環縣西部嚴重缺水區構造裂隙水找水實踐

劉心彪，盧造權，張龍生

(1.甘肅省地質環境監測院，甘肅 蘭州 730050，2.甘肅省慶陽市環保局，甘肅 慶陽745000)

環縣位于甘肅省東部，慶陽市西北部，地處毛烏素沙漠邊緣的黃土丘陵溝壑區，干旱少雨，是全國43個扶貧開發重點縣和甘肅省21個干旱縣之一，當地12.27萬人和36.6萬頭牲畜的飲用水源主要依靠降雨集水(窖水)。縣城西部毛井、車道等鄉鎮，地表和淺層地下水60%以上為人畜不宜飲用的苦咸水，是甘肅省有名的“苦水區”，地下水礦化度一般為3～6 g/L，最高達18 g/L，地表水礦化度3～10 g/L，基本無法飲用。2004年9月到2007年9月，環縣經歷了有氣象記載以來最嚴重的干旱，在長達一千多天的日子里，幾乎沒有一次有效降雨，地表水斷流，15.4萬眼水窖中有10.8萬眼窖中無蓄水。為了維持生計，當地群眾耗費人力物力遠距離運水，生活用水每噸價格高達70～80元，形成了“水貴如油”的困難局面。嚴重干旱缺水直接威脅到人民群眾的生存安全，而且制約了當地經濟社會的可持續發展，解決吃水問題是當地群眾生存發展的頭等大事1。

1 自然地理

1.1 氣象水文

環縣屬溫帶半干旱氣候帶，具有干旱少雨多風的氣候特點。根據環縣氣象站資料，多年平均氣溫8.6℃，最冷月(元月)平均氣溫 －13℃，最熱月(七月)平均氣溫28.9℃，極端最高氣溫37.5℃，極端最低氣溫 －23.2℃(發生在1975年12月12日)，最大凍土深度1.50 m，無霜期142～185天。

降水量自東南向西北方向遞減，而蒸發量則逐步遞增。年平均降水量為330 mm，年平均蒸發量為1 861.3 mm。年內降水量季節性分布明顯，降水主要集中在7、8、9三個月，約占全年降水量的62.8%，常以暴雨的形式出現，日最大降水量88.5 mm，1小時最大降水量51.7 mm，均出現在1988年7月18日，其日降雨量占全年降雨量的14%，而小時降雨量占日降雨量的58%。另外，年際降水量分布極不均衡，最大降雨量為812.9 mm(1964年)，年最小降雨量為277.2 mm(1987年)。

區內河流主要有蒲河、環江及其支流馬坊川、羅山川、西城川、合道川、安山川等，多為季節性溝谷。水質苦咸，礦化度很高，不宜直接灌溉和人畜飲用。

1.2 地形地貌

區內地處黃土高原丘陵溝壑區，地形復雜，山、川、塬兼有，梁、峁、谷相間。地勢大致西北高東南低，海拔一般為1 200～2 000 m。依據地貌的形態特征，可分為河(溝)谷川區、梁峁丘陵區兩種地貌類型。河(溝)谷川區分布于環江較大的一級支溝谷區，河谷寬度0.5～1 km，橫剖面呈狹窄的“U”字型。梁峁丘陵溝壑區分為掌形地發育的梁峁丘陵溝壑區和干杖地發育的梁峁丘陵溝壑區。掌形地發育的梁峁丘陵溝壑區分布于甜水堡－車道一線以東，平面上形如手掌，發育在梁間溝腦地帶，其間沖溝發育，切割深度40～60 m，單掌面積在1 km2左右，掌面坡降比20‰～300‰，沖溝切割密度0.5～2 km/km2;干杖地發育的梁峁丘陵溝壑區分布于毛井、車道一帶，處于梁峁之間，呈一長條形凹地，杖面平坦，寬度 100～600 m，長度 1.5～5 km，坡降比 15‰ ～100‰，中上段無沖溝，杖地北坡陡，南坡緩，在主杖南側發育有支杖呈梳狀展布。

