河北興隆縣咋口峪村備用水源地水文地質(zhì)特征與開采前景

王鵬，景志華，李亮，張明宇，梁景利，劉瑞年

（1.華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊，河北承德 067000；2.河北地質(zhì)大學(xué)，河北石家莊 050031）

0 引言

興隆縣位于河北省承德市南部，山谷階地發(fā)育、地形條件復(fù)雜，素有“九山半水半分田”之稱。受自然條件限制，興隆縣水源井均為地下水深水井型，水資源分布不均、開發(fā)利用成本高成為了制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)快速發(fā)展和群眾生活水平提高的一個重要原因（豆靖濤等，2015）。本文依托中國地質(zhì)調(diào)查局-承德生態(tài)文明示范區(qū)綜合地質(zhì)調(diào)查工程項目，詳細(xì)分析了興隆縣咋口峪村備用水源地的地形地貌、氣候、地質(zhì)構(gòu)造、地下水的賦存條件、補(bǔ)徑排條件和水化學(xué)特征，并對其開采前景及蓄水構(gòu)造特征進(jìn)行了探討（鄧啟軍等，2013），為興隆縣水資源的規(guī)劃和建設(shè)提供可靠的依據(jù)。

1 水源地地質(zhì)概況

1.1 地形地貌及氣候條件

興隆縣位于燕山山脈東緣的支脈間，山峰陡峭，群山環(huán)列，地形坡度大，由西往東地勢逐步降低，區(qū)內(nèi)獐帽山為最高峰，標(biāo)高1251.6 m，由西往東地勢逐步降低，至寶地一帶，地面標(biāo)高530 m，上下游地區(qū)相對高差約720 m，平均地面坡降約12.9%。受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等因素的控制，興隆縣形成以碳酸鹽巖為主的低山小區(qū)、以火成巖為主的低山小區(qū)、以碎屑巖為主的低山小區(qū)3 種地貌景觀。水源地河流為柳河，自東向西流經(jīng)水源地北部，屬海河流域灤河系一級支流，發(fā)源于境內(nèi)六里坪山，是縣內(nèi)最長的河流，全長120.5 km，控制流域面積1199.15 km2。河水流量受降雨量影響較大，干涸期（12 月）最小流量0.14～0.52m3/s，汛期（8 月）最大流量116.84～117.88m3/s，平均流量1.54 m3/s?？菟诹铀?72～478 m，最高洪水位479～484 m，水力坡度約5.62‰。與20 世紀(jì)70、80 年代相比，近年來柳河流量嚴(yán)重減少。興隆縣屬溫帶向暖溫帶過度、半干旱半濕潤、大陸季風(fēng)型山地氣候，因受西伯利亞冷氣團(tuán)及副熱帶太平洋氣團(tuán)影響，冬長寒冷干燥少雪；夏短炎熱多降雨，且常有冰雹；春季干旱少雨；秋季天涼氣爽，冷暖適中。多年平均氣溫7.8℃，極端最高氣溫36.7℃，極端最低氣溫-29.4℃，年均降水量為727.9 mm，歷史最高降雨量為1122.6 mm（1964年），最少年為459.0 mm（1981 年）；降水多集中在6、7、8 月份，3 個月降水量占全年的68.6%，5—9月降水量占全年的86.1%；年平均蒸發(fā)量1400.0 mm，6、9 月份半濕潤，降雨量與蒸發(fā)量均等；最大凍土深度119 cm（王占升，2007）。

1.2 地質(zhì)概況

水源地所在地大地構(gòu)造屬于華北地臺燕山臺褶帶中段，在三級構(gòu)造單元上位于馬蘭峪復(fù)背斜北部，為寬城凹褶束的一部分。區(qū)內(nèi)出露地層主要為長城系常州溝組長石石英砂巖、石英巖狀砂巖；串嶺溝組頁巖、粉砂巖障壁潮道砂巖，為區(qū)內(nèi)相對隔水層；團(tuán)山子組白云巖、疊層石白云巖夾白云質(zhì)泥巖；大紅峪組硅化砂質(zhì)白云巖及石英砂巖，以及第四系沖積物。區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育。水源地總體處于樞紐呈東西向背斜的北翼，樞紐為長城系串嶺溝組地層，褶皺南翼受后期斷裂構(gòu)造破壞嚴(yán)重；受密云-喜峰口深大斷裂及其次級構(gòu)造控制，區(qū)內(nèi)發(fā)育有北東向張性斷裂及北西向壓性斷裂，探采結(jié)合井所在的團(tuán)山子組地層內(nèi)發(fā)育的北西向次一級張性斷裂，為水源地地下水的運(yùn)移及儲存提供了良好的通道（王新峰等，2018）（圖1）。

