袁 伟， 阚艳伶， 乔海涛

(四川省地质工程勘察院集团有限公司,四川 成都 610071)

越西盆地呈南北向椭圆形展布于小相岭和大凉山之间,越西河自南向北贯穿整个盆地[1]。第四系冲积、冲洪积物广泛分布于越西河谷盆地内,这些松散堆积物在水流的作用下,形成分选良好、透水性强、含水丰富的含水层。20世纪六七十年代,前人在研究区先后开展1∶20万区域地质、区域水文地质调查工作[2-3],基本明确盆地地层、时代、岩性岩相的大致变化情况,查明越西断裂压碎带阻水、影响带充水的水文地质特征。宫会玲[1]通过精细测量和年代学研究,获得越西盆地内各种构造地貌的变形资料以及形成年代。陈长云[4]对越西盆地活动构造进行研究,分析越西盆地新生代以来的构造演化。这些研究成果为本次工作提供了重要参考,但受限于工作精度和工作重点,对越西盆地第四系松散岩类孔隙水的研究程度较低,对盆地第四系承压含水层垂向分布特征及富水性等条件的研究还处于空白。本文以盆地中上游集水面积约260 km2的丁塘、邓家坝水源地为研究对象,对越西盆地第四系松散岩类孔隙水赋存特征进行分析,为科学指导区域水资源合理开发利用与保护提供水文地质依据。

1 研究区概况

1.1 地形地貌

越西断陷河谷盆地东西宽0.2～2 km,南北长约50 km,面积约81 km2,地形开阔、平缓。研究区地处盆地中上游地带,受河流侵蚀堆积作用影响,地貌形态主要表现为河漫滩、一级阶地、二级阶地和洪积扇。河漫滩不太发育,一般呈舌状、新月状断续分布于越西河河心或两岸,宽度一般<50 m,长度多<250 m,滩面向下游或河心倾斜,洪水期被淹没。一级阶地广泛发育,构成河谷盆地主体,阶地前缘一般高出河水面2 m左右,阶面略向河心及下游方向倾斜。二级阶地及洪积扇在越西河两岸不对称发育,二级阶地主要发育于越西河东岸,呈带状不连续分布于近山脚地带,多遭破坏或被扇体掩覆,阶面一般高出河水面15～30 m;洪积扇分布于各山体河口、沟口地带,平面形态多呈扇状,从河口、沟口向下、四周缓慢倾斜,在东岸同时切蚀、掩覆二级阶地。

1.2 地质概况

研究区位于扬子准地台西南缘,处于川滇南北向构造带北段之凉山褶断带西亚带。该带断裂少,褶皱舒缓开阔,构造应力相对微弱，主要构造形迹有越西河断裂、米市向斜。

越西河断裂为一区域性大断裂,纵贯南北,在烂田坝以北略偏向西,往北顺越西河延伸,向南与黑水河断裂相接,长70 km左右。一般倾向北或北东,倾角75°～85°,属高角度压性冲断裂,断距较大,致使中奥陶系地层覆于上三叠系地层之上。破碎带发育,两盘牵引挤压剧烈,北端为一东西向横张断裂切割,从断层性质来看,该断裂为导水断裂。断裂从河谷盆地东侧山体附近通过,研究区即位于该断裂西盘。

米市向斜北起越西下普雄,向南经喜德米市至西昌轿顶山,轴线呈北北东向延伸,全长约75 km,最宽可达57 km。由侏罗系、白垩系地层组成,两翼倾角10°～40°,形体略不对称,东陡西缓,核部宽缓。向斜中段、南段保存尚好,北段受越西河断裂破坏。

