任繼周

(云南省水文水資源局昭通分局,云南昭通 657000)

云南省水富縣大峽谷溫泉巖溶承壓水補(bǔ)給量分析計(jì)算

任繼周

(云南省水文水資源局昭通分局,云南昭通 657000)

通過(guò)水文地質(zhì)調(diào)查、同位素、水化學(xué)等分析方法對(duì)云南省水富縣大峽谷溫泉巖溶承壓水的來(lái)源補(bǔ)給區(qū)進(jìn)行定性分析,采用降水入滲補(bǔ)給系數(shù)法、地下水總補(bǔ)給模數(shù)法對(duì)補(bǔ)給區(qū)的巖溶地下水資源總量進(jìn)行定量計(jì)算,利用水量平衡原理計(jì)算巖溶承壓水的補(bǔ)給量。結(jié)果表明:溫泉補(bǔ)給區(qū)主要是五角堡,補(bǔ)給源為大氣降水,補(bǔ)給區(qū)多年平均地下水總量為621萬(wàn)m3,流量為0.20m3/s。巖溶承壓水分析計(jì)算為該區(qū)域的水資源開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)提供依據(jù)。

巖溶承壓水;補(bǔ)給量;分析計(jì)算;云南水富縣;大峽谷溫泉

隨著人們?cè)絹?lái)越關(guān)注水資源和水安全問(wèn)題,探索水資源的來(lái)源問(wèn)題不僅具有科學(xué)意義,而且具有實(shí)際價(jià)值;特別是深層地下巖溶承壓水的來(lái)源問(wèn)題為探索水資源來(lái)源問(wèn)題的難點(diǎn)[1-2],筆者根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)的科研技術(shù)資料,以云南省水富縣“西部大峽谷溫泉”為例,對(duì)其深層地下巖溶承壓水的來(lái)源和補(bǔ)給量的計(jì)算方法進(jìn)行探索,供各位同仁參考。

1 承壓水來(lái)源和補(bǔ)給區(qū)范圍分析

承壓水來(lái)源和補(bǔ)給區(qū)范圍通過(guò)水文地質(zhì)勘測(cè)調(diào)查、水體同位素分析、水化學(xué)成分和特征分析等方面分析確定。

1.1 目標(biāo)含水層所在地層及水文地質(zhì)條件分析

目標(biāo)含水層所在地層采用地質(zhì)鉆探資料確定,利用區(qū)域水文地質(zhì)圖和地質(zhì)剖面圖分析目標(biāo)含水層的空間分布情況,結(jié)合野外調(diào)查巖層的出露情況初步確定水源來(lái)源的范圍;承壓水的形成與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān),在適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)構(gòu)造條件下會(huì)形成承壓水。

云南省水富縣“西部大峽谷溫泉”位于川滇交界的金沙江向家壩電站壩址上游1000m庫(kù)區(qū)右岸,是水量大、壓力高、水溫高(85℃)、水質(zhì)優(yōu)的巖溶承壓水[3-4],溫泉井地面高程為296m。

根據(jù)鉆探資料,井區(qū)出露的巖層:表部為河流第四系堆積卵石層Q4,向下依次為三疊系上統(tǒng)須家河組砂巖T3xj、中三疊統(tǒng)雷口坡砂頁(yè)巖T2l、嘉陵江灰?guī)rT1j、飛仙關(guān)組粉砂巖T1f+t、二疊系樂(lè)平組砂頁(yè)巖P2l、峨眉山玄武巖P2β、二疊系下統(tǒng)灰?guī)r P1y、奧陶系下統(tǒng)牯牛潭組白云巖、砂巖O1。二疊系下統(tǒng)的灰?guī)rP1y為目標(biāo)含水層。二疊系茅口組和棲霞組(P1y)兩大碳酸鹽巖層為目標(biāo)熱水儲(chǔ)層,是大峽谷溫泉井的出水層,巖性主要為灰白色、深灰色灰?guī)r,其頂板高程-1295m,鉆探揭露底板高程-2046m,含水層厚度751m。在目標(biāo)含水層以上有三疊系飛仙關(guān)組粉砂巖和二疊系峨眉山玄武巖兩個(gè)相對(duì)隔水地層,為溫泉含水層的保溫蓋層。

