王玉海，沙　晶，范浩敏，王邦賢

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

豫西缺水山區(qū)找水方法探討

王玉海，沙晶，范浩敏，王邦賢

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

[摘要]澠池縣作為較典型的豫西缺水山丘區(qū)之一，地下水形成自然條件差，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，含水層富水性弱，開采難度大，人畜飲水困難。此種背景條件下，河南省地礦局第五地質(zhì)勘查院開展了“澠池縣嚴(yán)重缺水山區(qū)人畜飲用水水源地調(diào)查”，通過收集析已有資料，研究缺水山區(qū)的地層結(jié)構(gòu)特征、控水儲(chǔ)水構(gòu)造、地下水賦存、分布、循環(huán)演變規(guī)律；進(jìn)行找水靶區(qū)的調(diào)研論證，并在缺水山區(qū)施工供水示范井。本文通過缺水山區(qū)找水方法步驟進(jìn)行初步探討，以調(diào)查分析研究、物探勘察解讀等為手段，運(yùn)用“以含水層為條件，地質(zhì)構(gòu)造為基礎(chǔ)，地下水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律為主導(dǎo)的儲(chǔ)水構(gòu)造三位一體找水模式”為指導(dǎo)，作為缺水山區(qū)找水的方法步驟，以此為開展省內(nèi)缺水山區(qū)找水工作提供借鑒和參考。

[關(guān)鍵詞]缺水山區(qū)；找水方法；探討

澠池縣作為較典型的豫西缺水山丘區(qū)之一，歷年來干旱頻繁，素有“十年九旱”之稱，尤其春旱、伏旱，幾乎年年都有，且面積廣、時(shí)間長(zhǎng)、危害大。據(jù)縣水務(wù)志統(tǒng)計(jì)，自唐朝至清朝有文字記載的大旱59次，民國(guó)時(shí)期(1912—1948年)有19次，解放后有30次。水在這里成了具有特別重要的符號(hào)，翻開《澠池縣志》、《澠池年鑒》等歷史記錄，可以明顯的感受到的澠池人民為生產(chǎn)生活用水而進(jìn)行的沉重奮斗歷史。

澠池縣廣大鄉(xiāng)村人畜飲用供水屬于小型零星供水，其特點(diǎn)是總需水量不大，每日數(shù)百噸到二三千噸，一般只需一或幾口水井即可滿足需水量要求。由于自然地理位置、缺水程度等的差異，這類供水呈現(xiàn)多樣化形式，主要為機(jī)民井供水、提水站供水、引水管道供水、抽取河水和水窖供水5種類型。其中，澠池縣北部有300多個(gè)自然村，7萬多人常年無水可取，只有靠打水窖蓄住天上降水，解決人畜吃水問題。如陳村鄉(xiāng)一心村、白羊山村，段村鄉(xiāng)中朝村等，均是水源奇缺的深山區(qū)，溝深坡陡，吃水困難，唯一靠打水窖吃水。

此種背景條件下，河南省地礦局第五地質(zhì)勘查院開展了《澠池縣嚴(yán)重缺水山區(qū)人畜飲用水水源地調(diào)查》，旨在收集資料、分析研究基礎(chǔ)上，研究嚴(yán)重缺水山區(qū)的地層結(jié)構(gòu)特征、控水儲(chǔ)水構(gòu)造、地下水賦存、分布、循環(huán)演變規(guī)律；進(jìn)行找水靶區(qū)的調(diào)研論證，并在北部缺水山區(qū)施工一眼探采結(jié)合供水示范井。

“澠池縣嚴(yán)重缺水山區(qū)人畜飲用水水源地調(diào)查”項(xiàng)目工作方法按照由淺入深的5個(gè)步驟進(jìn)行，即：(1)收集資料：初步確定目的層，大概的水量控制,做到心中有數(shù)；(2)現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)調(diào)查：了解地形地貌、含水層情況、地下水開發(fā)情況、判定儲(chǔ)水構(gòu)造類型，選定找水靶區(qū)；(3)地球物理勘查：結(jié)合水文地質(zhì)條件，進(jìn)一步查清儲(chǔ)水構(gòu)造類型和富水部位；(4)綜合研究：根據(jù)水文地質(zhì)條件和物探成果，在找水靶區(qū)確定具體孔位孔深，估計(jì)出水量；(5)選擇相應(yīng)合理的鉆機(jī)類型。下文分述之。