图1 研究区地质简图Fig.1 Geological sketch map of the study area

2 盆地第四系地层结构特征

研究区第四系地层主要有全新统冲积层、冲洪积层，上更新统冰水堆积层，中—下更新统冰渍—冰水堆积层。ZK01钻孔揭露地层情况见表1。

表1 ZK01钻孔揭露地层统计表Table 1 Statistics table of strata exposed by ZK01 borehole

2.1 全新统冲积层

该层由南向北呈蛇曲带状分布于越西河河道内,组成现代河床及河漫滩,厚度一般<3 m。岩性主要以卵石为主,磨圆度较好。卵石粒径一般4～10 cm,含量约60%～65%；漂石约占5%～10%；砾石约占5%。成分主要为石英岩、流纹岩、灰岩、砂岩等,弱—中等风化。由约25%粉细砂充填,其中粉粒约占5%,充填物局部密集。在河漫滩地带,其表面常覆盖薄—中厚层状粉土。

2.2 全新统冲洪积层

该层主要呈南北向带状分布于越西河现代河床两侧,组成宽阔平缓的一级阶地平坝,在山前沟口地带则呈冲洪积扇状分布,为河谷盆地内主要土体。河谷平坝内主要由粉土、粉质黏土、砾石、卵石土组成,钻探揭露层厚33.78 m。表层普遍见一层厚度<2.0 m的棕红色粉土分布。单层厚1.90～8.20 m,主要分布于深度4.80～13.00 m，粉土局部含砾卵石。粉质黏土呈层状分布于冲洪积层卵石土底部,分布于深度30.10～33.78 m,厚3.68 m,底部0.40 m含约40%的砾卵石包含物。砾石土埋藏深度13.00～19.70 m，其中,砾石含量约占55%,粒径多为3～10 mm；卵石含量约占30%,粒径一般3～6 cm,个别15 cm左右,粉细砂及粉黏粒充填,充填物局部富集。卵石土分布于深度19.70～30.10 m,厚2.80～5.70 m，其中,漂石呈长椭圆状,含量约占5%；卵石呈次圆状,含量约50%～70%,粒径一般4～12 cm；砾石呈次棱角、棱角状,含量约占5%；粉细砂、粉黏粒充填,局部粉黏粒富集。

在研究区西侧的大花河、南箐河河谷及越西河东侧的蚂蟥沟、夹石沟等沟口地带呈扇状分布的冲洪积堆积层，厚2.00～30.00 m,其物质组成具二元结构,上部多为粉质黏土、粉土,下部为砾卵石夹粉质黏土、粉土层。

2.3 上更新统冰水堆积层

上更新统冰水堆积层伏于河谷平坝冲洪积层以下,局部呈点状出露于越西河西侧大花沟的萝卜地、南箐沟的龙滩、马车洛处,东侧则呈条带状分布于山体近坡脚地带,组成二级阶地。其物质组成具二元结构,上部为棕红色粉质黏土,可见层厚约2 m左右；下部岩性为砂、砂砾石与泥质砂土、粉质黏土互层。

埋藏于河谷平坝下的冰水堆积层主要由粉土、粉质黏土及细中砂、粗砂、卵石土组成。夹于卵石土中的粉土多呈灰黄、黄灰、黄褐色,湿—稍湿,稍密—密实,局部含约10%～20%的砾卵石包含物，单层厚1.10～6.75 m,其中最厚一层分布于深度65.26～72.01 m；粉质黏土分布于深度53.10 m下的卵石土中,单层厚0.55～1.40 m,局部含约10%的砾卵石包含物；细中砂埋藏深度61.20～63.30 m,单层厚2.10 m,约含15%的砾卵石包含物；粗砂埋藏深度75.21～75.95 m,单层厚0.74 m,约含25%的黏粒,底部见砾卵石包含物分布；卵石土深度53.10 m以上主要由粉细砂、局部粉黏粒充填,其下至80.88 m段则主要以粉黏粒、局部砂粒充填。

2.4 中—下更新统冰渍—冰水堆积层

该层岩性以粉质黏土为主。钻探显示,粉质黏土在埋深84.70 m以下发育厚度大且分布连续,单层厚度>10.29，局部含约20%～25%的砾卵石包含物。卵石土呈夹层状分布于深度82.61～84.70 m段,由约30%的粉黏粒充填,局部富集。

