用水化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法分析評價(jià)蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水超采狀態(tài)下補(bǔ)給條件的意義

鄭麗春，繆曉圖，薛寧菊，高梅，陸美蘭，儲(chǔ)兆君，黃科軍

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018;2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局常州地質(zhì)工程勘察院，江蘇常州213002)

用水化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法分析評價(jià)蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水超采狀態(tài)下補(bǔ)給條件的意義

鄭麗春1，繆曉圖1，薛寧菊1，高梅1，陸美蘭1，儲(chǔ)兆君1，黃科軍2

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018;2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局常州地質(zhì)工程勘察院，江蘇常州213002)

基于孔隙承壓水屬性，研究了蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水超采狀態(tài)下最大水位埋深期(1994年、1998年)地下水動(dòng)態(tài)(水位、水質(zhì))監(jiān)測資料與水文地質(zhì)條件。論述水位動(dòng)態(tài)雖能直觀反映開采狀態(tài)下水資源衰竭與水位變化特征，但對補(bǔ)給條件及水動(dòng)力機(jī)制不清楚，則會(huì)給超采狀態(tài)下水文地質(zhì)條件認(rèn)識及評價(jià)帶來視覺上的偏頗。采用水化學(xué)動(dòng)力參數(shù)則能很好地反映不同水源補(bǔ)給空間的變化規(guī)律，用其常量水化學(xué)組分(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl－、)計(jì)算的離子強(qiáng)度(I)、主要離子活度()參數(shù)劃分了長江滲壓側(cè)向補(bǔ)給、古生界地層斷塊凸起山體區(qū)大氣降水入滲側(cè)向補(bǔ)給及止水不嚴(yán)井“天窗”補(bǔ)給的范圍;進(jìn)行了超采狀態(tài)下開采資源消耗屬性分區(qū)。為進(jìn)一步深化孔隙Ⅱ承壓水開采條件、可開采資源評價(jià)、水位動(dòng)態(tài)預(yù)測提供了依據(jù)。

水化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法;孔隙Ⅱ承壓水;超采;補(bǔ)給條件;分析評價(jià);應(yīng)用;蘇錫常

0 引言

蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓含水層系第四紀(jì)中更新世(Q2)古長江分泓(長江南支古河道)砂層沉積，因水量豐富，曾經(jīng)是該地區(qū)居民供水、工業(yè)供水的主要開采層。開采動(dòng)態(tài)(水位、水質(zhì))監(jiān)測研究從20世紀(jì)80年代初就開始，但側(cè)重于含水層分布范圍開采水位降落漏斗的形成和發(fā)展態(tài)勢研究，長期以來，視水位降落漏斗外側(cè)水位埋深淺的沿江地帶高水位區(qū)為補(bǔ)給源或補(bǔ)給邊界，但從沿江地帶水文地質(zhì)條件分析，只有常州北部長江切割到該含水層，才有江水滲壓側(cè)向補(bǔ)給條件;其余地段長江切割深度在Ⅰ承壓含水層上，看不出有江水補(bǔ)給條件。中部為古生界地層斷塊凸起與斷陷相間區(qū)，斷陷區(qū)Ⅱ承壓含水層大部分邊界與基巖含水巖層直接接觸，具有外部斷塊凸起山體區(qū)大氣降水入滲側(cè)向補(bǔ)給條件;至于開采和超采狀態(tài)下Ⅰ承壓含水層水越流補(bǔ)給Ⅱ承壓含水層，這種補(bǔ)給方式除非存在有直接水力聯(lián)系的“天窗”。江水滲壓側(cè)向補(bǔ)給、斷塊凸起山體區(qū)大氣降水入滲側(cè)向補(bǔ)給的范圍有多大，哪些地段有“天窗”補(bǔ)給，在水位埋深等值線圖上看不出這種補(bǔ)給關(guān)系。

孔隙Ⅱ承壓含水層水化學(xué)組分遷移—濃縮聚集受補(bǔ)給水源水動(dòng)力作用敏感，采用常量水化學(xué)組分)計(jì)算的離子強(qiáng)度(I)、主要離子活度aCa2+)參數(shù)能很好地反映超采狀態(tài)下來自不同水源的補(bǔ)給條件及其水動(dòng)力特征。對該地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水開采條件、可開采資源的評價(jià)、水資源消耗屬性、補(bǔ)采平衡條件及水位動(dòng)態(tài)預(yù)測等認(rèn)識有重要的意義。

