閩北山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水地下水源找水工作方法探討 ①

張富樂(lè)

(福建省閩北地質(zhì)大隊(duì)，南平，354000)

集中供水工程系指以村鎮(zhèn)為單位，從水源取水，經(jīng)凈化消毒，水質(zhì)達(dá)到飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)后，利用配水管網(wǎng)統(tǒng)一送到用戶或集中供水點(diǎn)的供水工程；其他以戶為單位和聯(lián)戶建設(shè)的供水工程為分散式供水工程[1]。 南平鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中供水基本以地表水為主，地表水水源占全市鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水的95%以上[2]。近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)面積擴(kuò)大、人口增加，早期的鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中供水工程出現(xiàn)水源不足、季節(jié)性缺水等問(wèn)題，面臨尋找第二水源、后備水源的問(wèn)題。2019年，省地礦局開(kāi)展部分缺水鄉(xiāng)鎮(zhèn)(村)供水水文地質(zhì)勘察項(xiàng)目，在邵武沿山鎮(zhèn)開(kāi)展的供水水文地質(zhì)勘察(1)福建省閩北地質(zhì)大隊(duì)，邵武市沿山鎮(zhèn)供水水文地質(zhì)勘察報(bào)告，2020。。此次工作通過(guò)對(duì)在典型山區(qū)找水方法進(jìn)行總結(jié)，為省內(nèi)山地丘陵區(qū)找水工作提供參考。

1 研究區(qū)地理位置及水文氣象

沿山鎮(zhèn)位于邵武西北部郊區(qū)，距市區(qū)約17 km，鎮(zhèn)轄區(qū)面積為261 km2，轄13個(gè)村，1個(gè)居委會(huì)，全鎮(zhèn)戶籍人口1.8萬(wàn)人，現(xiàn)鎮(zhèn)區(qū)常住人口近0.7萬(wàn)人[3]。區(qū)域內(nèi)屬中亞熱帶東南季風(fēng)性氣候，四季分明，溫暖濕潤(rùn)，日照充足，雨量充沛，根據(jù)近20年(1999～2019)氣象資料，年降水量為1 061.8～2 504.1 mm，年平均降雨量為1 913.65 mm，豐水期為每年3～6月份，占全年降水量的58.12%。

2 供水現(xiàn)狀及找水目標(biāo)

鎮(zhèn)區(qū)集中供水工程建于2010年，日供水量700 m3/d，受益人口為0.7萬(wàn)人，每天24 h供水，人均日給水量為100 L。隨著鎮(zhèn)區(qū)的擴(kuò)容，常住人口將達(dá)1.2萬(wàn)人(2)福建省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，邵武沿山鎮(zhèn)總體規(guī)劃(2017～2030)，2017。，經(jīng)計(jì)算鎮(zhèn)區(qū)自來(lái)水日供水需求約為1 200 m3/d，與現(xiàn)有鎮(zhèn)區(qū)水源供水能力相差約500 m3/d。

鎮(zhèn)區(qū)地表水源擴(kuò)容受限，易受季節(jié)影響，雨季水源泥質(zhì)過(guò)高、旱季水量不足，因此，考慮采用地下水源作為新水源。根據(jù)前人在鎮(zhèn)區(qū)及周邊開(kāi)展的供水水文地質(zhì)項(xiàng)目，松散巖類孔隙水、風(fēng)化基巖裂隙水，單井流量一般分別為100～150 m3/d、80～100 m3/d，水量無(wú)法滿足需求(3)福建省閩北地質(zhì)大隊(duì)，福建省邵武市農(nóng)業(yè)水文地質(zhì)區(qū)劃圖說(shuō)明書，1983。。因此，此次的找水目標(biāo)為深層斷裂構(gòu)造水，而且單井出水量不小于150 m3/d，總井口出水量不小于500 m3/d，水質(zhì)滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[4]。

3 富水構(gòu)造的特征與驗(yàn)證

3.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)總體地勢(shì)四周高、中間低，處于典型的山間盆地，周邊群山環(huán)抱，海拔主要最高為1 280.4 m；沿山盆地地形平坦、開(kāi)闊，最低海拔為210 m，相對(duì)高差為1 070 m。主要的地層有新元古代萬(wàn)全(巖)群黃潭(巖)組、下峰(巖)組的變粒巖、片巖，震旦紀(jì)西溪組變質(zhì)砂巖，古生代寒武紀(jì)林田組變質(zhì)砂巖，中生代早侏羅世梨山組砂巖、砂礫巖和第四系砂礫、卵石層；區(qū)內(nèi)侵入巖分布廣泛，出露面積約占78.27%，區(qū)內(nèi)周邊以燕山中期二長(zhǎng)花崗巖為主。

