新疆三塘湖礦區(qū)新近系地下水資源量評價(jià)

劉葉青，高 江，張吉勇，趙海陸

(1.中煤地質(zhì)工程總公司，北京 100040；2.新疆京能哈密煤業(yè)有限公司，烏魯木齊 830000)

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新疆三塘湖礦區(qū)新近系地下水資源量評價(jià)

劉葉青1，高 江2，張吉勇2，趙海陸1

(1.中煤地質(zhì)工程總公司，北京 100040；2.新疆京能哈密煤業(yè)有限公司，烏魯木齊 830000)

我國西北新疆地區(qū)氣候干旱，三塘湖礦區(qū)多年平均降水量為41.6mm，年均蒸發(fā)量2273.7mm，降水量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，地表水資源匱乏，水資源成了當(dāng)?shù)毓I(yè)項(xiàng)目決策的重要條件。通過斷面法計(jì)算該區(qū)新近系地下水的補(bǔ)給量為13826 m3/d，采用體積法計(jì)算地下水儲存量為4.03×108m3，運(yùn)用解析法非穩(wěn)定流計(jì)算20a允許開采量為33163m3/d。這些參數(shù)，為該區(qū)將來大規(guī)模開發(fā)和清潔利用煤炭資源提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

新近系；水資源；邊界；允許開采量

0 前言

新疆哈密地區(qū)西北部戈壁荒漠的深處，煤炭資源十分豐富，但目前運(yùn)輸條件差，企業(yè)為了更高效的開發(fā)利用煤炭資源，與煤礦同時(shí)規(guī)劃了坑口電廠和煤化工項(xiàng)目，將煤炭就地轉(zhuǎn)化，變成清潔的電力資源和工業(yè)附加值更高的化工產(chǎn)品。但該地區(qū)十分干旱，地表水資源稀缺，而項(xiàng)目本身每年約900萬m3的需水量成了企業(yè)發(fā)展的瓶頸。以往在煤炭資源勘探階段，并未發(fā)現(xiàn)富水異常區(qū)，但在礦井專門水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探階段，發(fā)現(xiàn)本區(qū)新近系中蘊(yùn)含有較豐富的地下水，并具有一定的供水意義，因此，對該地下水資源量進(jìn)行評價(jià)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 水文地質(zhì)背景

評價(jià)區(qū)位于三塘湖盆地構(gòu)造的西部。三塘湖盆地是一個(gè)中新生代的沉積盆地，屬北天山-準(zhǔn)噶爾構(gòu)造區(qū)(I級)北準(zhǔn)噶爾構(gòu)造帶(II級)三塘湖-淖毛湖華力西期后山間坳陷(Ⅲ級)，盆地內(nèi)基底起伏不同，沉積的中新生代地層的厚度也不相同，進(jìn)而形成了多個(gè)含水巖類構(gòu)成的次一級地下水盆地。盆地南北兩側(cè)山區(qū)為地下水的主要補(bǔ)給區(qū)，接受大氣降水和冰雪消融水補(bǔ)給，地下水通過側(cè)向徑流形式向盆地中央的平原區(qū)匯集、排泄(圖1)。

圖1 區(qū)域水文地質(zhì)Figure 1 Regional hydrogeologicalmap

區(qū)內(nèi)發(fā)育的地層主要有奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系，盆地內(nèi)出露地層主要以大面積分布的第四系為主，局部零星出露侏羅系中統(tǒng)西山窯組砂巖。整體為一斷陷盆地構(gòu)造，盆地內(nèi)為走向北北東向，傾向南南西的單斜構(gòu)造，斷層較發(fā)育，走向近東西。

