劉惠陽,邱錦安,張 榮

(1.廣東省地質工程公司,廣東 廣州 510080;2.廣東省地質災害應急搶險技術中心,廣東 廣州 510080)

0 前言

滲透系數(shù)(K)和影響半徑(R)在探討地下水動力學問題與計算地下含水層允許開采量中是非常重要的水文地質參數(shù)[1-2],因此求取可靠的水文地質參數(shù)是正確評價地下水資源及其合理可持續(xù)開發(fā)利用,以及興利除害的重要前期基礎工作[3]。據(jù)了解,根據(jù)野外鉆孔抽水試驗數(shù)據(jù)求得地下含水層水文地質參數(shù)是水文地質工作中經常采用的,且比較有效的方法之一[4-5]。由于傳統(tǒng)的地下水運動理論需滿足含水層等厚、均質、各向同性、產狀水平以及地下水為層流、地下水位水平等假定條件[6];而基巖裂隙水因受斷裂構造、節(jié)理裂隙發(fā)育帶產狀的控制,常呈帶狀分布,形成不規(guī)則的含水帶,導致同一含水層埋深不同,此外裂隙水賦存的空間介質不均勻、地下水運動狀態(tài)復雜等[7]。因此,利用傳統(tǒng)地下水運動理論公式計算基巖裂隙含水層水文地質參數(shù)是否合適需進一步探討研究,特別是在水文地質參數(shù)求取缺少及研究程度低的小面積海島地區(qū)。

由于海島地區(qū)水文地質條件復雜,缺少長期觀測資料,參數(shù)不易確定,給地下水資源計算帶來很大的困難[8]。因此,海島地區(qū)地下水資源評價一直以來是水文地質計算中的難題之一。故本文以廣東珠海大橫琴島單孔穩(wěn)定流抽水試驗數(shù)據(jù)為例,進行海島地區(qū)基巖裂隙含水層水文地質參數(shù)求取及探討,從而推算其最大可開采水資源量。

1 區(qū)域地質背景

廣東珠海橫琴新區(qū)地處珠江口西側,四面環(huán)水:南瀕南海,北依馬騮洲水道,西接磨刀門水道,東臨契辛峽。研究區(qū)域低山丘陵與平原地貌并存,山地起伏,溝河間隔,地勢總體上為兩山夾一溝:北側為小橫琴島低丘陵,中心為中心溝平原,南側為大橫琴島高丘陵。其中山區(qū)面積約33.9 km2,南部大橫琴島地勢較高,其中最高峰腦背山海拔457.7 m,南麓狹長陡峭,北麓寬闊平緩;中、北部平原區(qū)面積約51.1 km2,地勢低平,中部中心溝貫穿東西,河渠發(fā)育,魚塘密布。

橫琴大地構造位置屬于珠江三角洲斷陷盆地西緣,蓮花山構造帶西南端,斷裂構造發(fā)育。區(qū)內第四系主要以人工填土、第四系燈籠沙段和大灣鎮(zhèn)組沉積物為主,基巖以侏羅紀花崗巖類最為發(fā)育,變質巖零星分布。區(qū)內構造以脆性斷裂、韌脆性剪切帶為主,其中北東-北東東向斷裂帶和北西向斷裂帶為區(qū)域性斷裂,在區(qū)域上分別屬于三灶斷裂帶和西江斷裂帶,其余方向斷裂多為配套的次級斷裂。一系列近平行的北東-北東東向斷裂橫穿大橫琴島,發(fā)育硅化巖、構造角礫巖、 磨礫巖、碎斑巖-碎粒巖等構造巖,指示斷裂的多期活動性質。

松散巖類孔隙水和基巖裂隙水是研究區(qū)域主要地下水類型。松散巖類孔隙水主要分布在中心溝兩岸、深井灣、長隆、小橫琴島北側等河涌兩岸、山間溝谷及環(huán)島沙堤地區(qū),賦存于第四系陸相沖洪積層、殘坡積和海相海灘沉積,含水層巖性以礫砂、中粗砂及砂質粘性土為主,分為松散巖類孔隙潛水和微承壓-承壓水,水質多為咸水,Cl-Na型為主要水化學類型,礦化度普遍較高,富水性極貧乏-貧乏?；鶐r裂隙水,以風化裂隙水和塊狀巖類裂隙水為主,主要分布在大、小橫琴島等低山丘陵、殘丘臺地等,賦存于中侏羅世和晚侏羅世花崗巖風化裂隙帶和構造斷裂帶中,水質為淡水,水化學類型主要為HCO3-Ca·Na、HCO3·Cl-Na型,富水性貧乏-中等。地下水主要接受大氣降雨及山塘、水庫、溪流等地表水補給;低山丘陵區(qū)地勢較陡,地下水多在溝谷切割處或剝蝕面裂隙處以滲流形式及泉形式(少量)向溝谷排泄,排泄條件好;河涌兩岸平原區(qū),地下軟土厚度較大,滲透性差,地下水主要排入中心溝或四周江河海域中。區(qū)內風化裂隙水和松散巖類孔隙潛水動態(tài)變化具有較明顯的季節(jié)性,與氣候因素關系密切;而構造裂隙水與松散巖類孔隙微承壓-承壓水動態(tài)變化較為穩(wěn)定。

