西寧盆地人畜飲用供水工程中的地下水水質形成機理研究

西寧盆地人畜飲用供水工程中的地下水水質形成機理研究

1解決生活用水難題西寧盆地位于福建省東部穆水盆地的中部。西寧省位于盆地中部。盆地內人口200多萬,占全省總人口40%,耕地面積占全省55%,糧食產量占全省68%,工業(yè)總產值占全省71%,GDP占全省50%以上。然而,種種原因致使盆地內部分村鎮(zhèn)居民的生活用水問題沒有得到有效解決,據(jù)此,自2001年開始,中國地質調查局在該區(qū)開展了人畜飲用地下水勘查示范工作,先后為飲用水困難村莊建成供水示范井8眼,直接解決了6萬余人的生活用水難題。本文依據(jù)近年來取得的最新資料,對盆地內碎屑巖類地下淡水賦存模式進行初步總結,以期為區(qū)內其它村鎮(zhèn)缺水居民飲用水的解決提供依據(jù)。2盆地地質背景西寧盆地南以拉脊山為界,北依大阪山,南北寬25～35km,東西長約260km。拉脊山山地平均海拔3500m,大坂山地平均高程3700m,盆地中部西寧市區(qū)平均海拔2261m。黃河一級支流湟水河自西向東穿流盆地,湟水河在西寧水文站的多年逕流量為21.5×109m3。研究區(qū)深居內陸,具有典型的半干旱高原大陸性氣候特征。盆地內年降水總量從河谷平原向兩側山地隨海拔的增高而明顯增加,河谷及山前丘陵地帶多年平均降水量350mm左右,海拔3000～3500m的山區(qū)年降水總量為400～500mm。海拔4000m以上的山地年平均降水量可達650mm左右。盆地內寒冷干燥,年均氣溫3.4℃,年均蒸發(fā)量為1235.6mm。區(qū)內前第四紀地層主要有上元古界變質巖、中生界白堊系和新生界第三系。上元古界出露于盆地南北兩側的山區(qū),以石榴石云母片巖為主,夾石英片巖、石英巖和大理巖,局部受侵入體影響呈現(xiàn)邊緣混合巖化,地層多呈北西走向,由山地向河谷傾斜。白堊系在盆地兩側海拔3000m左右的山區(qū)至山前丘陵地帶廣泛分布,主要由桔紅色、雜色、灰綠色灰白色河湖相碎屑巖及泥頁巖組成。在溝谷可見白堊系不整合覆于上元古界石英巖和大理巖之上。第三系碎屑巖在盆地內分布廣,厚度大,下第三系主要由一套泥巖、石膏巖及紅色碎屑巖等組成,多呈近水平層狀產出,部分地區(qū)受構造影響產狀變陡,主要由雜色泥巖、石膏巖、砂巖、泥巖夾砂巖組成。下第三系與下伏上白堊統(tǒng)呈平行不整合接觸。上第三系為湖相、沖積扇相之泥巖及粗碎屑巖,產狀平緩,地層傾角一般為2°～10°。盆地內第四系主要為風成黃土和沖洪積物。黃土主要分布于山前丘陵地帶,多披覆于梁峁地形及河谷谷坡之上,厚度一般5～30m,最厚可達百米以上。沖洪積物廣泛分布于湟水河河谷及其兩側級階地之上,巖性以礫卵石和砂質粘土混合堆積為主,厚度一般20～35m。盆地內地下水賦存類型除河谷平原區(qū)(包括階地)第四系松散含水層外,碎屑巖類地下水依據(jù)其含水層時代和水力性質可分為:裂隙孔隙潛水、裂隙孔隙承壓自流水、以及碳酸鹽巖類裂隙溶隙水三大類型。碎屑巖類裂隙孔隙潛水主要賦存于盆地兩側山區(qū)和丘陵區(qū)裸露的白堊系和第三系碎屑巖層中,在盆地邊緣地帶偶見泉水出露,單泉流量一般小于1.0L/s,礦化度一般大于1.0g/L,局部地段高達7.0g/L以上,從而構成大面積的苦、咸水區(qū)。