青島市嶗山區(qū)富水地段水文地質(zhì)特征分析

賈 濤，剛什婷，王 璽，彭同強，呂明薈

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊/山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014；2.山東省地下水環(huán)境保護與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250014)

0 引言

青島地處山東半島東南部沿海，是黃河流域重要開放門戶、區(qū)域性國際航運中心、對外開放橋頭堡、東部沿海重要的創(chuàng)新中心、沿海重要中心城市。青島市是資源型缺水城市，水資源總量不足，時空分布不均，加之經(jīng)濟快速發(fā)展，人口逐年增長，水資源短缺已成為制約青島市經(jīng)濟社會發(fā)展的短板[1-8]。青島市嶗山區(qū)一直以來被稱為貧水區(qū)，特別是山區(qū)及花崗巖出露或第四系覆蓋較薄的低山丘陵區(qū)，據(jù)現(xiàn)有資料反應(yīng)，其成井率及出水量都不理想。因此，研究區(qū)域富水地段水文地質(zhì)特征，總結(jié)的兩種典型蓄水構(gòu)造模型，為尋找新的城市供水水源地，緩解目前地下水的供需矛盾具有重要意義[9-19]。

1 青島市嶗山區(qū)概況

研究區(qū)位于魯東地段即墨牟平斷裂帶南段東側(cè)，隸屬于華夏系第二隆起帶構(gòu)造體系。形成于震旦紀呂梁運動期的復(fù)式背斜褶皺是嶗山區(qū)的地質(zhì)骨架。而后嶗山區(qū)整體緩慢隆起，使得基底長期暴露于地表接受風化剝蝕，覆蓋層不甚發(fā)育。對本區(qū)的影響最大的構(gòu)造運動當屬中生代燕山期地殼構(gòu)造運動，伴隨著燕山期中期相繼噴發(fā)的熔巖和廣泛侵入的花崗巖。喜馬拉雅運動再次抬升了嶗山區(qū)基底，從而加速了該區(qū)的剝蝕沉積和地殼構(gòu)造運動。以NEE向韌性剪切帶和NW向脆性斷裂構(gòu)造為主，基巖以侵入式花崗巖為主，間有變質(zhì)巖，山間河谷盆地發(fā)育有第四系沉積。

圖1 青島市嶗山區(qū)地貌圖

研究區(qū)位于青島市嶗山區(qū)，主要為沿海河流(土寨河、王哥莊河、曉望河、涼水河及南九水河等)的中下游沖積平原地區(qū)及山前沖洪積平原地區(qū)，還包括濱海部分養(yǎng)殖灘涂地帶，面積約245 km2。屬溫帶大陸季風氣候區(qū)。主要地層為元古界地層、中生界白堊系地層和新生界第四系地層。區(qū)內(nèi)有大小河流23條，主要為沿海近緣水系，屬于季節(jié)性河流，地表徑流主要來源大氣降水。研究區(qū)出露的地層較簡單，從老至新依次為：元古界地層、中生界白堊系地層和新生界第四系地層(圖1)。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 含水巖組與富水性

根據(jù)區(qū)域地下水的基礎(chǔ)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合水文、氣象等綜合研究，初步將該區(qū)域含水巖組分為松散巖類孔隙水含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙水含水巖組和基巖裂隙水含水巖組三種類型。對應(yīng)的地下水分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙-裂隙水、基巖裂隙水(圖2)。

2.1.1 松散巖類孔隙水

第四系孔隙含水巖組是研究區(qū)最重要的含水層，松散巖類孔隙水主要分布在研究區(qū)大小河流中下游河谷平原，該含水巖組巖性主要由不同粒徑的砂及砂礫石組成，滲水性強，含水量隨含水層厚度增大而增加，單井出水量在100～500 m3/d之間。水位埋深多在2～4 m，基本屬于孔隙潛水，除局部地段在高水位時具有弱承壓性，河流上游山間溝谷處均建有水庫塘壩，作為各流域當?shù)厣鐓^(qū)或村級主要供水水源地。

2.1.2 碎屑巖類孔隙-裂隙水

其中僅研究區(qū)東南黃山-青山村一帶可找到碎屑巖類孔隙裂隙水，含水層巖性主要為下白堊統(tǒng)萊陽群的長石砂巖，因其孔隙和裂隙發(fā)育具有各向異性及不均勻性的特點，含水層的透水性、富水性均很弱，除巖性接觸帶或構(gòu)造發(fā)育的低洼處可形成小型富水地段，水量在50～100 m3/d之間，適于分散式農(nóng)村用水。