2 地質與水文地質

2.1 地質概況

研究區大地構造位置上位于賀蘭褶皺帶，地處“南北古脊梁”隆起，地殼運動頻繁，地層之間多為斷層銜接，新近系、古近系、白堊系地層分布于斷陷洼地之中(圖1)。賀蘭褶皺帶元古界地層經受加里東期運動后，形成了S～N向構造雛形，以后經歷海西、燕山和喜馬拉雅運動，形成了一系列近S～N向斷裂構造;其東部伊陜盾地經受加里東期運動后一直處于下沉狀態，具有相對穩定性，下白堊系巖層褶皺平緩，僅有天環向斜。區域地質構造有:

1)甜車大斷裂(F1):南北向貫穿環縣境內，北伸至甜水，南延伸到車道坡，斷裂東側是中、新生界凹陷，西側是古生界隆起。

2)沙坡子－張中莊斷層(F2):走向近正南北，北起沙坡子九連山，南至張中莊，傾向西，傾角70°～80°，屬高角度正斷層。

3)白家溝－櫻桃溝大斷裂(F3):走向近南北，斷層面傾向東，傾角70°～80°，斷層東部下陷，西部上升，為一正斷層。

4)塬峁推測斷裂(F4):在張中莊以西小南溝以北呈南北向展布，向南延伸到環縣西南盤龍坡附近，斷層性質不明。

5)楊東掌大斷裂(F5):走向近S～N，斷層西側為古生界地層，出露標高1 950 m，東側為新生界老第三系地層，出露標高1 750 m，明顯形成陡坎。

6)沙灘斷裂(F6):走向近EW向，東起大天池經秦團莊向西延伸至山城鄉楊咀子。在西端走向北東80°，傾向北西，傾角75°，斷裂東段走向為北東 70°～80°，傾向北西，傾角40°～50°，該斷裂為逆斷層，斷層線上西端有泉水溢出，水質咸苦。

區內第四系風積黃土大面積分布，基巖主要出露在溝谷谷坡、坡腳部位(圖1)，賀蘭褶皺帶除缺失志留系、泥盆系和石炭系外，從震旦系到第四系均有分布;伊陜盾地主要是下白堊系各套巖層，東部為一套泥巖、砂巖、河湖相碎屑巖，西部為一套洪積相礫巖，二者成鋸齒狀銜接，褶皺平緩。

2.2 水文地質條件

根據地下水的賦存條件和含水介質類型，區內地下水主要為松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水、巖溶裂隙水三大類型。

1)松散巖類孔隙水主要為黃土潛水，賦存于黃土梁峁丘陵溝壑區，主要在干杖地和掌形地發育區富水，分布于虎洞、王家大掌等掌形地，毛井－宋杖一帶的干杖地，含水層為上更新統早期(Q31)粉土和黃土狀亞砂土，上部疏松，具孔隙裂隙，下部致密。掌區含水層厚度一般都小于10 m，毛井－宋杖一帶含水層厚度10～50 m，富水性不均勻，滲透系數一般1.0～5.0 m/d。大氣降水通過飽氣帶土層，沿黃土的孔隙裂隙下滲，在下部有粘土隔水層時，形成黃土潛水，黃土潛水補給區到排泄區距離很短，微地貌控制地下水的徑流，每一沖溝成為獨立補給、徑流、排泄系統，徑流方向基本與地形坡向一致;含水層大多被沖溝切穿，地下水呈泉溢出。