依據(jù)含水介質(zhì)的空隙類型和地層時(shí)代將區(qū)內(nèi)含水層自上而下依次劃分為三個(gè)含水層：第四系孔隙含水層、新近系孔隙裂隙含水層和侏羅系煤系裂隙含水層。第四系含水層以砂礫石層為主，地層透水性強(qiáng)，在接受大氣降水入滲補(bǔ)給后，迅速向下游徑流排泄，區(qū)內(nèi)富水性弱且不均勻。侏羅系巖性主要為砂巖、泥巖、煤層，呈互層狀發(fā)育，其中砂巖為主要含水層，巖心較為完整，裂隙不發(fā)育，該含水層埋藏深，補(bǔ)給不暢，富水性弱。因此，第四系含水層和侏羅系含水層均不具供水意義。

區(qū)內(nèi)新近系含水層主要由巨厚的礫巖、砂巖和含礫泥巖組成，含水層厚度10～115.00m，平均厚度52.91m。該含水層地下水水位埋深46.46～110.40m，換算標(biāo)準(zhǔn)涌水量(統(tǒng)一為口徑325mm、抽水水位降深5m)最大達(dá)4003m3/d，接受上游徑流補(bǔ)給和山前第四系的直接補(bǔ)給，徑流受地形控制，由西北向東南徑流，總體上與地形坡降一致，水力坡度0.0022%～5.882%。

2 不同勘探階段對新近系含水層的認(rèn)識

在以往煤炭資源勘探各個(gè)階段都不同程度的開展了水文地質(zhì)工作，前后施工水文鉆孔8個(gè)，累計(jì)抽水試驗(yàn)15層次，針對新近系含水層的抽水試驗(yàn)7次。由于資源勘探階段水文孔口徑普遍較小，大部分鉆孔口徑為121mm，資料顯示單孔涌水量都不大，平均單位涌水量0.138L/(s·m)，最大0.289L/(s·m)。對照標(biāo)準(zhǔn)，該含水層富水性為弱—中等。后期在水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探階段，水文孔均采用大口徑，所有新近系抽水孔口徑為350mm，過濾管口徑273mm，管外采用填礫工藝，共布置抽水孔9個(gè)。為了取得地下水流場信息，進(jìn)行群孔抽水試驗(yàn)1次，鉆孔單孔抽水試驗(yàn)的平均單位涌水量為3.203L/(s·m)，最大達(dá)到8.022L/(s·m)，富水性等級為強(qiáng)——極強(qiáng)。

通過水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探，對本區(qū)的水文地質(zhì)條件有了一個(gè)重新認(rèn)識，尤其是新近系含水層，鉆孔平均單位涌水量是以往的20倍以上，說明該含水層富水性極強(qiáng)，厚度大，平面分布穩(wěn)定，且水位埋深淺，是理想的供水目的層。

本區(qū)處于新疆哈密戈壁區(qū)，氣候干燥，地表水資源十分匱乏和珍貴，根據(jù)已有資料初步評價(jià)新近系地下水資源量，為將來的煤礦和配套項(xiàng)目解決水源問題，粗略估算僅此一項(xiàng)，可以為企業(yè)節(jié)約資金1.4億元/a。

3 水資源量的計(jì)算

3.1 計(jì)算原則

①地下水資源計(jì)算與評價(jià)分為補(bǔ)給量、排泄量、儲存量、允許開采量，擬定供水水源地位置選擇在富水性最強(qiáng)的西北部；

②項(xiàng)目區(qū)位于干旱少雨的西北荒漠區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)量大，地下水天然補(bǔ)給量貧乏，為保障生產(chǎn)建設(shè)需要，允許開采量動用部分儲存量；

③地下水資源補(bǔ)給量采用斷面法計(jì)算側(cè)向徑流補(bǔ)給，儲存量計(jì)算采用含水層體積法，允許開采量采用非穩(wěn)定流解析法計(jì)算。

3.2 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

本區(qū)新近系含水層為潛水類型，水資源評價(jià)所需水文地質(zhì)參數(shù)主要為滲透系數(shù)(K)和給水度μ)?？紤]到抽水試驗(yàn)時(shí)，水躍值(井損)的影響，在穩(wěn)定流單孔抽水試驗(yàn)資料計(jì)算時(shí)，公式中的水位降深值進(jìn)行了去“井損”處理。