勘察钻孔深度94.99 m,未揭穿第四系地层,据工程物探成果(图2、图3),该套地层平均厚度达110 m。在钻孔内不同深度的含水层处取砾、卵石代表性土样进行颗粒分析,分析结果如表2所示。土粒不均匀系数均>10,曲率系数介于0.285～3.139,其中全新统冲洪积层砾石的曲率系数为0.285,为级配不良砾石,其余卵石的曲率系数为1.025～3.139之间,属级配良好卵石。

图2 高密度电阻率法反演成果图Fig.2 The inversion result diagram of high-density resistivity method

图3 物探解译成果图Fig.3 Map of geophysical interpretation results

表2 颗粒分析试验成果统计表Table 2 Statistical table of particle analysis test results

3 第四系孔隙水赋存特征

松散岩类孔隙水广泛赋存于区内第四系砂砾卵石层中,一般属孔隙潜水,但在河谷盆地内受粉土、粉质黏土组成的相对隔水层(顶、底板)影响,使下部的孔隙水具微承压性而成为孔隙承压水。

3.1 含水层及富水性

按含水层结构及埋藏分布特征，将含水层分为第四系全新统砂砾卵石含水层和上更新统含泥砂砾卵石含水层。

3.1.1全新统砂砾卵石含水层

(1) 冲积层含水层。呈南北向带状分布于河谷盆地越西河河道和河漫滩,分布范围较小,由全新统冲积砂砾卵石组成孔隙水含水层,含水层厚度较薄,与地表水联系紧密。

(2) 冲洪积层含水层。主要分布于越西河一级阶地、大花河、南箐河和越西河东侧支沟沟口、沟道内,厚度变化较大,分布不均,在山前沟口一带厚度较大,扇体边缘及沟道内厚度较小,富水性由河谷中央向两侧减弱。

钻孔揭露该含水层共有两段。第一段含水层分布于深度4.80 m之上,由卵石组成,卵石间主要由粉细砂充填,渗透性较好。该层顶部0.40 m为粉土,少见粒径5 cm左右卵石包含其中,含量约5%,见植物根系分布。该层透水性较好,为孔隙潜水含水层,水位埋深一般0.4～1.6 m。第一段含水层之下分布一层厚度达8.2 m的粉土,该层总体透水性差,灰黑色黏粒局部密集,显出水平层理,为相对隔水层。第二段含水层埋藏于深度13.00～30.10 m段,由砾石、卵石组成。砾卵石间主要由粉细砂充填,渗透性较好,利于地下水储存、运移。地下水水位埋深一般0～1.0 m,为承压含水层。据抽水试验,地下水水位埋深0.20 m,降深4.90 m,单井出水量487.81 m3/d,单位涌水量99.55 m3/(d·m),渗透系数7.76 m/d,富水性较好。该含水层为承压含水层,其上覆盖由粉土组成的8.2 m厚的相对隔水层,可以有效地防止含水层被污染,加之该段含水层富水性较好,埋深较浅,从水源地供水安全和取水工程技术经济条件考虑,县城供水水源地取水目的层应以该含水段为主。第二段含水层以下分布连续的粉土、粉质黏土层,粉土中黏粒分布不均,局部密集。该层总体透水性差,不含水或含水微弱,为相对隔水层。

3.1.2上更新统含泥砂砾卵石含水层

主要分布于全新统冲洪积层含水层之下,以及呈南北向不完整带状分布于河谷盆地东侧山体近坡脚地带,所处位置较高。含泥砂砾卵石层上为棕红色粉质黏土,下由砂、砂砾石与泥质砂土、粉质黏土互层组成,含水不均匀,单井出水量一般<1 000 m3/d。