2)碎屑巖類孔隙裂隙水

①下白堊系孔隙裂隙水分布于斷陷盆地中，主要賦存于下白堊系保安群砂巖、泥質砂巖及六盤山區礫巖孔隙裂隙和層間裂隙之中，水量較為貧乏，富水性較差，單泉流量一般為0.01～0.05 l/s，呈南北向條帶狀分布，深部具有承壓性，下白堊系孔隙裂隙水主要接受大氣降水及黃土潛水的補給，在溝谷地段地表水滲入補給，由于含水層膠結之謎、泥質含量，地下水徑流緩慢，在溝谷地帶多呈片狀滲流排泄補給地表水。

②古近系孔隙裂隙水主要賦存于固原統砂礫巖孔隙裂隙之中，分布在甜水－車道一線以西，屬山間凹陷型堆積，四周被中古生界巖層包圍，由于含水層上部是泥巖、粉砂巖，地下水補給不足，僅在局部富水性較好，單位涌水量0.1～5 m3/d.m。在毛井以南，主要接受來自固原一帶地下水的徑流補給，其它地段接受地表水、潛水及元、古、中生界地下水的入滲補給后，自南向北徑流，主要以地下徑流的方式排泄。

3)灰巖巖溶裂隙水

分布于毛井－張中莊－甜水堡一線以西，由于受多期構造運動影響，斷裂發育，褶皺強烈，地層之間大多呈斷層接觸，含水層富水性不均，地下水為構造裂隙承壓水。含水層巖性為震旦－奧陶系灰巖、白云巖。受構造、巖性、地貌、氣象和水文諸因素的制約和影響，南北古脊梁隆起不僅分割著兩側不同的儲水盆地，構成地下水分水嶺，其本身也是一個狹長的碳酸鹽巖裂隙巖溶水儲水帶。該含水層中，水位埋藏深，水量、水質變化大，地下水賦存條件復雜。地下水礦化度在毛井以北為2～5g/L，水化學類型屬CL－SO4－Na－Mg型水。該類地下水主要接受遠距離徑流補給，其次，接受境內地表水和潛水滲漏補給，地下水總體徑流方向是自北向南。

3 勘查部署實施

3.1 勘查思路

區內黃土掌形地潛水由于含水層厚度小，受溝谷切割分布不完整，不利于地下水的富集，加之該區干旱降雨補給不足，作為應急開采意義不大。碎屑巖類孔隙裂隙水含水層含泥質較多，膠結嚴密，裂隙不發育，或受地層空間結構的影響，不利于地下水下滲補給和運移，僅局部洼陷盆地有少量地下水，且礦化度高，基本沒有供水意義。該區構造強烈，震旦系－奧陶系灰巖受多期區域構造作用斷層發育，斷層帶巖層節理裂隙有利于地下水的運移和富集，在阻水斷裂帶附近有水質較好，水量豐富的地下水，如南湫鄉斷裂上升泉流量603.36 m3/d，水質較好。利用以往地質、水文地質研究成果，結合嚴重缺水地區人畜飲用水缺乏問題，在重點調查區開展1∶5萬水文地質調查，通過對地質、水文地質、物探資料分析，合理部署物探剖面，解譯追溯深部控水構造，布井探查構造裂隙巖溶水是環縣西部找水的新思路。

3.2 勘查實施

工作區地形條件復雜，溝壑縱橫，且地表覆蓋厚層第四系黃土，是巖溶裂隙地下水勘查的空白區，地面調查地質、水文地質信息較少。已有的重力布格異常圖(圖2)顯示，區內構造方向以南北向為主，重力異常高低相間，重力梯級帶對應了兩組斷裂，方向自NW—NNE—N總體呈反“S”狀展布，基本反映出了這兩組斷裂構造受到外力擠壓、扭曲的特點。為了真實的反映斷層空間展布特征及水文地質條件布設物探測深。在分析已有資料的基礎上布設3條可控源音頻大地地磁測深(CSAMT)剖面，1、2剖面為NW向，3剖面為NE向，剖面長度分別為:8.7 km、8.9 km 和 12.3 km，點距 100 m?？煽卦匆纛l大地地磁測深(CSAMT)是大地電磁發(MT)和音頻大地電磁法(AMT)的基礎上發展起來的一種人工源頻率域電磁測深方法，具有使用人工場源，改變頻率測深的特點，是目前中等深度(1000 m)水文地質勘查中的主要測試方法。本次勘查中其主要地質任務是:探測高阻灰巖頂面起伏，研究其與上覆地層構造的繼承關系，以查明構造斷裂的的空間展布規律及其富水特征。