2.1.3 基巖裂隙水

基巖裂隙含水巖組主要分為三個亞組：層狀巖類裂隙含水亞組、塊狀巖類裂隙含水亞組、噴出巖類孔洞裂隙含水亞組。地下水主要賦存在裂隙較發(fā)育的風化裂隙、風化帶和構(gòu)造帶附近。主要分布在東北朱頂山-峰山一帶、西南部午山-小嶗山一帶、低山丘陵區(qū)。單井涌水量一般小于50 m3/d。

圖2 青島嶗山區(qū)水文地質(zhì)略圖

2.2 地下水補徑排特征

研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造控制了地層巖性的分布和地形地貌的發(fā)育，相應(yīng)地決定了各類地下水的補給、徑流和排泄條件。

2.2.1 松散巖類孔隙水

孔隙水補給來源以大氣降水入滲為主，其次為地表水和農(nóng)灌水的入滲以及基巖裂隙水側(cè)向徑流補給。區(qū)內(nèi)地下水位埋深較淺，地表巖性松散，垂向徑流為地下水的主要運動形式，水平方向上徑流方向總體與地形一致。豐水期孔隙水接受地表水補給，水位抬升，枯水期河流則成為地下水的排泄帶。地下水的排泄形式以人工開采、地下徑流和表流形式排泄。在谷地低洼處及近海平坦地帶，地下水埋藏淺，以開采與蒸發(fā)形式排泄。

2.2.2 碎屑巖類孔隙裂隙水

主要補給來源為大氣降水，地面平緩處，有利于降水滲入；地形坡度較大地段不利于降水入滲。地下水運動變化與地形變化基本一致，因巖層透水性較差，水力坡度的大小，直接影響徑流速度。徑流量變化一般與裂隙發(fā)育程度直接相關(guān)，在裂隙發(fā)育地段，徑流量相對較大，裂隙不發(fā)育地段，徑流量較小，甚至無水。地下水排泄方式以地下徑流和低洼溝谷地段的下降泉為主，徑流排泄主要補給第四系松散巖類孔隙水，另外由于地下水埋藏較淺，蒸發(fā)也是其排泄形式之一。

2.2.3 基巖裂隙水

基巖出露處地勢較高，基巖裂隙水大面積直接接受大氣降水補給，以大氣降水補給為主，局部與碎屑巖孔隙裂隙水相互交換。在地勢低處可接受松散層孔隙水和地表水補給。其補給程度主要與地形地貌、裂隙發(fā)育程度關(guān)系密切?；鶐r裂隙一般發(fā)育細微，地形坡度較大，大部分降水以片流形式流失，僅部分大氣降水直接沿裂隙發(fā)育方向滲入地下形成徑流。在準平原溝谷處，可接受高處基巖裂隙水徑流補給，隨地形起伏多呈散狀徑流。受溝谷切割，在溝底及構(gòu)造破碎帶發(fā)育處，常呈下降泉方式排泄，至溝谷下游多以潛流排泄于松散層，排泄量一般較小。地下水位埋深隨地形由高到低呈起伏不平的地下水自由水面。地下水徑流方向與地形傾斜方向基本一致。調(diào)查區(qū)內(nèi)基巖裂隙水易形成礦泉水，數(shù)量較多，主要礦物(達標礦物質(zhì))為鍶、偏硅酸等。

3 地下水富水地段圈定方法與結(jié)果

地下水富水地段主要指含水層空間內(nèi)發(fā)育良好、富水性能較高，地下水資源補給、匯集等環(huán)境條件相對良好，適宜進行集中開采。地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層巖性和其他地形地貌的組合，決定著地下水補徑和排蓄條件及其賦存、富集的特點。本次研究，富水地段圈定的方法主要采用了水文地質(zhì)調(diào)查、抽水試驗和水質(zhì)分析。

3.1 水文地質(zhì)調(diào)查

通過水文地質(zhì)調(diào)查及調(diào)查區(qū)歷次供水水文地質(zhì)勘察資料，初步劃定了3處水量好水質(zhì)優(yōu)的富水地段，該富水地段主要指以嶗山超單元花崗巖、晉寧期片麻狀二長花崗巖含水層為主的基巖裂隙水富水地段，區(qū)域上主要位于嶗山東北麓山前沖洪積扇前緣地貌單元，基巖裂隙水微承壓排泄區(qū)。該地貌區(qū)第四系發(fā)育較厚，侵入巖隱伏于第四系砂層、黏土質(zhì)砂層、砂質(zhì)礫石層等沖洪積相地層之下，根據(jù)鉆孔資料反應(yīng)風化層較淺，基巖風化裂隙不甚發(fā)育，地下水主要運移通道為調(diào)查區(qū)主要的大-中型構(gòu)造斷裂帶，地勢高差為地下水運移的主要動力來源。