3.2.1 水躍值(井損)的計(jì)算

水躍值確定方法采用阿勃拉莫夫經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：Δh為水躍值，m；Q為涌水量，m3/d；S為井中抽水降深，m；K為滲透系數(shù)，m/d；F為過濾器工作面積，m2；F=2πrL，r和L分別為濾管內(nèi)半徑和濾管工作長度，m；λ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，計(jì)算取值為20。

3.2.2 非穩(wěn)定流計(jì)算

3.2.2.1 單孔試驗(yàn)泰斯公式雅柯布直線法

利用單孔抽水試驗(yàn)水位恢復(fù)數(shù)據(jù)計(jì)算導(dǎo)水系數(shù)和滲透系數(shù)，抽水持續(xù)時(shí)間(tp)相對于恢復(fù)時(shí)間(t′)足夠長，可得泰斯公式如下形式：

式中：S′為剩余降深，S′=H0-H′，H0、H′分別為抽水前的水頭和抽水停止后某一時(shí)間的恢復(fù)水頭，m；Q為抽水孔定流量，m3/d；tp為抽水試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間；T′為從抽水停止以后算起的水位恢復(fù)時(shí)間。

從上式可知S′與1+tp/t′在單對數(shù)紙上為直線關(guān)系(圖2)，可由直線的斜率i求得含水層的導(dǎo)水系數(shù)，T=0.183Q/i；再根據(jù)含水層的厚度H可求得滲透系數(shù)k，k=T/H。

3.2.2.2 紐曼配線法

利用本區(qū)一組帶觀測孔的新近系含水層群孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)紐曼降深——時(shí)間配線法參數(shù)計(jì)算導(dǎo)水系數(shù)、給水度和彈性釋水系數(shù)：

T=0.08QSd/S；μ=Tt/r2ty；

μ*=Tt/r2tS；K=T/H

式中：T為導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；μ為給水度；μ*為彈性釋水系數(shù)；K為滲透系數(shù)，m/d；H為含水層厚度，m；Sd、ty、ts分別為紐曼標(biāo)準(zhǔn)曲線上的配合點(diǎn)坐標(biāo)讀數(shù)。根據(jù)勢的疊加原理，觀測孔QG的水位降，相當(dāng)于抽水孔QW2、QQ同時(shí)抽水對其的影響之和。在透明雙對數(shù)坐標(biāo)紙上做群孔抽水時(shí)觀測孔QG的水位降深和時(shí)間的雙對數(shù)曲線(圖3)，與標(biāo)準(zhǔn)曲線疊置，分別進(jìn)行B組、A組標(biāo)準(zhǔn)曲線匹配，選擇配合點(diǎn)，讀出相應(yīng)的坐標(biāo)。當(dāng)標(biāo)配曲線β=0.03時(shí)，得：

配線曲線后半部分(B組)，得：S=1m，t=60min=1h時(shí)，Sd=2.2，ty=0.083；

配線曲線前半部分(A組)，得：S=1m，t=60min=1h時(shí)，Sd=2.1，ts=58

T1=14.08m2/h；T2=13.44m2/h；T取平均數(shù)，T=13.76m2/h=330.24m2/d，

μ=0.012；μ*=0.000032。

圖2 QW3孔抽水試驗(yàn)恢復(fù)水位S′-lg(1+tp/t′)曲線Figure 2 Borehole QW3 pumping test water level recovery S′-lg(1+tp/t′)curve

圖3 群孔抽水試驗(yàn)觀測孔lgs-lgt雙對數(shù)曲線Figure 3 Borehole group pumping test observationboreholes lgs-lgt double logarithm curves

3.2.3 穩(wěn)定流計(jì)算

根據(jù)裘布依潛水計(jì)算公式計(jì)算滲透系數(shù)和影響半徑：

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；Q為鉆孔涌水量，m3/d；H0為自然水位至含水層底板的距離，m；S為水位降深(為孔內(nèi)降深實(shí)測值減去水躍值h后的降深)；R為影響半徑，m。根據(jù)潛水公式R=2S；r為鉆孔濾管半徑，m。