1 孔隙Ⅱ承壓含水層水文地質(zhì)條件

蘇錫常地區(qū)孔隙承壓含水層的空間分布主要受第四紀(jì)更新世古長江河道控制，依據(jù)古長江的發(fā)育期次和地層時(shí)代，區(qū)域上自上而下可分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層組，張家港市北部、常熟北部沿江一帶為晚更新世(Q3)古長江河道砂層沉積區(qū)，開采Ⅰ承壓含水層組水;常熟東部、太倉東部為早更新世(Q1)古長江河道砂層沉積區(qū)，部分開采Ⅲ承壓含水層組水;廣大地區(qū)開采第四紀(jì)中更新世(Q2)古長江河道Ⅱ承壓水。

Ⅱ承壓含水層系第四紀(jì)中更新世(Q2)古長江分泓(長江南支古河道)砂層沉積，沉積環(huán)境受當(dāng)時(shí)古地形地貌條件控制，在中生代凹陷區(qū)寬，在古生界地層斷陷區(qū)窄，頂板埋深在常州北部沿江一帶33 m左右，向蘇錫常腹地區(qū)逐漸加深，常州—無錫區(qū)間一般在70～90 m，蘇州地區(qū)一般在100～120 m之間，在常熟北部最深達(dá)160 m;由于此期古長江水動(dòng)力條件大，攜帶的物源豐富，砂層沉積厚度大、一般在30～40 m之間，富水性好，在古河道區(qū)單井涌水量一般達(dá)2 000～3 000 m3/d，漫灘區(qū)1 000～2 000 m3/d。蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水分布、頂板埋深及Ⅰ、Ⅱ承壓水開采區(qū)情況(圖1)。

圖1 蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水分布及開采利用條件圖

Ⅱ承壓含水層與長江水體、相鄰含水巖(層)組有水力聯(lián)系的地區(qū)，一是常州北部沿江地帶晚更新世古長江河道下切沖蝕，并與中更新世古長江河道疊置，全新世古長江又在此地段下切沖蝕(長江河槽切割深度在37～47 m之間)，含水層與江水直接接觸，可獲得江水的滲壓側(cè)向補(bǔ)給;二是中部古生界地層斷陷區(qū)Ⅱ承壓含水層大部分地區(qū)與基巖含水巖層直接接觸，具有外部斷塊凸起山體區(qū)大氣降水入滲側(cè)向補(bǔ)給;其余地區(qū)頂、底板有厚度不等穩(wěn)定的黏性土隔水層，封閉性較好，但含水介質(zhì)不均勻，其間含有黏土礦物和透鏡體狀粉質(zhì)黏土層及粉質(zhì)黏土與粉砂互層，與當(dāng)時(shí)河道沉積水動(dòng)力條件、相變差異有關(guān)，區(qū)域上Ⅱ承壓含水層埋深、巖性結(jié)構(gòu)及長江河槽切割情況控制性水文地質(zhì)剖面(圖2)。

2 孔隙Ⅱ承壓水超采狀態(tài)下補(bǔ)給條件認(rèn)識

以開采高峰期1995年孔隙Ⅱ承壓水水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測資料為例來說明此時(shí)超采狀態(tài)下區(qū)域水位降落漏斗水位埋深及補(bǔ)給條件及水動(dòng)力條件變化規(guī)律的認(rèn)識(圖3)。

圖2 蘇錫常地區(qū)Ⅱ承壓含水層埋深及與上下含水巖(層)組控制性剖面圖

圖3 蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水水位埋深等值線圖(1995)

圖3顯示，蘇錫常3個(gè)中心城市處在水位埋深最大的地區(qū)，外圍被水位埋深40 m等值線所包圍，漏斗中心在無錫西北部洛社鎮(zhèn)—前洲一帶，最大水位埋深達(dá)87 m;次在蘇州城市區(qū)，水位埋深達(dá)到62 m多，常熟、張家港城區(qū)也產(chǎn)生次一級水位小降落漏斗。水位降落漏斗外側(cè)20 m水位埋深等值線主要分布在沿江一帶，因北部邊界為天然長江水體，從水位埋深等值線上分析，長江水體為側(cè)向補(bǔ)給源或補(bǔ)給邊界。但從圖2可以看出，只有常州北部長江河槽切割到此含水層，在Ⅱ承壓水壓力減少的情況下才有江水滲壓側(cè)向補(bǔ)給條件，其余沿江地帶頂板埋藏較深、長江河槽切割在Ⅰ承壓含水層上，對Ⅱ承壓含水層沒有補(bǔ)給條件。沿江地帶水位埋深淺皆視為補(bǔ)給源或補(bǔ)給邊界，但有補(bǔ)給來源與無補(bǔ)給來源其水動(dòng)力性質(zhì)不同，前者是在含水層彈性釋放儲(chǔ)存量被消耗，與江水產(chǎn)生水壓力差時(shí)，才能獲得長江水滲壓側(cè)向補(bǔ)給;后者是因?yàn)榻采w區(qū)Ⅱ承壓水不能開采及沿江地帶開采程度低，含水層內(nèi)仍處在較高水壓狀態(tài)，其水壓力消耗主要是向腹地同一含水層低水力壓頭開采區(qū)傳導(dǎo)，為含水層本身的水壓力動(dòng)態(tài)平衡調(diào)整。