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查,目標(biāo)含水層二疊系茅口組和棲霞組(P1y)石灰?guī)r主要出露于“西部大峽谷溫泉”西部的芭蕉灘、五角堡等地。上述“天窗”多產(chǎn)出于背斜或穹隆構(gòu)造的核部,它們是在內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用下伴隨風(fēng)化剝蝕和河流下切而形成的。溫泉目標(biāo)含水層二疊系灰?guī)r直接出露地表,成為大氣降水主要的入滲窗口,從而溝通了地表與地下水體,為深層巖溶的發(fā)育創(chuàng)造了有利的條件,初步分析上述“天窗”是“西部大峽谷溫泉”的來(lái)源[5]。

圖1 云南水富縣大峽谷溫泉水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖

但各個(gè)“天窗”在規(guī)模、形態(tài)、巖溶發(fā)育特征等方面差異較大:其出露高程和出露面積變化大。承壓水的形成主要取決于地質(zhì)構(gòu)造,上述“天窗”中,五角堡與溫泉的距離最近,為35km,五角堡和溫泉屬于相同構(gòu)造區(qū)的同一構(gòu)造帶,又有地質(zhì)構(gòu)造條件,即在五角堡-樓東和塘房灣背斜的作用下,形成“西部大峽谷溫泉”的承壓水,因此,可進(jìn)一步分析五角堡是否為大峽谷溫泉的來(lái)源[6-7]。

1.2 同位素分析溫泉承壓水的補(bǔ)給高程和補(bǔ)給水源

對(duì)水體的同位素分析可以較為準(zhǔn)確地確定溫泉水的成因、補(bǔ)給水來(lái)源的高程。通過(guò)采集大峽谷溫泉地區(qū)冷泉水樣9個(gè)、熱泉水樣1個(gè)、金沙江水樣1個(gè),見(jiàn)圖1,其中5號(hào)點(diǎn)為大峽谷溫泉,1、2號(hào)點(diǎn)為五角堡巖溶泉水。采用氫氧同位素分析,得出以下結(jié)論。

a.分析水樣氫同位素δ D及氧同位素δ18O的關(guān)系,大峽谷溫泉的同位素落在降水線(xiàn)附近,表明大峽谷溫泉來(lái)源于大氣降水,屬滲濾成因的深循環(huán)地下熱水。

b.大氣降水的同位素組成一般具有高程效應(yīng),所謂高程效應(yīng)是指地形起伏比較大的地區(qū),大氣降水中氫同位素(δ D)和氧同位素(δ18O)隨著地面高度的增加而逐漸降低的現(xiàn)象,造成高程效應(yīng)的主要原因是隨高度的增加氣溫逐漸降低,加速了水汽冷凝成雨和同位素的分餾,減少了雨滴的蒸發(fā),所以常伴有山體迎風(fēng)面的雨量增加,形成山體迎風(fēng)面的超前降雨區(qū),因而云團(tuán)上升到高空后同位素含量越來(lái)越少。根據(jù)水的同位素具有高程效應(yīng)這一特征,利用水樣同位素值可計(jì)算大峽谷溫泉和其他水體的補(bǔ)給高程,見(jiàn)表1。

c.計(jì)算大峽谷溫泉水的補(bǔ)給高程為1775m,這一高程與五角堡的高程(1783m)接近,證明溫泉的補(bǔ)給區(qū)主要為五角堡。金沙江水補(bǔ)給高程為3143m,主要為高原冰雪融水和大氣降水。

d.通過(guò)氫同位素(δ D)和氧同位素(δ18O)的分析,大峽谷溫泉來(lái)源于降水,補(bǔ)給區(qū)為五角堡的二疊系灰?guī)r區(qū)。

