山東省煙臺市觀水鎮(zhèn)白堊紀基巖裂隙水供水可行性分析

張哲 盛琛 黃報輝 王明國 閔陽陽 高君茹 康玉瀟

摘要： 近年來，由于地下水污染問題加劇，山東省煙臺市觀水鎮(zhèn)生活用水矛盾日益突出，急需尋找優(yōu)質(zhì)地下水緩解當?shù)鼐用裼盟畣栴}。通過水文地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘探、實施探采結(jié)合井、抽水試驗和水質(zhì)化驗等手段，初步查明了觀水鎮(zhèn)及附近區(qū)域的蓄水構(gòu)造類型及賦存規(guī)律，圈定了優(yōu)質(zhì)地下水的富水地段，論證了白堊紀基巖裂隙水供水可行性，為政府相關(guān)部門決策、解決村民吃水問題提供科學(xué)建議。

關(guān)鍵詞： 白堊紀；基巖裂隙水；供水可行性；觀水鎮(zhèn)；山東省煙臺市

中圖分類號： P641.4 ????文獻標識碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.02.005

引文格式： 張哲，盛琛，黃報輝，等.山東省煙臺市觀水鎮(zhèn)白堊紀基巖裂隙水供水可行性分析［J］.山東國土資源，2023，39（2）：34 41.ZHANG Zhe， SHENG Chen， HUANG Baohui， et al. Analysis on Fissure Water Supply Feasibility in Cretaceous Bedrock ?in Guanshui Town in Yantai City in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（2）：34 41.

0 引言

基巖裂隙水是我國分布最為普遍的地下水類型之一［1 3］，其具有明顯的分布不均勻性和連通程度不一致性，而且其補給條件多變、徑流條件復(fù)雜［4］。山東省煙臺市觀水鎮(zhèn)區(qū)域賦水性較弱，尋找地下水難度較大，屬于相對貧水區(qū)，且隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人類活動影響，第四系孔隙水污染問題突出［5］。當?shù)匕傩兆园l(fā)實施的鑿井工程沒有充分考慮地質(zhì)構(gòu)造和環(huán)境影響等因素，普遍存在出水量偏小、水質(zhì)不達標等問題。不僅浪費了資金，更無法解決地下水供需矛盾問題［6］。因此，查明研究區(qū)基巖裂隙水的主要蓄水結(jié)構(gòu)及賦存規(guī)律，探尋優(yōu)質(zhì)地下水，論證該區(qū)基巖裂隙水供水可行性，顯得愈發(fā)重要。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

研究區(qū)位于山東省煙臺市牟平區(qū)觀水鎮(zhèn)附近，屬魯東低山丘陵區(qū)，地面標高在60～300m，總體地勢東南高西北低，地形從東南向西北依次為低山、丘陵［7］。研究區(qū)屬華北暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候，多年平均降水709mm，降水具有時空分配不均、年內(nèi)分布不均特點［8］。區(qū)內(nèi)主要河流為觀水河和中洋河，主要地表水為桃園水庫，對地表水依賴性比較重，缺少地下水應(yīng)急備用水源地。2015—2016年間，受連續(xù)干旱影響，桃園水庫枯竭，地下水水位下降明顯，嚴重影響了當?shù)厝嗣袢罕姷纳钆c生產(chǎn)。

1.2 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

研究區(qū)屬華北地層區(qū)魯東地層分區(qū)。主要出露地層有：白堊紀王氏群和青山群、第四紀全新統(tǒng)（圖1）［9］。區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造為郭城觀水斷裂，該斷裂貫穿整個研究區(qū)，寬10m×20m，局部達40m，總體走向ＮＥ10°，斷裂面Ｗ傾，傾角26°～30°［10］，該斷裂沿九曲單元與中生代沉積蓋層界線發(fā)育，形成時代為燕山晩期［11］。