圖1 咋口峪水源地立體地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

2 水源地水文地質(zhì)特征

2.1 水源地含水巖組及水文地質(zhì)特征

水源地含水巖組共分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組、基巖構(gòu)造裂隙含水巖組及隔水巖類（圖2）。

（1） 第四系松散巖類孔隙含水巖組：主要分布于咋口峪溝谷、山間盆地及河床地帶，主要是沖積和沖洪積等類型的堆積物，由礫石、砂礫石、砂層夾黏質(zhì)砂土、細(xì)砂及淤泥等組成。受地形地貌、水力坡度及沉積厚度等影響，含水層具有相對較厚、埋藏淺、水動力場活躍、富水性中等等特點，為孔隙水的富水地段。水化學(xué)類型一般為HCO3-Ca 及HCO3-Ca·Mg 型，礦化度0.36～1.25g/L，單井涌水量100～300m3/d。

（2） 碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組：主要分布于咋口峪東西向背斜兩翼的長城系團(tuán)山子組、大紅峪組地層內(nèi)，含水層巖性為白云巖、疊層石白云巖夾白云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖。由于構(gòu)造條件復(fù)雜，巖溶發(fā)育，能構(gòu)成完整的巖溶水系統(tǒng)，水量豐富且動態(tài)較穩(wěn)定，北部三義村泉流量達(dá)34.72L/s，是咋口峪村區(qū)域內(nèi)比較有供水意義的地下水類型。水化學(xué)類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg 型為主，礦化度小于0.5g/L，單井涌水量300～1000m3/d。

（3） 基巖構(gòu)造裂隙含水巖組：主要分布于水源地南部斷裂構(gòu)造帶中。北東向及其次一級張性斷裂構(gòu)造主發(fā)育于團(tuán)山子組及串嶺溝組地層內(nèi)部，含水層厚度垂向發(fā)育較深，寬度7～100 m。受構(gòu)造作用影響，破碎帶內(nèi)形成構(gòu)造角礫巖、碎裂巖，構(gòu)造角礫巖、碎裂巖多膠結(jié)較好，部分碎裂巖雖膠結(jié)較弱，但其間為碎粉充填。構(gòu)造破碎帶整體透水性中等，富水性強(qiáng)。ZK11 探采結(jié)合孔即位于北西向張性斷裂構(gòu)上盤，在深149.10～151.50 m 處巖芯極為破碎，為含水層。根據(jù)抽水試驗，含水層滲透系數(shù)為2.56～5.03m/d，表明該含水層透水性好，富水性強(qiáng)（宋照光，2007）。而區(qū)域北西展布的壓扭性斷裂構(gòu)造，一定程度上具有對巖石的壓實作用，從而成為相對隔水構(gòu)造，水源地上游的咋口峪泉即與此壓型斷裂構(gòu)造有關(guān)。

（4） 隔水巖類：分布于咋口峪東西向背斜樞紐部位，巖性為長城系串嶺溝組頁巖，為區(qū)域性相對隔水巖組。

2.2 地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄及動態(tài)特征

（1） 第四系松散巖類孔隙水：大氣降水垂直入滲補(bǔ)給是本類型地下水的主要補(bǔ)給來源，其次為基巖側(cè)向徑流補(bǔ)給。在補(bǔ)給條件好的河谷中、下游地段，地形較開闊，構(gòu)成滯留匯水地形，含水層巖性以砂卵石為主，水位埋藏淺，大氣降雨入滲補(bǔ)給迅速，低洼溝谷地形利于基巖側(cè)向徑流匯集。豐水期，孔隙水側(cè)向補(bǔ)給河水；枯水期，河水補(bǔ)給孔隙水。根據(jù)含水層巖性組合及地貌特征，地下水的排泄方式主要為徑流排泄和人工開采，尤其人工開采在水源地附近占很大比例，是咋口峪村分散式供水的主要水源。水位動態(tài)受降雨入滲補(bǔ)給、側(cè)向徑流補(bǔ)給和人工開采等因素影響，接受降雨補(bǔ)給能力強(qiáng)，水位可恢復(fù)性強(qiáng)（王洪磊等，2016）。一般水位年變幅為2～5 m，年平均水位受當(dāng)年降雨和開采量控制，年際間平均水位差距較小。

