劉惠陽(yáng),邱錦安,張 榮

(1.廣東省地質(zhì)工程公司,廣東 廣州 510080;2.廣東省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)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(dòng)力學(xué)問題與計(jì)算地下含水層允許開采量中是非常重要的水文地質(zhì)參數(shù)[1-2],因此求取可靠的水文地質(zhì)參數(shù)是正確評(píng)價(jià)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(chǔ)工作[3]。據(jù)了解,根據(jù)野外鉆孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得地下含水層水文地質(zhì)參數(shù)是水文地質(zhì)工作中經(jīng)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(yùn)動(dòng)理論需滿足含水層等厚、均質(zhì)、各向同性、產(chǎn)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(gòu)造、節(jié)理裂隙發(fā)育帶產(chǎn)狀的控制,常呈帶狀分布,形成不規(guī)則的含水帶,導(dǎo)致同一含水層埋深不同,此外裂隙水賦存的空間介質(zhì)不均勻、地下水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜等[7]。因此,利用傳統(tǒng)地下水運(yùn)動(dòng)理論公式計(jì)算基巖裂隙含水層水文地質(zhì)參數(shù)是否合適需進(jìn)一步探討研究,特別是在水文地質(zhì)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(zhì)條件復(fù)雜,缺少長(zhǎng)期觀測(cè)資料,參數(shù)不易確定,給地下水資源計(jì)算帶來很大的困難[8]。因此,海島地區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)一直以來是水文地質(zhì)計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)為例,進(jìn)行海島地區(qū)基巖裂隙含水層水文地質(zhì)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(zhì)背景

廣東珠海橫琴新區(qū)地處珠江口西側(cè),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(shì)總體上為兩山夾一溝:北側(cè)為小橫琴島低丘陵,中心為中心溝平原,南側(cè)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(shì)較高,其中最高峰腦背山海拔457.7 m,南麓狹長(zhǎng)陡峭,北麓寬闊平緩;中、北部平原區(qū)面積約51.1 km2,地勢(shì)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(gòu)造位置屬于珠江三角洲斷陷盆地西緣,蓮花山構(gòu)造帶西南端,斷裂構(gòu)造發(fā)育。區(qū)內(nèi)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(jì)花崗巖類最為發(fā)育,變質(zhì)巖零星分布。區(qū)內(nèi)構(gòu)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(jí)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(gòu)造角礫巖、 磨礫巖、碎斑巖-碎粒巖等構(gòu)造巖,指示斷裂的多期活動(dòng)性質(zhì)。

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(zhǎng)隆、小橫琴島北側(cè)等河涌?jī)砂?、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(zhì)粘性土為主,分為松散巖類孔隙潛水和微承壓-承壓水,水質(zhì)多為咸水,Cl-Na型為主要水化學(xué)類型,礦化度普遍較高,富水性極貧乏-貧乏?；鶐r裂隙水,以風(fēng)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(tái)地等,賦存于中侏羅世和晚侏羅世花崗巖風(fēng)化裂隙帶和構(gòu)造斷裂帶中,水質(zhì)為淡水,水化學(xué)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(kù)、溪流等地表水補(bǔ)給;低山丘陵區(qū)地勢(shì)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?jī)砂镀皆瓍^(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(nèi)風(fēng)化裂隙水和松散巖類孔隙潛水動(dòng)態(tài)變化具有較明顯的季節(jié)性,與氣候因素關(guān)系密切;而構(gòu)造裂隙水與松散巖類孔隙微承壓-承壓水動(dòng)態(tài)變化較為穩(wěn)定。

2 水文鉆探與抽水試驗(yàn)

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(zhǎng)隆團(tuán)結(jié)水庫(kù)東側(cè)約50 m,鉆孔深54.41 m,孔口標(biāo)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(zhì)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(chǔ)存層位,富水性貧乏;(3)殘積土層(9.10～12.20 m),巖性為砂質(zhì)黏性土,淺棕黃色,石英呈次棱角狀,斜長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石風(fēng)化嚴(yán)重,在部分巖芯橫截面可見其花崗結(jié)構(gòu);(4)基巖(12.20～54.41 m),為中風(fēng)化粗中粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖,巖芯整體呈碎塊、短柱-長(zhǎng)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(gòu)造”理論認(rèn)為地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水補(bǔ)給條件和水動(dòng)力條件以及自然地理?xiàng)l件是不同蓄水構(gòu)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(tái)斷裂,斷裂具有多期次構(gòu)造活動(dòng)特征,斷裂性質(zhì)以壓扭性為主,斷裂規(guī)模較大。在強(qiáng)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(cè)裂隙發(fā)育,透水性強(qiáng),較容易構(gòu)成一個(gè)儲(chǔ)水空間;同時(shí),在后期的張應(yīng)力作用下,更增加了斷裂周邊破碎帶的透水性,形成導(dǎo)水構(gòu)造帶,增加儲(chǔ)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(gòu)造”;外加溝谷縱深,集水面積大等地形優(yōu)勢(shì),使得該區(qū)域富水性較好。

2.2 抽水試驗(yàn)概況

鉆孔完成后,先將鋼管下沉至基巖中風(fēng)化面,埋深約12.20 m,防止因洗井而導(dǎo)致人工填土層、黏土質(zhì)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(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的作用;然后進(jìn)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(yàn),抽水泵流量2 m3/h,水泵揚(yáng)程30 m,泵量約1 m3。巖芯53 m之后幾乎無裂隙,因此可認(rèn)為該鉆孔貫穿整個(gè)含水層,并能全面進(jìn)水,視為完整承壓水井。