1工作區(qū)概況的分析研究

首先盡量收集工作區(qū)的各種地質(zhì)資料、水利規(guī)劃資料、人文地理資料、地形圖及各種圖件等。了解當(dāng)?shù)貧庀笏?、地形地貌、地層地質(zhì)構(gòu)造，分析研究供水缺水狀況，初步確定找水目的層，大概的水量控制等，做到心中有數(shù)。

根據(jù)本次收集的水文地質(zhì)勘察報(bào)告、鉆孔及幾十眼農(nóng)村安全飲水工程供水井資料，結(jié)合缺水程度分布圖，基本可以初步確定：在北部中低山嚴(yán)重缺水地區(qū)主要尋找中元古界脆性地層中的斷層裂隙水，出水量5～10 m3/h；在中南部低山丘陵缺水地區(qū)主要尋找侏羅系等碎屑巖類地層中的孔隙裂隙水，出水量10～15 m3/h；在碳酸鹽巖類地層中主要尋找寒武奧陶系埋藏型裂隙巖溶水，出水量10～100 m3/h。

2確定主要含水目的層

缺水山區(qū)找水一般是尋找?guī)r層裂隙中的地下水，需要在不同巖類分布區(qū)確定其主要的含水目的層，并根據(jù)不同的含水層及區(qū)域水文地質(zhì)條件初步判定目的層、孔深、出水量等。

2.1碎屑巖類分布區(qū)

該類地區(qū)一般來講，侏羅系義馬組砂礫巖、三疊系二馬營(yíng)群長(zhǎng)石石英砂巖和劉家溝組的鐵質(zhì)石英砂巖富水性5～10 m3/h；二疊系石千峰組灰綠色砂巖、石盒子組平頂山砂巖、大占砂巖等富水性10～15 m3/h。

2.2碳酸鹽巖類分布區(qū)

一般來講，奧陶系馬家溝組灰?guī)r富水性10～100 m3/h；上寒武系白云質(zhì)灰?guī)r富水性10～30 m3/h；寒武系中統(tǒng)張夏組灰?guī)r富水性10～50 m3/h；寒武系下統(tǒng)饅頭組灰?guī)r夾層及朱砂洞組灰?guī)r富水性10～40 m3/h。

2.3火成巖及變質(zhì)巖分布區(qū)

火成巖及變質(zhì)巖分布區(qū)一般為區(qū)域隔水層，該區(qū)找水難度最大。在含水夾層、構(gòu)造破碎帶、巖墻儲(chǔ)水構(gòu)造有利部位，單井出水量3～5 m3/h。

3找水靶區(qū)選定

3.1地質(zhì)圖研讀

分析研究地層出露產(chǎn)狀特征、區(qū)域大地應(yīng)力場(chǎng)與主要地質(zhì)構(gòu)造帶發(fā)育方向關(guān)系，各種地質(zhì)構(gòu)造組合特征及可能的儲(chǔ)水導(dǎo)水?dāng)嗔褞А?/p>

3.2水文地質(zhì)圖判讀

分析研究地形地貌、流域分水嶺，地形地貌是地層巖性、構(gòu)造及地表水系以及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征的綜合反映。因此，地下水的富集，特別是淺層地下水的富集，與地形地貌有著密切的聯(lián)系。不同的地貌條件，地下水的補(bǔ)給，徑流排泄及富集特征也不同。水往低處流是地貌匯水的一般規(guī)律，匯水的范圍愈大，低洼地貌的規(guī)模愈大，則匯聚的水量也愈多。

觀察河流的發(fā)育形態(tài)、走向特征，判斷是否與斷層發(fā)育影響有關(guān)。一般沿張性斷裂帶發(fā)育的河流，其河流兩側(cè)泉水呈鋸齒狀排列出露。寬緩溝谷段通常是在較寬大的斷裂破碎帶或斷裂交匯部位上形成的。當(dāng)存在脆性巖層或可溶巖層時(shí)，這些巖層必然裂隙非常發(fā)育，導(dǎo)水和儲(chǔ)水空隙率較高。加上寬緩溝谷段的地形條件有利于匯集和滯留地下水，因而，易于形成富水塊段。