3.2 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水主要為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和基巖裂隙水3種類型。

松散巖類孔隙水：主要分布于沿山河谷兩岸及山間溝谷，含水巖組在第四系沖洪積卵石或砂礫石層中，含水巖組一般具二元結(jié)構(gòu)，上部為弱透水的粉質(zhì)黏土，下部為強(qiáng)透水或含水的卵石、砂礫石層，含水層厚度一般為0.5～2.5 m，單井涌水量一般為50～80 m3/d，水量貧乏。地下水為孔隙潛水，局部具微承壓性，補(bǔ)給來(lái)源除大氣降水補(bǔ)給外，還有河水側(cè)向補(bǔ)給，另外靠近山前地帶還接受基巖裂隙水補(bǔ)給。

圖1 邵武市沿山鎮(zhèn)水文地質(zhì)略圖Fig.1 Brief hydrogeological map of Yanshan town, Shaowu city1—第四系；2—燕山中期二長(zhǎng)花崗巖；3—下降泉；4—上升泉；5—水文鉆孔；6—涌水鉆孔；7—充水?dāng)鄬?斷層；8—地層界線；9—電阻率聯(lián)合剖面測(cè)線；10—高密度電阻率測(cè)深剖面測(cè)線

碎屑巖類孔隙裂隙水：含水巖組主要為侏羅紀(jì)梨山組、寒武紀(jì)林田組砂巖，裂隙中因?yàn)槟噘|(zhì)含量高，貯存條件差，泉流量一般小于0.1 L/s，總體水量屬貧乏，主要為大氣降水補(bǔ)給。

基巖裂隙水：可劃分為侵入巖類基巖裂隙水、變質(zhì)巖類基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水。侵入巖類基巖裂隙水含水巖組主要為燕山期花崗巖，泉流量一般為0.11～0.454 L/s，單井涌水量為19.1～86.4 m3/d，總體水量屬貧乏。變質(zhì)巖類基巖裂隙水含水巖組為元古代變質(zhì)巖，巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，連通性較差，地下水貯存條件較差，泉流量為0.08～0.10 L/s，水量貧乏。構(gòu)造裂隙水主要貯存于張性斷裂構(gòu)造中，受斷裂構(gòu)造的產(chǎn)狀、規(guī)模影響，富水性不一(圖1)。

3.3 斷裂構(gòu)造及富水性

研究區(qū)處福建一級(jí)構(gòu)造單元閩西北隆起帶的中偏北部，屬南華活動(dòng)帶武夷—云開(kāi)褶皺帶北段的華夏基底隆起帶的一部分，為華夏古陸的重要組成部分。區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了眾多構(gòu)造期的變動(dòng)，尤其是晚侏羅世以來(lái)，大規(guī)模陸內(nèi)斷陷及巖漿活動(dòng)構(gòu)成該區(qū)最基本和最主要的構(gòu)造體系-巖漿巖展布，主要構(gòu)造為北東、北北東向，次為南北向構(gòu)造(4)福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，邵武幅1∶25萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告， 2005。，野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)的主要斷裂構(gòu)造特征及富水性(表1)。

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查判斷，工作區(qū)主干斷裂構(gòu)造為北東向(F1、F2)規(guī)模較大，延伸較長(zhǎng)，但一般不含水，為阻水構(gòu)造；次為近東西向斷裂構(gòu)造(F3、F4、F5)，規(guī)模較小，但富水性較好，尤其與北東向斷裂相交部位，為北東向阻隔，富水性好。

構(gòu)造裂隙水主要受斷裂通過(guò)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度、地形(地貌)等因素影響，構(gòu)造裂隙水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水、風(fēng)化帶孔隙裂隙水及斷裂穿過(guò)溝谷、河流、水庫(kù)的地表水。地下水沿破碎帶由地形高處往低處徑流，含水帶一般具承壓性，在斷裂穿過(guò)溝谷地形低洼處一般以上升泉的形式排出地表。補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)往往相距較遠(yuǎn)，泉流量與季節(jié)關(guān)系不密切。

