豐沛平原區(qū)地下水開采利用現(xiàn)狀及潛在水源地分析

景佳俊， 管 禎， 單雨陽， 景佳媛

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊，徐州 221004； 2.華北理工大學，唐山 063600)

0 引言

豐沛平原區(qū)位于江蘇省北部，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)以農(nóng)耕為主，主要以潛水作為生產(chǎn)及生活用水，以往地下水供需矛盾并不激烈。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，該區(qū)對水資源的需求量日益增長，地下水作為主要的供水水源，在社會經(jīng)濟發(fā)展中具有重要作用。然而，地下水超采造成了區(qū)域性水位下降和水環(huán)境污染，引發(fā)地面沉降和地裂縫等地質(zhì)災害。目前，豐沛平原區(qū)已形成豐縣城關(guān)—孫樓—常店和沛縣—龍固2個大型超采漏斗區(qū)，不僅引發(fā)了地面沉降等地質(zhì)災害[1-4]，也嚴重影響了社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展[5-7]。就城市供水而言，地下水暫無地表水源可代替時，只能繼續(xù)開采地下水。為了緩解地下水過量開采導致的地面沉降問題，有效減少第四系孔隙水的開采量，在豐沛平原區(qū)尋找新的供水水源地是迫切需要解決的問題。本文通過總結(jié)豐沛平原區(qū)水文地質(zhì)條件和特征，分析該區(qū)地下水開采利用現(xiàn)狀，并對潛在水源地進行分析，探討華棲隆起區(qū)裂隙巖溶水利用的可行性，為該區(qū)下一步水源地勘察工作提供參考。

1 地下水賦存特征

按含水介質(zhì)不同，該區(qū)地下水主要劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和碎屑巖-巖漿巖裂隙孔隙水3類，相應含水巖組分別為孔隙含水巖組、裂隙巖溶含水巖組和裂隙孔隙含水巖組。因碎屑巖-巖漿巖裂隙孔隙水賦存量小，基本無供水價值，本文暫不作介紹。松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水的賦存特征如下。

1.1 松散巖類孔隙水

松散巖類孔隙水賦存于新近系—第四系孔隙含水巖組中。根據(jù)地層沉積時代，孔隙含水巖組細分為全新統(tǒng)孔隙含水層、中上更新統(tǒng)孔隙含水層和新近系—下更新統(tǒng)孔隙含水層。

(1)全新統(tǒng)孔隙含水層。全區(qū)廣布，厚度<15 m，主要為粉土，結(jié)構(gòu)松散，透水性較好，底部有一層厚約5 m的淤泥質(zhì)亞黏土。該含水層富水性弱，單井涌水量多數(shù)為10～100 m3/d。

全新統(tǒng)孔隙含水層裸露地表，直接接受大氣降水入滲和農(nóng)灌水回滲補給。徑流方向主要受地形控制，總體流向與地形坡向基本一致。全新統(tǒng)孔隙水的排泄途徑主要有蒸發(fā)、人工開采、越流補給下伏含水層以及向地表水流泄。

(2)中上更新統(tǒng)孔隙含水層。全區(qū)廣布，底板埋深70～90 m，東南部含水砂層累計厚5～10 m，向北、西北逐漸增厚至15～20 m。該含水層富水性較好，單井涌水量多數(shù)為1 000～3 000 m3/d。

天然條件下，該區(qū)中上更新統(tǒng)孔隙水主要由東北向西南徑流； 現(xiàn)狀條件下，因受人工開采影響，該區(qū)地下水由四周向漏斗區(qū)匯流。全新統(tǒng)孔隙水的越流補給是中上更新統(tǒng)孔隙水的重要補給源，人工開采及向下伏含水層越流是中上更新統(tǒng)孔隙水的主要排泄途徑。