2 水文鉆探與抽水試驗

2.1 水文鉆探

鉆孔SWZ01位于廣東省珠海市橫琴新區(qū)大橫琴島長隆團結水庫東側約50 m,鉆孔深54.41 m,孔口標高11.25 m,靜止水位埋深4.15 m。巖芯自上而下可分為:(1)人工填土層(0～4.50 m),由土黃色粗砂、黏土及少量基巖碎塊組成,欠飽和-飽和狀態(tài);(2)黏土質砂礫層(4.50～9.10 m),為山前溝谷沖洪積物,深灰色-灰黃、棕黃色,黏土約占總含量20%,砂礫約80%,呈稍密,濕、飽和狀態(tài),是淺層孔隙潛水的主要儲存層位,富水性貧乏;(3)殘積土層(9.10～12.20 m),巖性為砂質黏性土,淺棕黃色,石英呈次棱角狀,斜長石、正長石風化嚴重,在部分巖芯橫截面可見其花崗結構;(4)基巖(12.20～54.41 m),為中風化粗中粒黑云母二長花崗巖,巖芯整體呈碎塊、短柱-長柱狀,局部巖芯節(jié)理裂隙發(fā)育,13.10～13.50 m、21.60～22.10 m、28.50～29.00 m、29.30～29.70 m、36.60～37.00 m等處巖芯較破碎,呈碎屑-碎塊狀,裂隙面和碎塊表面見明顯綠泥石化現(xiàn)象,殘留鐵銹、青苔等水流痕跡,為主要承壓含水層段,富水性貧乏-中等。

“蓄水構造”理論認為地層巖性、地質構造、地下水補給條件和水動力條件以及自然地理條件是不同蓄水構造中影響基巖裂隙水富集的主控因素[9]。鉆孔所在區(qū)域發(fā)育深井坳斷裂與望天臺斷裂,斷裂具有多期次構造活動特征,斷裂性質以壓扭性為主,斷裂規(guī)模較大。在強大的壓力作用下,巖層壓裂破碎,起到一定的隔水作用,但在壓性斷裂的兩側裂隙發(fā)育,透水性強,較容易構成一個儲水空間;同時,在后期的張應力作用下,更增加了斷裂周邊破碎帶的透水性,形成導水構造帶,增加儲水能力。該基巖裂隙系統(tǒng)成為鉆孔SWZ01主要含水層,形成“斷裂型蓄水構造”;外加溝谷縱深,集水面積大等地形優(yōu)勢,使得該區(qū)域富水性較好。

2.2 抽水試驗概況

鉆孔完成后,先將鋼管下沉至基巖中風化面,埋深約12.20 m,防止因洗井而導致人工填土層、黏土質砂礫層及殘積土層垮塌,此外還有阻擋孔隙潛水流向鉆孔而影響抽水試驗數(shù)據(jù)準確性的作用;然后進行抽水洗孔,先試抽水8 h至水清且出水量穩(wěn)定;最后下入水泵開始抽水試驗,抽水泵流量2 m3/h,水泵揚程30 m,泵量約1 m3。巖芯53 m之后幾乎無裂隙,因此可認為該鉆孔貫穿整個含水層,并能全面進水,視為完整承壓水井。

該鉆孔共進行三次不同水位降深抽水試驗,每次試驗持續(xù)7～8 h至涌水量穩(wěn)定后再進行水位降深調整,由大降深逐漸變成小降深,最后停止抽水試驗等待地下水位恢復。在試驗期間,用鋼尺水位記連續(xù)測量并記錄鉆孔水位。抽水試驗孔不同水位降深及涌水量數(shù)據(jù)見表1。

表1 單孔抽水試驗數(shù)據(jù)表

圖1 Q、S-t過程曲線圖

圖2 Q=f(Sw)、q=f(Sw)關系曲線圖

3 水文地質參數(shù)計算

3.1 試驗結果分析

在野外的鉆孔抽水試驗現(xiàn)場,一般會當場檢查和整理抽水流量(Q)、地下水位(S)與抽水延續(xù)時間(t)監(jiān)測數(shù)據(jù),并及時繪制Q-t、S-t等關系曲線,用以掌握抽水試驗是否按要求正常進行,判斷抽水曲線是否達到水位地質參數(shù)求取的要求。Q、S-t過程曲線圖(圖1)表明本鉆孔抽水試驗正常進行,流量和水位的觀測成果可信;且從鉆孔的 3次定水位抽水試驗流量Q與時間關系t可以看出,當抽水試驗進行80～120 min后,3次不同水位降深的出水量基本穩(wěn)定,涌水量不再增加。此外,小水位降深抽水試驗至水位穩(wěn)定的所需時間與水位恢復至初始水位的所需時間比大降深的時間要短,表明該含水層涌水量與滲透系數(shù)的數(shù)據(jù)關系符合客觀實際,補給條件正常。