3.2.4 參數(shù)計(jì)算結(jié)果

水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總于表1。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算成果

注：K1為非穩(wěn)定流計(jì)算結(jié)果，K2為穩(wěn)定流計(jì)算結(jié)果。

3.3 地下水資源量計(jì)算

3.3.1 天然補(bǔ)給量計(jì)算

計(jì)算區(qū)位于西北內(nèi)陸干旱季風(fēng)區(qū)，年平均降水量僅41.6mm，新近系地下水的補(bǔ)給僅有地下水的側(cè)向徑流流入，地下水自西部和北部向東南部徑流，自東南方向流出本區(qū)(圖4)。新近系孔隙裂隙含水層的側(cè)向徑流補(bǔ)給量按下式計(jì)算：

Q=KIcosθBH，

式中：Q為地下水徑流量，m3/d；K為滲透系數(shù)，m/d；I為水力坡度；θ為地下水流向與過水?dāng)嗝娣ň€的夾角；B為計(jì)算斷面的寬度，m；H為含水層厚度，m。

考慮到斷面不同部位含水層厚度、滲透系數(shù)和水力坡度的變化，為了提高計(jì)算精度，將整個(gè)斷面分為3個(gè)小斷面來分別計(jì)算(圖4)。計(jì)算得地下水天然狀態(tài)下的徑流補(bǔ)給量為13826 m3/d(表2)。

表2 斷面流量計(jì)算

3.3.2 排泄量計(jì)算

區(qū)內(nèi)目前無任何工業(yè)企業(yè)和永久居民，無人工開采，也沒有泉點(diǎn)出露，天然排泄以蒸發(fā)為主。工作區(qū)潛水蒸發(fā)極限為5m，區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)潛水水位大于5m，僅在盆地中部水位埋深小于5m，存在蒸發(fā)排泄，蒸發(fā)排泄量計(jì)算公式為：

Q蒸=EgFλ，

式中：Q蒸為蒸發(fā)量，104m3/a；Eg為蒸發(fā)強(qiáng)度，取多年平均值2109.8mm；F為蒸發(fā)區(qū)面積，取13.5km2；λ為蒸發(fā)系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值0.01。計(jì)算得地下水天然排泄量為28.4×104m3/a。

3.3.3 儲存量計(jì)算

潛水含水層的儲存量計(jì)算公式：

W=μV，

式中：W為地下水的儲存量，m3；μ為給水度，取本次計(jì)算結(jié)果0.012；V為含水層體積，m3。計(jì)算面積為評價(jià)區(qū)以西，面積約750 ×106m2，含水層厚度取44.77 m，含水層的體積為3.358 ×1010m3。

得地下水儲存量為：W==4.03×108m3。

圖4 新近系地下水徑流補(bǔ)給斷面計(jì)算Figure 4 Neogene groundwater runoff rechargeestimation

3.3.4 允許開采量計(jì)算

采用解析法計(jì)算非穩(wěn)定流允許開采量。為了簡化計(jì)算，將干擾井群視作一口“大井”，考慮地質(zhì)邊界條件，將評價(jià)區(qū)概化為南、北為平行的隔水邊界，東、西為無限含水層的概念模型。此時(shí)根據(jù)鏡像原理，以同時(shí)工作的抽水井代替邊界作用，可得到無數(shù)個(gè)“映像”抽水井，“映像”抽水井按虛擬“大井”處理，當(dāng)兩邊隔水邊界距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，映射一次即可滿足要求(圖5)。

圖5 計(jì)算邊界條件示意Figure 5 A schematic diagram of computational boundary condition

此時(shí)，當(dāng)擬建水源地井群開采時(shí)，其“大井”水位降深按勢的疊加原理，就相當(dāng)于三口抽水“大井”在不同距離處同時(shí)抽水對其的影響，井群涌水量計(jì)算公式為：