钻孔揭露该含水层共有两段,分别为第三、第四段含水层。第三段含水层埋藏于深度39.43～53.10 m段,层厚13.67 m,由卵石组成,湿,中密—密实。砾卵石间由粉细砂及粉黏粒充填,充填物细粒物质较多,结构较紧密,透水性相对较差,渗透性也较差,为次含水层,含孔隙承压水。据ZK2孔测量,自流量为3.5 m3/d,水头高度为+0.50 m。第三段含水层以下分布连续的粉质黏土、粉土,间夹薄层卵石、细中砂,为相对隔水层。其中,卵石、细中砂多由粘粒充填,粘粒局部富集,透水性较差。第四段含水层分布于75.95～79.78 m深度段,层厚3.83 m,由卵石组成,稍湿,中密。砾卵石间由中砂、粉黏粒充填,充填物局部富集,透水性相对较好,渗透性也较好,为次含水层,含孔隙承压水。据ZK02孔测量,自流量为96 m3/d,单位涌水量达24 m3/(d·m),水头高度为+4.00 m,富水性较好,具备供水潜力。

图4 研究区含水层结构图Fig.4 Aquifer structure map of the study area

3.2 包气带渗透性能

水源地含水层上部包气带主要由粉质黏土、粉土和粉砂组成。本次工作在一级阶地进行试坑渗水试验,测得区内粉土垂向渗透系数为2.72×10-4cm/s,粉砂垂向渗透系数为1.22×10-3cm/s,渗水试验过程曲线见图5。试验结果表明,区内包气带渗透系数较小,具有一定的防污性能,同时也对地下水的垂向补给有一定的影响。

图5 双环渗水试验Q-t曲线Fig.5 Q-t curve of Double-ring infiltration test

3.3 地下水补、径、排条件

研究区处于河谷盆地区,地势平缓、开阔,大气降雨是区内天然条件下地下水补给的主要来源。区内降雨丰沛,年均降雨量达1 129.3 mm,尤其在5—9月,月均降雨天数达20.4 d,降雨量达全年的81.54%,该时间段是地下水接受大气降雨补给的主要时间段。天然状态下,河谷区地下水除接受大气降雨外,还接受地表河水、河谷两岸斜坡第四系孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙层间水、碎屑岩类裂隙水和碳酸盐岩裂隙溶洞水的排泄以及上游第四系松散岩类孔隙水的径流补给。第四系孔隙承压水除接受其上游的地下水远程径流补给及基岩裂隙水侧向径流补给外,在局部地段尚存在接受其上部孔隙潜水补给的可能。

第四系孔隙潜水径流主要受地形和季节的影响,在天然条件下,丰水期地下水总体上是由河心向两岸、上游向下游径流、排泄；枯水期则是由两岸向越西河床、上游向下游径流、排泄。区内地下水径流总体方向同河流方向一致,为由南向北。另外,在枯水期越西河两岸阶地中的地下水向河床径流,径流至阶地前缘时一部分补给河谷中砂卵石含水层,一部分排泄出地表补给河水。下部的第四系松散岩类孔隙承压水接受补给后,顺越西河由南向北、从上游向下游径流、排泄。

因此,越西河谷区既是地下水的埋藏区,同时又是地下水的径流、排泄区。区内人工开采利用地下水程度相对较低,主要以引泉管网供水作为人类生活用水,但在局部地区当地村民抽取地下水作为生活、生产用水,也是地下水的排泄途径之一。

4 地下水资源评价

4.1 地下水资源量

研究区集水面积约260 km2,大气降雨丰沛,一部分入渗形成地下径流,一部分汇集成地表径流。河谷盆地作为区内最低处,地表、地下径流均从河谷盆地流过。上游集水面积内出露地层主要以侏罗系和三叠系砂岩、粉砂岩为主,其次为震旦系可溶岩。参考区域资料,降雨入渗综合取值α=0.2,初步得出河谷盆地地下水径流补给量Q=α×P×F=0.2×1.13×260×106/365=16.1×104m3/d,式中：年降雨量P=1.13 m；集水面积F=260×106m2。由此可见,研究区所处的越西河河谷盆地区地下水天然补给量充足,供水保证率较高。