分析研究不同的地下水類型出露分布規(guī)律、富水性、泉水出露平面分布特征及其與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件、地下水分水嶺等。

3.3野外調(diào)查研究

野外水文地質(zhì)調(diào)查是缺水山區(qū)找水最基礎(chǔ)的工作，具有不可替代的作用。在室內(nèi)分析研究的基礎(chǔ)上，對(duì)嚴(yán)重缺水地區(qū)所處地貌部位、匯水條件、出露地層巖性、巖層產(chǎn)狀、構(gòu)造的規(guī)模、產(chǎn)狀、力學(xué)性質(zhì)，裂隙發(fā)育情況等進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，初步判斷儲(chǔ)水構(gòu)造，同時(shí)了解交通及施工條件，對(duì)找水靶區(qū)的選擇和井位的合理確定至關(guān)重要。

褶皺構(gòu)造：義馬(陜澠)向斜為狹長(zhǎng)開闊褶曲，并被若干條走向斷裂所切割，且遭受多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，向斜兩翼殊不對(duì)稱。陜澠煤田位于向斜北翼，沉積有二迭系煤層，義馬煤田位于向斜軸部及南翼，大部分為弱透水巖層或相對(duì)隔水層所覆蓋，主要含水層出露寬度不大，且深埋地段巖溶裂隙不發(fā)育，由此限制了對(duì)地下水的補(bǔ)給作用，并直接控制了地下水的形成和分布。

斷裂構(gòu)造：區(qū)內(nèi)多為壓性或張性高角度復(fù)雜斷裂。在義馬煤田南邊界，為大型壓性斷裂帶，構(gòu)成水文地質(zhì)單元的天然邊界，控制井田區(qū)裂隙(孔隙)地下水的形成與分布；在陜澠煤田一帶，發(fā)育有一系列以張性為主北東向、北西向或近南北向的斷裂，這些以張性為主的斷裂致使含水層錯(cuò)斷，常形成地下水的阻水帷幕，受其影響地下水在局部地段富集。

4合理的物探方法選擇

結(jié)合水文地質(zhì)條件，在找水靶區(qū)進(jìn)行地球物理勘查，確定孔位孔深。一般的主要物探方法較多，各有其特點(diǎn)。本次主要采用了瞬變電磁法及EH4電磁剖面法，主要尋找構(gòu)造裂隙發(fā)育帶，解譯效果較理想。

4.1瞬變電磁剖面法

瞬變電磁法屬時(shí)間域電磁法，利用了電磁感應(yīng)的原理，以脈沖電流的形式向地面鋪設(shè)的發(fā)送回線供電。當(dāng)發(fā)送回線中通以穩(wěn)定電流時(shí)，在感應(yīng)地質(zhì)體中產(chǎn)生穩(wěn)定的一次磁場(chǎng)；在電流關(guān)斷的瞬間，一次磁場(chǎng)突然消失，感應(yīng)地質(zhì)體內(nèi)部由于磁通量的變化而感生出渦旋電流，并進(jìn)一步產(chǎn)生了與一次磁場(chǎng)方向相反的二次感應(yīng)磁場(chǎng)。這樣的過程交替循環(huán)，形成了向下傳播的能量逐漸衰減的電磁場(chǎng)，由此形成的場(chǎng)稱為瞬變電磁場(chǎng)。在瞬變電磁場(chǎng)衰變期間，二次場(chǎng)隨時(shí)間的延遲而不斷減弱；渦流隨時(shí)間的推移漸漸向深部擴(kuò)散，同時(shí)向外擴(kuò)散的距離不斷增大。瞬變場(chǎng)的延遲時(shí)間特性與地下地質(zhì)體的幾何參數(shù)及電性參數(shù)有關(guān)。良導(dǎo)地質(zhì)體的規(guī)模越大、導(dǎo)電性越好，瞬變場(chǎng)的強(qiáng)度就越大、衰減越慢、延遲時(shí)間就越長(zhǎng)；反之則瞬變場(chǎng)的強(qiáng)度小、衰減快、延遲時(shí)間短。根據(jù)理論公式可知，發(fā)射回線中心磁場(chǎng)的大小與地層的電阻率之間存在一定的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，通過觀測(cè)隨時(shí)間衰變的磁場(chǎng)便可以測(cè)出電阻率隨深度的變化。反映地層富水性、地層構(gòu)造裂隙發(fā)育，確定具體孔位孔深。選定物探剖面參數(shù)值小于100 Ω·m的閉合區(qū)域?yàn)榈叵滤患囟危瑢?shí)際驗(yàn)證效果良好。