碎屑巖類裂隙孔隙承壓水在盆地內廣泛分布,主要含水介質為白堊系和第三系碎屑巖,其水質水量受地質構造、地下水循環(huán)條件的控制差異較大,在地質條件適合地段,可形成自流鉆孔。大量鉆孔資料統(tǒng)計表明,盆地邊緣地帶的承壓水水質較淡,礦化度一般小于1.0g/L,而盆地中部,由于逕流滯緩,礦化度急劇增高,一般為3.0g/L以上,局部高達47.50g/L。如平安縣三合鎮(zhèn)ZK10號孔,水頭高出地面73m,自流量為156.82m3/d,礦化度2.94g/L;三合鎮(zhèn)31號孔,水頭高出地面19.50m,涌水量為25m3/d,礦化度3.44g/L。碳酸鹽巖類裂隙溶隙水主要分布在盆地南北兩側的上元古界結晶灰?guī)r、白云巖及大理巖分布區(qū)。盆地北緣達坂山南麓老爺山至民和縣一帶,白云巖、大理巖呈條帶狀出露地表。局部地段如互助縣南門峽等地,白云巖、大理巖被上覆白堊系或第三系所覆蓋。白云巖、大理巖裸露地區(qū),埋藏有碳酸鹽巖類裂隙溶隙水,局部地段可見泉水出露,流量一般小于0.2L/s,礦化度小于0.5g/L,水質良好。白云巖、大理巖隱伏區(qū),往往賦存著裂隙溶隙承壓水,局部地段形成泉或泉群。3碎屑巖儲水構造西寧盆地總體為一走向北西—南東的寬緩向斜褶皺,受多期構造運動的影響,從西向東以小峽、大峽和老鴉峽隆起為界,從西向東依次為西寧斷陷、平安、樂都以及民和等串珠狀次級盆地。盆地內區(qū)域斷裂主要有大致與山體走向平行的拉脊山斷裂和大坂山斷裂,這兩條斷裂構造對區(qū)域地層出露具有十分明顯的控制作用。以這兩條區(qū)域斷裂為界,拉脊山、大坂山山麓前第四紀白云巖、大理巖、白堊系和第三系碎屑巖廣泛出路于地表,在這兩條區(qū)域斷裂之間,即盆地內部的白堊系和第三系碎屑巖則被深埋于地下。受盆地邊界東西、南北向構造控制,盆地內發(fā)育著以北東、北西向為主的兩組斷裂構造,斷裂升降運動的差異,盆地內的白堊系、第三系碎屑巖形成了一系列地壘地塹構造。在上述構造作用下區(qū)內形成了不同類型的儲水構造(圖1),依據(jù)含水介質類型、水文地質特征等,碎屑巖儲水構造可分為碳酸鹽巖單斜儲水構造、白堊系壘塹式儲水構造、白堊系碎屑巖隱伏斷裂破碎帶儲水構造等類型。這些儲水構造中都不同程度地賦存著可供當?shù)鼐用耧嬘玫牡叵碌?。但由于不同類型儲水構造的地質結構和地下水補逕排條件的差異,其水質、水量變化較大。如白堊系壘塹式儲水構造局部地段地下水礦化度較高,對人體有害的元素超標。因此,研究這些儲水構造及其地下淡水形成機理與分布規(guī)律,對于解決盆地內嚴重缺水城鎮(zhèn)、村莊居民的生活用水難題,乃至指導類似缺水地區(qū)人畜飲用水問題的解決,均具有重要的實用價值。4不同類型的儲水結構的地下淡水分布規(guī)律及形成機制4.1碳酸鹽巖單斜儲水構造分布于盆地北緣大坂南麓及山前丘陵地帶的上元古界白云巖、大理巖以及白堊系、第三系碎屑巖,歷經多期地質構造的作用,在大通老爺山、互助縣南門峽、佑寧寺,以及民和縣城北山一帶,形成了一系列碳酸鹽巖單斜儲水構造。其中最具代表性的是互助縣臺子鄉(xiāng)碳酸鹽巖單斜承壓儲水構造,以及民和縣川口鎮(zhèn)史納村碳酸鹽巖單斜潛水儲水構造?，F(xiàn)以這兩個儲水構造為例分析地下淡水形成與富集規(guī)律。