基巖地下水形成條件及開發(fā)利用研究新進(jìn)展

基巖地下水形成條件及開發(fā)利用研究新進(jìn)展

1基巖地下水勘探與開發(fā)的必要性自1960年以來(lái)，中國(guó)對(duì)巖漿巖地下水進(jìn)行了大規(guī)模的勘探和開發(fā)，解決了中國(guó)巖漿巖地下水的勘探和開發(fā)問(wèn)題，以及利用裂縫水資源進(jìn)行的計(jì)算和評(píng)價(jià)。1.1基巖地下水開采量根據(jù)《世界各國(guó)地下水開發(fā)和國(guó)際合作指南》(1996年),美國(guó)1985年全國(guó)地下水的開采量為1013×108m3/a;前蘇聯(lián)1984年對(duì)地下水的開采量為450×108m3/a。我國(guó)在上世紀(jì)80年代末期全國(guó)地下水開采量為874.8×108m3/a,僅次于美國(guó),居世界第二位,據(jù)美國(guó)各種類型地下水水源的開采量占地下水總開采量的比例為:①松散巖類孔隙水約占80;%②基巖地下水約占10%;③其它類型地下水占10%。可推知美國(guó)對(duì)基巖地下水的開采量約為101.3×108m3/a,假若單井平均出水量按每天960m3計(jì)算,估計(jì)美國(guó)約有2.89萬(wàn)眼基巖地下水井,約占美國(guó)機(jī)井總數(shù)(78.8萬(wàn)眼)的3.6%。1988年我國(guó)共擁有機(jī)井400多萬(wàn)眼,如基巖井與孔隙井的比例按1:50計(jì)算,則我國(guó)基巖地下水井?dāng)?shù)約為8萬(wàn)余眼。在國(guó)內(nèi)很多縣份的基巖井少則有百余眼,多則上千眼,如河南省新密市基巖井?dāng)?shù)近兩千眼,尤其是近幾年來(lái)山區(qū)找水手段的提高,基巖井?dāng)?shù)迅猛增加。我國(guó)對(duì)基巖地下水的開采量,據(jù)上世紀(jì)80年代末期,我國(guó)北方地區(qū)地下水開采總量約710×108m3/a,其中井采量占40×108m3/a,基巖地下水開采量約為160×108m3/a,僅此一項(xiàng)就超過(guò)美國(guó)基巖地下水的開采最,也就是說(shuō)我國(guó)基巖地下水的開采量很可能位居世界第一位。1.2河南概況深埋巖溶水從有關(guān)資料顯示,目前國(guó)外,垂直管井是開采基巖地下水的唯一手段。在我國(guó)對(duì)基巖地下水的開采方法多種多樣。主要是根據(jù)裂隙水的水文地質(zhì)條件。主要是埋藏分布條件等而選擇確定的多種有效的取水方式。如河南鞏義、山西太行山區(qū)等地開采深埋巖溶水的斜井工程,施工方便,提水經(jīng)濟(jì),易于成井,出水量大。山東省膠東半島及河南省新鄉(xiāng)西北太行山麓的大池和平塘,對(duì)弱含水層或陡窄不易成井的脈狀含水帶,選用大池,可起到匯積、蓄水的雙重功能,此外,河南鞏義市在開采特別復(fù)雜的脈狀水時(shí)采豎井、坑道聯(lián)合;河南省偃師市在變質(zhì)巖、砂巖山區(qū)溝底的截潛工程都是很有效的取水方式,如河南新鄉(xiāng)的愚公大泉池,長(zhǎng)120m,寬30m,深達(dá)45~47m,并配有坑道和其它兩個(gè)大池聯(lián)通,每小時(shí)的開采最高達(dá)3600m3,在河南豫西山區(qū)人民群眾多采用大池集水,開采利用基巖地下水,取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)和良好的社會(huì)效益。