鉆孔SWZ01抽水試驗數(shù)據(jù)經室內整理后,使用Aquifer Test成圖軟件繪制Q=f(Sw)、q=f(Sw)關系曲線圖,含水層類型和邊界性質以及抽水試驗是否異?？梢罁?jù)曲線形態(tài)進行正確判定。曲線圖顯示:Q=f(Sw)、q=f(Sw)關系曲線屬 Ⅰ 類曲線,表示承壓井流[10](圖2);此外,圖2顯示涌水量Q與水位降深 Sw呈線性關系,直線基本過原點,關系式為:Q=0.097·Sw,表明隨著水位降深Sw增大,單位涌水量q不變,基本為一個定值(約0.027 L/s·m)。因此,該基巖裂隙含水層中的地下水為承壓水,符合一開始的判斷。

3.2 水文地質參數(shù)計算

對于地下承壓含水層而言,滲透系數(shù) K 與影響半徑 R 是最重要的水文地質參數(shù)。為了方便求取水文地質參數(shù),假設該承壓含水層滿足裘布依假設:含水層等厚、均質、各向同性、產狀水平、側向無限延伸;天然狀態(tài)下的水力坡度在抽水前為零;含水層中地下水為層流,服從Darcy定律;水頭下降引起的地下水釋放是瞬間完成。

由于本文抽水試驗是將抽水孔看作觀測孔,在單井抽水條件下,影響半徑 R常用經驗值,但取經驗值或估算值可能誤差較大,所以僅用裘布依公式無法正確求取滲透系數(shù) K 與影響半徑 R。故本文試用前人相關成果,以裘布依公式與吉哈爾特經驗公式為基礎,采用迭代法求解K、R。裘布依公式(1)、吉哈爾特經驗公式(2)分別如下:

(1)

(2)

式中:K為滲透系數(shù),m/d;Q為抽水流量,m3/d;M為含水層厚度,m;Sw為水位降深,m;R為影響半徑,m;r為鉆孔半徑,m。

表2 鉆孔含水層水文地質參數(shù)

本文鉆孔SWZ01共進行 3 次不同水位降深的抽水試驗,已知含水層厚度(M=24.20 m)、鉆孔半徑(r=0.054 m),下面以大降深Sw=16.85 m對應的穩(wěn)定抽水量Q=41.54 m3/d 為例,首先假設影響半徑R=50 m,然后將以上各參數(shù)代入裘布依公式(1),可得:

之后將K=0.111 m/d 代人吉哈爾特經驗公式(2),得;

再將R換成56.14 m代入式(1)得K=0.112 5 m/d;接著將K=0.112 5 m/d代入式(2)得R=56.51 m,將R=56.51 m代入式(1)得K=0.112 6 m/d;然后再次將K=0.112 6 m/d代入式(2)得R=56.54 m,將R=56.54 m代入式(1)得K=0.112 6 m/d。計算結果顯示最后兩次求得K值相同,故采用K=0.112 6 m/d(對應R=56.54 m)作為最終求取結果,以上所用方法即為迭代法。

依照上述方法,可以計算出其它兩次不同水位降深下滲透系數(shù) K 及影響半徑 R 值,如表 2 所示。

4 討論

由表2計算所得的滲透系數(shù)值可知,當抽水流量與水位降深值不同時,雖然最后求得的滲透系數(shù)值存在不同,但相差非常小,說明本文的穩(wěn)定流抽水試驗較為成功,試驗數(shù)據(jù)正常,所采用的計算方法正確,所得結果較為可信、可靠。在計算地下水可開采資源量時,一般情況下采用滲透系數(shù)的最大值或平均值,由于本文抽水試驗抽水泵的流量為2 m3/h,在抽水初期(水位降深約 6.0 m)出現(xiàn)涌水量超出流程,達2.43 m3/h 現(xiàn)象,因此選用其最大值 K=0.112 6 m/d更為合適,其對應影響半徑R為 56.54 m。

依據(jù)裘布依公式可知,當滲透系數(shù)、影響半徑、含水層厚度、鉆孔半徑等水文地質參數(shù)已知時,只要給出設計水位降深值,即可預報水井開采量;也可按設計的涌水量,預報抽水后的地下水位。根據(jù)鉆孔SWZ01巖芯破碎程度及裂隙發(fā)育情況,該抽水試驗孔水位降深值可達28 m,其推算涌水量約為 68 m3/d,地下水富水性等級為水量中等。

5 結語

(1)由于各種條件的限制,海島地區(qū)基巖裂隙含水層的單孔抽水試驗一般無觀測孔,只能將抽水孔當作觀測孔,故常采用裘布依公式與吉哈爾特經驗公式相結合,運用迭代法求解滲透系數(shù) K 及影響半徑 R。經過本文海島地區(qū)單孔穩(wěn)定流抽水試驗驗證,這是一種比較簡單、有效、可行的方法,對于海島地區(qū)基巖裂隙含水層水文地質參數(shù)的求取具有參考意義。

(2)通過承壓水完整井公式計算滲透系數(shù) K 和影響半徑 R,對于研究海島地區(qū)地下水運動問題具有重要意義,同時也可為海島地區(qū)地下水資源量評估及環(huán)境影響評價等項目提供有力依據(jù)。