基岩地下水形成条件及开发利用研究新进展

基岩地下水形成条件及开发利用研究新进展

1基岩地下水勘探与开发的必要性自1960年以来，中国对岩浆岩地下水进行了大规模的勘探和开发，解决了中国岩浆岩地下水的勘探和开发问题，以及利用裂缝水资源进行的计算和评价。1.1基岩地下水开采量根据《世界各国地下水开发和国际合作指南》(1996年),美国1985年全国地下水的开采量为1013×108m3/a;前苏联1984年对地下水的开采量为450×108m3/a。我国在上世纪80年代末期全国地下水开采量为874.8×108m3/a,仅次于美国,居世界第二位,据美国各种类型地下水水源的开采量占地下水总开采量的比例为:①松散岩类孔隙水约占80;%②基岩地下水约占10%;③其它类型地下水占10%。可推知美国对基岩地下水的开采量约为101.3×108m3/a,假若单井平均出水量按每天960m3计算,估计美国约有2.89万眼基岩地下水井,约占美国机井总数(78.8万眼)的3.6%。1988年我国共拥有机井400多万眼,如基岩井与孔隙井的比例按1:50计算,则我国基岩地下水井数约为8万余眼。在国内很多县份的基岩井少则有百余眼,多则上千眼,如河南省新密市基岩井数近两千眼,尤其是近几年来山区找水手段的提高,基岩井数迅猛增加。我国对基岩地下水的开采量,据上世纪80年代末期,我国北方地区地下水开采总量约710×108m3/a,其中井采量占40×108m3/a,基岩地下水开采量约为160×108m3/a,仅此一项就超过美国基岩地下水的开采最,也就是说我国基岩地下水的开采量很可能位居世界第一位。1.2河南概况深埋岩溶水从有关资料显示,目前国外,垂直管井是开采基岩地下水的唯一手段。在我国对基岩地下水的开采方法多种多样。主要是根据裂隙水的水文地质条件。主要是埋藏分布条件等而选择确定的多种有效的取水方式。如河南巩义、山西太行山区等地开采深埋岩溶水的斜井工程,施工方便,提水经济,易于成井,出水量大。山东省胶东半岛及河南省新乡西北太行山麓的大池和平塘,对弱含水层或陡窄不易成井的脉状含水带,选用大池,可起到汇积、蓄水的双重功能,此外,河南巩义市在开采特别复杂的脉状水时采竖井、坑道联合;河南省偃师市在变质岩、砂岩山区沟底的截潜工程都是很有效的取水方式,如河南新乡的愚公大泉池,长120m,宽30m,深达45~47m,并配有坑道和其它两个大池联通,每小时的开采最高达3600m3,在河南豫西山区人民群众多采用大池集水,开采利用基岩地下水,取得了丰富的经验和良好的社会效益。1.3基岩地下水地质、地质和研究技术研究进展我国现已形成一套有关基岩地下水的寻找、勘探、评价的科学理论,也就是以裂隙水的形成条件、运移富集条件、勘探、开发利用、资源评价与管理为中心的裂隙科学理论已经形成,发展成为水文地质学的一个分支科学,在生产实践中已发挥了作用。基岩地下水的理论核心就是以地质构造条件为基础,认真研究岩性含水条件及水交替条件。我国在地质构造分析的找水方法理论方面,已有重大突破,在世界上处于领先地位,积累了在各种复杂条件下寻找、勘探和开采基岩地下水的经验。第一次提出了一个较完整的基岩地下水地质构造类型划分方案,对基岩裂隙控水机理、富水带类型划分有了系统的认识和界定,基岩储水构造的类型主要有:单斜储水构造,顶托储水构造、褶曲储水构造、断裂储水构造、侵入——接触储水构造、脉岩储水构造、联合储水构造、火山岩大孔洞储水构造,根据裂隙带分布范围及富水带形成相关的构造形迹,基岩储水构造又进一步划分为不同类型的富水带。