棗莊市臺兒莊區小龔莊巖溶地下水水源地允許開采量計算評價

丁冠濤，劉玉仙，高帥,2

(1.山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊, 山東 濟南 250014; 2.山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250061)

0 引言

近些年，我國經濟社會快速發展，對水資源的需求量也不斷擴大，隨著大量地下水資源的不合理開采和超采，誘發了巖溶塌陷、地面沉降、海水入侵、名泉斷流等環境地質問題及地質災害[1-3]，造成了較大的損失，因此進行地下水資源評價，為合理的可持續開發地下水資源提供科學依據非常關鍵，其中地下水可開采資源量的評價是地下水資源評價的核心內容[4-7]，常用方法有水量均衡法、開采試驗法和數值模擬法等。

隨著棗莊市臺兒莊地區經濟的迅速發展和城市規模的不斷擴大，臺兒莊城區供水需求也不斷增大，用水緊張成為影響臺兒莊地區工業、生活用水安全的重大難題。為了解決城市供水問題，經多方專家論證，臺兒莊區自來水公司在小龔莊地區尋找了一處水源地，但在開采不久后就誘發了巖溶塌陷，破壞了農田及農作物。準確評價該水源地地下水允許開采量是保證其長期穩定、安全供水的關鍵[8-12]，該文利用群孔抽水試驗資料，采用開采試驗法來計算小龔莊水源地允許開采量，并設定巖溶塌陷預警水位，利用非穩定流Theis公式計算不易誘發巖溶塌陷的安全開采量范圍，進一步對開采試驗法計算結果進行評價，確保最大限度的開采地下水資源，又保證水源地運行時不易引發巖溶塌陷的環境地質問題，為小龔莊水源地的可持續開發提供了科學依據。同時此方法對存在巖溶塌陷隱患的地下水源地允許開采量評價具有一定的借鑒意義[注]山東省地礦工程勘察院，棗莊市臺兒莊區小龔莊地區地面塌陷勘察報告，2013年。。

1 試驗區概況

1.1 自然地理概況

小龔莊水源地位于棗莊市臺兒莊區馬蘭屯鎮小龔莊村西約200m處。抽水試驗區范圍北起馬蘭屯鎮黃口村，南到澗頭鎮馮莊一帶，東起彭樓村，西至澗頭鎮新河崖，面積約70km2。主要包括臺兒莊區馬蘭屯鎮的大部分和澗頭集鎮的北部地區(圖1)。該區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，春冬干冷多風，夏秋濕熱多雨，光照充足，雨量充沛，四季分明，多年(1996—2012年)平均降水量841.2mm，其中2003年降水量最多為1377.3mm；降水量最少的年份是1999年，僅為469mm。在全年的降水分配中，6—9月份的降水量約占全年的70%以上。

1—松散巖類含水巖組；2—碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組(裸露型)；3—碎屑巖類裂隙含水巖組；4—巖漿巖類裂隙含水巖組；5—隱伏型碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組(Q<1000m3/d);6—隱伏型碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組(Q>1000m3/d)；7—埋藏型碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組(Q>1000m3/d)；8—巖溶地下水流向；9—水源地位置圖1 區域水文地質圖

試驗區地處魯中南低山丘陵和淮北平原銜接地帶，韓莊運河南部為低山丘陵，北部為山前傾斜平原，總體地勢自西向東傾斜。小龔莊水源地一帶地面標高28～29m，地勢低平。試驗區及附近地貌形態特征主要受地質構造格架、地層巖性及內外營力的綜合影響，長期的南升北降作用造就了當今南高北低的地貌格局。

1.2 地質條件

試驗區屬于華北地層大區，魯西地層分區。地層由老到新依次發育：震旦系、寒武系、奧陶系、石炭-二疊系、古近系和第四系。試驗區構造以斷裂為主，凹陷次之，斷裂構造發育近EW向、近SN向、NE向和NW向等幾組，近SN向的切割、復合于EW向的斷層之上，形成地塹、地壘相間的構造格局。主要斷裂有紅瓦屋斷裂、臺兒莊斷裂等。凹陷構造主要有小龔莊凹陷、葉莊凹陷及后棗莊凹陷等。小龔莊水源地就位于小龔莊凹陷內，凹陷內地層自上而下依次為第四系、古近系、奧陶系、寒武系；凹陷外第四系直接覆蓋于奧陶系之上，第四系厚度23～29m為巖溶塌陷提供了地層條件。

1.3 區域水文地質條件

試驗區在區域上屬魯中南中低山丘陵水文地質區的鄒城-棗莊單斜斷陷水文地質亞區之中的臺兒莊斷塊裂隙巖溶、孔隙水水文地質小區。根據含水介質巖性組合、賦水條件、水理性質及動力條件，區域含水巖組可劃分為4種類型，即：松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組及巖漿巖類裂隙含水巖組(圖1)。