(3)新近系—下更新統(tǒng)孔隙含水層。全區(qū)廣布，東部含水層底板埋深80～180 m，西部含水層底板埋深420～460 m。含水砂層厚20～40 m，單井涌水量一般>1 000 m3/d。

天然條件下，該區(qū)新近系—下更新統(tǒng)孔隙水自東北向西南徑流； 現(xiàn)狀條件下，受人工開采影響，該區(qū)已形成以沛縣和豐縣為中心的水位降落漏斗。近些年來，農(nóng)村地區(qū)新近系—下更新統(tǒng)孔隙含水層的開采強度加大，該含水層水位普遍低于上覆含水層水位。因此，現(xiàn)狀條件下，該區(qū)新近系—下更新統(tǒng)孔隙水不僅接受側(cè)向徑流補給，來自上覆含水層的越流也是其主要補給源，徑流方向由四周向漏斗區(qū)匯流。人工開采是新近系—下更新統(tǒng)孔隙水的唯一排泄途徑。

1.2 碳酸鹽巖類裂隙巖溶水

碳酸鹽巖類裂隙巖溶水賦存于寒武系—奧陶系裂隙巖溶含水巖組中，含水層巖性主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖，主要分布于華棲隆起區(qū)，頂板埋深>80 m，富水性取決于構(gòu)造和匯水條件，不同地段水量差異較大，單井涌水量一般>1 000 m3/d，局部可達10 000 m3/d。

該區(qū)裸露巖溶區(qū)面積<0.01 km2，可忽略不計，以NE向的側(cè)向徑流補給為主，以上覆含水層越流補給為輔，徑流方向自東向西。人工開采是碳酸鹽巖類裂隙巖溶水的唯一排泄途徑。

2 地下水現(xiàn)狀

2.1 開采利用現(xiàn)狀

豐沛平原區(qū)地下水主采層位為中上更新統(tǒng)孔隙含水層和新近系—下更新統(tǒng)孔隙含水層。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計資料[4]，截至2012年底，豐沛平原區(qū)共有中上更新統(tǒng)孔隙含水層開采井8 723眼，新近系—下更新統(tǒng)孔隙含水層開采井430眼，且主要集中在豐縣、沛縣城區(qū)及沛縣北部大屯鎮(zhèn)。中上更新統(tǒng)孔隙水開采量為9 400.52萬m3/a，可采資源量為9 289.60萬m3/a，補給資源量為11 240萬m3/a； 新近系—下更新統(tǒng)孔隙水開采量為8 544.72萬m3/a，可采資源量為8 573.73萬m3/a，補給資源量為10 374萬m3/a。目前，孔隙含水層已超采或臨近超采，且開采極不均衡。沛縣龍固、楊屯、大屯、沛城和安國，中上更新統(tǒng)孔隙含水層和新近系—下更新統(tǒng)孔隙含水層均超采； 沛縣龍固、楊屯和大屯，豐縣鳳城、宋樓、大沙河、歡口、趙莊、孫樓和常店，中上更新統(tǒng)孔隙含水層超采量>50%。

2.2 地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

豐沛平原區(qū)孔隙水長期不均衡開采導致超采區(qū)中上更新統(tǒng)含水層水位大幅下降。20世紀70年代，該區(qū)自然水位標高約25 m，但目前該區(qū)自然水位標高約0 m，最低水位標高已降至-14.4 m(豐縣縣城)，形成了豐縣城關(guān)鎮(zhèn)—孫樓鎮(zhèn)—常店(面積325.22 km2)大型超采漏斗區(qū)和沛縣—龍固(面積427.33 km2)大型超采漏斗區(qū)，并引發(fā)大面積地面沉降(圖1)。地面沉降主要發(fā)生在沛縣大屯鎮(zhèn)和豐縣城市規(guī)劃區(qū)地下水強烈開采區(qū)，其中沛縣大屯鎮(zhèn)地面沉降發(fā)生時間較早。1988年，大屯鎮(zhèn)已形成與開采區(qū)一致的沉降漏斗，最大累計沉降量達329 mm； 至2006年，該鎮(zhèn)最大累計沉降量達821 mm，平均沉降速率為27 mm/a； 2006年，該鎮(zhèn)累計沉降量>700 mm的區(qū)域面積達1.09 km2。根據(jù)地面沉降監(jiān)測資料[4]及地下水降落漏斗分布范圍，推測目前豐沛平原區(qū)累計沉降量>200 mm的區(qū)域面積達200 km2，累計沉降量>100 mm的區(qū)域面積達600 km2。