研究區(qū)主要地下水類型可劃分為：第四系松散巖類孔隙水，沉積巖構(gòu)造裂隙水、塊狀巖類風(fēng)化裂隙水。地下水儲存類型除局部脈狀構(gòu)造裂隙水外，主要以淺層地下水為主［12］。大氣降水為該區(qū)域地下水主要補給來源，地下水的運動方向與地形坡降、地表水系一致，形成了大氣降水—地表水—地下水的轉(zhuǎn)換關(guān)系。淺層地下水排泄以徑流為主，深層地下水排泄以人工開采為主［12］。

1.3 開采現(xiàn)狀與貧水原因

目前研究區(qū)可集中開采的水資源以地表水和沉積巖孔隙水為主，主要利用方式為農(nóng)業(yè)灌溉和生活用水，年平均用水量約500萬m3/a，其中農(nóng)業(yè)灌溉約464萬m3/a，占總用水量的92.8%，生活用水約36萬m3/a，占總用水量7.2%。研究區(qū)村民以開采第四系孔隙水為主，農(nóng)業(yè)灌溉時水庫統(tǒng)一放水，通過水渠通向各村，完全可以滿足灌溉需要。2015年左右降水較少，水庫干涸，附近村民為了滿足農(nóng)業(yè)灌溉和生產(chǎn)生活用水需要，施工一些井深60～300m水井開采深層裂隙水，現(xiàn)在一些水井已經(jīng)停用或者留存?zhèn)溆?。桃園水庫附近有一韓家水廠，開采的是塊狀巖類風(fēng)化裂隙水，開采量約509m3/d，供周邊6個村莊生活飲用水，其他村莊內(nèi)均有各自深井供周邊居民生活飲水，個別戶家有淺井自給自足。

研究區(qū)地下水貧瘠的主要原因有兩點：①研究區(qū)第四系松散巖厚度比較薄，一般不超過30m，地表廣泛出露巖漿巖、變質(zhì)巖與白堊紀含礫砂巖，含水層不發(fā)育；②受人類生產(chǎn)生活影響，淺層地下水已經(jīng)遭受到不同程度的污染，已不能作為生活飲用水［12，13］。

2 材料與方法

2.1 地球物理

為圈定研究區(qū)內(nèi)富水地段，垂直斷裂走向布設(shè)了3條激電聯(lián)合剖面和3條激電測深剖面（圖1）。富水地段推斷原則如下：①激電聯(lián)合剖面視電阻率（ρsa、ρsb）曲線的交點來確定斷裂構(gòu)造的位置，低阻正交點或低阻交變帶、視電阻率曲線的梯級變化帶位置，一般是地下水富集地段的反映。②激電測深ρs曲線隨極距加大出現(xiàn)下陷或平臺特征的低阻位置是地下水富集地段的反映。③激電測深電阻率ρs斷面圖呈U型或者V型低電阻率異常，同時極化率ηs呈中低極化率特征的位置為地下水富集地段的反映［14 15］。

2.2 鉆探

本次鉆探工作采用SD 400型潛孔錘鉆機沖擊鉆進工藝施工。開孔Φ350mm，進入基巖不少于3m后變徑為Φ219mm，上部松散巖層下入Φ273*9mm螺旋鋼管護壁并用PO42.5水泥固井止水，基巖以下裸孔。鉆探過程中每3m取巖屑樣品一件，并進行了詳細編錄。在研究區(qū)內(nèi)施工了GT1、GT2、GT3三眼水文地質(zhì)勘探孔（圖1），總進尺804.5m。

2.3 抽水試驗

對GT1、GT2、GT3三眼勘探孔在洗井結(jié)束且水位恢復(fù)后進行了1個落程的抽水試驗，采用揚程300m，額定出水量10m3/h的潛水泵抽水。水位觀測用電測水位計，觀測精度達到厘米，抽水流量采用三角堰測量，每1h觀測一次水量，精確到0.001m。水位具體觀測時間為開始抽水后的第0、1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min，以后每30 min觀測一次，每1h觀測一次水量［15］。停抽后觀測時間同抽水前2h。根據(jù)水位埋深、涌水量情況，本次潛水泵下泵深度分別為70m、70m、99m。