區(qū)內(nèi)周邊群山環(huán)繞，匯水條件好，降雨量充沛，近東西向斷裂構(gòu)造(F5)切穿數(shù)個(gè)溝谷(圖2)，可以獲得較為穩(wěn)定的補(bǔ)給來(lái)源。據(jù)泉點(diǎn)S104、S107的流量觀測(cè)(2019-05～2020-04)

表1 邵武沿山主要斷裂特征及富水性

及涌水鉆孔SWGS-5(2019-09～2020-08)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)泉、井流量與降雨量的相關(guān)性分析，構(gòu)造裂隙水具有相對(duì)穩(wěn)定的補(bǔ)給來(lái)源，流量與大氣降水關(guān)系不密切，泉點(diǎn)豐水期最大流量分別為0.170 L/s(S104)和0.483 L/s(S107)、枯水期最小流量分別為0.140 L/s(S104)和0.325 L/s(S107)，泉流量隨季節(jié)略有變化，豐水期流量是枯水期的1.21～1.48倍；SWGS-5孔水位年變化幅度僅為0.05 m，流量為0.035 L/s(表2)。

圖2 邵武沿山F5斷裂剖面(走向方向)示意圖Fig.2 F5 fracture profile (strike direction) schematic of Yanshan town, Shaowu city1—第四系；2—燕山中期正長(zhǎng)花崗巖；3—燕山中期二長(zhǎng)花崗巖；4—上升泉；5—斷層及編號(hào)；6—施工鉆孔及編號(hào)

構(gòu)造裂隙水的水化學(xué)主要為HCO3-Na·Ca型，個(gè)別為HCO3-Ca和HCO3-Na·Mg·Ca型，水化學(xué)類型主要與斷裂穿過(guò)兩側(cè)圍巖地下水水化學(xué)大致相同。因構(gòu)造裂隙水上覆相對(duì)隔水層殘坡積黏性土及第四系沖洪積黏土層，埋藏較深，徑流途徑長(zhǎng)，水質(zhì)不易受地

表工農(nóng)業(yè)用水入滲影響，據(jù)SWGS-3、SWGS-5等孔豐、枯水期水質(zhì)監(jiān)測(cè)，pH值為6.50～6.65，鐵(Fe)0.02～0.03 mg/L、錳(Mn)0.02～0.04 mg/L、氟化物(F)0.17～0.18 mg/L、硝酸鹽(NO3)0.38～1.03 mg/L、偏硅酸(H2SiO3)32.33～34.683 mg/L等主要指標(biāo)變化不大(表3)，水質(zhì)總體穩(wěn)定，適宜作為集中供水水源。

表3 邵武沿山—豐水期(SWGS5-1)、枯水期(SWGS5-2)水質(zhì)測(cè)試成果

3.4 斷裂構(gòu)造驗(yàn)證

近東西向斷裂構(gòu)造為此次找水的重點(diǎn)。擬布設(shè)鉆孔地段為第四系覆蓋，在F4上布設(shè)了電阻率聯(lián)合剖面法測(cè)量，測(cè)試成果顯示，K1測(cè)線在120 m附近出現(xiàn)正交點(diǎn)，推斷點(diǎn)190 m為張性破碎帶構(gòu)造；K2測(cè)線在230 m附近出現(xiàn)正交點(diǎn)，推斷點(diǎn)230 m為張性破碎帶構(gòu)造。在物探推薦部位施工SWGS-2，抽水試驗(yàn)水量?jī)H19.30 m3/d(降深28.0 m)。

F5斷裂構(gòu)造，地表露頭較明顯，且沿?cái)嗔褬?gòu)造有多處泉點(diǎn)出露，直接采用取芯鉆孔驗(yàn)證。于F5含水?dāng)嗔雅cF2阻水構(gòu)造交匯部位，F(xiàn)5構(gòu)造傾向方向施工SWGS-7，經(jīng)鉆孔揭露，孔深38.0～44.0 m處揭露斷層破碎帶，裂隙發(fā)育，裂隙面多見(jiàn)鐵錳質(zhì)，巖芯破碎，多呈碎塊狀、塊狀；經(jīng)抽水試驗(yàn)，井口出水量為304.3 m3/d(降深26.65 m).此后。在東側(cè)采用潛錘無(wú)芯鉆探，孔深為130 m,主要含水段為31.3～36.67 m，井口出水量為810 m3/d(降深8.70 m)。于F5斷裂東段施工SWGS-5，孔口出水量187.7 m3/d(降深19.75 m)，該孔為涌水孔，水頭高于孔口0.65 m。于F3與F2斷裂交會(huì)部位施工SWGS-4、SWGS-11孔，孔口出水量均大于400 m3/d。

