张　陵, 赵德君, 王　芳, 李　军

(湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州　434020)

0　引言

2009—2010年西南五省普遍遭遇百年一遇的旱灾,其中云南灾情尤其严重,耕地受旱面积达312万hm2,受灾人数超700万人,直接经济损失达170亿元。国务院总理温家宝、副总理回良玉先后到云南指挥抗旱救灾,深入灾区看望慰问受灾群众,指导抗旱救灾工作。国土资源部和中国地质调查局紧急部署西南抗旱找水打井行动并启动“西南严重缺水地区地下水勘查”项目。该项目的开展具有抗旱找水、直接解决当地群众饮用水困难的现实意义,而且对于探索西南岩溶和红层缺水地区找水打井经验、掌握地下水赋存规律和开发利用条件、合理开发利用水资源均具有重要的指导意义。

1　地理、地质、水文地质背景

1.1　地理概况

湖北省地质局承担的抗旱找水打井工作区位于云南严重缺水的大理州永平县、云龙县、漾濞县、洱源县、剑川县和大理市六县市以及南部红河州的建水县、石屏县共8个县市。工作区地处云贵高原与横断山脉结合部位,地貌复杂多样,点苍山以西为高山峡谷区。点苍山以东、祥云以西为中山陡坡地形。境内的山脉主要属云岭山脉及怒山山脉。在低纬度、高海拔地理条件的综合影响下,在相同地段内具有年温差变幅小、四季不明显的气候特点。但同时由于地形地貌复杂,海拔高差悬殊,气候的垂直差异显著。按海拔高低不同,气候和植物呈立体分布,分属北亚热带、温暖带和寒温带气候[1]。

1.2　地质概况

工作区具有红层、岩溶分布面积广、地质构造复杂的特点,工作区的永平县、云龙县、漾濞县属红层分布区域,洱源县主要属岩浆岩分布地段,剑川县和大理市属岩溶与红层分布区段,红河的建水县、石屏县属岩溶分布区域。

1.3　水文地质概况

工作区域主要含水岩类为碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩类、岩浆岩类裂隙含水岩类、变质岩类裂隙含水岩类、碎屑岩裂隙含水岩类和松散岩孔隙含水岩类。

工作区域主要地下水类型有岩溶裂隙承压水,基岩(碎屑岩、岩浆岩、变质岩)裂隙水和松散孔隙水,一般均为潜水,局部地段为承压水[2]。

2　地下水赋存规律与富集影响因素

2.1　地下水赋存规律

工作区的地下水类型主要为孔隙水、裂隙水及岩溶水三大类,这三类地下水的富水性、富水程度与地质构造、地形地貌、风化作用、植被覆盖情况密切相关。一般情况下所表现的富水性与富水程度大小规律为:岩溶水>裂隙水>孔隙水。

在云南碳酸盐岩地区的岩溶裂隙水分为浅层和深层,浅层岩溶裂隙水运移途径短,于沟谷、低洼地以下降泉的形式排泄,其动态特征受大气降雨控制明显。深层岩溶裂隙水则运移途径较长,具承压性,在遇贯通于地表的断裂破碎带和岩溶管道、裂隙时,往往以上升泉、断层泉、裂隙泉的形式上升出露排泄。深层运移循环的岩溶裂隙水含水层埋藏较深,一般>100～150 m。地下水量较大,单孔涌水量多在100～1 000 m3/d,地下水动态、流量较为稳定。经深层运移循环的岩溶裂隙水,由于地下水的溶滤矿化作用,地下水水质一般较好,且多为矿泉水。

裂隙水含水层的富水性除岩性为主控因素外,还与构造节理和风化裂隙及植被较密切。就岩性而言,砂岩比重越大,越是性脆,节理裂隙越发育,富水性越强,而玄武岩风化程度越强,岩性越破碎,富水程度越强。本次打井成功的多口井布井思路主要就是据此展开的,大理州各县市多个成功的探采井大都如此。

岩浆岩裂隙含水岩类、碎屑岩裂隙含水岩类分布区域接受大气降雨补给后,形成的裂隙水具运移深度浅、运移途径较短的特点,其动态特征受大气降雨控制明显,即基本上也随大气降雨的变化而变化。

孔隙水含水层富水性差异比裂隙水含水层更大。本次开发利用的孔隙含水层一般富水性弱,单井涌水量大都<50 m3/d,局部地段可达50 m3/d以上。这种类型的孔隙水多为承压水。富水性主要取决于砂砾石层厚度及分选性、距离河床和古河道中的位置等等。