利用本次抽水試驗資料，采用抽水試驗法求取開采地段裂隙水滲透系數(shù)（ K ）、影響半徑（ R ）、導(dǎo)水系數(shù)（ T ）和儲水系數(shù)即彈性釋水系數(shù)（ μ* ），采用穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流2種計算方法求取參數(shù)［16］。

（1）穩(wěn)定流計算法

依據(jù)單孔穩(wěn)定流承壓完整井公式［16］

K= 0.366Q MSw ?lg ?R r

R=10Sw K

T=KM

式中： Q —單孔涌水量（m3/d）； Sw —穩(wěn)定降深（m）； M —含水層厚度（m）； R —影響半徑（m）； r —抽水孔半徑（m）。

（2）非穩(wěn)定流計算法

利用本次試驗取得的單孔非穩(wěn)定流承壓完整井抽水試驗資料，GT2采用泰斯配線法和S* lg t' 直線圖解法求取水文地質(zhì)參數(shù)。GT1和GT3富水性弱，水位下降快，降深大，利用恢復(fù)水位數(shù)據(jù)，采用S* lg t '水位回升值直線斜率法計算參數(shù)。

泰斯配線法基本公式［16］

T= Q 4πS ［W（u）］

a= r2 4ut

S -lg t 和 S* -lg t' 直線圖解法基本公式［16］

T=0.183 Q i

a= r2 2.25t0

μ*= T a

式中： T —導(dǎo)水系數(shù)（m2/d）； Q —抽水井流量（m3/d）； Sw —降深（m）； t —抽水時間（d）； a —壓力傳導(dǎo)系數(shù)（m2/d）； r —抽水孔半徑（m）； W（u） —井函數(shù)；μ*—彈性釋水系數(shù)； i —直線斜率（m）； t0 —延長直線在時間軸上的截距（d）。

2.4 水質(zhì)分析

本次樣品采集總體原則為按各地下水類型的主次程度有側(cè)重的進行采樣（圖1）。共采集水樣15件，3件為本次施工勘探孔取樣，其他12件樣品中，構(gòu)造裂隙水8件，第四系孔隙水3件和地表水1件，采樣按照《水質(zhì)采樣技術(shù)規(guī)程》（SL/T187-96）進行。

樣品的分析全部在山東省地礦局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊實驗室完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 地球物理特征

本次工作開展3組激電聯(lián)合剖面、激電測深剖面（圖1），以L2剖面的激電聯(lián)合剖面、激電測深剖面為例進行解析（圖2、圖3）：曲線在1530～1650點號之間，均呈現(xiàn)中低視極化率特征，其視極化率多為0.6%以下。說明所推斷低阻帶下部位基巖破碎。

根據(jù)研究區(qū)已知井賈家村委深井深度推算，測量深度擬合系數(shù)大約取0.67，對比AO=70m、150m剖面深度差大約40m，水平距離80m，推斷該處為斷層破碎帶，傾角27°左右（圖4）。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料分析該處為郭城 觀水斷裂通過的大致位置，斷層形態(tài)等基本一致，推斷該斷層破碎帶為郭城 觀水斷裂。該斷層為逆斷層不是理想的儲水構(gòu)造，但滑動面形成的斷層泥是擋水壁，可在滑動面外側(cè)形成富水區(qū)，因此推斷研究區(qū)范圍內(nèi)，富水區(qū)應(yīng)位于該斷裂構(gòu)造的西側(cè)。L1剖面向西延伸至1150點，未發(fā)現(xiàn)低阻梯級帶變化，地層富水區(qū)不明顯。

通過L2測深剖面斷面圖可見，L2剖面電阻率ρs斷面1210～1250點之間電阻率ρs呈V型低電阻率異常特征，極化率呈中低極化率特征。通過1230/L2點激電測深ρs曲線可見隨極距（AB/2）加大在極距（AB/2）=220～340m視電阻率曲線出現(xiàn)平臺的低阻特征（圖5）。根據(jù)地下水富水地段的推斷原則，推斷1210～1250點間低電阻率異常為斷層破碎帶，中心位置1230點為構(gòu)造裂隙水的富集地段。埋深在120～200m之間。