表1 大峽谷溫泉及附近水樣δ D、δ18O分析結(jié)果

1.3 承壓水水化學(xué)分析

地下水化學(xué)成分的形成是地下水在埋藏、運(yùn)移過(guò)程中與巖石相互作用的結(jié)果。因此,地下水化學(xué)成分記錄和反應(yīng)地下水的形成條件及成因。研究和分析地下水化學(xué)成分特征及相互關(guān)系,對(duì)分析研究承壓水的形成及利用具有重要意義。對(duì)大峽谷溫泉地區(qū)11個(gè)水樣點(diǎn)(圖1)水樣進(jìn)行化驗(yàn)分析,主要水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

大峽谷溫泉5號(hào)點(diǎn)與五角堡1、2號(hào)點(diǎn)的水化學(xué)類(lèi)型和特征比較一致,大峽谷溫泉水化學(xué)類(lèi)型為低礦化度HCO-3-Ca2+Na+型水,補(bǔ)給區(qū)水化學(xué)類(lèi)型為低礦化度HCO3-Ca2+型水,見(jiàn)表2,由此,進(jìn)一步得出結(jié)論五角堡為大峽谷溫泉泉的水源補(bǔ)給區(qū)。

1.4 補(bǔ)給區(qū)范圍分析

通過(guò)地質(zhì)野外調(diào)查和水文地質(zhì)資料分析確定補(bǔ)給區(qū)范圍。五角堡補(bǔ)給區(qū)巖溶發(fā)育特征有:石牙,溶蝕、裂隙、溶洞,峰叢洼地-干溝-落水洞,巖溶泉水。五角堡補(bǔ)給區(qū)是典型的巖溶山區(qū),由于地表水與地下水的分水線(xiàn)是不一致的,巖溶區(qū)內(nèi)山脊為三條地表河流的分水線(xiàn),但降水大部分都在巖溶區(qū)通過(guò)上述方式潛伏于地下,五角堡二疊系灰?guī)r出露區(qū),沒(méi)有一條地表溪流,溝谷幾乎全部為干溝,因此,確定五角堡二疊系灰?guī)r出露區(qū)為補(bǔ)給區(qū),補(bǔ)給區(qū)面積為11.5km2(圖1)。

1.5 承壓水的補(bǔ)給-徑流-排泄分析

補(bǔ)給:補(bǔ)給區(qū)巖溶發(fā)育,降水通過(guò)裂隙、溶洞、落水洞潛伏地下成為巖溶泉水。

徑流:補(bǔ)給區(qū)五角堡二疊系灰?guī)r出露高程1160～1 783 m,井區(qū)新灘壩二疊系灰?guī)r埋深-1295～-2046m,兩者相差2455～3829m,二疊系灰?guī)r上部有相對(duì)隔水的飛仙關(guān)組粉砂巖和玄武巖地層的限制,較大的高差和有利的地層組合,為地下水的徑流提高了動(dòng)力條件。

從補(bǔ)給區(qū)到溫泉井,地下水徑流的方向主要受五角堡-樓東背斜的控制,背斜軸部裂隙相對(duì)發(fā)育,為地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移提供了空間和通道[8]。

排泄:補(bǔ)給區(qū)潛伏后的巖溶泉水,一部分受到玄武巖地層隔水層的阻隔,在補(bǔ)給區(qū)銅廠(chǎng)溝二疊系灰?guī)r石與玄武巖的接觸面出露為幸福泉,出露高程為870m,出露后向當(dāng)?shù)叵?、河流排泄。另一部分繼續(xù)受構(gòu)造和特殊的地形、巖性組合控制,一方面向地下深循環(huán),另一方面長(zhǎng)距離的由西南向北東方向的大峽谷溫泉運(yùn)動(dòng),排泄較為隱蔽(圖2)。