試驗區內主要為松散巖類孔隙含水巖組和碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組。松散巖類孔隙含水巖組出露地表，為第四紀地層，由河流沖洪積物組成。區內第四系厚度20～30m，砂層厚度5～10m，單位涌水量10～100m3/(d·m)；碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組主要含水巖層為寒武-奧陶紀灰巖，隱伏于第四系之下，在小龔莊凹陷內埋藏于第四系、古近系之下，其富水性受埋藏條件、地質構造等條件制約；在小龔莊凹陷及其南部—帶，受構造控制明顯，地下巖溶較發育，裂隙連通性好，含水層富水性較強，單位涌水量大于1000m3/(d·m)。其余地段富水性較弱。

1.4 小龔莊水源地水文地質條件

小龔莊水源地位于小龔莊斷塊內，斷陷外圍巖溶發育整體較弱。含水層主要發育在奧陶紀土峪組中，為水源地的取水層，巖性主要為泥質灰巖，其次為灰質白云巖，發育深度在100.70～200.16m之間。巖溶形態主要為蜂窩狀溶蝕孔洞，少量為溶洞。據鉆孔揭露含水層發育厚度在4.43～14.55m，單位涌水量470.26～1157.66m3/m·d。小龔莊水源地巖溶水的主要補給來源為西南部地區的側向徑流補給和區內孔隙水的越流補給，正常情況下區內第四系孔隙水水位一般高于巖溶水水位，孔隙水對巖溶水具有補給作用。天然狀態下該區巖溶水徑流方向為自西向東。巖溶水的排泄方式主要為人工開采和徑流排泄。

1.5 巖溶塌陷發育情況

2012年11月24日—12月22日，小龔莊水源地詳查工作抽水試驗時，抽水量最大達3×104m3/d，導致水位大幅度下降(圖2)，抽水主井K4水位由靜止水位埋深3.62m，下降到最大埋深50.50m，巖溶塌陷附近第四系孔QG2水位埋深由4.01m下降到達23.81m，接近奧灰頂板(圖3)。抽水試驗時未發現巖溶塌陷，在試驗結束后約1個月在小龔莊水源地西約390m麥田里發現一處巖溶塌陷坑，塌陷坑南北長4.8m，東西長5.3m，深約2m。分析認為在群孔抽水試驗時，已產生了地下空洞，只是地面還沒有塌陷，后期由于降雨等因素，在1個月后才發生塌陷。由于巖溶塌陷的發生有所滯后，因此臨界水位不好確定。

圖2 小龔莊水源地詳查期間抽水主井動態曲線

1—第四紀粉質粘土；2—第四紀砂層；3—古近紀泥巖；4—古近紀細砂巖；5—奧陶紀土峪組白云質灰巖；6—奧陶紀北庵莊組石灰巖；7—孔隙水、巖溶水靜水位;8—抽水時孔隙水、巖溶水動水位；9—巖溶發育段圖3 小龔莊水源地K4至QG2孔(巖溶塌陷發生地)地質剖面圖

小龔莊巖溶塌陷發生的機理大體為:在第四系松散層覆蓋的巖溶發育的隱伏灰巖區,由于大量抽取巖溶地下水，造成水位急劇下降、水動力條件改變，引起巖溶腔內水面與上覆蓋層脫開，形成無水空腔，隨著地下水位不斷下降，無水空腔體積增大，根據波義爾-馬略特定律，無水空腔增大會引起空氣部分負壓增大，造成負壓吸蝕作用。同時，地下水位的快速下降，使地下水水力坡度增大，在垂直方向上的滲透力增大，而且地下水位的下降也會引起覆蓋層內地下水的浮托力減小，間接增大了覆蓋層所承受的載荷[13]，由于多種因素的綜合作用，地面發生塌陷現場，即形成了巖溶塌陷。

2 群井抽水試驗

2.1 抽水試驗布置

該次抽水試驗選用1組抽水井，共2眼抽水主井，位于小龔莊水源地內，編號依次為K2、K4，成井深度分別為251.74m、202.35m，兩井距離為20m，取水層為奧陶紀土峪組巖溶含水層，巖溶發育深度110.70～200.16m(表1)。兩井均采用水泥漿止水的方式封隔第四系及古近系孔隙裂隙水，灰巖巖溶含水層采取裸眼方式完井，為該次抽水試驗的抽水段(圖4)。

表1 抽水井含水層埋深 m

圖4 K2和K4井鉆孔柱狀圖

K2井安裝“QJ100-108”型潛水電泵，其額定流量100m3/h，揚程108m，配套水表為“LXLG-125E”，直徑125mm。K4井安裝“QJ370-60”型潛水電泵，其額定流量370m3/h，揚程60m，配套水表為“LXLG-200E”，直徑200mm(表2)。采用同時開泵定流量抽水，一次下降過程的抽水試驗方法，全程平均抽水流量約為12503m3/d。