松散岩孔隙含水岩类中的孔隙潜水其运移深度则更浅、运移途径更短,动态特征基本上受大气降雨控制,随大气降雨的变化而变化。此外,该类型地下水分布区又是人类生产、生活的集中区,地下水与人类生产、生活关系密切,干旱气候严重破坏了水系统的平衡和人类的生存环境,制约了人类的正常经济发展,如遇特大干旱这种制约更为明显。

2.2　富集影响因素

工作区内影响地下水赋存和富集的主要因素主要为大气降雨、地层岩性、地质构造、微地形地貌等。

大气降雨补给地下水具明显的季节性变化规律,雨季急增,旱季骤减。在云南岩溶和红层地区大气降雨时间分配极为不均,一般年份枯水期可长达5-6个月。由于大气降雨对地下水的补给时间通常只有半年或稍多一点的时间,加之岩溶和红层地区植被相对较少,降雨后极易蒸发,这些均对地下水的补给富集不利,这也是岩溶和红层地区地下水资源贫乏的重要原因之一[3]。

地层岩性是地下水赋存富集的基础和先决条件。据钻孔揭露,二叠系、震旦系地层中在地下30～90 m处,岩溶较发育。另外,侏罗系砂岩中的可溶性胶结物,因溶蚀而产生诸多蜂窝状孔洞与洞穴,同时还可增加岩石的脆性,使其在构造应力作用下裂隙特别发育,从而进一步增加钙质砂岩的富水性。在区内的几种主要岩石类型中(砂岩、泥质粉砂岩、灰岩,玄武岩),砂岩出露的水点最多,达70%左右,流量等级也高;特别是一些流量较大的泉,几乎全部出露在砂岩,据此说明了砂岩含水性强。玄武岩水点数位居第二,流量等级偏低。

地质构造对岩溶和红层地区地下水的储存和富集起主要作用,它控制地下水补给、运移和储存,不同的构造部位致使地下水的赋存与富集差异较大,多组大型构造带的结合部位往往地下水富集丰富,反之则差。

地貌既是岩性、构造及外营力综合作用的结果,同时又是接受降雨补给的重要条件。作为联系地下水形成的外部条件和内部因素的纽带,地貌条件将是控制地下水补给、径流、排泄和影响地下水富集的最基本因素之一。在云南以浅层基岩裂隙水为主的红层区,其表现极为明显。根据调查,起伏大、切割深的地形不利于地下水的富集;而宽缓低洼地或枝状宽谷汇合处，“箕形”地形汇水地带,“沟谷相交”地形汇水地带往往是地下水的富水区。

3　抗旱找水与工程施工

湖北局在抗旱找水打井项目中共完成水文地质调查246 km2,布设探采井101口。完成抗旱救灾探采井132口,成井115口,其中深井7口,浅井108口,探采井成功率达87.12%,总开采出水量10 449.2 m3/d,平均单井出水量90.86 m3/d,成功地解决了16余万人和3 000多头大型牲畜的饮用水问题,达到了“在云南气象干旱缺水地区开展抗旱找水打井,直接解决部分群众饮水困难”的项目工作任务要求。

4　云南缺水地区找水经验与规律

云南岩溶和红层严重缺水地区总体来说地下水资源贫乏,水文地质研究程度也相对较低,但对于干旱严重缺水时寻找相对有供水意义的地下水资源还是有一定规律可循的,即充分分析山区小流域均衡场的水文地质条件和地下水的赋存、运移规律,在山前冲洪积松散堆积层、碎屑岩强风化带、网状风化裂隙发育地带、构造裂隙发育地带和碳酸盐岩岩溶裂隙发育地带寻找地下水资源。

云南严重缺水地区有供水意义的地下水资源多分布于山前小流域区段,面积一般为2～5 km2左右,多为相对独立的水均衡系统,地下水类型主要有:红层分布区山前冲洪积松散岩类孔隙水、红层分布区碎屑岩类风化裂隙水、基岩(岩浆岩)构造裂隙水和碳酸盐岩岩溶裂隙水四类。前三类分布埋藏较浅,一般为10～60 m,多赋存潜水,碳酸盐岩岩溶裂隙水属隐伏型,分布埋藏较深,一般>150 m以上,多赋存承压水。

在红层地区寻找可供集中开采的地下水关键在于井位的布设。红层地下水的补给和交替径流主要受地形、地貌条件控制。各种形态的宽凹地、低洼地,汇水条件较好,一般井位的布设首先应选择在地形有一定的汇水面积且相对低洼处，两条或几条沟谷的交汇处，沟谷的下游或拐弯处，地形相对切割较深的地方。井位不宜选择在分水岭处,笼状岭脊处,村庄后面的高地或坚硬岩石露头处。构造破碎带富水性好,是红层地下水的主要储存空间,但其发育具有极大的不均匀性。寻找构造裂隙水,井位在平面上的位置应选横向断裂不选纵向断裂,选新构造不选老构造,选张扭性断裂不选压扭性断裂,最好尽量布置在断裂的来水面和构造交汇点上[4]。