4.2EH4電磁剖面

EH4電磁系統(tǒng)通常采用天然場(chǎng)源，只有在天然場(chǎng)信號(hào)很弱或者根本沒有信號(hào)的頻點(diǎn)上，才使用人工場(chǎng)源。從發(fā)射天線的頻率范圍可以看出，采用人工場(chǎng)源發(fā)射僅是加強(qiáng)淺部的數(shù)據(jù)信號(hào)。

主要反映地層富水性、地層構(gòu)造裂隙發(fā)育，確定具體孔位孔深，選定物探剖面參數(shù)值小于2000Ω·m的閉合區(qū)域?yàn)榈叵滤患囟?，?shí)際驗(yàn)證效果良好。

5合理的鑿井位置確定

在找水靶區(qū)內(nèi)，合理的鑿井位置主要對(duì)幾項(xiàng)較為敏感的方面進(jìn)行考慮：

(1)注意含水層的轉(zhuǎn)化問題，下奧陶統(tǒng)白云巖等往往在斷層裂隙發(fā)育帶具有較好的富水性能；北部砂巖分布山區(qū)深部斷層發(fā)育裂隙帶具有一定含水性能；云夢(mèng)山組石英砂巖所夾的紫紅色薄層泥巖具有含水供水意義等。

(2)分水嶺地區(qū)要注意充分考慮地下水補(bǔ)徑排條件、地下分水嶺性質(zhì)；

(3)背斜軸部及兩翼要注意充分考慮地下水補(bǔ)徑排條件；

(4)礦區(qū)及其周邊要高度重視礦區(qū)礦井排水的影響；

(5)要注意礦區(qū)及周邊物探資料的綜合分析，粘土巖物探資料的解釋和利用；

(6)構(gòu)造分析要注意充分把握斷層性質(zhì)及規(guī)模；

(7)涌水量的確定參考已有的成井率，充分考慮不同含水層、地下水系統(tǒng)的不同部位問題；

(8)重視不同含水層增大涌水量的洗井方法；

(9)具體孔位要考慮不受不良地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害的影響；

(10)注意當(dāng)?shù)氐拿袼酌耧L(fēng)，井位盡量布置在干擾小、群眾比較滿意的地方。

根據(jù)水文地質(zhì)條件分析和物探結(jié)果，找水靶區(qū)選定在在缺水最嚴(yán)重的段村鄉(xiāng)中朝村。該靶區(qū)位于中低山區(qū)，出露主要地層巖性為薊縣系北大尖組和白草坪組的灰白色、肉紅色堅(jiān)硬脆性的白云巖、石英砂巖，深部下伏太古界泥巖等較軟地層。地下水類型屬于碎屑巖類孔隙裂隙水，推測(cè)地下水位埋深相對(duì)較淺，處于北西—南東向高角度斷層和東西向次級(jí)斷層之間，EH4物探剖面顯示兩條斷層破碎帶輪廓明顯，下部延伸深度大，見圖1。野外調(diào)查斷層構(gòu)造發(fā)育特征明顯，巖體破碎，裂隙發(fā)育，可見較大斷層角礫巖塊體，有利于地下水運(yùn)移和儲(chǔ)藏。

圖1　EH4電磁反演視電阻率斷面圖

通過解譯，確定此區(qū)域存在三條近東西向的高角度斷層通過，斷層帶為地下水的匯集儲(chǔ)存提供了較有利的條件。水位埋藏相對(duì)較淺，鑿井深度330 m以淺，估算涌水量10～15 m3/h。