1.3基巖地下水地質(zhì)、地質(zhì)和研究技術(shù)研究進(jìn)展我國(guó)現(xiàn)已形成一套有關(guān)基巖地下水的尋找、勘探、評(píng)價(jià)的科學(xué)理論,也就是以裂隙水的形成條件、運(yùn)移富集條件、勘探、開發(fā)利用、資源評(píng)價(jià)與管理為中心的裂隙科學(xué)理論已經(jīng)形成,發(fā)展成為水文地質(zhì)學(xué)的一個(gè)分支科學(xué),在生產(chǎn)實(shí)踐中已發(fā)揮了作用?；鶐r地下水的理論核心就是以地質(zhì)構(gòu)造條件為基礎(chǔ),認(rèn)真研究巖性含水條件及水交替條件。我國(guó)在地質(zhì)構(gòu)造分析的找水方法理論方面,已有重大突破,在世界上處于領(lǐng)先地位,積累了在各種復(fù)雜條件下尋找、勘探和開采基巖地下水的經(jīng)驗(yàn)。第一次提出了一個(gè)較完整的基巖地下水地質(zhì)構(gòu)造類型劃分方案,對(duì)基巖裂隙控水機(jī)理、富水帶類型劃分有了系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和界定,基巖儲(chǔ)水構(gòu)造的類型主要有:單斜儲(chǔ)水構(gòu)造,頂托儲(chǔ)水構(gòu)造、褶曲儲(chǔ)水構(gòu)造、斷裂儲(chǔ)水構(gòu)造、侵入——接觸儲(chǔ)水構(gòu)造、脈巖儲(chǔ)水構(gòu)造、聯(lián)合儲(chǔ)水構(gòu)造、火山巖大孔洞儲(chǔ)水構(gòu)造,根據(jù)裂隙帶分布范圍及富水帶形成相關(guān)的構(gòu)造形跡,基巖儲(chǔ)水構(gòu)造又進(jìn)一步劃分為不同類型的富水帶。在基巖地下水研究方法上,亦有了重大突破,近年來(lái),在尋找勘探裂隙水方面廣泛應(yīng)用了電法勘探方法以及先進(jìn)的大型放射性探測(cè)方法,如α徑跡,r強(qiáng)度,同位素鐠210和汞氣濃度測(cè)定法等,尤其是通過(guò)井下電視、井下流速和物探測(cè)井等方法在裂隙含水帶直接定量的研究中得到廣泛和應(yīng)用,極大地豐富了裂隙水學(xué)科的內(nèi)容。在基巖地下水資源計(jì)算和評(píng)價(jià)上,除了過(guò)去傳統(tǒng)地評(píng)價(jià)方法又得了不斷完善外,數(shù)值模擬方法的出現(xiàn)和應(yīng)用大大提高了裂隙水資源計(jì)算的精度,如河南省密縣巖溶水資源評(píng)價(jià)成功的運(yùn)用了數(shù)值法評(píng)價(jià),取得了滿意的效果和成功的經(jīng)驗(yàn)。此外,地下水系統(tǒng)理論的引進(jìn),使裂隙水資源計(jì)算評(píng)價(jià)更加符合實(shí)際。2主要原因是巖石基合土壤2.1儲(chǔ)層含水層結(jié)構(gòu)巖石的巖性特征對(duì)裂隙水的形成有很大的影響。因?yàn)閹r性特征決定著裂隙的成因類型(如成巖裂隙、構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙、溶蝕裂隙),裂隙的發(fā)育密度,張開程度,從而影響著巖石的含水性能。這里值得注意的是:巖性的影響只能導(dǎo)致不同類型巖層間含水性能差別,而不能造成同一巖層內(nèi)部各部位性能的差別。因此說(shuō)巖性嚴(yán)格決定著區(qū)域含水性的好壞。也就是說(shuō)巖性在確定一個(gè)地區(qū)的層狀或似層狀含水層時(shí),是一個(gè)重要的依據(jù)。但巖性不能解答裂隙水在同一巖層具體富集部位。2.2儲(chǔ)水條件對(duì)裂隙水富集的控制構(gòu)造因素對(duì)基巖地下水富集的重要影響,主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面:1)構(gòu)造提供了裂隙水貯存的空間。