(1)白云巖、大理巖儲水帶互助縣縣城位于西寧市以東約30km,臺子鄉(xiāng)地處互助縣西北部,區(qū)內海拔2600～2800m,從北到南依次出露元古代湟源群東岔溝組大理巖、花石山群北門峽組及克素爾組(Ptb22bk)結晶灰?guī)r、白云巖及大理巖,白堊系民和組(K2m)紫紅色礫巖、砂礫巖、砂巖、砂質泥巖,在溝谷可見第四系坡積物或黃土覆蓋于基巖之上。受一系列逆沖推覆構造控制,元古界地層與白堊系表現(xiàn)為斷層接觸和不整合兩種接觸關系。在臺子鄉(xiāng)北部地表可見元古界與白堊系直接接觸;臺子鄉(xiāng)中部鉆孔所揭露的地層表明,白堊系砂礫巖不整合覆蓋于元古界之上。臺子鄉(xiāng)南部受南門峽斷裂作用,地表可見第四系直接覆蓋于白堊系之上。元古界白云巖、大理巖的儲水功能,覆蓋于其上的白堊系砂礫巖的相對隔水性,南門峽斷裂的阻水作用,以及三者之間的組合為巖溶儲水構造的奠定了地質基礎。臺子鄉(xiāng)北部大面積出露元古界北門峽組及克素爾組白云巖、大理巖,巖溶作用強烈,地表可見不同時期的古溶洞、溶孔、溶隙較為發(fā)育,對大氣降水的滯留和入滲極為有利。臺子地區(qū)多年平均降雨量470mm左右,巖溶地下水的補給條件較為優(yōu)越。大氣降水在北部白云巖、大理巖區(qū)滲入地下后,由北部山區(qū)向湟水河河谷緩慢逕流,逕流途中由于受盆地邊緣南門峽斷層的阻擋,地下逕流在白云巖、大理巖層中不斷聚集。天然狀態(tài)下,巖溶水在南門峽斷裂上盤以上升泉的形式溢流地表,如臺子鄉(xiāng)以南約12km的下臺子村從第四系堆積層中出流的牛頭山根泉,就是該單斜儲水構造的天然排泄帶,泉口高程2620m。據(jù)長期監(jiān)測資料,多年平均流量7500m3/d左右,礦化度小于1g/L。在臺子鄉(xiāng)直溝村一帶,元古界白云巖、大理巖被厚度近100m的白堊系碎屑巖層所覆蓋。白堊系上部為厚度約30m的砂質泥巖,下部為厚約70m的砂礫巖。白堊系砂質泥巖結構致密,具有較好的隔水性能,從而構成承壓儲水構造。由于巖溶地下水循環(huán)條件好,故礦化度較低。在地形相對低洼地帶所施工的鉆孔可自流,如2003年在直溝村鉆探的GK02號鉆孔,孔深175m,從地表向下揭露的地層為第四系坡積物23m,白堊系碎屑巖120m,元古界白云巖、大理巖32m。當鉆孔揭穿白堊系碎屑巖時,鉆孔開始自流。終孔后承壓水頭高出地面26m以上,放水試驗結果自流量2042m3/d,礦化度0.63g/L,水質符合生活飲用水標準。(2)逆沖斷層與地下水儲水的地質條件史納村位于民和縣城湟水河北岸,湟水河河谷深切,北岸為海拔3100m以上的民和北山,地勢陡峭,由湟水河谷向北山依次出露白堊系民和組砂礫巖、元古界東岔溝組大理巖以及青石坡組石英片巖。元古界石英片巖在區(qū)內出露面積較大,巖層走向北東南西,傾向東南,傾角近90°。元古界東岔溝組大理巖在史納村北部呈條帶狀分布,出露面積約10km2。大理巖層厚、質純、方解石含量90%以上,可溶性較強,溶隙、溶溝、溶孔隨處可見。大理巖南端有一逆沖斷裂發(fā)育,大理巖逆沖于白堊系砂礫巖之上。斷層總體走向北東東,傾向北北西,傾角60～70°,斷裂帶巖性以碎粉巖為主,寬2m左右。