圖2 大峽谷溫泉形成原理示意圖

2 承壓水補(bǔ)給量計(jì)算

2.1 補(bǔ)給區(qū)巖溶水總量計(jì)算

補(bǔ)給區(qū)的降水除蒸發(fā)和少部分形成地表徑流外,其余通過(guò)溶蝕、裂隙、溶洞,峰叢洼地、落水洞等方式潛伏在目標(biāo)含水層二疊系灰?guī)r內(nèi),成為補(bǔ)給區(qū)的巖溶水資源量[9]。補(bǔ)給區(qū)的巖溶水總量采用降水入滲補(bǔ)給系數(shù)法和地下水總補(bǔ)給模數(shù)圖法2種方法計(jì)算。

a.降水入滲補(bǔ)給系數(shù)法。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)受降水、地形地貌、土壤植被、巖性、地質(zhì)構(gòu)造等多種因素影響,一般富水性強(qiáng)的碳酸巖地區(qū)入滲補(bǔ)給系數(shù)大,富水性差的砂頁(yè)巖地區(qū)入滲補(bǔ)給系數(shù)小。根據(jù)地區(qū)分區(qū)的流域降水量-地下徑流深-入滲補(bǔ)給系數(shù)圖并結(jié)合實(shí)地調(diào)查分析,五角堡為石灰?guī)r地區(qū),降水大部分潛入地下,水源補(bǔ)給區(qū)的入滲補(bǔ)給系數(shù)確定為0.40,補(bǔ)給區(qū)40a平均年降水量為1350mm,則多年平均地下徑流量為621萬(wàn)m3。

b.地下水總補(bǔ)給模數(shù)圖法。根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料和枯泉水調(diào)查繪制的地區(qū)地下水總補(bǔ)給模數(shù)圖代表地下水的正常值,通過(guò)實(shí)地調(diào)查分析,補(bǔ)給區(qū)巖溶區(qū)石牙、溶洞、落水洞發(fā)育,降水大部分潛入地下,則確定補(bǔ)給區(qū)多年平均地下水總補(bǔ)給模數(shù)為55萬(wàn)m3/km2,補(bǔ)給區(qū)面積為11.5 km2,則多年平均地下水總量為633萬(wàn)m3。

地下水總補(bǔ)給模數(shù)圖法和降水入滲補(bǔ)給系數(shù)法2種方法計(jì)算的補(bǔ)給區(qū)巖溶水總量基本接近,采用降水入滲補(bǔ)給系數(shù)法的計(jì)算成果,即補(bǔ)給區(qū)多年平均地下水總量W為621萬(wàn)m3,流量為0.20m3/s。

2.2 承壓水補(bǔ)給量計(jì)算

補(bǔ)給區(qū)的巖溶水在從補(bǔ)給源向大峽谷排泄的過(guò)程中,一部分以泉水的形式出露于地表,如幸福泉排泄量W泄為445萬(wàn)m3,另一部分潛入地下深層成為溫泉,則大峽谷目標(biāo)含水層獲得的承壓水多年平均補(bǔ)給量為:

由于無(wú)泉水實(shí)測(cè)資料系列,大峽谷溫泉承壓水多年平均補(bǔ)給量成果的檢驗(yàn),采用西部大峽谷溫泉井的調(diào)查測(cè)量資料進(jìn)行。大峽谷溫泉為自噴井,溫泉自噴井日出水量最大為1978年初期,平均噴出水量為4306m3/d,2003年平均噴出水量為3000m3。噴出水量是動(dòng)態(tài)變化的,多年平均噴出水量3500m3/d,多年年平均噴出水量為128萬(wàn)m3。大峽谷目標(biāo)含水層獲得承壓水多年平均補(bǔ)給量(176萬(wàn)m3)大于溫泉井的多年年平均噴出水量(128萬(wàn)m3),分析計(jì)算承壓水補(bǔ)給量與大峽谷溫泉的多年年平均噴出水量是協(xié)調(diào)合理的。