在堅(jiān)硬巖石中構(gòu)造成因的裂隙乃是各種成因類型裂隙中數(shù)量最多,分布最廣,延伸最好,空隙較大的裂隙,所以是最有意義的含水空間。其它成因的裂隙也多只有在構(gòu)造作用改造下具有含水意義。2)不同性質(zhì)的構(gòu)造裂隙總是有規(guī)律的出現(xiàn)于某一構(gòu)造體系或某一構(gòu)造形跡特定部位上,因此,構(gòu)造條件直接控制著富水帶的分布。3)構(gòu)造控制著裂隙水的貯存特征,貯水環(huán)境對(duì)裂隙水儲(chǔ)存富集、運(yùn)移的影響是很重要的,假若沒有貯水的環(huán)境條件,裂隙空間也只能成為臨時(shí)性的過(guò)水通道,貯水條件對(duì)裂隙水富集的影響在補(bǔ)給量較大的地區(qū)(如地下水補(bǔ)給區(qū))表現(xiàn)最為明顯。沒有適宜的儲(chǔ)水條件,地下逕流就很難相對(duì)集中富集。所謂適宜的貯水條件,除地形條件外,主要取決于構(gòu)造條件,如各種有利于地下水富集的向斜盆地或其它構(gòu)造斷陷,各種隔水巖層在空間上所形成的封閉環(huán)境,各種阻水界面(巖體、斷層等)在垂直地下水流動(dòng)方向上所形成的阻水墻等等,都是明顯有利的貯水構(gòu)造環(huán)境。4)各種構(gòu)造的空間組合特征,在極大程度上影響著裂隙水的交替、聚集、補(bǔ)給條件,這些條件既控制著富水帶的形成,亦控制著富水帶的富水性大小。基巖地下水富集過(guò)程中構(gòu)造因素的影響是最主要的因素之一,即:區(qū)域地下水的分布規(guī)律主要受各種構(gòu)造體系所控制,而裂隙水的局部富集主要受構(gòu)造形跡所控制。目前,在國(guó)內(nèi)已形成多種學(xué)術(shù)觀點(diǎn),如胡海濤等提出的“地下水網(wǎng)絡(luò)”理論即是構(gòu)造體系控水論的代表。肖楠森教授提出的構(gòu)造裂隙控水論,以及儲(chǔ)水構(gòu)造理論都是屬于裂隙水局部富集的構(gòu)造控水理論。不論哪種觀點(diǎn),這里需要指出的是,必須承認(rèn)構(gòu)造條件對(duì)裂隙水富集的重要作用。但也不能把構(gòu)造條件的影響絕對(duì)化,忽視補(bǔ)給條件水交替條件及各種原生結(jié)構(gòu)裂隙對(duì)裂隙水富集的影響,如果這樣不考慮這些因素的影響,也就把我們的找水工作置于“張性斷裂貯水,壓性斷裂不富水,扭性斷裂介于其間”的純構(gòu)造控水論的狹窄胡同中。2.3地下水水動(dòng)力相互作用水交替條件對(duì)裂隙水富集的影響,過(guò)去人們重視不足,而且常狹義的理解為“補(bǔ)給條件”,其實(shí),水交替條件包括補(bǔ)給條件外,還包括了裂隙水流的循環(huán)方式、循環(huán)途徑、深度及強(qiáng)度等方面、水交替條件對(duì)裂隙水富集條件的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)裂隙水交替強(qiáng)度極大影響著裂隙的張開度和連通性。裂隙水提供了地下水流動(dòng)與賦存空間,相反,地下徑流又反過(guò)來(lái)對(duì)裂隙空間的擴(kuò)展起著促進(jìn)作用。在可溶巖地區(qū),水流的交替強(qiáng)度是促進(jìn)巖溶發(fā)育的極重要因素,以某種意義上看,這種影響比碳酸鹽巖的礦物成分,化學(xué)成分、水的侵蝕性,對(duì)巖溶發(fā)育的影響還重要。在難溶巖地區(qū),地下水流的交替強(qiáng)度,是巖石物理化學(xué)風(fēng)化作用和沖刷作用加劇的主要因素。