計(jì)算水位降至H0的70%，開采10 a，允許開采量為40379m3/d；開采20 a，允許開采量為33163m3/d。

4 水質(zhì)

本區(qū)新近系地下水pH值7.97～8.4，呈弱堿性，礦化度948～4000mg/L，屬于淡水—咸水，水化學(xué)類型主要為Cl·SO4—Na·Ca型、Cl·SO4—Na型水，局部為Cl·SO4—Ca·Na型和Cl·SO4—Ca型水，沿著地下水徑流方向，礦化度逐漸升高，這是由于地下水在深部運(yùn)移過程中，逐漸與地層中的礦物質(zhì)發(fā)生溶濾和交換作用，巖石中的礦物離子進(jìn)入地下水，使礦化度升高。采用《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，地下水中的氟化物、硫酸鹽、溶解性總固體、氨氮四個(gè)指標(biāo)均超標(biāo)，部分水樣pH值、氯化物、耗氧量、鈉離子超標(biāo)。因此，區(qū)內(nèi)新近系地下水質(zhì)量較差，不適宜直接飲用，需經(jīng)處理后方可飲用。

5 結(jié)論

①地下水補(bǔ)給量計(jì)算采用斷面徑流量法。為了提高計(jì)算精度，對斷面進(jìn)行了分段計(jì)算，不同計(jì)算分段采用不同的參數(shù)，計(jì)算得地下水天然補(bǔ)給量為13826m3/d。

②地下水儲存量采用含水層體積法，計(jì)算得勘查區(qū)上游地下水儲存量為4.03×108m3。

③通過計(jì)算，本區(qū)可以利用的新近系地下水資源量近1200萬m3/ a，在干旱的戈壁地區(qū)能有如此豐富的地下水，是十分寶貴的，滿足了項(xiàng)目年需水900萬m3的要求，但在開發(fā)過程中應(yīng)注意環(huán)境保護(hù)。

④本次水資源量初步計(jì)算是在礦井水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探基礎(chǔ)上進(jìn)行的，建議針對該水源地進(jìn)行專門的勘探工作，以提高精度和可靠程度。

[1] 薛禹群，吳吉春.地下水動力學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社,2010.

[2]《供水水文地質(zhì)手冊》編寫組.供水水文地質(zhì)手冊[M].北京：地質(zhì)出版社,1983.

[3]中國煤炭地質(zhì)總局特種技術(shù)勘探中心.新疆哈密三塘湖礦區(qū)漢水泉三號井田水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告[R].北京：中國煤炭地質(zhì)總局特種技術(shù)勘探中心，2015.

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Neogene Groundwater Resources Assessment in Santanghu Mining Area, Xinjiang

Liu Yeqing1, Gao Jiang2, Zhang Jiyong2and Zhao Hailu1

(1.China Coal Geological Engineering Corporation, Beijing 100040;2.Xinjiang Jingneng Hami Coal Industrial Co. Ltd., Urumqi, Xinjiang 830000)

The climate in the Xinjiang area, northwestern China is arid. Mean annual precipitation in the Santanghu mining area is 41.6mm; mean annual evaporation is 2273.7mm, far higher than precipitation. It caused lack of surface water resources, thus a major issue in local industrial project decision. The cross section method estimated Neogene groundwater recharge is 13826m3/d, volumetric method estimated ground water reserve is 4.03×108m3, through analytic method unsteady flow estimated 20 years allowable exploitation yield is 33163m3/d. All of the numbers have provided the basis to large-scale exploitation and clean utilization of coal resources in the area aftertime.

Neogene; water resource; boundary; allowable exploitation yield

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.09

1674-1803(2017)04-0043-05

劉葉青(1975—)，男，陜西寶雞人，工程碩士，高級工程師，長期從事煤田水文地質(zhì)工作。

2016-08-08

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

責(zé)任編輯：樊小舟