此次共施工鉆孔11個(gè)，可供利用的鉆孔為8個(gè)，井口總出水量為2 500 m3/d，可解決1.2萬(wàn)人的日常飲用需求。根據(jù)10組水樣分析成果，水質(zhì)均符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，地下水各組分中pH值為6.5～7.01，屬中性水；總硬度(以CaCO3計(jì))為19.12～79.33 mg/L，屬軟水-極軟水；溶解性總固體為22～157 mg/L，屬淡水。按地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[5]指標(biāo)，地下水質(zhì)量綜合類別為Ⅱ類和Ⅲ類，Ⅲ類指標(biāo)主要為鐵、錳，次為鋁，地下水化學(xué)組分含量中等，適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水。此外，SWGS-3、SWGS-4、SWGS-5、SWGS-7、SWGS-11等鉆孔水中的偏硅酸含量為31.3～38.4 mg/L，其他指標(biāo)滿足“飲用天然礦泉水”[6]水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可作為偏硅酸型礦泉水開(kāi)發(fā)利用。

后期對(duì)地下水的開(kāi)發(fā)利用應(yīng)保護(hù)好供水井周邊的生態(tài)環(huán)境，設(shè)立Ⅰ級(jí)(井位周邊30～50 m)、Ⅱ級(jí)(井位周邊150～200 m)、Ⅲ級(jí)保護(hù)區(qū)范圍；不得有影響供水井水質(zhì)、水量的人類工程活動(dòng)；供水井所在農(nóng)田建議不耕種，防止地表水在供水井周邊漫流、下滲，影響水質(zhì)，并定期對(duì)水質(zhì)、水量觀測(cè)。

4 找水工作方法

4.1 含水構(gòu)造的確定

在非巖溶山區(qū)，主要地下水類型為松散巖類孔隙水、風(fēng)化基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水3種類型。松散巖類孔隙水通常富水性中等-豐富，但易受生活、生產(chǎn)影響，水質(zhì)較差；風(fēng)化基巖裂隙水一般水量有限，且受季節(jié)影響流量不穩(wěn)定，不宜作為集中供水水源。因此，在非巖溶山區(qū)尋找大量地下水，主要為構(gòu)造裂隙水。野外調(diào)查應(yīng)重點(diǎn)查明構(gòu)造的力學(xué)性質(zhì)、規(guī)模、產(chǎn)狀要素、膠結(jié)與充填、巖脈與巖體活動(dòng)和蝕變破碎情況、裂隙發(fā)育程度及地下水活動(dòng)，以及斷裂構(gòu)造的交切關(guān)系等[7]。對(duì)構(gòu)造的性質(zhì)判斷，對(duì)成功找水起到了至關(guān)重要的作用。水文工作應(yīng)重視泉點(diǎn)的調(diào)查，特別是上升泉是對(duì)構(gòu)造的富水性進(jìn)行判斷的重要依據(jù)，F(xiàn)5斷層沿走向方向分布3處上升泉，最大流量為1.00 L/s，判斷該斷裂富水性好，后期鉆孔驗(yàn)證亦與地表調(diào)查結(jié)論一致。

同一構(gòu)造不同部位的富水性也有差異，主要受補(bǔ)給條件、與其他構(gòu)造的交切關(guān)系等因素影響。研究區(qū)近東西向?yàn)楦凰畼?gòu)造，北東向?yàn)樽杷畼?gòu)造，在二者的交切部位施工(SWGS-7、SWGS-4)孔，水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他部位施工(SWGS-5、SWGS-10)孔。

4.2 物探方法的綜合運(yùn)用

物探是用物理方法找水的一種重要的地質(zhì)勘探手段，應(yīng)用前提是目標(biāo)體與圍巖體具有物性差異[8]。因此，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該加強(qiáng)物探資料與地質(zhì)資料綜合研究，多種物探手段組合能夠有效排除干擾和不確定因素，提高物探工作準(zhǔn)確性。

