缺水地區(qū)薄層含水結(jié)構(gòu)的開發(fā)利用研究

(山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030001)

1 薄層含水層定義及研究意義

1.1 薄、弱含水層的定義

含水層是一組既含水又能透水的地層的統(tǒng)稱。薄層含水層[1]的“薄”是一個相對的概念，原指整體表現(xiàn)為隔水地層的粘土亞粘土類地層中間夾雜的砂礫石含水層，沉積厚度薄，補給條件差，富水性不好，很難提供穩(wěn)定的出水流量。傳統(tǒng)的水文地質(zhì)學(xué)并沒有將其計算在地下水資源里，一般也不作為開發(fā)的目的層。

本文研究的薄層含水層是這一概念的延伸，泛指所有地層中含水層厚度相對較薄、補給條件差的各類弱含水結(jié)構(gòu)，不再單指粘土類地層中砂礫石夾層。

GB12719-1991《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》中，以孔徑91 mm的鉆孔，抽水降深10 m 為準(zhǔn)，通過計算單位涌水量，將地層富水性分為以下四級[2]： (1)弱富水性：q<0.1 L/s·m；(2)中等富水性：0.1 L/s·m5.0 L/s·m。 實際水文地質(zhì)工作中，由于弱富水性地層對工農(nóng)業(yè)供水意義不大，一般不會將單井水量小于10 m3/d的含水層納入可開發(fā)資源進行評價和統(tǒng)計。同時，由于開采成本高，不能形成穩(wěn)定供水，我們通常也將涌水量小于3 m3/h的地區(qū)劃為弱含水區(qū)域。

1.2 研究意義

我國西南地區(qū)如四川省、云南省，都大量分布有第四系風(fēng)化紅土地層；而北方不僅沉積有第三系紅土層，還有一些泥頁巖為主的沉積巖如侏羅系、白堊系等，都屬于典型的弱含水地區(qū)。尤其在缺水山區(qū)，降雨等水資源時空分布嚴(yán)重均勻，地形高差大，降雨形成的洪水很難攔蓄，地表水資源很難被利用。下游水資源過度開發(fā)，導(dǎo)致地下水源疏干，溝谷內(nèi)原有清泉水?dāng)嗔鞲珊?，更加劇了?dāng)?shù)氐挠盟щy。而當(dāng)?shù)氐貙又衅毡榇嬖谟斜拥暮Y(jié)構(gòu)，雖然厚度不大，富水弱，但在該類地區(qū)可能是就近解決人畜飲水困難的唯一可靠途徑。遠距離引水不僅成本高，運行管理也難以為繼。深部地下水源或者不存在，即使有也是開發(fā)成本太高，對于山區(qū)小范圍供水難以形成持續(xù)發(fā)展模式。因此，從21世紀(jì)初開始，國家和地方有關(guān)部門都立足當(dāng)?shù)?，探索開發(fā)薄、弱含水層的勘查技術(shù)及新型開采、開發(fā)模式，取得了很好的經(jīng)驗，在中西部缺水地區(qū)建立了一批示范工程。這些研究探索，對于紓解缺水山區(qū)人畜飲水困難、扶貧開發(fā)等有重大的現(xiàn)實意義。

2 山區(qū)薄、弱含水層分類

2.1 松散層孔隙水

2.1.1 崩塌堆積物

陡坡上的巖土、石塊或風(fēng)化碎屑層，在重力作用下，崩落下移形成的土石堆或碎屑堆，分布在坡腳或山麓地帶形成山前崩塌物堆積。一般表現(xiàn)為分選差、無層理但多空隙、結(jié)構(gòu)松散的巖土碎屑混雜體。接受降雨及山前側(cè)向補給，可形成局部富水的含水層。