3.2 抽水試驗

為確定完成井實際涌水量，評價含水層富水性，計算含水層水文地質(zhì)參數(shù)，對施工的水文地質(zhì)鉆孔進行了抽水試驗。根據(jù)本次外業(yè)勘探孔抽水試驗成果，新劃定的幾處富水地段基巖鉆孔出水量在1.5～5 m3/h之間。

3.3 水質(zhì)分析

為掌握區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)情況，尋找水質(zhì)較優(yōu)，具有供水意義的地下水富水地段，對區(qū)內(nèi)地下水進行取樣分析，水質(zhì)經(jīng)過全分析及礦泉水項目測試，為礦化度及硬度低、H2SiO3含量較高，呈弱堿性的優(yōu)質(zhì)飲用水，其他指標均可媲美調(diào)查區(qū)現(xiàn)有礦泉水水質(zhì)。

通過水文地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘探手段、抽水試驗、水質(zhì)分析及收集資料等工作方法，青島市嶗山區(qū)地下水富水地段3處，分別為土寨河流域江家土寨-浦里富水地段、王哥莊河流域姜家-王哥莊富水地段、曉望河流域曉望-港東富水地段。

4 地下水富水地段水文地質(zhì)特征

4.1 土寨河流域江家土寨-浦里富水地段

該富水地段主要沿土寨河及石人河下游區(qū)段展布，西北自秦家土寨村始，至兩河交匯處轉(zhuǎn)向南，至浦里社區(qū)以南止，形狀上大體呈向東北突出的轉(zhuǎn)角狀，面積約5 km2。該富水地段處山前沖洪積扇平原，地層巖性主要為黏土質(zhì)砂、中粗砂、粘土及少量淤泥。根據(jù)地下水補給來源，可分兩個水文地質(zhì)單元：江家土寨-即墨東上莊水文地質(zhì)單元，浦里-黃泥崖水文地質(zhì)單元。兩個水文地質(zhì)單元之間基巖地下水獨立形成補給通道，但仍具有相當?shù)乃β?lián)系。該富水地段形成機理主要是兩條深大斷裂在富水地段均隱伏于第四系之下，且斷裂破碎帶寬可達數(shù)十米至數(shù)百米，第四系含水層與基巖之間無隔水層，粘土質(zhì)粉砂、含礫中粗砂等均為良好含水層，在斷裂破碎帶發(fā)育處，孔隙水可直接入滲補給基巖裂隙水。受深大斷裂的溝通作用：基巖裂隙水流動方向與地勢傾向一致，在淺層數(shù)米深度內(nèi)沿網(wǎng)狀的風化裂隙向地勢低洼處流動，通過線狀的構(gòu)造裂隙匯入主斷裂，基巖地下水在構(gòu)造通道內(nèi)運移過程中，不斷接受上述補給，并最終向主斷裂走向的低海拔方向流動。在浦里一帶，馬山-王哥莊斷裂與劈石口斷裂交匯，兩處斷裂深部地下水在此處有較為復(fù)雜的聯(lián)系，最終通過劈石口斷裂向海排泄(圖3)。

圖3 土寨河流域水文地質(zhì)剖面圖

4.2 王哥莊河流域姜家-王哥莊富水地段

在王哥莊社區(qū)附近，NNE向的王哥莊斷裂與NWW向的馬山-王哥莊斷裂交匯，形成小區(qū)域的強富水地段。該富水地段西南自姜家社區(qū)南頭始，東至嶗山旅游路一線止，受區(qū)域大斷裂影響，基本沿王哥莊河沖洪積扇呈倒三角形型展布，面積約4 km2。該富水地段位于桑園社區(qū)的山間溝谷地貌至王哥莊社區(qū)的河流沖洪積扇前緣平原地貌，地形差異較大，地勢高差明顯。受地勢及構(gòu)造斷裂控制，地下水流向與河流地表水流向基本一致，桑園社區(qū)附近嶗山超單元塊狀巖類裂隙水與王哥莊社區(qū)隱伏的晉寧期片麻狀巖類裂隙孔隙水接受補給的方式不同，地下水運移通道不同，但由于上覆第四系孔隙水補給的及河流的滲漏作用，基巖裂隙水在該區(qū)域不同巖性間有一定的相互聯(lián)系，基巖裂隙水主要補給來源為以大氣降水補給、第四系孔隙水補給為主，排泄主要是人工開采排泄、潛流排泄和向海排泄。該富水地段斷裂導(dǎo)水與蝕變帶的阻滯作用并存，地勢形成的水頭差是地下水流動的主要動力來源(圖4)。

