長(zhǎng)興島碳酸鹽巖裂隙巖溶水特征分析

陳冶程微宋波宋建偉程靜孫麗萍

1.吉林大學(xué)，吉林長(zhǎng)春，130022 2.遼寧工程勘察設(shè)計(jì)院，遼寧錦州，121000

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長(zhǎng)興島碳酸鹽巖裂隙巖溶水特征分析

陳冶1*程微2宋波2宋建偉2程靜2孫麗萍2

1.吉林大學(xué)，吉林長(zhǎng)春，130022 2.遼寧工程勘察設(shè)計(jì)院，遼寧錦州，121000

提 要 長(zhǎng)興島碳酸鹽巖區(qū)占整個(gè)島的44%，受降雨、巖性、構(gòu)造等條件的影響，巖溶較發(fā)育，地下水資源較豐富，且水質(zhì)較好，適宜作為飲用水水源。在收集大量基礎(chǔ)地質(zhì)資料，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、鉆探、抽水試驗(yàn)成果，分析了從上至下5層巖溶帶的發(fā)育特征、賦水性規(guī)律及補(bǔ)、徑、排條件。同時(shí)考慮供水水文地質(zhì)條件，進(jìn)行了天然資源和開(kāi)采資源概算，及成井條件、水質(zhì)的分析評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞碳酸鹽巖 裂隙巖溶水 天然資源量 可開(kāi)采資源量 水質(zhì)分析

1 自然地理?xiàng)l件概述

長(zhǎng)興島位于遼東半島渤海海岸中段，行政隸屬瓦房店市，全島面積252.5 km2，是長(zhǎng)江以北第一大島。目前該島及周邊小島區(qū)域正在打造世界級(jí)石化工業(yè)基地，估算未來(lái)需水量為14×104m3/d。

長(zhǎng)興島地處遼東灣東岸，屬海洋性暖溫帶濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，雨熱同季，四季分明。多年平均降水量612.4mm，降水集中在7～8月份，占全年降水量的 60%～70%，多年平均蒸發(fā)量1545.1mm。

長(zhǎng)興島位于千山余脈西南部邊緣，為遼東灣東岸的丘陵地臺(tái)區(qū)。第四紀(jì)以來(lái)歷經(jīng)了大面積間歇性上升運(yùn)動(dòng)，海侵海退等內(nèi)外營(yíng)力塑造了現(xiàn)代地貌形態(tài)。按地貌成因本區(qū)可分為剝蝕地形、堆積地形及人工地形。剝蝕高丘地形主要分布在長(zhǎng)興島中部，高程200～300m，主要巖性由石英砂巖、粉砂巖、碳酸鹽巖組成。剝蝕低丘地形巖性由長(zhǎng)石石英砂巖、粉砂巖等碎屑巖組成，高程小于200m。海積平原（階地）、海灘與潮灘為堆積型，呈不規(guī)則條帶狀分布于長(zhǎng)興島南、北兩側(cè)臨海地帶。長(zhǎng)興島西海岸主要為開(kāi)發(fā)的工業(yè)園區(qū)，人工削山填海工程規(guī)模較大，造成平地近9km2。填海厚度1～20m，均由砂巖、頁(yè)巖碎石組成。

長(zhǎng)興島區(qū)域沖溝發(fā)育，有多條季節(jié)性河流。本海區(qū)的潮汐屬不規(guī)則半日混合潮，最高高潮位2.81m，最低低潮位-0.78m。

2 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件概況

2.1 地層巖性

工作區(qū)內(nèi)出露的地層有青白口系、寒武系、奧陶系以及第四系，其中以青白口系碎屑巖和寒武系、奧陶系碳酸鹽巖為主【1】。由老至新詳述如下：

青白口系（Qb） 大面積分布于長(zhǎng)興島西部和東南部，與奧陶系、寒武系地層呈斷層接觸。巖性以灰綠色、紫色頁(yè)巖及灰白色中厚層長(zhǎng)石石英砂巖為主，夾灰色泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r。

