貴州巖溶地下水的成因及開發(fā)利用

貴州巖溶地下水的成因及開發(fā)利用

貴州位于西南巖質(zhì)巖山地的中心，山東省碳酸鹽巖的分布范圍為12696萬公里。由于巖石的個(gè)體發(fā)育和地表徑流的嚴(yán)重喪失，表面巖的干燥和缺水非常嚴(yán)重，地下水資源十分豐富。因此開發(fā)地下水資源就成為貴州找水任務(wù)的重中之重。巴鈴鎮(zhèn)是興仁縣的重要集鎮(zhèn)之一,十二五期間是重大的煤化工基地,城鎮(zhèn)的發(fā)展及煤化工基地的建設(shè)為水源開發(fā)提出了更高的要求。而巴鈴鎮(zhèn)地處巖溶富水區(qū),開發(fā)利用條件好,開發(fā)后可作為巖溶富水區(qū)典型之例。1區(qū)域地質(zhì)背景區(qū)內(nèi)出露的主要地層由老至新分別為:三疊系中下統(tǒng)嘉陵江組(T1-2j),巖性為灰?guī)r、白云巖時(shí)偶夾白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r,含裂隙—溶洞水。三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組(T2g),巖性為白云巖、泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r,底部為“綠豆巖”,含溶洞—裂隙水。三疊系中統(tǒng)楊柳井組(T2y)巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥巖,含裂隙—溶洞水。三疊系上統(tǒng)賴石科組(T3ls),巖性為泥灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥灰?guī)r,含基巖裂隙水。工作區(qū)構(gòu)造特點(diǎn)是以旋扭式構(gòu)造型式為主,兼有北西、北東及北北東向構(gòu)造。受區(qū)域構(gòu)造的影響,工作區(qū)斷層較為發(fā)育,主要有小坪寨斷層(F1):位于工作區(qū)東部小坪寨,為平移斷層,走向?yàn)?0°,傾向?yàn)?50°,傾角為85°,長約7.5km;其北西盤向南西方向運(yùn)動,南東盤向北東方向運(yùn)動;巴鈴斷層(F2):位于巴鈴鎮(zhèn)集鎮(zhèn),其走向?yàn)?30°,傾向?yàn)?40°,傾角為70°,長約3km,該斷層對本區(qū)地下水排泄起一定的控制作用。受該逆斷層控制,沿?cái)鄬用鎯蓚?cè)有較多泉點(diǎn)分布;菜子凼斷層(F3):位于巴鈴鎮(zhèn)東側(cè),為平移斷層,走向?yàn)?0°,傾向?yàn)?60°,長約3km;其北西盤向南西方向運(yùn)動,南東盤向北東方向運(yùn)動。水源地受地表水文網(wǎng)、地層巖性控制,富水區(qū)邊界主要有地表分水嶺及細(xì)碎屑巖隔水層。南部以三疊系上統(tǒng)賴石科組(T3ls)泥灰?guī)r及粉砂質(zhì)泥灰?guī)r為隔水邊界,東部及北西部為地表分水嶺為隔水邊界,北東部為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組(T2g)粘土巖為隔水邊界。其西側(cè)發(fā)育逆斷層,為水源地排泄區(qū)。上述條件圈定了富水區(qū)系統(tǒng)邊界特征。2富水區(qū)地下水資源分析2.1可采資源量評價(jià)方法工作區(qū)富水條件較為多變,分布面積較大,構(gòu)成了井位分布較為復(fù)雜的平面形狀,且工作程度較少,為計(jì)算方便,故采用“大井法”作為可采資源量評價(jià)方法之一;同時(shí),根據(jù)工作區(qū)水文地質(zhì)條件具有不均勻性的特點(diǎn)以及已作成井抽水試驗(yàn),直接根據(jù)抽水資料采用“單位儲存法”進(jìn)行推算其可采資源量。2.2無定面積工作分布面積不規(guī)則的成井在開采后,其外圍逐漸形成一個(gè)統(tǒng)一的降落漏斗。理論上可將形狀不規(guī)則成井系統(tǒng)所圈的面積看成是一個(gè)理想“大井”的面積,此時(shí),整個(gè)鉆井系統(tǒng)的出水量就相當(dāng)于“大井”的出水量,成井半徑用“大井”的引用半徑代替,影響半徑用“大井”的引用半徑代替。2.2.1含水層滲透系數(shù)k根據(jù)工作區(qū)水文地質(zhì)條件,采用潛水非層流穩(wěn)定流完整井計(jì)算公式如下:Q=2πKH3?h032(1γ0±12d1±12d2)??????????