該鉆孔共進(jìn)行三次不同水位降深抽水試驗(yàn),每次試驗(yàn)持續(xù)7～8 h至涌水量穩(wěn)定后再進(jìn)行水位降深調(diào)整,由大降深逐漸變成小降深,最后停止抽水試驗(yàn)等待地下水位恢復(fù)。在試驗(yàn)期間,用鋼尺水位記連續(xù)測(cè)量并記錄鉆孔水位。抽水試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)表

圖1 Q、S-t過程曲線圖

圖2 Q=f(Sw)、q=f(Sw)關(guān)系曲線圖

3 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

在野外的鉆孔抽水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng),一般會(huì)當(dāng)場(chǎng)檢查和整理抽水流量(Q)、地下水位(S)與抽水延續(xù)時(shí)間(t)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并及時(shí)繪制Q-t、S-t等關(guān)系曲線,用以掌握抽水試驗(yàn)是否按要求正常進(jìn)行,判斷抽水曲線是否達(dá)到水位地質(zhì)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(yàn)正常進(jìn)行,流量和水位的觀測(cè)成果可信;且從鉆孔的 3次定水位抽水試驗(yàn)流量Q與時(shí)間關(guān)系t可以看出,當(dāng)抽水試驗(yàn)進(jìn)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(yàn)至水位穩(wěn)定的所需時(shí)間與水位恢復(fù)至初始水位的所需時(shí)間比大降深的時(shí)間要短,表明該含水層涌水量與滲透系數(shù)的數(shù)據(jù)關(guān)系符合客觀實(shí)際,補(bǔ)給條件正常。

鉆孔SWZ01抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)室內(nèi)整理后,使用Aquifer Test成圖軟件繪制Q=f(Sw)、q=f(Sw)關(guān)系曲線圖,含水層類型和邊界性質(zhì)以及抽水試驗(yàn)是否異?？梢罁?jù)曲線形態(tài)進(jìn)行正確判定。曲線圖顯示:Q=f(Sw)、q=f(Sw)關(guān)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(guān)系,直線基本過原點(diǎn),關(guān)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(gè)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(zhì)參數(shù)計(jì)算

對(duì)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(zhì)參數(shù)。為了方便求取水文地質(zhì)參數(shù),假設(shè)該承壓含水層滿足裘布依假設(shè):含水層等厚、均質(zhì)、各向同性、產(chǎn)狀水平、側(cè)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(yàn)是將抽水孔看作觀測(cè)孔,在單井抽水條件下,影響半徑 R常用經(jīng)驗(yàn)值,但取經(jīng)驗(yàn)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(guān)成果,以裘布依公式與吉哈爾特經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ),采用迭代法求解K、R。裘布依公式(1)、吉哈爾特經(jīng)驗(yàn)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(zhì)參數(shù)

本文鉆孔SWZ01共進(jìn)行 3 次不同水位降深的抽水試驗(yàn),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(duì)應(yīng)的穩(wěn)定抽水量Q=41.54 m3/d 為例,首先假設(shè)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(jīng)驗(yàn)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(jì)算結(jié)果顯示最后兩次求得K值相同,故采用K=0.112 6 m/d(對(duì)應(yīng)R=56.54 m)作為最終求取結(jié)果,以上所用方法即為迭代法。

依照上述方法,可以計(jì)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(jì)算所得的滲透系數(shù)值可知,當(dāng)抽水流量與水位降深值不同時(shí),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(yàn)較為成功,試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常,所采用的計(jì)算方法正確,所得結(jié)果較為可信、可靠。在計(jì)算地下水可開采資源量時(shí),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(yàn)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(dá)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(duì)應(yīng)影響半徑R為 56.54 m。

依據(jù)裘布依公式可知,當(dāng)滲透系數(shù)、影響半徑、含水層厚度、鉆孔半徑等水文地質(zhì)參數(shù)已知時(shí),只要給出設(shè)計(jì)水位降深值,即可預(yù)報(bào)水井開采量;也可按設(shè)計(jì)的涌水量,預(yù)報(bào)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(yàn)孔水位降深值可達(dá)28 m,其推算涌水量約為 68 m3/d,地下水富水性等級(jí)為水量中等。

5 結(jié)語(yǔ)

(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(yàn)一般無觀測(cè)孔,只能將抽水孔當(dāng)作觀測(cè)孔,故常采用裘布依公式與吉哈爾特經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合,運(yùn)用迭代法求解滲透系數(shù) K 及影響半徑 R。經(jīng)過本文海島地區(qū)單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)驗(yàn)證,這是一種比較簡(jiǎn)單、有效、可行的方法,對(duì)于海島地區(qū)基巖裂隙含水層水文地質(zhì)參數(shù)的求取具有參考意義。

(2)通過承壓水完整井公式計(jì)算滲透系數(shù) K 和影響半徑 R,對(duì)于研究海島地區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)問題具有重要意義,同時(shí)也可為海島地區(qū)地下水資源量評(píng)估及環(huán)境影響評(píng)價(jià)等項(xiàng)目提供有力依據(jù)。