2.1.2 坡積物

在降雨形成的片流搬運和重力作用下，在山前斜坡地帶形成坡積、堆積物。成分以中細砂、粉砂和亞粘土為主，有時夾有粗顆粒的砂礫石。從坡頂?shù)焦鹊?，地層顆粒由粗粒徑的碎石、中細砂逐漸過度到亞砂土亞粘土。在垂直剖面上，則表現(xiàn)為自上而下由碎石、中細砂、亞砂亞粘土、粘土構(gòu)成的沉積韻律。中上部的砂礫石層在橫向上沿坡面形成很好的含水結(jié)構(gòu)。底部及坡邊緣的粘土構(gòu)成很好的隔水層，在補給條件好的地區(qū)會以小泉小水形式出露地表，最終匯入溝谷或以地下徑流方式向下游排泄。

2.1.3 山間溝谷沖洪積物

由于山區(qū)地形高差大，降雨形成的地面徑流多數(shù)以洪水形式出現(xiàn)。這些裹夾著大量砂石的洪流，在地表寬闊地帶由于流速降低，堆積形成的扇形洪積物或漫灘沖積物，構(gòu)成山區(qū)最主要的松散含水結(jié)構(gòu)。

2.2 基巖裂隙水

在地質(zhì)演化及構(gòu)造運動的作用下，堅硬的基巖會產(chǎn)生各種裂隙 ，包括成巖裂隙、風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙三種。這些裂隙接受降雨等補給后，形成基巖裂隙水。裂隙水的埋藏、分布及富水程度受裂隙發(fā)育控制和補給條件影響，裂隙水分布不均，不同巖層間水力聯(lián)系少。

2.2.1 殘積物及風(fēng)化殼

地表巖石經(jīng)風(fēng)化作用后，殘留在原地形成風(fēng)化殘積物。多層結(jié)構(gòu)的殘積物構(gòu)成風(fēng)化殼，在地表呈殼狀包裹于地面，構(gòu)成巖石圈的表層。

由于風(fēng)化作用的長期及普遍性，風(fēng)化裂隙大多分布于地表或淺埋于松散沉積層下部，形成均勻、密集聯(lián)通的層狀、塊狀裂隙系統(tǒng)?？紫抖却?，導(dǎo)水性能好，接受水源補給后構(gòu)成良好的風(fēng)化裂隙含水系統(tǒng)。常為潛水，多層結(jié)構(gòu)及埋藏型也可能是承壓水。

2.2.2 條帶狀構(gòu)造裂隙水

構(gòu)造裂隙是巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂隙。構(gòu)造裂隙水儲存并運動于這些裂隙中。裂隙發(fā)育的方向性導(dǎo)致含水巖層的滲透具有各向異性，在同一巖層的不同方向，裂隙發(fā)育好的方向上，導(dǎo)水性強，水力聯(lián)系好；裂隙發(fā)育差的方向上，導(dǎo)水性差，水力聯(lián)系弱。整體呈現(xiàn)帶狀分布形成含水帶。

一般情況下，在構(gòu)造應(yīng)力集中之部位裂隙較為發(fā)育，越是堅硬的脆性巖石越容易形成裂隙。所以在向斜、背斜軸部，區(qū)域地層隆起的核部，斷裂構(gòu)造破碎帶處裂隙發(fā)育而富水。

2.2.3 成巖裂隙水

成巖裂隙和成巖裂隙水：成巖裂隙是玄武巖、大理巖等巖石在形成過程中由于冷凝、固結(jié)、脫水等作用而產(chǎn)生的原生裂隙，成巖裂隙的特點是受巖性控制，發(fā)育均勻，呈層狀分布，多富集潛水，賦存的地下水稱為成巖裂隙水。

沉積巖和深層巖漿巖的成巖裂隙通常是閉合的，含水意義不大。最有意義是玄武巖成巖裂隙。陸地噴發(fā)的玄武巖巖漿，在冷凝收縮過程中產(chǎn)生的柱狀節(jié)理就屬于成巖裂隙(還有氣孔)。此類裂隙張開性一般較好，且分布均勻、密集，連通性好，良好的補給條件下構(gòu)成貯水豐富、導(dǎo)水通暢的成巖裂隙含水系統(tǒng)。

