路以北一帶，SO4·HCO3·Cl-Na型分布在水源地中部郭莊～劉集以南、梁井 ～劉樓～陳官莊以北和 G311公路以南董窯一帶。

4 水源地開采對周邊環(huán)境的影響

現(xiàn)狀條件下，水源地未出現(xiàn)降落漏斗，中深層地下水流向呈北～南和東北～西南向，中深層地下水目前基本沒有開采，水源地附近僅劉河礦有1眼深度176 m的中深井(目前尚未開采)。水源地開采后，將形成一個降落漏斗，根據(jù)計算，水源地開采20年，中心井水位降深為73.04 m。因而在現(xiàn)狀條件下，水源地開采后不會造成水源枯竭及水井報廢。

5 環(huán)境地質(zhì)預(yù)測

5.1 中深層地下水水質(zhì)變化趨勢

中深層地下水主要接受側(cè)向徑流補給，水源地水化學(xué)類型主要為 HCO3·SO4·Cl-Na及 SO4·HCO3·Cl-Na型水。根據(jù)開采性抽水試驗抽水后期采取的五個抽水井的水樣水質(zhì)分析資料，同各單井抽水試驗時所取水樣的水質(zhì)分析資料來看，各項化驗指標(biāo)基本一致，水質(zhì)未發(fā)生變化。依此分析，水源地投產(chǎn)后，水源地中深層地下水的水質(zhì)類型將不會發(fā)生太大變化，水源地在合理開采情況下，認(rèn)為中深層地下水仍除 F-、SO42-離子含量及礦化度超標(biāo)外，其它因子將不會超過《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-85)中的允許含量。

5.2 對淺層地下水的影響

根據(jù)水文地質(zhì)條件，區(qū)內(nèi)中深層地下水埋藏較深，其上有厚層粘性土相隔，通過非穩(wěn)定流和開采性抽水試驗期間布設(shè)的機(jī)民井水位資料分析，二者沒有水力聯(lián)系。此外各探采成井孔在施工過程中采用優(yōu)質(zhì)半陰干粘土球封閉止水，止水效果良好，防止了淺層與中深層地下水沿井筒發(fā)生相互補給。總之，中深層地下水的開采不會影響淺層地下水。

5.3 地面沉降預(yù)測

水源地開采后，必然形成地下水降落漏斗，在開采降落漏斗范圍內(nèi)，應(yīng)對其地面沉降進(jìn)行監(jiān)測。區(qū)內(nèi)中深層地下水雖然貯存于新近系上新統(tǒng)沖湖積層中，固結(jié)程度較高，但仍然有可能引起地面沉降，因缺少工程地質(zhì)鉆探及巖土測試資料在此不予計算，建議建設(shè)部門進(jìn)行專門環(huán)境地質(zhì)評價。

5.4 壓煤概述及地面塌陷預(yù)測

水源地位于車集井田與葛店井田北部約14 km，劉河礦東1 km，根據(jù)河南永夏煤田地質(zhì)勘探資料，陳官莊一帶二疊系山西組所含二2可采煤層埋藏深度在11 005～1 300 m，下石盒子組底部含煤4層(三煤)，其中三層煤厚均小于 0.65 m不可采，僅有一層煤厚為1.25 m，但不連續(xù)，且埋藏深度大。鑒于區(qū)內(nèi)煤系地層埋藏較深，可采煤層較少、較薄，較長時期內(nèi)難以開采利用，因此，水源地不存在壓礦問題和采煤引起地面塌陷環(huán)境地質(zhì)問題。

6 水源地保護(hù)

6.1 建立衛(wèi)生防護(hù)帶

由于中深層地下水埋藏較深，水源地開采后，主要接受側(cè)向徑流補給，因而地面污染一般不會直接對中深層地下水造成影響，但注意同一深度開采段的取水建筑物，應(yīng)采取嚴(yán)格的止水措施，避免人為因素致使中深層地下水水質(zhì)惡化，因此根據(jù)中深層地下水埋藏條件，地表滲透條件以及水源地開采降落漏斗影響范圍等因素，水源地應(yīng)建立衛(wèi)生防護(hù)帶，衛(wèi)生防護(hù)帶的寬度宜為開采井距的15～2倍。

6.2 水源地生產(chǎn)井的施工工藝

根據(jù)中深層地下水水文地質(zhì)條件，在開采中深層地下水建造中深井時，成井深度以200 m左右為宜，管徑為 φ325 mm一徑到底，過濾器可選用纏絲包網(wǎng)填礫過濾器或鍍鋅橋式過濾器，根據(jù)含水層粒級可選用與其相匹配的濾料，濾料宜為Φ0.755～2 mm的優(yōu)質(zhì)石英砂，通過物探測井準(zhǔn)確劃分地層及確定咸淡水界面，在適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行封閉止水，止水材料選用直徑Φ15～3 cm半陰干優(yōu)質(zhì)粘土球，為了防止地表水通過井孔環(huán)狀間隙下滲，地面下10 m深度應(yīng)利用粘土圍填封閉。

另外，在水源地周圍1 500～2 000 m范圍內(nèi)不宜再建造其它工業(yè)生產(chǎn)用水井，特別是在已形成降落漏斗區(qū)內(nèi)不應(yīng)再建造工業(yè)生產(chǎn)井，以避免漏斗水位進(jìn)一步大幅度下降。

6.3 水源地開采監(jiān)測工作

隨著水源地的開采，地下水的水位下降，會引起一系列環(huán)境地質(zhì)條件的改變，因而建立起完善的地質(zhì)環(huán)境保護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，開展一系列的環(huán)境地質(zhì)監(jiān)測工作，為更好地科學(xué)開發(fā)地下水資源作好保障和服務(wù)。

(1)建立地下水動態(tài)監(jiān)測和管理系統(tǒng)，對水源地及周邊地下水的水質(zhì)、水量、水位進(jìn)行長期觀測和研究，提供水源地水質(zhì)發(fā)展趨勢及防治水質(zhì)惡化的方法;研究水源地開采對周邊地下水水位、水量的影響以及周邊地下水的開采對水源地的影響，提出縮小影響并達(dá)到長期科學(xué)開采地下水資源目的方法。

(2)建立環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，對水源地及當(dāng)?shù)丨h(huán)境的污染情況進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報，提出防治和解決污染問題的方法及措施。

[1]馮億年，等.河南省永城市神火工業(yè)園備用水源地供水水文地質(zhì)詳查報告.2010.

[2]劉兆昌，等.供水水文地質(zhì)(第三版).[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社.2000.

[3]房佩賢，等.專門水文地質(zhì)學(xué).[M].北京:地質(zhì)出版社.2005.

[4]中國地質(zhì)調(diào)查局[M].水文地質(zhì)手冊(第二版).地質(zhì)出版社.2012.