無(wú)論哪一種作用,其結(jié)果都是促進(jìn)巖石裂隙進(jìn)一步增多,擴(kuò)展、連通性變好,含水性能改善、富水性增大,正因如此,通常在地下徑流的局部或區(qū)域排泄區(qū)附近,巖石裂隙或巖溶發(fā)育條件最好,裂隙水最易密集,從地下水流網(wǎng)圖上看,這些地區(qū)流線集中,等水頭線密集,亦即說(shuō)明這些地段徑流集中,地下水流速大,徑流條件好,在地下徑流滯緩區(qū),逕流的“死角區(qū)”常發(fā)生水中的碎屑或化學(xué)物質(zhì)沉淀造成裂隙的充填阻塞,如在分水嶺地區(qū)以及幾個(gè)逕流的會(huì)合區(qū)。2)水交替深度決定著區(qū)域主要含水裂隙帶或富水帶的分布深度,水交替的深度與構(gòu)造帶發(fā)育的深度有關(guān)外,還與地下逕流場(chǎng)內(nèi)巖層的導(dǎo)水性和邊界條件有關(guān)。也就是說(shuō)巖石的區(qū)域滲透性越好,補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)相距越遠(yuǎn)水頭差越大,則水交替深度越大,在不同地區(qū),交替深度在弱透水巖層地區(qū)較小,在強(qiáng)透水的巖溶區(qū)較大,在深大斷裂帶附近交替深度最大,可達(dá)數(shù)千米。3)地下逕流的特征直接控制著裂隙水的富集過(guò)程。其中最重要的是逕流的匯流和阻水條件。匯流條件是指地下水逕流徑某處和向某處匯集的條件,裂隙水富水帶總是出現(xiàn)在匯流條件最好的地方,裂隙潛水的匯流條年主要取決于地形地貌條件;對(duì)裂隙承壓水除了與地形地貌條件有關(guān)外與構(gòu)造條件的關(guān)系更密切,同時(shí)還與滲流場(chǎng)內(nèi)的水流的運(yùn)動(dòng)特征有關(guān)。裂隙水的聚集條件(貯存條件)是指地下水在逕流方向上受到阻止而相對(duì)集中的條件,表現(xiàn)為水位上升或以泉水溢出地表。地下水逕流受阻原因很多,可以是因?yàn)槟撤N阻水界面的存在,如阻水?dāng)鄬?巖層裂隙發(fā)育程度由強(qiáng)變?nèi)?、弱透水巖層、巖體、巖脈;也可能是因?yàn)檗熈鬟\(yùn)動(dòng)方向或速度改變受阻,一般情況下,地下逕流越是受阻就越是富集,地下水受阻地帶往往是地下水富集帶。4)地下水流域的面積和補(bǔ)給強(qiáng)度直接影響著富水帶水量的多少。地下水流域的面積與地形有關(guān),與構(gòu)造條件關(guān)系密切,基巖地區(qū)地下水流域的范圍常與地表流域范圍不一致,經(jīng)常是前者大于后者,但是若被阻水?dāng)嗔逊指顣r(shí)也可能出現(xiàn)前者小于后者的情況,在巖溶裂隙水地區(qū),地下水流域面積往往出現(xiàn)隨著補(bǔ)給強(qiáng)度的季節(jié)變化而變化,如巖溶潛水分水嶺,在豐水季節(jié)出現(xiàn)而在枯水季節(jié)消失。在確定巖溶含水系統(tǒng)或進(jìn)行區(qū)域水資源評(píng)價(jià)時(shí),要特別注意區(qū)域內(nèi)有無(wú)深度不同的循環(huán)系統(tǒng),各個(gè)巖溶水系流的補(bǔ)給條件是否一致,因此,不能簡(jiǎn)單根據(jù)淺部循環(huán)系統(tǒng)的潛水位來(lái)確定區(qū)域匯水面積。從以上分析可以看出,巖性、構(gòu)造、水交替條件等因素都不同程度對(duì)裂隙水的富集起著控制作用。在確定似巖層狀含水層的存在以及計(jì)算評(píng)價(jià)裂隙水資源時(shí),要考慮巖性和水交替條件的影響,但在解決裂隙水特別是脈狀裂隙水賦存的具體部位時(shí),構(gòu)造條件則是首要考慮的條件之一。3基巖地下水研究中需要加強(qiáng)的幾個(gè)方面1)基巖地下水的形成、運(yùn)移機(jī)理的研究將受到水文地質(zhì)學(xué)者的關(guān)注,裂隙水科