寒武系（?）、奧陶系（O） 分布于長(zhǎng)興島中部、東北部，面積112km2。巖性以灰色、深灰色中厚層結(jié)晶灰?guī)r為主，局部夾薄層頁(yè)巖。

第四系（Q） 主要分布于長(zhǎng)興島南北兩側(cè)山前溝谷及沿海一線。上更新統(tǒng)（Qp）巖性為坡洪積黃褐色含礫、碎石粉土、粉質(zhì)粘土夾角礫、碎石薄層；全新統(tǒng)（Qh）巖性為海積灰黑色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土、細(xì)砂、中粗砂。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)大地構(gòu)造位置隸屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)遼東臺(tái)隆內(nèi)的Ⅲ級(jí)構(gòu)造區(qū)，復(fù)州-大連凹陷帶。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期中，本區(qū)經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。晚古生代至新生代主要表現(xiàn)為地殼上升運(yùn)動(dòng)為主，導(dǎo)致地層嚴(yán)重缺失。其次是地殼應(yīng)力場(chǎng)的變化發(fā)生了燕山運(yùn)動(dòng)、喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)，保留下來(lái)的構(gòu)造形跡有斷裂、褶皺，直接控制現(xiàn)代地貌形態(tài)和地下水的賦存與分布【2】。

長(zhǎng)興島內(nèi)與碳酸鹽巖巖溶裂隙水有直接影響的斷層有F1、F2、F3三條壓性斷層，對(duì)其特征詳述如下：

F1斷層：發(fā)育于南部蚊子嘴—龍口一帶，長(zhǎng)約10km，走向近東西，傾向南，傾角40～50°。北盤(pán)地層為奧陶系灰?guī)r，逆掩于青白口系砂頁(yè)巖之上。

F2斷層：發(fā)育于桃房水庫(kù)—沙包子一線，長(zhǎng)近 20km，近北東向波狀展布，傾向北西，傾角 30～40°。上盤(pán)地層為青白口系砂頁(yè)巖，下盤(pán)為奧陶系灰?guī)r。

F3斷層：北東向呈波狀展布于長(zhǎng)興島東南部，出露長(zhǎng)近25km，走向30～50°，傾向東南，傾角40～50°。上盤(pán)為青白口地層，下盤(pán)為寒武、奧陶系地層。

F1、F2、F3斷層壓性特征明顯，斷層面見(jiàn)擠壓片理化現(xiàn)象，有阻水作用（圖1）。受斷裂影響，島內(nèi)寒武、奧陶灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶現(xiàn)象較發(fā)育，為地下水的儲(chǔ)存、運(yùn)移提供了必要的條件。

圖1 長(zhǎng)興島碳酸鹽巖區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Geological structure of carbonate rock area in Changxing island

2.3 水文地質(zhì)條件概況

工作區(qū)按賦水介質(zhì)特征可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水及碎屑巖類孔隙裂隙水三種類型【3】。

松散巖類孔隙水主要由上更新統(tǒng)坡洪積層、海積層組成，呈條帶狀分布于長(zhǎng)興島南部。含水層由坡洪積物含碎石中粗砂、海積中粗砂、礫砂構(gòu)成，地下水位埋深為0.5～2.2m之間。滲透系數(shù)為20～60m/d，單井涌水量小于200m3/d。

碳酸鹽巖裂隙巖溶水分布于長(zhǎng)興島東側(cè)丘陵地區(qū)，含水層由寒武、奧陶系中厚層結(jié)晶灰?guī)r，青白口系南芬組泥晶白云巖、灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁(yè)巖組成，富水性不均。其中寒武、奧陶系中厚層結(jié)晶灰?guī)r局部裂隙、巖溶發(fā)育，分布標(biāo)高主要在1～70m，溶洞大者直徑達(dá)1m。地下水埋深1.63～28.27m。滲透系數(shù)5～12m/d，單井涌水量一般1000～2000m3/d。青白口系南芬組泥晶白云巖、灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁(yè)巖構(gòu)造裂隙、溶隙發(fā)育不均勻，滲透性各向異性，單井涌水量一般小于500m3/d。