圖1 豐沛平原區(qū)地面沉降分布圖

3 潛在水源地分析

3.1 地質(zhì)條件

華棲隆起區(qū)位于豐沛平原區(qū)中部，主要由寒武系、奧陶系和石炭系碳酸鹽巖組成，總厚度>1 000 m，沿NEE—SWW向呈條帶狀展布，長約40 km，寬5～6 km，總面積為225.88 km2。西側(cè)豐縣斷裂與古近系碎屑巖呈斷層接觸，南、北兩側(cè)分別與泰山群片麻巖、二疊系—侏羅系及古近系碎屑巖呈角度不整合接觸，東部延至區(qū)外，局部有閃長斑巖侵入，為半封閉型水文地質(zhì)單元(圖2)。

圖2 華棲隆起區(qū)位置及第四系等厚線

華棲隆起區(qū)在豐縣華山鎮(zhèn)和棲山鎮(zhèn)有基巖零星出露，其余地區(qū)被厚度為50～280 m的松散層覆蓋，為埋藏型裂隙巖溶水富水地段。裂隙巖溶水接受大氣降水越流補給，越流系數(shù)為(1.297～4.45)×10-5d-1，水頭埋深10～15 m，高于含水層頂板，屬承壓水。目前，該區(qū)無人工開采活動，基本保持天然狀態(tài)。

根據(jù)礦區(qū)勘探試驗資料[8-10]及區(qū)域相關(guān)研究成果，發(fā)現(xiàn)該區(qū)含水層巖溶裂隙較發(fā)育，富水性總體較好。寒武系和奧陶系多為灰?guī)r，富水性最佳，單井涌水量一般>1 000 m3/d，鉆孔揭露該類巖層均嚴重漏水； 石炭系和二疊系含煤巖組富水性較差，單井涌水量一般<300 m3/d。在肖縣組施工的ZK1302孔和ZK1508孔抽水試驗結(jié)果[8-10]顯示：ZK1302孔水位降深為2.8 m時，出水量為898.8 m3/d； ZK1508孔水位降深為3.92 m時，出水量為4 032.0 m3/d。計算獲得的平均滲透系數(shù)k為5.40 m/d，導水系數(shù)T為560 m2/d，釋水系數(shù)S*為0.021。根據(jù)馬家溝組ZK4301-1孔抽水試驗結(jié)果[8-10]，鉆孔水位埋深為19.83 m、降深為10.11 m時，出水量為4 567.3 m3/d，計算獲得的平均滲透系數(shù)k為10.89 m/d。

根據(jù)本次ZK808孔肖縣組下段含水層水質(zhì)分析結(jié)果，該區(qū)裂隙巖溶水為HCO3·SO4·Cl-Na (或Na ·Ca)型水，礦化度為1～1.5 g/L，總硬度>450 mg/L，pH值>7.5，符合飲用水水質(zhì)標準。

3.2 區(qū)域巖溶水資源量計算

根據(jù)區(qū)域抽水試驗結(jié)果，該區(qū)巖溶水給水度為2.5×10-3，貯水系數(shù)為4.65×10-4，導水系數(shù)為250 m2/d，水力坡度為3.35×10-4，越流系數(shù)為1.81×10-5d-1。