中部古生界地層斷陷區(qū)Ⅱ承壓含水層在超采狀態(tài)下水壓力大幅度下降時(shí)，外部斷塊凸起山體區(qū)大氣降水入滲側(cè)向補(bǔ)給于該含水層。這種補(bǔ)給關(guān)系在以水位埋深等值線圖上顯示不出來，水位降落漏斗中心南北向控制性水文地質(zhì)剖面(圖4)。

圖4 蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水水位降落漏斗中心區(qū)受兩側(cè)斷塊凸起山體大氣降水入滲轉(zhuǎn)化補(bǔ)給關(guān)系圖

水位降落漏斗區(qū)Ⅰ承壓水越流補(bǔ)給Ⅱ承壓含水層，僅僅是從開采層與未被開采層水位差上分析，哪些地段有“天窗”補(bǔ)給也不是很清楚。如果對開采—超采狀態(tài)下不同補(bǔ)給水源及途徑不清楚，不僅影響到可開采資源計(jì)算、水資源消耗屬性分區(qū)的認(rèn)識，而且影響水位動(dòng)態(tài)的預(yù)測。

3 水化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理應(yīng)用及方法

3.1 水化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理及方法

蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓含水層在天然狀態(tài)水壓力大小受頂板埋深控制，被揭穿其頂板后才顯示不同壓力水頭，即頂板埋深大、壓力水頭就大，反之則小;水中所含化學(xué)組分是可溶鹽溶解、在一定溫度、水壓力傳導(dǎo)、靜電作用下發(fā)生相互移動(dòng)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果;其含量最高的為常量化學(xué)組分(K+、，其余含量甚微，為協(xié)同離子。水動(dòng)力條件對化學(xué)組分遷移—濃縮聚集起控制作用，水動(dòng)力條件差、常量化學(xué)組分含量高，為濃縮聚集區(qū);有外側(cè)水源補(bǔ)給水動(dòng)力條件，則常量化學(xué)組分含量低，為遷移區(qū)。這種天然狀態(tài)水壓力傳導(dǎo)條件和開采—超采狀態(tài)下有外界水源補(bǔ)給條件對常量化學(xué)組分空間水動(dòng)力條件的變化規(guī)律，可分析判斷來自不同水源的補(bǔ)給途徑及其范圍，也可分析不同空間可開采資源消耗屬性。

超采狀態(tài)下除水位降落漏斗區(qū)水力坡度加大，外圍向漏斗區(qū)壓力傳導(dǎo)速度加快，在含水層本身的水壓力不斷被消耗的同時(shí)，也牽動(dòng)與之有連通的含水巖(層)組、長江水體間水力聯(lián)系，若開采含水層延伸邊界為同一含水層，無外界補(bǔ)給水源滲入，則處于平衡狀態(tài)中水化學(xué)組分濃度基本保持不變;若開采含水層延伸邊界有外部側(cè)向補(bǔ)給源及其間有“天窗”補(bǔ)給水源，則水化學(xué)場中化學(xué)組分平衡狀態(tài)被破壞，在水動(dòng)力條件作用下化學(xué)組分移動(dòng)建立新的動(dòng)態(tài)平衡。為此，據(jù)常量化學(xué)組分空間的變化規(guī)律就能分析來自不同水源的補(bǔ)給條件。鑒于蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓含水層為封閉弱堿性水化學(xué)環(huán)境，水化學(xué)類型為HCO3－Ca·Na或HCO3－Na·Ca型水，礦化度一般小于1 g/L，采用常量水化學(xué)組分計(jì)算離子強(qiáng)度(I)和主要離子活度參數(shù)分析評價(jià)。

3.2 參數(shù)計(jì)算

3.2.1 水溫取值水溫是水化動(dòng)力場中影響化學(xué)組分動(dòng)態(tài)平衡的條件因素，其水化學(xué)組分是在一定水動(dòng)力條件、溫度、靜電作用下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，而水溫的高低與頂板埋深有關(guān)。根據(jù)20世紀(jì)80年代初