碎屑巖類孔隙裂隙水主要分布于長(zhǎng)興島碳酸鹽巖裂隙巖溶水周圍。地層巖性為中元古界青白口系石英砂巖、粉砂巖。斷裂不發(fā)育，地下水埋藏深度3～20m，滲透系數(shù)0.01～5m/d ，單井涌水量小于100m3/d。

3 碳酸鹽巖裂隙巖溶水特征分析

3.1 巖溶分布規(guī)律

巖溶的發(fā)育在平面上分布具有普遍性和不均勻性，表現(xiàn)出一定的規(guī)律。

本區(qū)表層巖溶普遍發(fā)育，在碳酸鹽巖分布區(qū)，不僅地表溶隙，溶槽、溶溝及溶孔、溶洞遍布，而且?guī)缀跛械牡谒南蹈采w之下，勘探揭露碳酸鹽巖頂面均凸凹起伏，溶隙、溶槽、溶溝與溶洞亦發(fā)育，顯示出巖溶發(fā)育在平面分布上的普遍性。但由于古地貌與地質(zhì)構(gòu)造等因素控制和影響，又使得巖溶發(fā)育分布具不均勻性，在北北東向、北東向和北西向三組構(gòu)造切割作用下，巖溶和裂隙巖溶系統(tǒng)分布與區(qū)域巖溶系統(tǒng)分布一致。在溶蝕洼地邊緣、褶皺平緩軸部及斷裂構(gòu)造等構(gòu)造裂隙發(fā)育部位，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。

根據(jù)鉆探與物探的成果統(tǒng)計(jì)，區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育在垂直方向上具有明顯的成層性（表1）。巖溶發(fā)育程度明顯地隨深度增加而遞減。其中標(biāo)高 5m以上三段巖溶發(fā)育，賦存較豐富的地下水。下部4、5層巖石漸完整，巖溶發(fā)育亦隨著深度變化而由強(qiáng)減弱。

表1 長(zhǎng)興島地區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律Table 1 Karst development in Changxing island

3.2 裂隙巖溶水分布特征

由前述區(qū)內(nèi)巖溶的發(fā)育平面上分布普遍，垂向上具有成層性特征，故裂隙巖溶水具有相同的特征。

巖溶區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖地層分布面積為112km2，其中，青白口系南芬組泥晶白云巖、灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁(yè)巖為20km2，其雖具有區(qū)內(nèi)巖溶特征，但發(fā)育程度較差；而寒武、奧陶系主要巖性為中厚層結(jié)晶灰?guī)r，巖溶發(fā)育較好。

區(qū)內(nèi)機(jī)民井一般井深小于50m，大部分取第一層裂隙巖溶水，少數(shù)深井取第二層水。區(qū)內(nèi)部分抽水試驗(yàn)機(jī)民井情況詳見(jiàn)表2。

由上表可見(jiàn)，青白口系地層巖溶發(fā)育相對(duì)弱，單井涌水量一般小于 500m3/d；寒武、奧陶系地層巖溶發(fā)育相對(duì)較強(qiáng)，單井涌水量一般 1000～2000m3/d。

3.3 裂隙巖溶水的補(bǔ)、徑、排條件

裂隙巖溶水分布于丘陵區(qū)，覆蓋層較薄或基巖直接裸露地表，接受大氣降水的入滲補(bǔ)給。地下水埋藏較深，一般在10～20m，水位年變幅較小，大氣降水補(bǔ)給滯后時(shí)間長(zhǎng)，受隔水邊界控制，水循環(huán)較緩慢。地下水由中部丘陵向山間河谷徑流匯集后，向東南、西北兩側(cè)海域排泄。另碳酸鹽區(qū)包括長(zhǎng)興島鎮(zhèn)在內(nèi)的村屯，零星開(kāi)采部分淺層水（據(jù)調(diào)查開(kāi)采量為 500～800m3/d），也是其主要排泄方式。