圖4 姜家-王哥莊富水地段水文地質(zhì)剖面圖

4.3 曉望河流域曉望-港東富水地段

曉望-港東富水地段主要沿曉望河呈三角形展布，西起曉望-雙臺東-港西一線，東至曲家莊-峰山西-港東一線，面積約3 km2。該區(qū)域無探明的主要斷裂，主要由較強的補給來源及片麻狀二長花崗巖的風化裂隙控制，推測曉望河下游隱伏的片麻狀二長花崗巖區(qū)、二龍山北麓巖性接觸帶處可形成強富水地段(圖5)。

圖5 曉望河流域水文地質(zhì)剖面圖

曉望河根據(jù)流域面積及支流數(shù)量在嶗山北麓均屬較大河流，滑溜口-黃嶺后一線的上游山區(qū)溝谷縱橫，山勢高聳，匯水面積大，有利于大氣降水入滲補給；在雙臺東-曉望村-曲家莊一線第四系含水層富水性好、水位埋深淺、水位年變富小，第四系孔隙水含水層與基巖松散風化層間無明顯界限，片麻狀二長花崗巖淺部風化裂隙發(fā)育，孔隙水接受基巖裂隙水潛流補給后向低地勢流動過程中不斷入滲基巖裂隙，并通過區(qū)域性構(gòu)造向深部運移；曉望河水庫大壩為石砌結(jié)構(gòu)非混凝土整體澆筑，壩體存在滲漏，是該富水地段一大補給來源。地下水流向淺層受地形影響由山前地區(qū)向海盆徑流，片麻狀二長花崗巖風化裂隙水在平原區(qū)富集，含水層厚度與裂隙發(fā)育深度基本一致。在馬山-王哥莊斷裂通過處，構(gòu)造裂隙發(fā)育較深，基巖水不斷獲得上述補給，緩慢向深部運移的同時向東南方向海盆徑流排泄。

5 富水地段開采潛力評價

富水地段開采潛力評價主要應(yīng)用水均衡法和疏干補償法進行分析計算。水均衡法根據(jù)富水區(qū)含水層的巖性、結(jié)構(gòu)、厚度、分布規(guī)律、水力性質(zhì)、富水性、含水層的邊界條件、地下水位、補徑排條件，結(jié)合需水量要求，計算地下水的補給量、存儲量和允許開采量。本次共圈定3處富水地段，通過計算，三處富水地段地下水允許開采量Q允為0.225萬 m3/d，折合82.3萬 m3/a。

6 結(jié)語

在青島市嶗山區(qū)開展的海水入侵地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作的基礎(chǔ)之上，探討了研究區(qū)水文地質(zhì)條件，分析了富水地段及蓄水構(gòu)造模式，形成結(jié)論如下。

(1)由于區(qū)內(nèi)受斷裂構(gòu)造的控制，在多期構(gòu)造演化的基礎(chǔ)之上，形成了松散巖類孔隙水含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙水含水巖組和基巖裂隙水含水巖組三種類型。

(2)區(qū)內(nèi)地下水主要補給來源為地表水和農(nóng)灌水的入滲以及基巖裂隙水側(cè)向徑流補給。地下水徑流方向與地形傾斜方向基本一致，由于構(gòu)造與地層阻水條件影響后形成了富水塊段，研究區(qū)內(nèi)地下水排泄方式為人工開采、地下徑流、表流和蒸發(fā)形式排泄。

(3)根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查以及抽水試驗成果，新劃定三處富水地段，分別為土寨河流域江家土寨-浦里富水地段、王哥莊河流域姜家-王哥莊富水地段、曉望河流域曉望-港東富水地段，基巖鉆孔出水量在1.5～5 m3/h，預(yù)測地下水允許開采量為82.3萬 m3/a。

(4)通過分析3處富水地段，總結(jié)了2 種蓄水構(gòu)造模型，即較為典型的地層阻水型蓄水構(gòu)造和斷層儲水構(gòu)造。江家土寨-浦里富水地段形成機理主要是兩條深大斷裂在富水地段均隱伏于第四系之下，且斷裂破碎帶寬可達數(shù)十米至數(shù)百米，第四系含水層與基巖之間無隔水層，粘土質(zhì)粉砂、含礫中粗砂等均為良好含水層，在斷裂破碎帶發(fā)育處，孔隙水可直接入滲補給基巖裂隙水。姜家-王哥莊富水地段斷裂導(dǎo)水與蝕變帶的阻滯作用并存，地勢形成的水頭差是地下水流動的主要動力來源，對指導(dǎo)青島市嶗山區(qū)地下水資源開采定井具有重要的實際供水意義和社會效益。