Ⅱ承壓含水層部分水溫監(jiān)測孔動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和區(qū)域上控制性勘探孔Ⅱ承壓含水層測溫資料，Ⅱ承壓水溫與頂板埋深呈正相關(guān)，即頂板埋深淺、水溫低，頂板埋深大、水溫則高。由于水溫是人工測量，存在人為誤差，但總體相關(guān)性較好(圖5)。Ⅱ承壓含水層年際中水溫動(dòng)態(tài)變化差異很小，計(jì)算采用年平均水溫值，不同頂板埋深水溫取值見表1。

圖5 蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水溫與頂板埋深關(guān)系圖

表1 不同頂板埋深水溫取值表

3.2.2 離子強(qiáng)度(I)

式(1)中，Ii為水中第i種離子強(qiáng)度(mol/kg);Ci為水中第i種離子及化合物濃度(mol/kg);Zi為水中第i種離子及化合物離子價(jià)(正、負(fù)離子取正值)。3.2.3離子活度系數(shù)(fi)

式(2)中，fi為水中第i種離子活度系數(shù);I為水中離子強(qiáng)度(mol/kg);Zi為第i種電解質(zhì)正、負(fù)離子的電荷數(shù)，取絕對值;a°為第i種離子調(diào)節(jié)參數(shù)(a°值是以10－8m為單位的調(diào)節(jié)參數(shù)，與離子水化的有效半徑相當(dāng))，a°取值:K+、Cl－為3.0，Na+、為6.0， Mg2+為9.0，查表直接代入;A、B為介質(zhì)的介電常數(shù)D和絕對溫度T的函數(shù)，據(jù)水中水溫查表(水溫為17.0～21.5℃，A為0.504 30～0.508 35;B為0.327 60～0.328 47)。

3.2.4 離子活度(a)

式(3)中，ai為水中第i種離子活度濃度(mol/kg); fi為水中第i種離子活度系數(shù);Ci為水中第i種離子濃度(mol/kg)。

蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水質(zhì)監(jiān)測取樣點(diǎn)不連續(xù)，以往主要側(cè)重在城市及近郊地區(qū)，超采期1994年、1998年面上采樣點(diǎn)較多，控制不夠的地區(qū)利用了少量勘探孔水質(zhì)資料，選擇控制性43個(gè)井(孔)水質(zhì)取樣點(diǎn)，基本上能控超采最大水位埋深區(qū)域水化學(xué)場的變化規(guī)律，水化學(xué)動(dòng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 蘇錫常地區(qū)Ⅱ承壓水控制性井(孔)水化學(xué)動(dòng)力參數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 水化學(xué)動(dòng)力參數(shù)對超采狀態(tài)下補(bǔ)給條件分析、評價(jià)

4.1 離子強(qiáng)度(I)

離子強(qiáng)度(I)值的大小與常量水化學(xué)組分的濃度、離子價(jià)態(tài)有關(guān)，離子強(qiáng)度(I)值大、水中所帶的電荷就多、離子間牽制作用就強(qiáng)，反映為無外界水源補(bǔ)給條件的開采區(qū)水化學(xué)動(dòng)態(tài)特征，其Ⅱ承壓含水層水壓力消耗為含水層自身的彈性釋放儲(chǔ)存量;離子強(qiáng)度(I)值小、水中所帶的電荷就少、離子間牽制作用就弱，反映為有外界水源側(cè)向補(bǔ)給或“天窗”水源補(bǔ)給的徑流區(qū)水化學(xué)動(dòng)態(tài)特征，其開采除消耗Ⅱ承壓含水層自身的彈性釋放儲(chǔ)存量外，還可獲得外界水源側(cè)向補(bǔ)給或“天窗”水源越流補(bǔ)給的流入量。根據(jù)面上和點(diǎn)上離子強(qiáng)度(I)值的變化差異與補(bǔ)給源的水動(dòng)力條件，可分為來自三方面補(bǔ)給來源。

(1)長江水體側(cè)向滲壓補(bǔ)給源。離子強(qiáng)度(I)值低，沿江地帶只有4.60×10－3mol/kg，隨著補(bǔ)給距離的延長增至9.85×10－3mol/kg。補(bǔ)給范圍在常州北部沿江—常州市區(qū)東南一帶。

(2)中部古生界地層斷塊凸起山體區(qū)大氣降水入滲側(cè)向補(bǔ)給源。補(bǔ)給范圍在山前地帶孔隙Ⅱ承壓含水層分布區(qū)，含水層頂板埋深淺，一般在75～90 m之間，與基巖含水巖組水力聯(lián)系密切，是開采水位埋深最大的地區(qū)。山體周邊地帶離子強(qiáng)度(I)值為(6.00～8.00)×10－3mol/kg，山間古河道區(qū)離子強(qiáng)度(I)值在(8.00～10.00)×10－3mol/kg之間。