表2 機(jī)民井抽水試驗(yàn)情況一覽表Table 2 The pumping test situation of the Jimin well

3.4 供水水文地質(zhì)條件分析

3.4.1 天然補(bǔ)給資源量 長(zhǎng)興島碳酸鹽巖區(qū)為島內(nèi)地形最高的丘陵區(qū)，大氣降水為主要補(bǔ)給來(lái)源。其西側(cè)、南側(cè)被F1、F2、F3壓性斷層及青白口系砂頁(yè)巖圍繞，可視為阻水邊界，構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)半封閉的儲(chǔ)水構(gòu)造（圖 1）。大氣降水入滲量作為天然補(bǔ)給資源量，側(cè)向徑流流出量忽略不計(jì)。

采用公式為：

α= a·p·F

式中：a—降水入滲補(bǔ)給系數(shù)，無(wú)量綱，依據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定（0.20）

P—降水量（m/a），取多年平均值，為0.612m

F—碳酸鹽巖區(qū)面積（112km2）計(jì)算結(jié)果：α=13.71×106m3/a

3.4.2 現(xiàn)狀開(kāi)采量 長(zhǎng)興島碳酸鹽區(qū)常住人口約8000人，按 100L/（d·人）的定額計(jì)，現(xiàn)狀開(kāi)采量估算為800 m3/d。

3.4.3 可開(kāi)采量 區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖裂隙巖溶水，水量較豐富，適宜集中開(kāi)采，可做供水水源。但由于匯水條件和構(gòu)造條件的差異，同時(shí)考慮取水方便，布井間距等影響因素，可在溝谷及斷裂發(fā)育處布置20眼供水井，單井涌水量1500m3/d，設(shè)計(jì)最大開(kāi)采能力 3.0×104m3/d（1095×104m3/a），日常開(kāi)采量2.0×104m3/d（730×104m3/a）。

區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀開(kāi)采量為800 m3/d，即29.2×104m3/a；水位較深（10～20m），蒸發(fā)量可忽略不計(jì)。因F1、F2、F3壓性斷層為阻水邊界，故徑流排泄量微弱；東北部雖徑流條件稍好，但如按設(shè)計(jì)方案開(kāi)采，整個(gè)區(qū)域水位將明顯下降，徑流排出量會(huì)大大減少，故本次估算不計(jì)算徑流排出量。

按地下水均衡方程，排泄項(xiàng)為設(shè)計(jì)開(kāi)采量與現(xiàn)狀開(kāi)采量之和，最大開(kāi)采量為1124.2×104m3/a，日常開(kāi)采量為759.2×104m3/a；補(bǔ)給項(xiàng)為大氣降水入滲量，即13.71×106m3/a。

由上述分析可計(jì)算出，設(shè)計(jì)最大開(kāi)采能力的開(kāi)采量為天然補(bǔ)給資源量的82%；日常開(kāi)采量為開(kāi)然補(bǔ)給資源量的55.4%。根據(jù)其它巖溶水源地經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)采資源可占補(bǔ)給資源的50%～80%，本次工作估算的日?？砷_(kāi)采量是有保證的；遇特殊情況（如島外引水工程故障）可短時(shí)間內(nèi)按接近設(shè)計(jì)最大開(kāi)采量供水。

3.4.4 成井條件分析 長(zhǎng)興島碳酸鹽巖存在五層溶洞，上部三層為富水地段，也是取水層位，故設(shè)計(jì)揭露或穿透第三層溶洞終孔，孔深 100～120m。該區(qū)裂隙、溶隙、溶洞發(fā)育，鉆進(jìn)困難，可采用300型水文水井鉆機(jī)，跟管鉆進(jìn)成孔。設(shè)計(jì)一開(kāi)跟管直徑625mm，鉆透第一層溶洞下入帶花管的550mm無(wú)縫鋼管，強(qiáng)力拔出625mm套管后固井；二開(kāi)跟管直徑425mm，鉆透第二層溶洞下入帶花管的325mm無(wú)縫鋼管，強(qiáng)力拔出425mm套管后固井；三開(kāi)跟管直徑273mm，鉆透第三層溶洞下入帶花管的 250mm無(wú)縫鋼管，強(qiáng)力拔出273mm套管后固井成孔，見(jiàn)圖2。