3.2 地層特征

GT1號揭露含水層巖性多為雜色砂巖、粉砂巖及含礫砂巖，一般均可見方解石晶體發(fā)育，39.5m初見水位，117.5～120.5m、168.5～177.5m水量增加明顯，主要含水層共計揭露8段，頂板埋深39.6m，底板埋深294.5m，總厚度24m（表１）。

GT2號井揭露含水層巖性多為雜色砂巖、粉砂巖及含礫砂巖，一般均可見方解石晶體發(fā)育，34.6m初見水位，82.6～85.6m、166.6～175.6m水量增加明顯，主要含水層共計揭露12段，頂板埋深34.6m，底板埋深207.6m，總厚度71m（表２）。

GT3號井揭露含水層巖性多為雜色砂巖、粉砂巖及含礫砂巖，一般均可見方解石晶體發(fā)育，47.5m初見水位，170.5～173.5m、250.6～260.5m水量增加明顯，主要含水層共計揭露7段，頂板埋深47.5m，底板埋深287.4m，總厚度21m（表３）。

3.3 水文地質(zhì)參數(shù)計算

GT1號水井抽水開始，穩(wěn)定延續(xù)時間18.5h。初始靜水位埋深6.90m，停抽前水位最大埋深62.78m，降深57.82m，涌水量15.9m3/h（圖６）。

GT2號水井抽水，穩(wěn)定延續(xù)時間19h。初始靜水位埋深11.25m，停抽前水位最大埋深16.82m，降深5.57m，涌水量19.77m3/h。

GT3號水井抽水穩(wěn)定延續(xù)時間23.5h。初始靜水位埋深6.21m，停抽前水位最大埋深95.16m，降深88.95m，涌水量5.1m3/h。

由穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流方法求取的水文地質(zhì)參數(shù)（表４、表５），由于其方法原理不同，結(jié)果雖存在一定差異，但總體差別不大，非穩(wěn)定流２種方法均擬合的較好，求參結(jié)果具有較強參考價值。在現(xiàn)階段對本區(qū)水文地質(zhì)條件認識的基礎(chǔ)上，認為強富水地段滲透系數(shù)（ K ）選取1.2～1.5m/d、導(dǎo)水系數(shù)（ T ）選取80～100m2/d、彈性釋水系數(shù)（ μ *）取20×10 3～30×10 3，富水性中等的地段滲透系數(shù)（ K ）選取0.4～0.7m/d、導(dǎo)水系數(shù)（ T ）選取30～50m2/d，其他相對較弱的富水地段滲透系數(shù)（ K ）選取0.05～0.4m/d、導(dǎo)水系數(shù)（ T ）選取0.5～30.0m2/d比較符合本區(qū)的水文地質(zhì)條件。

3.4 水質(zhì)分析

以往對牟平區(qū)地下水污染研究表明，土地利用類型與硝酸鹽污染程度呈強相關(guān)，化肥農(nóng)藥的大量使用是主要污染來源之一［17］。

通過地下水質(zhì)量評價，13件水樣（不含本次鉆探勘察孔）水質(zhì)分析結(jié)果中，主要超標離子為NO 3，含量區(qū)間為16.3～276mg/L，平均含量101mg/L。其中超過Ⅲ類水NO 3標準值（88.8mg/L）的有5件，占取樣數(shù)的38%。其中5件孔隙水水質(zhì)分析結(jié)果中NO 3含量區(qū)間為64.4～276mg/L，平均含量148.7mg/L，超過Ⅲ類水NO 3標準值的有3件，占取樣數(shù)的60%。8件構(gòu)造裂隙水水質(zhì)分析結(jié)果中NO 3含量區(qū)間為16.3～145mg/L，平均含量71.2mg/L，超過Ⅲ類水NO 3標準值的有2件，占取樣數(shù)的25%。綜上所述，構(gòu)造裂隙水中NO 3含量相對孔隙水中較少，但也有一定程度的污染。