(3)止水不嚴(yán)井“天窗”補(bǔ)給源。分布在蘇州東部，為頂板埋藏深、隔水層薄的地區(qū)，補(bǔ)給范圍局限于井周邊附近，范圍不大，系成井止水不到位與Ⅰ承壓含水層發(fā)生直接水力聯(lián)系造成。Ⅰ承壓水為淡水區(qū)越流補(bǔ)給范圍離子強(qiáng)度(I)值小于10.00×10－3mol/kg，Ⅰ承壓水為微咸水區(qū)越流補(bǔ)給范圍離子強(qiáng)度(I)值在15.00×10－3mol/kg以上，最高達(dá)70.12×10－3mol/kg，超過同含水層周邊地區(qū)離子強(qiáng)度(I)值。

無外界水源補(bǔ)給的地區(qū)離子強(qiáng)度(I)值高，為大于10 mol/kg區(qū)，其值變化約(10.00～14.00)× 10－3mol/kg;水壓力下降為含水層本身的彈性釋放儲(chǔ)存量消耗。

圖6 蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水超采狀態(tài)下離子強(qiáng)度(I)值變化規(guī)律圖

蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水為弱堿性水文地球化學(xué)環(huán)境，水化學(xué)場中HCO－3屬多元酸，其過飽和能自相電離出和H+，致使水中pH值升高，堿性增高，并使與Ca2+結(jié)合產(chǎn)生CaCO3沉淀。開采高峰期井中水質(zhì)分析資料顯示pH值在7.5～8.9之間，比開采前增高，大部分水井中有檢出，但檢出的含量不是很高，表明水化學(xué)動(dòng)力場中處于過飽和狀態(tài)。水化學(xué)組分遷移機(jī)理及評價(jià)時(shí)要分析研究易溶碳酸鹽電離平衡和CaCO3沉淀問題。Ⅱ承壓水超采狀態(tài)下不同補(bǔ)給源及范圍在空間的變化規(guī)律，離子強(qiáng)度(I)計(jì)算和評價(jià)中包含了組分。據(jù)水化學(xué)類型單向離子僅需評價(jià)a、aCa2+、aNa+活度值、aCa2+、aNa+活度值的大小受不同濃度活度系數(shù)影響，是在水化學(xué)反映中起作用的有效濃度，能很好地反映不同補(bǔ)給水源的途徑及范圍的空間變化規(guī)律。

(1)長江水體滲壓側(cè)向補(bǔ)給源。為厭氧環(huán)境條件，aHCO3－活度值較低，常州北部沿江一帶為2.08× 10－3mol/kg，隨著補(bǔ)給距離的延長逐漸增高至6.00× 10－3mol/kg，補(bǔ)給范圍從沿江—常州市區(qū)東南一帶。

(2)中部古生界地層斷塊凸起山體區(qū)大氣降水入滲側(cè)向補(bǔ)給源。為敞開環(huán)境條件，表層植物光合作用及有機(jī)物分解形成CO2溶于水和巖石裂隙中充滿O2，在大氣降水入滲作用過程中形成補(bǔ)給孔隙Ⅱ承壓含水層，補(bǔ)給量的大小與大氣降水程度有關(guān)，年際中6月—9月上旬為主要降水期，獲得的補(bǔ)給量最多。受開采截流的影響，其補(bǔ)給范圍僅能抵達(dá)山前地帶埋深淺的孔隙Ⅱ承壓含水層分布區(qū)，其含水層邊緣區(qū)aHCO3－活度值小于5.0×10－3mol/kg，向外側(cè)古河道區(qū)開采強(qiáng)度大、水位埋深大的地區(qū)a活度值在5.00×10－3mol/kg左右。

(3)止水不嚴(yán)井“天窗”補(bǔ)給源。分布在蘇州東部，補(bǔ)給范圍在井周邊附近，a活度值一般在(3.86～5.00)×10－3mol/kg之間，局部在(5.25～5.86)×10－3mol/kg之間，明顯低于同一含水層周邊地區(qū)a活度值，反映Ⅰ承壓水循環(huán)條件好，HCO3－的濃縮程度比Ⅱ承壓含水層低的緣故。

無外界水源補(bǔ)給的地區(qū)為含水層本身的彈性釋放儲(chǔ)存量消耗，水動(dòng)力條件為含水層內(nèi)本身的壓力傳導(dǎo)活度值高，活度值在(6.00～7.00)×10－3mol/kg之間。Ⅱ承壓水超采狀下區(qū)域活度值變化規(guī)律(圖7)。4.2.2aCa2+活度aCa2+活度等值線顯示含量比較高的地區(qū)主要分布在古生界地層斷塊凸起山體前緣Ⅱ承壓含水層的邊緣區(qū)，為來自碎屑巖地層構(gòu)成的低山丘陵山體區(qū)受大氣降水淋濾側(cè)向補(bǔ)給所致。