（2） 碳酸鹽巖裂隙巖溶水：該組含水層在水源地附近分布面積較大，屬于入滲補(bǔ)給型，且水源地附近構(gòu)造裂隙較為發(fā)育，裂隙密集，巖層破碎，含水層厚度大，能夠廣泛接受大氣降水。排泄方式主要為向下游徑流和在地勢條件和構(gòu)造條件十分有利的部位出露泉眼（王新峰等，2017），如水源地北部的三義村泉，為本類型地下水的重要排泄方式。由于該類型地下水以降水入滲補(bǔ)給及側(cè)向徑流補(bǔ)給為主，因此表現(xiàn)出明顯的降水入滲補(bǔ)給滯后現(xiàn)象。

根據(jù)地下水年內(nèi)變化情況可劃分為3 個動態(tài)期：①水位上升期，一般在5—9 月，由于降水入滲補(bǔ)給增強(qiáng)，使水位上升；②水位下降期：一般在9—12 月，降雨量減少，入滲補(bǔ)給量隨之減少，使水位下降；③水位相對穩(wěn)定期：一般在12 月至次年5 月，持續(xù)穩(wěn)定的地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，維持水位相對穩(wěn)定。該類型地下水水位動態(tài)與降雨量及開采量關(guān)系密切，一次降雨后，水位上升可形成峰值，開采后又形成低值，年內(nèi)水位埋深、水位變幅較大是該類型地下水動態(tài)的主要特點（葉浩等，2017）。

（3） 基巖構(gòu)造裂隙含水巖組：主要依靠上部含水層的垂向補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給，裸露區(qū)直接接受大氣降水補(bǔ)給，排泄方式主要為側(cè)向徑流和泉（圖3）。該類型地下水水位與降水季節(jié)及降水量關(guān)系密切，雨季降水量大，水位同步上升，無滯后作用（喬曉英等，2005）。年際降水量大，地下水位埋深平均值小，水位變幅就大，反之亦然。由于冰雪融化和雨季降水對該類型地下水影響明顯，所以在一年內(nèi)水位動態(tài)曲線一般呈現(xiàn)兩個峰值。

圖2 咋口峪水源地水文地質(zhì)圖

3 水源地地球物理特征

圖3 咋口峪水源地補(bǔ)、徑、排剖面示意圖

為進(jìn)一步了解水源地深部地球物理特征，結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)及構(gòu)造情況，在水源地呈“十字”型近垂直布設(shè)實施了2 條可控源音頻大地電磁法剖面?？煽卦雌拭骘@示明顯的縱向電性分層特征，由淺至深分布著低阻-高阻-低阻3 個電性層，深部呈低阻-中高阻-低阻相間分布。在22 線中部測點處，電阻率等值線梯度突變，低阻條帶兩側(cè)等值線密集變化的梯度帶的中部為斷層位置，此斷裂位于與21 線相交位置，據(jù)此推斷其為同一斷裂，屬較好的導(dǎo)水、貯水構(gòu)造（賈德旺趙慶令，2016）。

4 水源地開采前景

在全面了解水源地地層、構(gòu)造及地球物理特征基礎(chǔ)上，確定了水源地北側(cè)張性斷裂規(guī)模及其導(dǎo)水（盧玉邦等，2004）、貯水作用，因此選擇水源地張性斷裂的上盤位置施工了ZK11 號探采結(jié)合井及配套觀測井，以進(jìn)一步查明水源地水文地質(zhì)特征。ZK11探采結(jié)合井深210.40 m，其中含水層厚123.55 m，靜止水位埋深10.60 m；觀測井井深136.00 m，靜止水位埋深8.20 m。

4.1 水文地質(zhì)參數(shù)計算確定

本次對ZK11 探采結(jié)合井進(jìn)行了3 個落程穩(wěn)定流抽水試驗，穩(wěn)定時間為24 h，主孔、觀測孔同步觀測水位（圖4）。抽水試驗計算公式選用潛水完整井穩(wěn)定流抽水進(jìn)行計算：