本次施工水文地質(zhì)在做完抽水試驗后也進行了水質(zhì)分析（表6），結(jié)果顯示GT2、GT3水質(zhì)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準（GB5749—2006）》，GT1硝酸鹽含量超標。

3.5 供水可行性論證

根據(jù)本次物探工作顯示，L2剖面電阻率ρs斷面1210～1250點之間電阻率ρs呈V型低電阻率異常特征，極化率呈中低極化率特征。根據(jù)地下水富水地段的推斷原則，推斷1210～1250點間低電阻率異常為斷層破碎帶，中心位置1230點為構(gòu)造裂隙水的富集地段，埋深在120～200m之間。

研究區(qū)內(nèi)GT1號井終孔深度300.5m，降深57.82m時涌水量為15.9m3/h；GT2號井終孔深度210.5m，降深5.57m時涌水量19.77m3/h；GT3號井終孔深度294.5m，降深88.95m時涌水量5.1m3/h。另根據(jù)調(diào)查，SJ17號調(diào)查機民井降深1.04m時涌水量約15mm3/h。

根據(jù)以上工作，圈定了白堊系構(gòu)造裂隙富水性較強的地段（GT2附近區(qū)域），該區(qū)滲透系數(shù)（ K ）選取1.2～1.5m/d、導(dǎo)水系數(shù)（ T ）選取80～100m2/d、彈性釋水系數(shù)（ μ *）取20×10 3～30×10 3。以GT2例，水位降深5.57m時總涌水量可達474.48m3/d，對比觀水鎮(zhèn)年生活用水量，在富水地段施工兩眼水井即可滿足觀水鎮(zhèn)生活用水需要。同時，根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，深層裂隙水水質(zhì)較淺層第四系潛水更優(yōu)質(zhì)。

4 結(jié)論

區(qū)內(nèi)具有供水意義的含水巖層為白堊紀黃家?guī)X組砂巖、砂礫巖裂隙含水巖組，該層位在研究區(qū)廣泛出露，大氣降水和地表水是其主要的補給來源，地下水總體徑流方向是由東南向西北，人工開采和地下徑流是其主要的排泄方式。

通過本次研究工作，發(fā)現(xiàn)在觀水鎮(zhèn)附近是存在相對富水地段的。施工100～200m水井，單井涌水量在降深5.57m時總涌水量可達474.48m3/d，且水質(zhì)相對孔隙水NO 3更低，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準（GB5749—2006）》，屬Ⅲ類水，施工兩眼水井即可滿足觀水鎮(zhèn)生活用水需要。

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Analysis on Fissure Water Supply Feasibility in Cretaceous Bedrock ??in Guanshui Town in Yantai City in Shandong Province

ZHANG Zhe1，2， SHENG Chen3， HUANG Baohui1， WANG Mingguo1， MIN Yangyang3， GAO Junru1， KANG Yuxiao1

（1.Shandong Hydrogeology Engineering Geology and Environment Geology Corporation， Shandong Ji'nan 250000， China; 2.Shandong Engineering Research Center for Environmental Protection and Remediation on Underground Water， Shandong Ji'nan 250000， China; 3. No.801 Hydro engineering Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resource， Shandong Ji'nan 250001， China）

Abstract： In recent years， due to the aggravation of groundwater pollution， the contradiction of domestic water use in Guanshui rown in Yantai city in Shandong province has become increasingly prominent. It is urgent to find high quality groundwater to alleviate the problems of local residents water use. Through hydrogeological survey， geophysical exploration， implementation of exploration and mining combined well， pumping test and water quality test， the type of water storage structure and its occurrence law in Guanshui town and its surrounding areas has been found out preliminarily， water rich sections of high quality groundwater have been circled， the feasibility of water supply for Cretaceous bedrock fissure water has been demonstrated. It will provide a scientific suggestion ?for relevant government departments to make decisions and solve the water problem.

Key words： Cretaceous; fissure water in bedrock; water supply feasibility; Guanshui town; Yantai city in Shandong province