根據(jù)水均衡法[11]，本次擬定的水均衡區(qū)為巖溶覆蓋區(qū)，總面積為225.88 km2，均衡期擬定為一個水文年，以覆蓋型與裸露型巖溶區(qū)段補給量之和作為開采量，其中15%的巖溶水為不可采量，公式為

Qk=Qy+Qc，

(1)

Qc=0.85QCB-QK，

(2)

Qy=3.65×104·K·ΔH·F，

(3)

QB=Qk/F，

(4)

式中：Qk為開采資源量，萬m3/a；Qc為側(cè)向補給資源量，萬m3/a；QCB為側(cè)向補給量，萬m3/a；QK為開采量，萬m3/a；Qy為越流補給資源量，萬m3/a；K為越流系數(shù)，d-1； ΔH為設計水頭差，5 m；F為巖溶區(qū)面積，225.88 km2，QB為開采模數(shù)，萬m3/(a·km2)。其中裸露巖溶區(qū)面積僅0.01 km2，本文忽略不計。

通過計算，研究區(qū)越流補給資源量為640.61萬m3/a，側(cè)向補給資源量為26.90萬m3/a，總可采資源量為667.51萬m3/a，開采模數(shù)為2.96萬m3/(a·km2)，可作為潛在水源地進一步開展地下水勘查評價工作。

3.3 巖溶水開采可行性

華棲隆起區(qū)裂隙巖溶水主要富水區(qū)段為基巖面以下約20 m地段，向下富水性驟降，單井涌水量多數(shù)>4 000 m3/d，是區(qū)域上良好的供水水源，預計開采井的建井深度與孔隙水開采井的開采深度相近，建井成本略高。華棲隆起區(qū)與豐縣及沛縣縣城具有一定距離，預計供水管網(wǎng)建設及運營成本較孔隙水略高，但裂隙巖溶水開采可有效緩解區(qū)內(nèi)供水壓力，有利于孔隙水資源的科學開發(fā)與保護，裂隙巖溶水開采具有可行性。

巖溶裂隙水疏干至-200 m時，姜梨園鐵礦井下疏干排水資料[9]顯示：距礦井邊界北800 m處設置的巖溶水觀測井水位埋深由18.6 m下降至22 m，第四系底部含水觀測井(基巖面以上與風化裂隙接觸帶)水位埋深由18 m降至82 m； 距礦井邊界北1 km處設置的巖溶水觀測井水位埋深由18.2 m下降至32 m。因此，裂隙巖溶水過度開采將導致孔隙水水位下降，可能引發(fā)地面沉降等地質(zhì)災害。

裂隙巖溶水水位下降引起孔隙水水位下降，二者之間的水力聯(lián)系密切，裂隙巖溶水過度開采將導致裂隙巖溶水水位下降，當水位降至基巖面附近時易形成土洞，可能引發(fā)巖溶地面塌陷等地質(zhì)災害。大規(guī)模開采巖溶水還可能導致裂隙巖溶水的水質(zhì)發(fā)生變化。

4 結(jié)論

(1)豐沛平原區(qū)地下水主采層位為中上更新統(tǒng)孔隙含水層和新近系—下更新統(tǒng)孔隙含水層，已形成豐縣城關(guān)—孫樓—常店和沛縣—龍固2個大型超采漏斗區(qū)，總面積超過750 km2，引發(fā)了地面沉降等地質(zhì)災害。

(2)華棲隆起區(qū)為裂隙巖溶水的富水地段，總可采資源量為667.51萬m3/a，可作為水源地進一步開展地下水勘查評價工作。

(3)華棲隆起區(qū)巖溶水距離城區(qū)近，水量大，水質(zhì)好，開發(fā)難度小，具有可觀的經(jīng)濟價值。

(4)裂隙巖溶水過量開采可能引發(fā)地面沉降、巖溶地面塌陷等地質(zhì)災害，應對裂隙巖溶水開采情況進行長期監(jiān)測，合理開發(fā)利用水資源。