在基岩地下水研究方法上,亦有了重大突破,近年来,在寻找勘探裂隙水方面广泛应用了电法勘探方法以及先进的大型放射性探测方法,如α径迹,r强度,同位素镨210和汞气浓度测定法等,尤其是通过井下电视、井下流速和物探测井等方法在裂隙含水带直接定量的研究中得到广泛和应用,极大地丰富了裂隙水学科的内容。在基岩地下水资源计算和评价上,除了过去传统地评价方法又得了不断完善外,数值模拟方法的出现和应用大大提高了裂隙水资源计算的精度,如河南省密县岩溶水资源评价成功的运用了数值法评价,取得了满意的效果和成功的经验。此外,地下水系统理论的引进,使裂隙水资源计算评价更加符合实际。2主要原因是岩石基合土壤2.1储层含水层结构岩石的岩性特征对裂隙水的形成有很大的影响。因为岩性特征决定着裂隙的成因类型(如成岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙、溶蚀裂隙),裂隙的发育密度,张开程度,从而影响着岩石的含水性能。这里值得注意的是:岩性的影响只能导致不同类型岩层间含水性能差别,而不能造成同一岩层内部各部位性能的差别。因此说岩性严格决定着区域含水性的好坏。也就是说岩性在确定一个地区的层状或似层状含水层时,是一个重要的依据。但岩性不能解答裂隙水在同一岩层具体富集部位。2.2储水条件对裂隙水富集的控制构造因素对基岩地下水富集的重要影响,主要表现在以下四个方面:1)构造提供了裂隙水贮存的空间。在坚硬岩石中构造成因的裂隙乃是各种成因类型裂隙中数量最多,分布最广,延伸最好,空隙较大的裂隙,所以是最有意义的含水空间。其它成因的裂隙也多只有在构造作用改造下具有含水意义。2)不同性质的构造裂隙总是有规律的出现于某一构造体系或某一构造形迹特定部位上,因此,构造条件直接控制着富水带的分布。3)构造控制着裂隙水的贮存特征,贮水环境对裂隙水储存富集、运移的影响是很重要的,假若没有贮水的环境条件,裂隙空间也只能成为临时性的过水通道,贮水条件对裂隙水富集的影响在补给量较大的地区(如地下水补给区)表现最为明显。没有适宜的储水条件,地下迳流就很难相对集中富集。所谓适宜的贮水条件,除地形条件外,主要取决于构造条件,如各种有利于地下水富集的向斜盆地或其它构造断陷,各种隔水岩层在空间上所形成的封闭环境,各种阻水界面(岩体、断层等)在垂直地下水流动方向上所形成的阻水墙等等,都是明显有利的贮水构造环境。4)各种构造的空间组合特征,在极大程度上影响着裂隙水的交替、聚集、补给条件,这些条件既控制着富水带的形成,亦控制着富水带的富水性大小。基岩地下水富集过程中构造因素的影响是最主要的因素之一,即:区域地下水的分布规律主要受各种构造体系所控制,而裂隙水的局部富集主要受构造形迹所控制。目前,在国内已形成多种学术观点,如胡海涛等提出的“地下水网络”理论即是构造体系控水论的代表。肖楠森教授提出的构造裂隙控水论,以及储水构造理论都是属于裂隙水局部富集的构造控水理论。不论哪种观点,这里需要指出的是,必须承认构造条件对裂隙水富集的重要作用。但也不能把构造条件的影响绝对化,忽视补给条件水交替条件及各种原生结构裂隙对裂隙水富集的影响,如果这样不考虑这些因素的影响,也就把我们的找水工作置于“张性断裂贮水,压性断裂不富水,扭性断裂介于其间”的纯构造控水论的狭窄胡同中。