受逆沖斷裂的影響大理巖地層中近斷裂部位,次級斷裂極為發(fā)育,巖層破碎,古巖溶發(fā)育。逆沖斷裂南側白堊系民和組砂礫巖層,地層走向北東,傾向140°,傾角45～62°。白堊系砂礫巖近斷裂部位節(jié)理裂隙較為發(fā)育,遠離斷層帶向湟水河谷方向地層完整,在溝谷地帶被第四系黃土所覆蓋。上述不同時代地層的空間分布及其構造作用,元古界大理巖層的含水儲水性能,白堊系民和組砂礫巖層阻水功能,是史納村北山碳酸鹽巖單斜潛水儲水構造的形成的地質基礎。元古界大理巖地層中的溶隙、溶孔、溶洞,以及受斷裂作用形成的裂隙,為地下水的形成提供了有利的補給通道及儲水空間。大理巖層中地下水的補給主要有兩個途徑,在大理巖出露區(qū)直接接受大氣降水的滲入補給,其次是接受北部山區(qū)石英片巖分布區(qū)地下水徑流補給。大理巖含水層地下水在從北部山區(qū)向湟水河河谷逕流途中,由于受大理巖層南側白堊系砂礫巖層的阻水作用,使大理巖層中地下水得以富集,從而形成了碳酸鹽巖單斜潛水儲水構造。本次調查在史納村一帶未發(fā)現(xiàn)巖溶泉水,由此推斷,天然條件下該儲水構造中部分地下水可能沿白堊系砂礫巖層面裂隙緩慢徑流直接排入湟水河,部分通過白堊系砂礫巖層徑流補給河谷區(qū)第四系砂礫石層再排入湟水河。2001年在該儲水構造大理巖含水層近白堊系砂礫巖一側,逆沖斷層上盤鉆探一供水井。鉆深114m,鉆孔揭露大理巖含水層約65m,終孔后地下水位埋深48.43m。經抽水水位降深16.24m時,出水量達1125m3/d,礦化度0.7g/L,各項指標均符合飲用水標準。4.2裂隙水驅動的槽波地質及地質條件西寧盆地湟水河河谷平原區(qū)第四系松散沉積層之下廣泛埋藏著巨厚的第三系和白堊系碎屑巖地層,因碎屑巖地層含鹽量較高,局部夾有膏鹽層。碎屑巖埋藏于現(xiàn)代排泄基準面之下,區(qū)域地下水循環(huán)條件差,賦存于其中的裂隙水一般都屬于高礦化度的苦咸水。居住在高階地的部分村鎮(zhèn),居民長期飲用苦咸水。近幾年來,由于湟水河河水污染不斷加劇,過去依靠河水為飲用水源的居民生活用水也不同程度地產生危機。為了解決農村居民的生活用水,自2002年開始,在盆地內第三系和白堊系碎屑巖埋藏區(qū)開展了找水工作。最新調查結果發(fā)現(xiàn),受區(qū)域性構造作用,盆地內發(fā)育著一系列北東向張扭性斷裂和東西向壓扭性斷裂。在斷裂作用下,碎屑巖地層呈凹凸間列的“棋盤格”狀壘塹式分布。壘塹構造埋藏條件不同,其水文地質條件差異很大。以平安縣祁家川白堊系碎屑巖地壘儲水構造和樂都縣洪水鎮(zhèn)雙營村斷裂帶儲水構造為例,分析白堊系碎屑巖地下淡水的分布規(guī)律。(1)白堊系碎屑巖壘塹式構造祁家川地處湟水南岸,區(qū)內主要發(fā)育有上白堊系民和組和下第三系西寧群地層。上白堊統(tǒng)民和組主要分布于河谷平原區(qū),屬濱湖咸水含石膏碎屑巖和河流相紅色碎屑巖沉積,巖性為棕褐色-棕色礫巖、灰綠色頁巖夾泥巖和泥灰?guī)r等。西寧群主要分布在湟水河以南的山前丘陵地帶而在河谷平原區(qū)缺失。下第三系與下伏上白堊統(tǒng)民和組呈平行不整合接觸。第四系除河谷平原區(qū)現(xiàn)代河流沖洪積物外,山前丘陵地帶有黃土直接覆蓋于碎屑巖之上。