3 適用的地球物理勘查技術(shù)方法

由于傳統(tǒng)物探技術(shù)受極距、靈敏度等因素影響，分辨率有限，對薄層含水層的勘查從來都是難點。如何在貧水山區(qū)，在地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，科學(xué)合理地運用綜合物探方法，尋找到分布范圍小，厚度有限的含水結(jié)構(gòu)，經(jīng)過多年的研究和經(jīng)驗積累，有了一定的進展，但勘探成本普遍較高，更合理經(jīng)濟的物探方法仍處于探索研究階段。這里只介紹兩種較為成熟的淺層物探方法。

3.1 核磁共振法

核磁共振找水技術(shù)直接探測自由水分子中氫原子的激發(fā)響應(yīng)，是目前國際上唯一直接找水的技術(shù)方法。國內(nèi)外的實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明[3]，儀器測得的氫原子核磁共振信號的平均衰減時間T2*對自由水和束縛水的反映不同，束縛水的衰減時間T*2小于30 ms。而核磁共振儀器的測量間歇時間也為30 ms，因此接受不到束縛水的激發(fā)響應(yīng)信號。而自由水的水量越大，核磁響應(yīng)信號越強，因此該方法可以直接尋找地層中的自由水并評估其富水性和滲透系數(shù)。缺點是儀器復(fù)雜笨重，工作耗時長，抗干擾能力差。特別適宜于一般物探方法難以尋找的分布不均的地下水，如黃土丘陵孔隙水、風(fēng)化碎屑巖裂隙水、在巖溶發(fā)育帶區(qū)分含水或泥質(zhì)充填物以及斷裂構(gòu)造形成的層狀、脈狀裂隙水。

3.2 高密度電法

高密度電法對淺層地下結(jié)構(gòu)具有高分辨率，是淺層地球物理勘查的主要方法之一。對于砂頁巖地區(qū)的斷裂構(gòu)造、灰?guī)r區(qū)巖溶發(fā)育及松散沉積層中分布不均的砂礫石層，具有快速高效的特點，成本低，是其他物探方法難以比擬的。資料處理簡單成熟，最大的缺點是難以確定富水性。

高密度電法與傳統(tǒng)的電阻率法相比，是一次測量中設(shè)置了較高密度的測點?，F(xiàn)場工作時，將全部電極布置在一定間隔的測點上，電極之間根據(jù)設(shè)置模式可以自由組合測量，這樣一次就可以獲得更多的地電信息，使電法勘探成為覆蓋式的測量方式。

圖1所示是在某山間溝谷內(nèi)的運用60道高密度電法儀器勘查淺層砂礫石層的測量結(jié)果。一次布置60個電極進行組合測量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)圖中粗線劃定的區(qū)域，就可以將地下埋深8米以上的高阻砂礫石層分辨出來。界面清晰，資料可靠性好。工作效率高。

圖1 山西某山間溝谷高密度電法反演成果圖

圖2 輻射井示意圖

圖3 虹吸井示意圖

4 開發(fā)利用方式探討

由于薄、弱含水層的水資源自身徑流條件差，補給量小且速度緩慢，采用傳統(tǒng)的單井開采與其含水層自身的補給很難同步，導(dǎo)致開采時水位降深大，不能滿足穩(wěn)定抽水。開發(fā)利用時必須要先解決區(qū)域弱含水結(jié)構(gòu)的幾個關(guān)鍵問題，包括最大程度匯集地下水的能力和改善補給條件[4]。通過工程措施增強開采井的匯水能力，盡可能增加區(qū)域含水層的靜水儲存空間[5]。只有滿足這兩個條件，才能保證高峰期的供水需要。