圖7 蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水超采狀態(tài)下(活度)變化規(guī)律圖

此外，在孔隙Ⅱ承壓含水層底板與灰?guī)r接觸部位，aCa2+活度值大于1.00×10－3mol/kg，其余aCa2+活度值在1.00×10－3mol/kg以下，但數(shù)值上變化較大，漏斗中心區(qū)只有0.26×10－3mol/kg，與H過飽和自相電離出生成CaCO3沉淀有關(guān)。蘇州東部局部成井止水不到位“天窗”補(bǔ)給源，其補(bǔ)給范圍很小，aCa2+活度值大于1.00×10－3mol/kg，超過同含水層周邊地區(qū)aCa2+活度值，表明其上Ⅰ承壓含水層中Ca2+含量較Ⅱ承壓含水層高(圖8)。

圖8 蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水超采狀態(tài)下aCa2+(活度)變化規(guī)律圖

4.2.3aNa+活度aNa+活度值在弱堿性水化學(xué)場中穩(wěn)定性比aHCO－3和aCa2+活度的穩(wěn)定性好，其水動(dòng)力條件只是對aNa+遷移—濃縮聚集變化。因此，aNa+活度值等值線能很好地反映超采狀態(tài)下補(bǔ)給來源及途徑空間變化規(guī)律，即有外界不同水源補(bǔ)給的地區(qū)aNa+活度值低;無補(bǔ)給來源的地區(qū)為濃縮聚集區(qū)、aNa+活度值高。根據(jù)面上和點(diǎn)上aNa+活度值的變化差異與補(bǔ)給源水動(dòng)力條件，可分為來自三方面補(bǔ)給來源。

(1)長江水體側(cè)向滲壓補(bǔ)給源。為低Na+水源，aNa+活度值低，沿江地帶只有0.40×10－3mol/kg，隨著徑流方向遷移濃縮聚集逐漸增高至5.00×10－3mol/kg。受江水補(bǔ)給遷移的范圍較活度值大，影響到常州市東南一帶。

(2)中部古生界地層斷塊凸起山體區(qū)大氣降水入滲側(cè)向補(bǔ)給源。山前地帶Ⅱ承壓含水層補(bǔ)給條件好，aNa+活度值小于3.00×10－3mol/kg;古河道帶區(qū)受開采強(qiáng)度影響，aNa+活度值在(3.00～5.00)×10－3mol/kg之間。

(3)止水不嚴(yán)井“天窗”補(bǔ)給源。分布在蘇州東部，補(bǔ)給范圍局限于井周邊附近，范圍不大，Ⅰ承壓水為淡水補(bǔ)給時(shí)，aNa+活度值一般小于3.00× 10－3mol/kg;Ⅰ承壓水為微咸水，連通性強(qiáng)的點(diǎn)aNa+活度值最高可達(dá)11.02×10－3mol/kg，其參數(shù)值明顯低于或高于周邊地區(qū)。

無外界水源補(bǔ)給區(qū)。為含水層本身的彈性釋放儲(chǔ)存量消耗，其水動(dòng)力條件為含水層內(nèi)本身的水壓力傳導(dǎo)，aNa+活度值大于5.0×10－3mol/kg。區(qū)域aNa+活度值變化規(guī)律(圖9)。

圖9 蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水超采狀態(tài)下aNa+(活度)變化規(guī)律圖

5 對孔隙Ⅱ承壓水超采狀態(tài)下補(bǔ)給條件及滲流場研究的意義

5.1 對孔隙Ⅱ承壓水開采條件、開采資源評價(jià)的認(rèn)識意義

以往對研究區(qū)Ⅱ承壓水開采條件、開采資源的評價(jià)一直圍繞水位降落漏斗的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行補(bǔ)、徑、排條件分析，即在水平方向以水位降落漏斗外側(cè)高水位埋深等值線視為補(bǔ)給邊界;在垂向以水位降落漏斗內(nèi)水位埋深程度來分析越流補(bǔ)給程度。于是在可開采資源計(jì)算擬建數(shù)學(xué)模型中包含了含水介質(zhì)差異、厚度、開采水位埋深、開采量、補(bǔ)給量及相應(yīng)參數(shù)來運(yùn)行調(diào)試，據(jù)其計(jì)算結(jié)果來評價(jià)和制定開采規(guī)劃。