6合理的鉆探方法選擇

缺水地區(qū)找水打井，與選擇合理的鉆探方法有重要關(guān)系。由于缺水地區(qū)的地下水貧乏，一般情況下，其地下水的補(bǔ)給條件較差，開采有利地段的含水富水程度相對(duì)來說不高，不合理的鉆進(jìn)方法會(huì)將孔內(nèi)泥質(zhì)成分?jǐn)D壓進(jìn)入孔壁，導(dǎo)致巖石裂隙填充、水路阻塞，造成井孔水量偏小。因此本次工作北部中朝示范供水井除上部土層和泥卵石層采用沖擊鉆進(jìn)外，下部均采用潛孔錘或全部采用清水取芯鉆進(jìn)，有效保護(hù)了泥巖夾層的微小裂隙，增大了出水量，取得了良好的效果。

藉此，在靶區(qū)成功施工了ZSGS2供水示范井，地層為薊縣系石英巖和石英砂巖，在斷層帶邊緣采用空氣潛孔錘施工，成井深度330 m，抽水試驗(yàn)降深17.2 m，出水量16.05 m3/h，單位涌水量達(dá)到0.93 m3/h·m，效果理想。

7結(jié)語

澠池縣屬豫西缺水山區(qū)，地下水形成自然條件差，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，含水層富水性弱，開采難度大，人畜飲水困難。中低山區(qū)和低山丘陵坡地區(qū)，地下水開采利用率低，人畜飲水困難。中低山缺水地區(qū)地層巖性主要為中元古界脆性巖層，基本不含水不透水，其找水目的層主要是尋找斷層裂隙集中發(fā)育帶的裂隙水(EH4物探剖面參數(shù)值小于2 000Ω·m的閉合區(qū)域)，根據(jù)地下水流運(yùn)動(dòng)匯集規(guī)律，供水井位盡量布置在地勢(shì)較低的溝谷內(nèi)(出水量5～10 m3/h)。

本項(xiàng)目的實(shí)施和對(duì)定井找水供水成果準(zhǔn)確率的驗(yàn)證，說明以調(diào)查分析研究、物探勘察解讀等為手段，運(yùn)用“以含水層為條件，地質(zhì)構(gòu)造為基礎(chǔ)，地下水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律為主導(dǎo)的儲(chǔ)水構(gòu)造三位一體找水模式”為指導(dǎo)，作為缺水山區(qū)找水的方法步驟和模式具有較好的科學(xué)性和實(shí)踐性。

To explore the methods in dry mountainous areas

WANG Yu-hai，SHAjing，F(xiàn)AN Hao-min，WANG Bang-xian

(Fifth geological prospecting institute of geology and mineral resources exploration development authorities in henan province，Zhengzhou 450001，Henan)

Abstract:Mianchi County as a typical Western Henan dry hills area of groundwater formation poor natural conditions, complex hydrogeological conditions, aquifer water weak, difficult to mine, people and livestock drinking water. Under this kind of background, bureau of Geology and mineral resources of Henan Province the fifth Geological Exploration Institute of “a serious water shortage in Mianchi County mountain people and livestock drinking water sources survey was carried out, through the analysis of the existing data collection, mountains of water shortage of the structural features of strata, control water storage water structure, groundwater occurrence, distribution, circulation evolution; water prospecting target areas of research and demonstration, and in dry mountainous areas for water supply in construction of demonstration well. This paper through the steps of the mountain water geophysical methods of preliminary study, research, geophysical interpretation as a means to use ”to aquifer condition, geological structure as the foundation, the law of motion of the underground water for water storage structure leading Trinity detection groundwater model as a guide, as the method and steps of mountain water for groundwater, taking the opportunity of development water exploration work in mountain areas in the water shortage in the province and provide the reference to investigate analysis.

Key words:To investigate the method of water shortage in Mountainous Areas

[收稿日期]2016-03-08

[作者簡(jiǎn)介]王玉海(1977-)，男，河南唐河人，助理工程師，主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害防治方面勘察、設(shè)計(jì)工作。

[中圖分類號(hào)]P641.6

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0122-03