4.1 輻射井

輻射井[1]是在大口井或管井的動水位下，在含水層的部位，沿徑向施工安裝3～8條集水管道來增大出水量。見圖2所示，主要是由集水井與一層或多層呈輻射狀排列的集水管組成的地下取水建筑物。輻射井適用于埋深較大，含水層厚度較薄的粗砂礫石含水層。地下水補給條件越好，出水量越大。山區(qū)和黃土丘陵區(qū)都可采用，現(xiàn)階段在缺水地區(qū)應(yīng)用廣泛。含水層較厚時,設(shè)置多層輻射集水管，可以大大增大出水量。

4.2 虹吸井

將兩個以上的筒井、管井以虹吸管連接起來，通過群井聯(lián)用開采弱含水層中的地下水。見圖3所示，虹吸井[5]一般由一個或多個水源井和一個集水井及虹吸組合輸水管組成。水源井在集水井周圍根據(jù)含水層的分布情況布置，開采時通過虹吸原理將高處的地下水自動流入到低水位的開采井中，匯流到一起滿足機泵連續(xù)穩(wěn)定抽水的要求，解決單個水井抽水的耗能和水量不足問題。

4.3 截潛、截滲和攔蓄洪水

4.3.1 截潛流

截潛流工程通過在河底或溝谷的砂卵石含水層內(nèi)部垂直水流方向修建截水墻，攔蓄匯集地下水至集水井或水池中，綜合開發(fā)地表徑流和地下徑流的一種集水工程。適應(yīng)于河床或溝谷寬度不大，含水層埋深較淺、富水性好的地區(qū)。根據(jù)是否完全穿透含水層的截流方式分為完整式和非完整式兩種。完整式截潛貫穿含水層直達底部，如果能配合底部防滲處理，在地形高差大，水力坡度大的地區(qū)比非完整式截流在攔截地下徑流方面更容易攔蓄儲存地下水，抬高當(dāng)?shù)氐叵滤唬Ч哺谩?/p>

4.3.2 滲渠

開挖滲渠主要是為了攔截山區(qū)溝谷或山間季節(jié)性小河的河床滲透水和地下潛流水。通常分為橫切溝谷和沿河岸布置兩種。后者區(qū)別于截潛流，成本低，維護方便，還可用于攔截邊坡或丘陵緩坡坡積物的地下徑流。在山區(qū)可以沿溝谷和水流走向長距離設(shè)置，對于解決小型供水很有意義。

4.3.3 引泉

在山區(qū)有地下水露頭的地方，充分利用山區(qū)清泉水，修建貯水的地下建筑物。再利用地形高差，通過管道借重力作用將泉水自動引流到下游集水井或清水池等取水建筑物中加以利用。

4.3.4 山區(qū)洪水資源化

通過布置在溝谷或河道上游的攔河壩、堰，采用蓄、滯、補等措施對山區(qū)洪水進行資源化利用，緩解水資源供需矛盾。將山區(qū)降雨就地截留使用，或有意識延長洪水在山間溝谷或沖、洪積含水層的滯留時間，回補地下水。

5 結(jié)語

對于傳統(tǒng)水文地質(zhì)來說，薄層、弱含水結(jié)構(gòu)不具有連續(xù)供水的能力，開發(fā)價值不大。但對于缺水山區(qū)，采用新方法、新途徑，立足當(dāng)?shù)亻_發(fā)該類含水層，滿足人畜飲水的基本需求，紓解水資源的供需矛盾，很有現(xiàn)實意義。經(jīng)過技術(shù)人員多年的研究和積累，已經(jīng)探索出一些切實可行的勘查及開發(fā)利用方式，建立了一批示范基地。由于缺水地區(qū)自身水資源條件的限制和觀念影響，低成本開發(fā)當(dāng)?shù)乇?、弱含水層，可持續(xù)地解決生活用水問題，還有待進一步的研究探索和推廣應(yīng)用。