3 結(jié) 論

筆者依據(jù)大量的自然地理、水文地質(zhì)、水文調(diào)查資料,對(duì)巖溶承壓水的補(bǔ)給源和形成進(jìn)行探索,采用水文地質(zhì)調(diào)查、同位素、水化學(xué)等多種方法定性分析巖溶承壓水的補(bǔ)給源和補(bǔ)給范圍;采用降水入滲補(bǔ)給系數(shù)法、地下水總補(bǔ)給模數(shù)圖法定量計(jì)算巖溶承壓水補(bǔ)給量,利用水量平衡原理計(jì)算溫泉承壓水多年平均補(bǔ)給量,計(jì)算的方法合理,分析計(jì)算成果通過(guò)與大峽谷溫泉的實(shí)測(cè)噴出水量檢驗(yàn),成果是可靠的。分析計(jì)算為大峽谷溫泉水資源的開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)提供了技術(shù)依據(jù)。

[1]芮孝芳.水文學(xué)原理[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2004.

[2]芮孝芳,劉方貴,邢貞相.水文學(xué)的發(fā)展及其所面臨的若干前沿科學(xué)問(wèn)題[J].水利水電科技進(jìn)展,2008,27(1):75-79.

[3]高柏,孫占學(xué),劉金輝.江西省地?zé)釡厝_(kāi)發(fā)利用與保護(hù)[J].水資源保護(hù),2006,22(2):92-94.

[4]葉水庭.地下水文學(xué)[M].南京:河海大學(xué)出版社,1991.

[5]梁彬,朱明秋,裴建國(guó),等.巖溶水資源開(kāi)發(fā)利用與綜合治理經(jīng)驗(yàn)-以湘西巖溶區(qū)為例[J].水資源保護(hù),2007,23(2),64-69.

[6]李森,陳家軍,孟占利.地下水可采資源量及若干問(wèn)題探討[J].水資源保護(hù),2004(4):1-4.

[7]喬光健,鮑其鋼,趙永旗.邢臺(tái)百泉巖溶地下水系統(tǒng)特征分析與開(kāi)發(fā)利用研究[J].水資源保護(hù),2003(4):7-9.

[8]寧維亮,高紅波,張江華.娘子關(guān)泉域巖溶水資源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)[J].水資源保護(hù),2002(4):18-20.

[9]高波.郭莊泉流量衰減原因分析及對(duì)策[J].水資源保護(hù),2002(1):64-65.

Analysis and calculation of karst confined water recharge:A case study of thermal spring in Daxiagu in Shuifu County,Yunnan Province

REN Ji-zhou
(Zhaotong Branch of Yunnan Hydrology and Water Resources Bureau,Zhaotong 657000,China)

Through hydrogeological surveys,isotopes,and water chemistry analysis,the supply sources of thermal spring karst confined water recharge zones in Shuifu County,Yunnan Province were analyzed qualitatively.Using the precipitation recharge coefficient method and the groundwater recharge module of the total supply method,the total undergroundwater resources in karst areas were estimated quantitatively.The water balance principle was employed to calculate the water volume supplying karst confinedwater.The results showed that Wujiaobao was the main supply zone,and the water supply was recharged by precipitation.The long-term average groundwater resourceswere 6.21×106m3,and the recharge discharge was 0.20m3/s.The results provided the basis for the development,utilization,and protection of water resources.

karst confined water;recharge discharge;analysis and calculation;Shuifu County,Yunnan Province;thermal spring in Daxiagu

P641.8

A

1004-6933(2010)02-0066-04

任繼周(1966—),男,云南昭通人,高級(jí)工程師,主要從事水資源分析評(píng)價(jià)、水文預(yù)報(bào)等工作。E-mial:rjz2229409@163.com

(收稿日期:2009-01-04 編輯:徐 娟)