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，中國對巖漿巖地下水進(jìn)行了大規(guī)模的勘探和開發(fā)，解決了中國巖漿巖地下水的勘探和開發(fā)問題，以及利用裂縫水資源進(jìn)行的計算和評價。1.1基巖地下水開采量根據(jù)《世界各國地下水開發(fā)和國際合作指南》(1996年),美國1985年全國地下水的開采量為1013×108m3/a;前蘇聯(lián)1984年對地下水的開采量為450×108m3/a。我國在上世紀(jì)80年代末期全國地下水開采量為874.8×108m3/a,僅次于美國,居世界第二位,據(jù)美國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%?？赏浦绹鴮鶐r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計算,估計美國約有2.89萬眼基巖地下水井,約占美國機(jī)井總數(shù)(78.8萬眼)的3.6%。1988年我國共擁有機(jī)井400多萬眼,如基巖井與孔隙井的比例按1:50計算,則我國基巖地下水井?dāng)?shù)約為8萬余眼。在國內(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,尤其是近幾年來山區(qū)找水手段的提高,基巖井?dāng)?shù)迅猛增加。我國對基巖地下水的開采量,據(jù)上世紀(jì)80年代末期,我國北方地區(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,僅此一項就超過美國基巖地下水的開采最,也就是說我國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,目前國外,垂直管井是開采基巖地下水的唯一手段。在我國對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120m,寬30m,深達(dá)45~47m,并配有坑道和其它兩個大池聯(lián)通,每小時的開采最高達(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)驗和良好的社會效益。1.3基巖地下水地質(zhì)、地質(zhì)和研究技術(shù)研究進(jìn)展我國現(xiàn)已形成一套有關(guān)基巖地下水的尋找、勘探、評價的科學(xué)理論,也就是以裂隙水的形成條件、運移富集條件、勘探、開發(fā)利用、資源評價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)的一個分支科學(xué),在生產(chǎn)實踐中已發(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。第一次提出了一個較完整的基巖地下水地質(zhì)構(gòu)造類型劃分方案,對基巖裂隙控水機(jī)理、富水帶類型劃分有了系統(tǒng)的認(rèn)識和界定,基巖儲水構(gòu)造的類型主要有:單斜儲水構(gòu)造,頂托儲水構(gòu)造、褶曲儲水構(gòu)造、斷裂儲水構(gòu)造、侵入——接觸儲水構(gòu)造、脈巖儲水構(gòu)造、聯(lián)合儲水構(gòu)造、火山巖大孔洞儲水構(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,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)的大型放射性探測方法,如α徑跡,r強度,同位素鐠210和汞氣濃度測定法等,尤其是通過井下電視、井下流速和物探測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算和評價上,除了過去傳統(tǒng)地評價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算的精度,如河南省密縣巖溶水資源評價成功的運用了數(shù)值法評價,取得了滿意的效果和成功的經(jīng)驗。此外,地下水系統(tǒng)理論的引進(jìn),使裂隙水資源計算評價更加符合實際。2主要原因是巖石基合土壤2.1儲層含水層結(jié)構(gòu)巖石的巖性特征對裂隙水的形成有很大的影響。因為巖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。因此說巖性嚴(yán)格決定著區(qū)域含水性的好壞。也就是說巖性在確定一個地區(qū)的層狀或似層狀含水層時,是一個重要的依據(jù)。但巖性不能解答裂隙水在同一巖層具體富集部位。2.2儲水條件對裂隙水富集的控制構(gòu)造因素對基巖地下水富集的重要影響,主要表現(xiàn)在以下四個方面:1)構(gòu)造提供了裂隙水貯存的空間。在堅硬巖石中構(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)境對裂隙水儲存富集、運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性的過水通道,貯水條件對裂隙水富集的影響在補給量較大的地區(qū)(如地下水補給區(qū))表現(xiàn)最為明顯。沒有適宜的儲水條件,地下逕流就很難相對集中富集。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?；鶐r地下水富集過程中構(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,在國內(nèi)已形成多種學(xué)術(shù)觀點,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,這里需要指出的是,必須承認(rèn)構(gòu)造條件對裂隙水富集的重要作用。但也不能把構(gòu)造條件的影響絕對化,忽視補給條件水交替條件及各種原生結(jié)構(gòu)裂隙對裂隙水富集的影響,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地下水水動力相互作用水交替條件對裂隙水富集的影響,過去人們重視不足,而且常狹義的理解為“補給條件”,其實,水交替條件包括補給條件外,還包括了裂隙水流的循環(huán)方式、循環(huán)途徑、深度及強度等方面、水交替條件對裂隙水富集條件的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面:1)裂隙水交替強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與賦存空間,相反,地下徑流又反過來對裂隙空間的擴(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)以及幾個逕流的會合區(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,還與地下逕流場內(nèi)巖層的導(dǎo)水性和邊界條件有關(guān)。也就是說巖石的區(qū)域滲透性越好,補給區(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,同時還與滲流場內(nèi)的水流的運動特征有關(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,可以是因為某種阻水界面的存在,如阻水?dāng)鄬?巖層裂隙發(fā)育程度由強變?nèi)?、弱透水巖層、巖體、巖脈;也可能是因為逕流運動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給強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)隨著補給強度的季節(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)域水資源評價時,要特別注意區(qū)域內(nèi)有無深度不同的循環(huán)系統(tǒng),各個巖溶水系流的補給條件是否一致,因此,不能簡單根據(jù)淺部循環(huán)系統(tǒng)的潛水位來確定區(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算評價裂隙水資源時,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,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的幾個方面1)基巖地下水的形成、運移機(jī)理的研究將受到水文地質(zhì)學(xué)者的關(guān)注,裂隙水科