式（1）中：S為抽水孔水位降深（m） ；K為滲透系數(shù)（m/d）；r為抽水井半徑（m）；Q 為涌水量（m3/d）；H為含水層厚度（m）；R為影響半徑（m）。

將數(shù)據(jù)帶入潛水完整井穩(wěn)定流抽水計算公式，滲透系數(shù)計算結(jié)果的平均值4.23 m/d，抽水試驗結(jié)果見表1。

4.2 地下水補(bǔ)給量確定

水源地地下水補(bǔ)給量主要包括： 大氣降水入滲量、地下水側(cè)向徑流流入量2 部分。

4.2.1 大氣降水入滲量

式（2）中：Q降為日平均降水入滲補(bǔ)給量（m3/d）；F為降水入滲的面積（m2）；α為降水入滲系數(shù)；X為多年平均大氣降水量（m）。

降水入滲的面積經(jīng)計算為7.34 km2，降水入滲系數(shù)α取0.25；根據(jù)該區(qū)域歷年平均降水量X取701.2 mm，經(jīng)計算本區(qū)地下水多年平均降水量入滲補(bǔ)給量為3525.21m3/d。

4.2.2 地下水側(cè)向徑流流入量

式（3）中：Q潛為潛水地下水徑流流入量（m3/d）；K為滲透系數(shù)（m/d）；I為水力坡度（‰）；H為潛水含水層厚度（m）；B為過水?dāng)嗝鎸挾龋╩）。

計算中滲透系數(shù)取4.23m/d，水力坡度取8.6‰，潛水含水層厚度根據(jù)探采結(jié)合孔及觀測井資料取平均值123.55 m，過水?dāng)嗝鎸挾热?60 m，經(jīng)計算地下水潛水側(cè)向徑流流入量為2516.92m3/d。綜上，該區(qū)地下水總補(bǔ)給量Q=Q降+Q潛=6042.13m3/d。

表1 ZK11 井抽水試驗成果計算表

圖4 抽水試驗Q-t、s-t、Q-S 與q-s 曲線圖

4.3 地下水儲存量計算

本區(qū)地下水儲存量主要為潛水儲存量，潛水儲存量計算公式為：

式（4）中：W為地下水的儲存量（m3）；μ為潛水含水層的給水度；V為潛水含水層的體積（m3）。潛水含水層面積按匯水面計算為7.34 km2，給水度根據(jù)水文地質(zhì)手冊提供的經(jīng)驗值取0.10，含水層平均厚度取123.55 m。計算潛水的儲存量為90.69×106m3。

4.4 地下水允許開采量計算

4.4.1 水源地地下水允許開采量計算

根據(jù)該區(qū)的水文地質(zhì)條件，采取水均衡法進(jìn)行評價（馬岳昆等，2019）。對于一個均衡區(qū)（或地段）的含水層組來說，在補(bǔ)給和消耗的不平衡發(fā)展過程中，在任一時段△t內(nèi)的補(bǔ)給量與消耗量之差，恒等于這個含水層組中水體積的變化量。

據(jù)此建立水均衡方程式：

式（5）中：Q補(bǔ)=Q流入+Q越入+Q河滲+Q雨滲+Q人補(bǔ)+……

如果要求穩(wěn)定型開采動態(tài)，則最大允許開采量為：

根據(jù)該地區(qū)的水文、氣象及補(bǔ)、徑、排等邊界條件，同時結(jié)合考慮上游匯水面積范圍內(nèi)的居民人數(shù)（區(qū)內(nèi)大型工礦企業(yè)，工作區(qū)內(nèi)居民人數(shù)較少，牲畜、生活用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水十分有限），綜合分析后將水均衡方程式簡化為：

4.4.2 探采結(jié)合井允許開采量計算

根據(jù)含水層結(jié)構(gòu)特點及抽水試驗分析，探采結(jié)合井含水層厚度為123.55m，允許降深為含水層厚度的1/3，S允許=41.18m 進(jìn)行允許開采量的計算，利用抽水試驗法計算允許開采量過程如下。