在干旱持续时间较长的情况下,松散岩类孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙层间水及风化残积孔隙水的水位埋深大,加上该含水岩类含水层粘粒含量较高,地层透水性差,含水较弱,单井出水量1～5 m3/d,不具备集中供水意义,但对于地理位置偏僻,人口分散的村落,可采取点状的分散供水,即一户一井或几户一井的模式应急供水,解决人、畜饮水困难。

5　开发利用模式

湖北局的工作区无论是大理州片区还是红河州片区均属西南岩溶石山和红层分布地区,地表储水困难,水利设施薄弱,骨干蓄水工程少,工程性缺水问题十分突出。抗旱灾能力和水资源的利用程度和效率很低。一般干旱年份就有约1/5的人、畜饮水和20%的土地耕种困难,2010年的特大干旱,更是造成了约1/3～1/2的人、畜饮水困难,近60%的农耕土地无法耕种。

通过本次工作,笔者认为:在云南岩溶和红层严重缺水地区不同地下水类型分布区的地下水补、径、排条件、生态环境、水文地质条件(储水构造)等差异较大,地下水的开发利用条件也不同,在红层严重缺水地区对于人类活动相对较少、分散的地段可采取点状、以凿手压井和小口径(Φ100 mm)浅井(30 m以内)的方式开发利用水资源,也可采用修筑小型储水池、塘堰的方式开发利用地表水资源。对于岩溶和红层地区人类活动相对集中的地段则以集中方式、采用井群凿较大口径(Φ150～200 mm)水井提水、集中塔(池)供的方法开发利用地下水资源。同时也应充分考虑利用地表水资源，采用修建小型水库储水,经净化、消毒后(水厂化)以管道疏运方法开发利用地表水资源。在岩溶缺水地区可采取大口径(Φ250～350 mm)水井提水、集中塔供的方法开发利用地下水资源,但岩溶缺水地区可开发利用的地下水一般埋藏深度大,地下水赋存、运移规律复杂,开采利用难度和费用较大。此外,在干旱持续时间较长的情况下,松散岩类孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙层间水及风化残积孔隙水的水位埋深大,加上该含水岩类含水层粘粒含量较高,地层透水性差,含水较弱,单井出水量一般在1～5 m3/d左右,不具备集中供水意义,但对于地理位置偏僻,人口分散的村落,可采取点状的分散供水,即一户一井或几户一井的模式应急供水,解决人、畜饮水困难。

6　结语

(1) 云南岩溶和红层严重缺水地区有供水意义的地下水资源多分布于山前小流域区段,面积一般为2～5 km2左右,多为相对独立的水均衡系统,地下水类型主要有:红层分布区山前冲洪积松散岩类孔隙水、红层分布区碎屑岩类风化裂隙水、基岩(岩浆岩)构造裂隙水和碳酸盐岩岩溶裂隙水四类。前三类分布埋藏较浅,一般为10～60 m,多赋存潜水,碳酸盐岩岩溶裂隙水属隐伏型,分布埋藏较深,一般>150 m以上,多赋存承压水。

(2) 只要充分分析山区小流域均衡场的水文地质条件和地下水的赋存规律,在岩溶和红层严重缺水地区的山前冲洪积松散堆积层、碎屑岩强风化带、网状风化裂隙发育地带、构造裂隙发育地带和碳酸盐岩岩溶裂隙发育地带寻找有供水意义的地下水是可行的,应急供水也是有效的。

(3) 抗旱找水打井时应因地制宜的合理利用地下水资源,开采利用可采取集中与分散相结合的模式,对于人口相对比较集中地区可采取井群深凿大口径水井提水、集中塔(池)供水的方式开发利用地下水资源。对于人类活动相对较少偏远分散的地区则可采取点状分散的方式、小口径浅井一户一井或几户一井的开采开发利用模式——即云南模式。

参考文献：

[1]中国地质调查局.西部严重缺水区人畜饮用地下水勘查示范工程[M].北京：中国大地出版社，2006.

[2]中国地质调查局.严重缺水地区地下水勘查论文集:第二集[C].北京：地质出版社，2004.

[3]张超岳.红层地下水形成条件及找水方向[J].地下水，1987(1)：47-53.

[4]段仲源，等.红层裂隙水特征与找水方法[J].华东理工大学学报：自然科学版，2002，25(4)：283-287.