√(a)Q=2πΚΗ3-h032(1γ0±12d1±12d2)(a)式中:K為含水層滲透系數(shù)(m/d);H為抽水前潛水層厚度(m);h0為井內(nèi)動水位(m);r0為大井引用半徑(m);d為井至供水或隔水邊界的距離,供水邊界為減,隔水邊界用加(m)。2.2.2參數(shù)的確定1swlnrr3.含水層滲透系數(shù)根據(jù)成井抽水試驗(yàn)資料確定,采用2010年4月興仁縣巴鈴鎮(zhèn)小坪寨成井(CK16)抽水試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù),采用以下公式進(jìn)行計(jì)算:K=Q1.366(2H?Sw)SwlnRr(b)R=2SwKH???√(c)Κ=Q1.366(2Η-Sw)SwlnRr(b)R=2SwΚΗ(c)式中:K為滲透系數(shù)(m/d);R為影響半徑(m);Q為涌水量(1431.03m3/d);H為含水層厚度(71.40-30.00=41.40m);Sw為水位降深值(9.40m);r為抽水井有效半徑(0.1095m)。計(jì)算得:滲透系數(shù),K=5.1613m/d2h和h0的確定與上同,采用2010年4月興仁縣巴鈴鎮(zhèn)小坪寨成井(CK16)抽水試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)得:H=27.1m,h0=25.8m。3fdr0d式大井的引用半徑r0可用以下經(jīng)驗(yàn)公式確定r0=Fπ??√=0.565F√(d)r0=Fπ=0.565F(d)式中:F為鉆井分布范圍圈定的面積,或者以降落漏斗的封閉等水位線所有圈定的最大范圍之面積。根據(jù)工作區(qū)條件,F=50000m2,則r0=126.34m4d確定井與供水或隔水之間的距離根據(jù)工作區(qū)實(shí)際條件,圈定d1=2000m;d2=3500m2.2.3可采資源量計(jì)算將上述各項(xiàng)參數(shù)代入公式(a),得Q=1.31萬m3/d2.2.4評估的可靠性大井法計(jì)算極為簡單,但尚需用補(bǔ)給量來驗(yàn)證其保證程度。工作區(qū)補(bǔ)給來源主要為大氣降水,故采用降雨入滲補(bǔ)給法計(jì)算其補(bǔ)給量。1降雨入滲補(bǔ)給量計(jì)算Q=αFP365(e)Q=αFΡ365(e)式中:Q為降雨入滲補(bǔ)給量(m3/d);α為降雨入滲系數(shù);F為接受降雨滲入的面積(m2);P為不同保證率下降雨量(m)。2計(jì)算c.0.4.3.2方法(1)降雨入滲系數(shù),參照同地區(qū)同地層類比,取0.251;(2)接受降雨滲入的面積(F),根據(jù)工作區(qū)水文地質(zhì)條件,實(shí)際取35.5km2,即35.5×106m2。3理論頻率曲線選定椐興仁縣氣象站多年年降水量序列資料,從中選擇出一個(gè)完整的降水周期,按下式對年降水量序列進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn):A=mn?1×100%CS=∑(Ki?1)3(n?3)Cv3Pˉˉˉ=1n∑PiCV=∑i=1n(Ki?1)2n?1???????√δ=∑(Pi?Pˉˉˉ)n?1???????√A=mn-1×100%CS=∑(Κi-1)3(n-3)Cv3Ρˉ=1n∑ΡiCV=∑i=1n(Κi-1)2n-1δ=∑(Ρi-Ρˉ)n-1式中:A為保證率;m為周期內(nèi)降水量按大小排列的序號;n為氣象資料年限數(shù);PˉˉˉΡˉ為多年平均降水量(mm);Pi為年降水量(mm);δ為均方差;CV為變差系數(shù);CS為偏態(tài)系數(shù);Ki為年降水量模比系數(shù)(Ki=PiPˉˉˉ)(Κi=ΡiΡˉ)。檢驗(yàn)結(jié)果年降水量服從正態(tài)分布。據(jù)此,采用皮爾遜Ⅲ型分布作為概率模型,進(jìn)行理論頻率曲線選配。不同保證率計(jì)算結(jié)果見表1。4水下天然補(bǔ)給量和保證率將上述參數(shù)代入公式(e)得水文地質(zhì)單元內(nèi)50%保證率降水量條件下,地下水天然補(bǔ)給量為3.39萬m3/d,75%保證率時(shí)為2.95萬m3/d,95%保證率時(shí)為2.36萬m3/d。在95%保證率時(shí)其補(bǔ)給量遠(yuǎn)大于大井法計(jì)算得的Q=1.31萬m3/d。