圖2 井管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of well pipe structure

3.4.5 水質(zhì)分析 長(zhǎng)興島碳酸鹽區(qū)地下水化學(xué)類型為HCO3-Ca型水，無(wú)色，無(wú)味，無(wú)肉眼可見(jiàn)物，清澈無(wú)雜質(zhì)，pH值為6.76～7.58，溶解性總固體269～949mg/L。銅、鉛、錳等重金屬，砷、汞、鎘、氰等有毒元素及酚、苯等石化污染物均未檢出。按《中華人民共和國(guó)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-93）評(píng)價(jià)，區(qū)域碳酸鹽巖裂隙巖溶水質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ類，適用于集中或生活飲用水水源及工、農(nóng)業(yè)用水（主要水質(zhì)分析項(xiàng)目見(jiàn)表3）。

表3 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)表Table 3 Groundwater quality evaluation table

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)興島作為未來(lái)的世界級(jí)石化工業(yè)基地，受島內(nèi)封閉的自然地理?xiàng)l件所限（四面環(huán)海），優(yōu)質(zhì)淡水資源缺乏。未來(lái)工業(yè)用水及生活用水缺口較大，約為10×104m3/d。本文分析了島內(nèi)碳酸鹽巖裂隙巖溶水特征，并估算了其天然補(bǔ)給量和可開(kāi)采資源量，對(duì)其水量保證和水質(zhì)特征做出了初步評(píng)價(jià)，其日開(kāi)采量（2×104m3/d）可保證20萬(wàn)人口日供水量，且水質(zhì)優(yōu)良，適宜作為飲用水源。缺口部分建議島外引水解決，主要為工業(yè)用水，水質(zhì)要求不高，島內(nèi)碳酸鹽巖裂隙巖溶水應(yīng)優(yōu)先解決人民生活用水。

參 考 文 獻(xiàn)

1 地質(zhì)礦產(chǎn)局. 遼寧省區(qū)域地質(zhì)志［M］. 北京：地質(zhì)出版社，1989，7

2 地質(zhì)礦產(chǎn)局. 遼寧省區(qū)域地質(zhì)志［M］. 北京：地質(zhì)出版社，1989，717～718

3 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局. 水文地質(zhì)手冊(cè)［M］. 北京：地質(zhì)出版社，2012，93～94

Carbonate zone covers 44% of the entire Changxing island. Affected by rainfall， lithology， structure and other conditions， karst is developed well in this region， and groundwater resources are abundant. Moreover，groundwater with good quality is suitable as a drinking water source. On the basis of a large number of basic geological data， combined with on-site investigation， drilling and pumping test results， this paper analyzes the characteristics of 5 karst belt layers from top to bottom， regularity of water abundance and the conditions of reinforcing， runoff and discharge. Taking into account the hydro-geological conditions of the water supply， the paper also estimates the natural and exploitation resources， and analysis well conditions and water quality.

Keywords: carbonate rocks， fissure karst water， natural resources， recoverable resources， water quality analysis

中圖分類號(hào)：P641.134

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-5296（2016）02-0079-06

* 第一作者簡(jiǎn)介：陳冶（1957～），男，水工環(huán)專業(yè)，副教授

收稿日期：2015-12-27；改回日期：2016-03-09

THE KARST WATER CHARACTERISTICS OF CARBONATE ROCK FISSURE IN CHANGXING ISLAND

Chen Ye1Cheng Wei2Song Bo2Song Jianwei2Cheng Jing2Sun Liping2
1.Jilin University， Changchun， Jinlin 130022 2.Liaoning Engineering Investigation and Design Institute， Jinzhou， Liaoning 121000

Abstract