2.3地下水水动力相互作用水交替条件对裂隙水富集的影响,过去人们重视不足,而且常狭义的理解为“补给条件”,其实,水交替条件包括补给条件外,还包括了裂隙水流的循环方式、循环途径、深度及强度等方面、水交替条件对裂隙水富集条件的影响主要表现在以下几个方面:1)裂隙水交替强度极大影响着裂隙的张开度和连通性。裂隙水提供了地下水流动与赋存空间,相反,地下径流又反过来对裂隙空间的扩展起着促进作用。在可溶岩地区,水流的交替强度是促进岩溶发育的极重要因素,以某种意义上看,这种影响比碳酸盐岩的矿物成分,化学成分、水的侵蚀性,对岩溶发育的影响还重要。在难溶岩地区,地下水流的交替强度,是岩石物理化学风化作用和冲刷作用加剧的主要因素。无论哪一种作用,其结果都是促进岩石裂隙进一步增多,扩展、连通性变好,含水性能改善、富水性增大,正因如此,通常在地下径流的局部或区域排泄区附近,岩石裂隙或岩溶发育条件最好,裂隙水最易密集,从地下水流网图上看,这些地区流线集中,等水头线密集,亦即说明这些地段径流集中,地下水流速大,径流条件好,在地下径流滞缓区,迳流的“死角区”常发生水中的碎屑或化学物质沉淀造成裂隙的充填阻塞,如在分水岭地区以及几个迳流的会合区。2)水交替深度决定着区域主要含水裂隙带或富水带的分布深度,水交替的深度与构造带发育的深度有关外,还与地下迳流场内岩层的导水性和边界条件有关。也就是说岩石的区域渗透性越好,补给区和排泄区相距越远水头差越大,则水交替深度越大,在不同地区,交替深度在弱透水岩层地区较小,在强透水的岩溶区较大,在深大断裂带附近交替深度最大,可达数千米。3)地下迳流的特征直接控制着裂隙水的富集过程。其中最重要的是迳流的汇流和阻水条件。汇流条件是指地下水迳流径某处和向某处汇集的条件,裂隙水富水带总是出现在汇流条件最好的地方,裂隙潜水的汇流条年主要取决于地形地貌条件;对裂隙承压水除了与地形地貌条件有关外与构造条件的关系更密切,同时还与渗流场内的水流的运动特征有关。裂隙水的聚集条件(贮存条件)是指地下水在迳流方向上受到阻止而相对集中的条件,表现为水位上升或以泉水溢出地表。地下水迳流受阻原因很多,可以是因为某种阻水界面的存在,如阻水断层,岩层裂隙发育程度由强变弱、弱透水岩层、岩体、岩脉;也可能是因为迳流运动方向或速度改变受阻,一般情况下,地下迳流越是受阻就越是富集,地下水受阻地带往往是地下水富集带。4)地下水流域的面积和补给强度直接影响着富水带水量的多少。地下水流域的面积与地形有关,与构造条件关系密切,基岩地区地下水流域的范围常与地表流域范围不一致,经常是前者大于后者,但是若被阻水断裂分割时也可能出现前者小于后者的情况,在岩溶裂隙水地区,地下水流域面积往往出现随着补给强度的季节变化而变化,如岩溶潜水分水岭,在丰水季节出现而在枯水季节消失。在确定岩溶含水系统或进行区域水资源评价时,要特别注意区域内有无深度不同的循环系统,各个岩溶水系流的补给条件是否一致,因此,不能简单根据浅部循环系统的潜水位来确定区域汇水面积。从以上分析可以看出,岩性、构造、水交替条件等因素都不同程度对裂隙水的富集起着控制作用。在确定似岩层状含水层的存在以及计算评价裂隙水资源时,要考虑岩性和水交替条件的影响,但在解决裂隙水特别是脉状裂隙水赋存的具体部位时,构造条件则是首要考虑的条件之一。3基岩地下水研究中需要加强的几个方面1)基岩地下水的形成、运移机理的研究将受到水文地质学者的关注,裂隙水科