故采用大井法計(jì)算得的可采資源量是可靠的。2.3地下水可采資源量測算在需水量很大,地下水徑流量很小而含水層厚度又較大的區(qū)段,可采用較長時(shí)間的大于徑流量的開采試驗(yàn)抽水確定其可采資源量。利用枯季抽水試驗(yàn),在抽水試驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間t0后,含水層的水位下降與抽水時(shí)間近乎呈直線關(guān)系,此時(shí)抽水量Q由地下水的徑流量Qg及消耗的含水層貯存量VCT二部分水量組成。Q=Qg+VCTT(f)Q=Qg+VCΤΤ(f)式中:Q為抽水量(m3/d);Qg為地下水徑流量(m3/d);VCT為T時(shí)間內(nèi)消耗的貯存量值(m3);T為水位呈直線下降的時(shí)間間隔(d)。qCT=(Q?Qg)ThCT(g)qCΤ=(Q-Qg)ΤhCΤ(g)式中:qCT為單位貯存量,即在抽水井影響范圍內(nèi)含水層水位每下降1m所消耗的貯存量(m3);hCT為在T時(shí)間間隔內(nèi)含水層水平下降的平均值(m)。由于抽水時(shí)間為2010年4月,工作區(qū)已有近8個(gè)月未降雨,故其地下徑流量很小,即Qg≈0,則(g)式可寫為:qCT=QThCT(h)qCΤ=QΤhCΤ(h)根據(jù)小坪寨成井抽水資料得Q=1431.03m3/d;T=1.33d,hCT=0.1m。計(jì)算得:qCT=19032.7m3地下水可采資源量根據(jù)下式計(jì)算:Q可=Qg+qCThCTmaxTH(i)=Qg+qCΤhCΤmaxΤΗ(i)由于Qg≈0,則(i)式可寫為:Q可=qCThCTmaxTH(j)=qCΤhCΤmaxΤΗ(j)式中:Q可為地下水可采資源量(m3/d);TH為枯水期時(shí)間(d);hCTmax為枯水期終允許的最大水位消耗值(m)。根據(jù)工作區(qū)多年降雨資料及小坪寨成井抽水試驗(yàn)分析得TH=174d,hCTmax=102.7m。計(jì)算得Q可=1.12萬m3/d根據(jù)雨季偶測抽水?dāng)?shù)據(jù)求取地下水可采資源量安全系數(shù)η。若雨季抽水量為Q豐,抽水時(shí)間為t豐,在此期間水位回升值為Δh,則t豐時(shí)間內(nèi)地下水總補(bǔ)給量Vn應(yīng)為:Vn=Q豐t豐+ΔhqCT(k)每日地下水補(bǔ)給量Qn則為:Qn=Vnt豐=QQn=Vnt豐=Q豐+ΔhqCTt豐(l)+ΔhqCΤt豐(l)根據(jù)小坪寨成井豐水期一次偶測資料代入上式(Q豐=1650.84m3/d、t豐=2d,Δh=3.51m),得:Qn=3.5萬m3/d根據(jù)公式(j)及(l)計(jì)算出一年內(nèi)所需的地下水補(bǔ)給時(shí)間tn(d):tn=Q可×365Qn(m)tn=116.8dtn=Q可×365Qn(m)tn=116.8d則地下水可采資源量的安全系數(shù)η為:η=t′ntn(n)η=t′ntn(n)式中:t′n為一年內(nèi)地下水接受補(bǔ)給的實(shí)際天數(shù)(d),根據(jù)工作區(qū)多年降雨資料,t′n取191d,得η=191/116.83=1.64安全系數(shù)η在1.3～2.0之間,則說明計(jì)算結(jié)果Q可=1.12萬m3/d較為可靠,真實(shí)。采用“大井法”及“單位儲存法”計(jì)算得工作區(qū)可采資源量(Q可)分別為1.31萬m3/d及1.12萬m3/d,兩種方法計(jì)算得結(jié)果較為接近,單位儲存法忽略地下水徑流量,僅考慮地下水儲存量,在年際補(bǔ)給充分的條件下計(jì)算得的資源量更為合理,故取Q可=1.12萬m3/d作為工作區(qū)地下水可采資源量。3地下水水質(zhì)分析地下水質(zhì)量評價(jià)選取工作區(qū)內(nèi)成井、巖溶泉及地下河取樣檢測共6組進(jìn)行評價(jià),其中成井水樣2組、地下河出口水樣1組,巖溶泉水樣3組。水質(zhì)分析包括全分析、特殊分析、氰酚分析以及細(xì)菌學(xué)(細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌總數(shù))分析,分析項(xiàng)目共28項(xiàng)。根據(jù)水樣中檢測物質(zhì)含量,按《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB14848-93)要求,對區(qū)