區(qū)內發(fā)育著一系列NNE張扭性斷裂(見圖2所示F1和F2)近東西向壓扭性斷裂(圖2所示F3、F4等),斷塊間地層的差異升降,形成了典型的白堊系碎屑巖壘塹式構造。天然條件下,白堊系碎屑巖地層在山區(qū)出露部位接受大氣降水的滲入補給,其次在河谷區(qū)部分地段可能通過區(qū)域張扭性斷裂接受河水滲入補給。白堊系碎屑巖層中的地下水從山區(qū)向河谷方向逕流途中,受到壘塹構造邊緣壓扭性斷裂的阻隔,部分以泉的形式出露地表(圖2),部分則沿層面裂隙或張扭性斷裂帶向河谷區(qū)逕流。由于河谷區(qū)白堊系碎屑巖壘塹式構造埋藏深度較深,壘塹式構造內部的封閉條件較好,往往賦存有承壓裂隙水,但因地下水逕流緩慢,加之白堊系碎屑巖含鹽量較高,地下水礦化度較高。在壘塹構造內水質差異主要受控于循環(huán)條件,地壘部位補給微弱,水質則較差,地塹部位補給和循環(huán)條件相對較好,地下水礦化度相對較低。如2002年在地壘部位施工的ZK2號孔,孔深115m時開始自流,地下水礦化度為5.44g/L。而在地壘部位施工的ZK10號孔,孔深212m,自流水量157m3/d,地下水礦化度為2.94g/L。(2)白堊系空間斷裂斷裂帶雙塔營村位于湟水河南岸,區(qū)內發(fā)育的地層主要為白堊系碎屑巖和元古界石英巖、絹云石英片巖。元古界變質巖在雙塔營村南部大面積出露,白堊系碎屑巖分布于河谷平原區(qū)被第四系沖洪積所覆蓋,據(jù)鉆孔揭露白堊系由含石膏泥巖、粉砂巖、砂巖所組成,最大厚度70m左右,產狀近水平。白堊系碎屑巖之下為石英巖、絹云石英片巖,其上為第四系粘土亞砂土,厚度一般為20m,局部地段5m左右。雙塔營村北湟水河谷中發(fā)育有一條走向北東—南西規(guī)模較大的隱伏斷裂,物探查明該斷裂斜切湟水河現(xiàn)代谷地。在雙塔營村北東方向約3km湟水河北岸階地上的第四系沖洪積層中出露一上升泉,當?shù)鼐用穹Q之為雙龍泉,泉水流量650m3/d左右,礦化度小于0.8g/L。有關部門曾在該泉附近施工鉆孔,孔中地下水礦化度較高,由此推斷,該泉水可能來自于隱伏在第四系地層之下的白堊系碎屑巖地層中的北東南西向斷裂帶內。為了解決雙塔營村居民的生活飲用水,2003年,經對區(qū)內水文地質條件、地質構造進一步調查,通過物探發(fā)現(xiàn)雙塔營村北湟水河I級階地中部發(fā)育著與現(xiàn)代河谷基本平行的北東南西向隱伏斷裂。于是實施了鉆探工程,孔口位于斷裂上盤,鉆孔所揭露的地層依次是第四系粘土亞砂土約15m,白堊系粉砂巖砂巖60m,斷裂破碎帶雜色構造碎裂巖50m,元古界石英巖絹云石英片巖約20m。鉆孔進入斷裂破碎帶后孔內出現(xiàn)涌水現(xiàn)象,經分層抽水試驗和水質分析,元古界石英巖及絹云石英片巖段自流量11.41m3/d,礦化度2.37g/L;斷裂破碎帶雜色構造碎裂巖巖段自流量111.97m3/d,礦化度0.91g/L。后經粘土回填在斷裂破碎帶巖段成井,承壓水頭高出地表近12m,成為雙塔營村近百戶居民無需加壓的自來水供水井。該孔說明盆地內的某些隱伏斷裂破碎帶儲水構造中往往賦存著可供居民飲用的地下淡水。根據(jù)對水文地質條件的進一步分析,白堊系碎屑巖隱伏斷裂破碎帶承壓自流水的形成,是來源于雙塔營村湟水河上游河水的滲入補給,即在斷裂上覆第四系堆積物厚度較小的地段,或