4.2 地下水可开采量

据水文地质勘察工作,区内第四系全新统冲洪积层含水层中第二段含水层富水性较好,属于孔隙承压含水层,其上覆盖由粉土组成的厚8.2 m的相对隔水层,可以有效地防止含水层被污染,且埋深较浅,从水源地供水安全和取水工程技术经济条件考虑,取水目的层可以该含水段为主。

根据现场情况,结合地下水赋存和径流条件,如果沿河谷按平均布井法布井,预计有效面积约2.5 km2。根椐抽水试验涌水量方程计算单井最大涌水量,取最大降深至含水层顶板,即最大降深h为10 m,最大出水量Q单为995 m3/d,影响半径R为278 m,则可以布井数n=F/4R2=8,该区域内地下水可开采量Q可=n×Q单=7 960 m3/d。

研究区100 m深度内还存在第三和第四段含水层,且第四段含水层初步判断富水性较好,测得承压水头高出地表4 m,自流量为96 m3/d,单位涌水量达24 m3/(d·m),初步估算该含水段的单井出水量能达到1 000 m3/d,加之下伏埋藏型的碳酸盐岩含水岩组,富水性也较好,因此该水源地有供水10 000 m3/d的潜力。

4.3 地下水质量

本次工作从钻孔和机井中取水样3组进行水质分析，其中,第二含水段2组,第四含水段1组。分析结果表明pH值介于7.72～7.89之间,水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型,溶解性总固体329～385 mg/L,总硬度177～235 mg/L,属中硬淡水。化学组分和微量组分中均未出现超标现象,其他检测指标均符合国家《生活饮用水卫生标准》,达到《地下水质量标准》Ⅲ类标准。

4.4 开采方式分析

研究区内地下水补给来源充足且稳定,区内地下水天然补给量约为16.1×104m3/d,第二含水段可开采量约为7 960 m3/d。根据地下水开采技术及水文地质条件,对开采方式进行分析。

(1) 管井。受场地地形等条件限制,传统井取水方式不具备实施条件。另外,井群长期抽水随着时间增加,抽水井之间会产生抽水干扰,水位下降,出水量减小,而且井点数量多、工程分散,开采运行和管理难度大,成本高,该取水方案在技术条件和经济上不合理。

(2) 大口径井。设计井径为6 m、井深为22 m、容积为622 m3的大口径井1口,分别设置井底进水、井壁和井底同时进水两种情况,采用《给水排水设计手册(第三版)》[5]中大口径井出水量公式计算,得出大口径井井底进水的出水量为708 m3/d；井底和井壁同时进水的出水量为2 391 m3/d。

(3) 辐射井。设计井深为22 m、井壁不进水的集水大口径井,并在距地表18 m处施工一层12根长为15 m、管半径为0.075 m的辐射管。根据《给水排水设计手册(第三版)》[5]中适用公式计算,得出承压水辐射井工程的出水量为4 588 m3/d。

(4) 大口径井+辐射井。采用井底进水大口径井+辐射井的取水方式,可取水量为708+4 588=5 296 m3/d。

对比发现,采用大口径井+辐射井能最高效地开发利用地下水,且工程相对集中,开采运行和管理难度均最小。

5 结论

(1) 研究区100 m深度内共揭露4个含水段,其主要含水段为第二段,其次为第四段。其中,第二含水段可为主要取水目的层,埋藏于13.00～30.10 m,为承压含水层,单井出水量487.81 m3/d(降深4.90 m),单位涌水量为99.55 m3/(d·m),渗透系数为7.76 m/d,富水性和渗透性均较好。第四段含水层富水性较好,加之下伏埋藏型的碳酸盐岩含水层,有一定供水潜力。

(2) 研究区地下水天然补给量约为16.1×104m3/d,第二含水段可开采量约为7 960 m3/d。经分析计算,若采用大口径井+辐射井工程,单口出水量可达5 296 m3/d,且工程集中,开采运行和管理难度小,技术和经济上合理可行。