沿山K1線聯(lián)合剖面測(cè)量成果來(lái)看，曲線形態(tài)整體呈“V”字形，小極距在120 m有明顯低阻正交點(diǎn)，大極距在140 m有明顯的低阻正交點(diǎn)，推測(cè)為含水構(gòu)造引起。后期在K1線130 m處施工鉆孔SWGS-2，富水性差，抽水試驗(yàn)水量?jī)H19.30 m3/d(降深28.0 m)，未達(dá)到預(yù)期目的，分析其原因可能為構(gòu)造局部含泥質(zhì)膠結(jié)引起低阻，泥質(zhì)膠結(jié)物電阻率相對(duì)圍巖電阻率較低，在聯(lián)合剖面曲線上同樣表現(xiàn)為低阻正交點(diǎn)(圖3)。

圖3 K1線電阻率聯(lián)合剖面曲線Fig.3 Combined resistivity profile of K1 line

在F5構(gòu)造上布設(shè)了電阻率聯(lián)合剖面法和高密度電阻率測(cè)深法，聯(lián)合剖面曲線形態(tài)整體呈“V”字形，小極距在200 m有明顯低阻正交點(diǎn)，大極距在210 m有明顯的低阻正交點(diǎn)，推測(cè)為含水構(gòu)造；高密度測(cè)深斷面圖顯示在210 m處有明顯低阻異常向深部延伸。后期在K7線210 m處施工SWGS-5，孔深24.50～31.30 m處揭露斷層破碎帶，裂隙發(fā)育，裂隙面多見(jiàn)鐵錳質(zhì)，巖芯破碎，多呈碎塊狀、塊狀；經(jīng)抽水試驗(yàn)，井口出水量為187.7 m3/d(圖4、圖5)。

圖4 K7線高密度電阻率測(cè)深斷面圖Fig.4 High density resistivity bathymetric profile of K7 line

圖5 K7線電阻率聯(lián)合剖面曲線Fig.5 Combined resistivity profile of K7 line

4.3 鉆探工藝的選擇

潛孔錘無(wú)芯鉆探具有鉆進(jìn)效率高、鉆頭壽命長(zhǎng)、防斜效果好、成井質(zhì)量高、出水量直觀等優(yōu)點(diǎn)[9]。巖芯鉆探鉆進(jìn)平均速率為1 m/h，潛孔錘為20 m/h，鉆探速率比為20，提高了施工效率，完成一個(gè)潛孔錘鉆井的施工和成井的工作時(shí)間小于8 h，對(duì)于應(yīng)急、抗旱打井應(yīng)優(yōu)先推廣。使用潛孔錘工藝，在鉆進(jìn)過(guò)程向孔內(nèi)輸送高壓氣體，沖開(kāi)巖層的裂隙，帶走施工過(guò)程中的巖粉，對(duì)孔壁具有一定的破壞作用，可加大孔徑，提高出水量。在同一位置(SWGS-3、SWGS-7)采用不同工藝，在相同孔深的情況下，潛孔錘工藝出水量(480 m3/d)是取芯工藝(300 m3/d)的1.6倍。

5 結(jié)論

(1)在非巖溶山區(qū)，尋找大水量地下水的目標(biāo)應(yīng)是尋找構(gòu)造裂隙水。關(guān)鍵是對(duì)構(gòu)造性質(zhì)的正確判斷。通過(guò)泉點(diǎn)調(diào)查充分分析構(gòu)造的相互關(guān)系和富水性是找水成功與否的關(guān)鍵。

(2)物探找水工作應(yīng)充分考慮地形、地物、巖性等的影響或干擾，科學(xué)合理布設(shè)物探工作，在物探異常處應(yīng)該采用多種物探手段來(lái)加強(qiáng)物探定性解釋。

(3) 潛孔錘鉆探用于供水勘察在效率上優(yōu)于傳統(tǒng)的巖芯鉆探，如果配合井下攝影等新技術(shù)，可以取得很好的效果。建議找水工作前期布置少量巖芯鉆探試驗(yàn)井用于探查斷裂構(gòu)造、富水性，確定富水?dāng)嗔盐恢煤?，采用潛孔錘鉆探施工生產(chǎn)井可以提高效率。