將上述離子強(qiáng)度(I)和aHCO－3、aCa2+、aNa+活度分布圖與圖3對比可以看出，蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水開采層，其外界補(bǔ)給來源主要是長江水體滲壓側(cè)向補(bǔ)給和中部古生界地層斷塊凸起山體區(qū)大氣降水側(cè)向補(bǔ)給，補(bǔ)給范圍與所在環(huán)境條件、水位的下降程度有關(guān);止水不嚴(yán)井“天窗”補(bǔ)給源局限于井周邊附近，補(bǔ)給的范圍很小，只是對局部水動(dòng)力條件有影響。

水位動(dòng)態(tài)法以水位埋深等值線來反映開采水位變化趨勢規(guī)律雖直觀，但掩蓋了客觀實(shí)際補(bǔ)給條件、補(bǔ)給方式在空間的變化規(guī)律，且把含水層本身水壓力消耗壓力傳導(dǎo)水動(dòng)力條件與有補(bǔ)給源的水動(dòng)力條件混合在一起，除補(bǔ)給邊界不清楚外，垂向上頂、底板為黏性土隔水層，人為給越流參數(shù)和補(bǔ)給量，沒有從上、下含水層的水力壓強(qiáng)及水、土應(yīng)力平衡機(jī)理上加以研究。

由此可見，蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水開采—超采狀態(tài)下擬建“采補(bǔ)平衡”認(rèn)識不能籠統(tǒng)而談，擬建“采補(bǔ)平衡”區(qū)是有條件的，只有在長江水體滲壓側(cè)向補(bǔ)給和中部古生界地層斷塊凸起山體區(qū)大氣降水側(cè)向補(bǔ)給的范圍才有擬建“采補(bǔ)平衡”的條件;無外界水源補(bǔ)給的地區(qū)則是含水層本身的彈性釋放儲(chǔ)存量消耗。如果不從水化學(xué)動(dòng)力參數(shù)與超采狀態(tài)下水位埋深對比研究，僅以水位動(dòng)態(tài)資料來計(jì)算和評價(jià)，其認(rèn)識顯然存在偏頗。

5.2 松散巖類孔隙Ⅱ承壓水開采資源消耗屬性分區(qū)評價(jià)

蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水開采區(qū)有外界水源補(bǔ)給與無外界水源補(bǔ)給其被消耗水資源性質(zhì)不同，前者是指開采資源中既有可動(dòng)用的彈性釋放儲(chǔ)存量消耗，又可獲得外界水源補(bǔ)給量;后者為無外界補(bǔ)給水源，其開采量僅是來自含水層本身的可動(dòng)用的彈性釋放儲(chǔ)存量消耗。因此，區(qū)域Ⅱ承壓水開采區(qū)存在開采資源消耗屬性分區(qū)問題。

分區(qū)原則基于“采補(bǔ)平衡”條件，按有外界水源補(bǔ)給類型的自然邊界條件、補(bǔ)給范圍及無外界水源補(bǔ)給的范圍劃定，主要按水化學(xué)動(dòng)力參數(shù)離子強(qiáng)度(I)值，參照主要a活度值參數(shù)空間變化規(guī)律。止水不嚴(yán)井“天窗”補(bǔ)給源處在無外界水源補(bǔ)給區(qū)之內(nèi)，為局部補(bǔ)給，其范圍很小，屬局部水動(dòng)力場條件。為此，開采資源消耗屬性按有外界水源補(bǔ)給類型的自然邊界條件及補(bǔ)給上有一定的范圍和無外界水源補(bǔ)給劃分為3個(gè)開采區(qū)。

(1)長江水體滲壓側(cè)向補(bǔ)給和含水層彈性釋放儲(chǔ)存量消耗開采區(qū)。分布在常州北沿江—西夏墅鎮(zhèn)(東)—奔流鎮(zhèn)(南)—常州市(南)—鄭陸范圍內(nèi)，離子強(qiáng)度(I)值在(4.60～9.85)×10－3mol/kg之間。

(2)斷塊凸起山體區(qū)大降水入滲側(cè)向補(bǔ)給和含水層彈性釋放儲(chǔ)存量消耗開采區(qū)。分布在常州(鄭陸)—常州市(東)—武進(jìn)市寨橋鎮(zhèn)(東)一線以東，后塍—張家港—常熟—錫山市—蘇州市—吳江市(東)—震澤鎮(zhèn)(東)一線以西地區(qū)，離子強(qiáng)度(I)值在(6.00～10.00)×10－3mol/kg之間。