Q=f（S）線型判斷：通過計算n 值判斷曲線線型，計算公式為：

式（6）中：Q1為抽水試驗第一降深涌水量；S1為抽水試驗第一降深水位下；Q3為抽水試驗第三降深涌水量；S3為抽水試驗第三降深水位下降值。

計算得n=2.01，Q=f（S）線型為對數(shù)型。

將抽水試驗數(shù)據(jù)代入對數(shù)曲線方程：

求得參數(shù)a=8.63，b=10.71。

最終測探采結(jié)合井單井允許開采量Q允許=2484.86m3/d（28.76L/s）。

4.5 地下水資源評價

本區(qū)地下水資源天然條件下總補(bǔ)給量為6042.13m3/d，其中大氣降水滲入補(bǔ)給量為3525.21m3/d，占總補(bǔ)給量的58.34%，側(cè)向徑流補(bǔ)給量為2516.92m3/d，占總補(bǔ)給量的60.69%。計算單井允許開采量為2484.86m3/d，占補(bǔ)給資源量的41.13%，可見水源地開采資源是有足夠保障的。探采結(jié)合井在平水期及枯水期抽水井的最大出水量與豐水期的相比應(yīng)略有減?。止怫蔚龋?017），本次預(yù)估的最大出水量除遇到極特殊的干旱情況外，基本達(dá)到長期開采供給的條件，預(yù)計可直接解決10000 余人的飲水問題。

5 水源地蓄水構(gòu)造模式

咋口峪水源地地處南高北低的溝谷地帶，充足的大氣降水及地表徑流為本區(qū)地下水的富集提供了先決條件（李云等，2015）。長城系團(tuán)山子組碳酸鹽巖在水源地上游廣泛分布，受區(qū)域斷裂及褶皺構(gòu)造影響，巖石節(jié)理及裂隙發(fā)育，為地下水的補(bǔ)給及運(yùn)移提供了豐富的空間及通道（張之淦和陳偉海，2000），同時也促進(jìn)了區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖巖溶的進(jìn)一步發(fā)育，形成了碳酸鹽巖巖溶裂隙蓄水構(gòu)造（劉新號，2011）；水源地附近長城系串嶺溝組頁巖發(fā)育，受東西向背斜構(gòu)造影響，頁巖層得以進(jìn)一步壓實，在碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層的下部形成相對致密的隔水層，即地層阻水構(gòu)造（于麗莎等，2019）；探采結(jié)合井附近發(fā)育有一北北西向的張性斷裂構(gòu)造，在此構(gòu)造作用影響下，地層破碎、巖溶更為發(fā)育，且張開性好，進(jìn)一步促進(jìn)了大氣降水及地表徑流的入滲，形成斷裂蓄水構(gòu)造（邸志強(qiáng)等，2007）。因此認(rèn)定咋口峪水源地蓄水構(gòu)造為巖溶裂隙、斷裂帶與地層阻水共同組成的復(fù)合型蓄水構(gòu)造（圖5）。

6 結(jié)論

咋口峪水源地附近碳酸鹽巖地層廣布，斷裂及褶皺構(gòu)造發(fā)育，區(qū)內(nèi)主要含水層為第四系松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組及基巖構(gòu)造裂隙含水巖組，地下水接受大氣降水補(bǔ)給后，自南向北向溝谷匯聚，并以泉（三義村泉）及河川基流形式排出域外。水源地地下水資源豐富，蓄水構(gòu)造復(fù)雜（蘭自亭和劉玉忠，2005）；現(xiàn)狀條件下地下水的允許開采量為6042.13m3/d，計算單井允許開采量為2484.86m3/d，占補(bǔ)給資源量的41.13%，基本可以保證長期開采的供給，預(yù)計開發(fā)使用后可直接解決10000 余人的飲水生活問題。該水源地距現(xiàn)有興隆縣第四供水地（紅石砬）直距僅1.8 km，具備改造成為興隆縣城備用水源地的潛力。為保證地下水資源的合理開發(fā)及利用，建議下一步對咋口峪水源地開展水文地質(zhì)詳查相關(guān)工作，查明地下水水力聯(lián)系、取水層位，為水源地施工提供翔實依據(jù)（楊齊青等，2009）；同時加強(qiáng)本地區(qū)地下水的動態(tài)監(jiān)測工作，嚴(yán)格控制開采規(guī)模，避免產(chǎn)生地下水降落漏斗等環(huán)境水文地質(zhì)問題。

圖5 咋口峪水源地蓄水構(gòu)造模式圖