圖1 物探剖面布置圖

根據三條CSAMT斷面(圖3)推斷次低阻電性層和下部低阻電性層推斷為白堊系地層，呈厚層狀西厚(1 500 m)東薄(200 m)以不整合接觸關系超覆在碳酸鹽巖上。在三條地電斷面高阻碳酸鹽巖中，出現垂向相對低阻帶，低阻帶呈南北向展布，呈高角度西傾，分布在重力推斷基底隆起部位，對此低阻帶初步推斷為裂隙破碎帶，三條斷面低阻帶呈南北向展布推斷為斷層裂隙破碎帶。

圖2 CSAMT電阻率及地質解譯斷面圖

3.3 鉆孔孔位確定及實施結果

經地面調查及物探分析鉆孔孔位定在2－2'物探剖面138點南大臺子村，設計深度1 000m。其主要依據:一、區內巖溶裂隙水呈脈狀賦存于斷裂帶及其影響裂隙帶中，斷裂構造對地下水的補給、徑流、排泄起控制作用，斷裂構造是的存在是地下水富集的基本條件，物探顯示斷裂構造帶呈高角度西傾，鉆孔宜布設斷層上盤，鉆探深度宜進入斷層影響帶中;具備良好的施工條件和用水條件，該處交通便利、地形平坦，溝谷有地表水可供施工，施工條件有利，鉆孔成井后易于管理，組織安排群眾的用水，能夠解決嚴重缺水地區人畜飲用水這個突出問題。

鉆孔采用全孔取芯，實施深度991.75 m，終孔后進行水文測井(圖4)、抽水試驗及水質分析等工作。鉆孔揭露與物探測深基本吻合，地層從上到下為:

1)0～42 m:第四系(Q)，風積黃土。

2)42－324.60米:白堊系(K15)羅漢洞組紫紅色砂質泥巖、泥質砂巖、砂巖。

2)324.60 ～991.75 米:奧陶系(O)灰巖，呈灰色、淺灰色厚層狀構造，該層裂隙發育，主要的巖溶水賦存層位。

水質分析表明溶解性總固體2 450 mg/L。地下水靜水位90 m，主要富水位置在430～900 m內灰巖破碎帶。實際抽水降深47.9 m，出水量400 m3/d，推算降深80m，出水量540 m3/d。

4 結論及建議

1)地質構造對脈狀地下水來說，不僅控制含水層和隔水層的分布規律，而且對地下水的形成、運移及賦存具有決定性的影響，水文地質調查與綜合物探有機結合是查找巖溶構造裂隙水的一種有效的技術方法。

2)通過環縣西部深部巖溶裂隙水的首次探測，證實了在環縣西部水資源貧乏地區，通過深入的研究與勘查，能夠找到了具有一定開發前景的水資源，這對對改善了當地居民的生存環境有積極的意義。

3)按國家規定的生活飲用水質標準，通常把礦化度小于1 g/L的地下水，稱為淡水。但對極度缺水的環縣西部而言，建議礦化度小于2.5 g/L的地下水作為生活飲用水。

4)受工作條件、投入資金限制，對環縣西部深部地下水的補給、徑流、排泄條件還未完全查清，在以后勘查工作中有待進一步提高和完善。

［1］崔旭東，張彥林，王延江等.鄂爾多斯盆地地下水勘查(甘肅)報告.甘肅省地質調查院，2008年

［2］甘肅省環縣農田供水勘查報告.甘肅省地礦局第一水文地質隊，1976年