(3)含水層彈性釋放儲(chǔ)存量消耗開采區(qū)。分東西兩個(gè)亞區(qū)，西區(qū)分布在武進(jìn)市卜代鎮(zhèn)—武進(jìn)市—武進(jìn)市寨橋鎮(zhèn)(東)一線以西地區(qū);東區(qū)分布在后塍—張家港—常熟—錫山市—蘇州市—吳江市(東)—震澤鎮(zhèn)(東)一線以東地區(qū)。離子強(qiáng)度(I)值大于10.00 mol/kg，其值變化為(10.00～14.00)× 10－3mol/kg。區(qū)域上Ⅱ承壓水超采狀態(tài)下水資源消耗屬性分區(qū)(圖10)。

圖10 蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水超采狀態(tài)下水資源消耗屬性分區(qū)圖

以上是Ⅱ承壓水超采最大水位埋深期開采資源消耗屬性分區(qū)，不涉及臨界水位埋深與不同頂板埋深以上尚有的壓力水頭值多少的關(guān)系。據(jù)繆曉圖等(2004，2007)對該地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水開采條件與地面沉降關(guān)系的研究，地面沉降發(fā)生是開采水位超過天然狀態(tài)水、土應(yīng)力平衡面(臨界水位)所致，臨界水位埋深與頂板埋深有關(guān)，頂板埋深60 m，臨界水位埋深不到20 m;頂板埋深70～125 m，臨界水位埋深在23～41.7 m之間。因此，不同地段可開采資源控制的水位埋深比超采狀態(tài)下淺，補(bǔ)給的范圍比超采狀態(tài)下小。Ⅱ承壓水超采狀態(tài)下開采資源消耗屬性分區(qū)為深化可開采資源的來源和開采條件提供了依據(jù)。

6 結(jié)論

孔隙承壓水開采及評價(jià)對補(bǔ)給條件的研究至關(guān)重要。水化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法不僅能有效解決水化學(xué)組分在水動(dòng)力作用下遷移—濃縮聚集—沉淀的機(jī)理，而且可分析評價(jià)水平、垂向不同水源補(bǔ)給條件及其范圍，可彌補(bǔ)水位動(dòng)態(tài)法在分析水動(dòng)力條件、性質(zhì)上的不足。

蘇錫常地區(qū)由長江南支古河道沉積砂層構(gòu)成的孔隙Ⅱ承壓含水層，經(jīng)歷了勘察被認(rèn)識—開發(fā)及規(guī)劃利用—地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生—禁止開采的過程，是水文地質(zhì)工作在不同階段的一個(gè)縮影。目前處在禁采階段，但水文地質(zhì)工作仍在延伸、深化。梳理以往動(dòng)態(tài)監(jiān)測資料，采用水化學(xué)動(dòng)力參數(shù)分析、評價(jià)超采狀下不同水源補(bǔ)給條件及范圍的空間變化規(guī)律，并進(jìn)行開采資源消耗屬性分區(qū)，對進(jìn)一步深化該層水開采水文地質(zhì)條件、提升水位動(dòng)態(tài)預(yù)測、進(jìn)行新一輪可開采資源評價(jià)有著重要的意義。

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Analysis and evaluation of supply conditions significance of pore II confined water under over extraction in Su-Xi-Chang region with hydro-chemical kinetics

ZHENG Li-chun1，MIAO Xiao-tu1，XUE Ning-ju1，GAO Mei1，LU Mei-lan1，CHU Zhao-jun1，HUANG Ke-jun2
(1.Geological Survey of Jiangsu Province，Nanjing 210018，China;2.Changzhou Institute of Geological Engineering Exploration，Jiangsu Bureau of Geology and Minerals Prospecting，Changzhou 213002，Jiangsu)

Based on attributes of pore confined water，the authors studied dynamic(water level and quality)groundwater monitoring data and hydrogeological conditions of pore II confined water under over extraction in the periods of maximum water burial depth in the years of 1994 and 1998 in Su-Xi-Chang region.Hydro-chemical parameters could reflect the spatial variation rules of different water source supply，their ionic intensity(I)and major ionic activity(aHCO－3，aNa+，aCa2+)parameters calculated by constant water chemical components(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl－、HCO－3、CO2－3、SO2－4)divided the range and scope of seepage side pressure supply by Yangtze River，side supply by atmospheric precipitation and weak sealing well supply.The study provided bases for the deepening of extraction conditions of pore II confined water，evaluation of minable resources and dynamic prognosis of groundwater level.

Hydro-chemical kinetics;Supply condition analysis and evaluation;Pore II confined water;Over extraction;Supply conditions;Analysis and evaluation;Application;Su-Xi-Chang region，Jiangsu

book=2,ebook=44

P641.8

A

1674－3636(2012)02－0180－12

10.3969/j.issn.1674-3636.2012.02.180

2012－02－26;編輯:侯鵬飛

鄭麗春(1961—)，女，高級工程師，長期從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)研究，E-mail:530984261@qq.com