表2 試驗中水泵及配套設備參數

抽水試驗水位觀測點共布置39個(圖5)，其中巖溶水觀測井24個，孔隙水觀測井15個。水位觀測點分為加密觀測點和一般觀測點，加密觀測點16個，觀測頻率按非穩定流要求進行觀測，一般觀測點23個，每1h觀測1次，其中觀測點中距抽水井最近的為K3號孔，約8.5m，距抽水最遠的觀測點為J7號井，約5600m，觀測點布置遵循自抽水主井向外圍由密到疏放射狀分布的基本原則，控制了抽水可能影響的范圍。

1—孔隙水觀測孔；2—孔隙水加密觀測孔；3—巖溶水觀測孔；4—巖溶水加密觀測孔；5—抽水孔圖5 抽水試驗水位觀測點布置圖

2.2 抽水試驗過程

整個抽水試驗劃分為3個階段，即抽水前統測階段、抽水試驗階段和水位恢復階段，共歷時15天。抽水前統測階段對抽水主井及主要觀測點進行了2天的自然水位觀測，實測水位自然降幅在抽水主井附近基本為0，外圍觀測點日降幅為1～2cm。抽水試驗階段在枯水期進行，從5月1日17時開始至5月11日17時結束，抽水試驗開始后對試驗區域的觀測井按照水文地質手冊要求，水泵開啟后各抽水井的動水位和出水量按非穩定流要求進行觀測。停止抽水后以同樣的方式觀測抽水井和觀測點的水位恢復情況，共進行了3天水位恢復觀測，得到抽水井和觀測點的水位恢復資料，5月14日8時，水位恢復達到要求，抽水試驗結束。

3 允許開采量的計算

開采試驗法是在所要評價的富水區域內，模擬開采過程進行抽水試驗，根據試驗揭露的問題和取得的資料進行計算評價。該方法適合于水文地質條件復雜的區域，抽水試驗一般安排在枯水季節進行，抽水時間往往長達1個月。該方法具有較強的實用性，但是需要花費較多人力、物力，一般適用于中小型水源地的水資源評價[4,14-16]。小龔莊水源地前期開采時已發生過巖溶塌陷，水文地質條件復雜，且屬于中小型水源地，綜合對比分析各種水資源量評價方法后，選用開采試驗法作為確定小龔莊水源地允許開采量的估算方法[17-18]。

3.1 方法原理

(1)

其中：Q抽—試驗抽水總量，m3/d；Q補—抽水條件下的補給量，m3/d；μ*—含水層彈性釋水系數，無量綱；F—抽水試驗形成的漏斗面積，m2；ΔH—抽水試驗期間由于消耗儲存量引起的水位下降值，m；Δt—抽水試驗時間，d。

3.2 計算結果

由抽水試驗資料可知，在抽水期間，抽水主井和主要觀測井動水位持續緩慢下降，水位恢復后的抽水主井K2、K4水位與抽水前水位相差0.41m、0.42m，未恢復抽水前水位(圖6)。

(2)

根據該次群孔抽水試驗資料，分別計算出含水層彈性釋水系數、抽水降落漏斗面積等各參數，代入公式(2)得到該水源地的允許開采量為11354m3/d。

圖6 抽水試驗歷時曲線

4 允許開采量的評價

4.1 非穩定流Theis公式法確定安全開采量

該試驗區北部奧陶紀灰巖直接與震旦紀砂巖、泥巖斷層接觸，透水性差，可視為隔水邊界，西邊界接受西部側向徑流補給為補給邊界，東邊界為排泄邊界，南部山區為補給邊界。

根據該次抽水試驗巖溶水的降落漏斗范圍，距離北部隔水邊界較遠，而且距南部山區補給邊界也較遠，因此試驗區內奧陶紀灰巖承壓含水層組，在平面上可假設該含水層均質、各向同性、等厚且無限延伸,水力坡度很小無限含水層，且在成井時揭穿了整個奧陶紀土峪組灰巖承壓含水層。因此，當擬建水源地供水井抽水時，基本符合無限含水層中地下水向承壓完整井的運動規律。

根據Theis公式，假設擬建水源地給定降深抽水時，其出水量可由下式表示：

(3)

式中：Q—抽水井出水量，m3/d；s—抽水t時抽水影響范圍內某一點處的降深，m；t—抽水延續時間，d；r—計算點到抽水井的距離，m；T—含水層的導水系數，m2/d；μ*—含水層彈性釋水系數，無量綱。

根據該次群孔抽水試驗資料及觀測孔資料，利用Theis配線法，分別計算導水系數(T)、彈性釋水系數(μ*)、壓力傳導系數(a)，所用公式如下[20-23]：

T=[Q/(4πs)]W(u)

(4)

a=[r2(1/u)] /4t

(5)

μ*=T/a

(6)

利用觀測孔K7水位降深與抽水累計時間數據，在雙對數坐標紙上繪制lgs—lgt曲線，將lgs—lgt曲線與Theis標準曲線W(u)～(1/u)配線，查出該擬合點的對應參數lgs、lgt、W(u)、(1/u)，帶入公式(4)～(6)，計算其導水系數(T)、壓力傳導系數(T)、彈性釋水系數(μ*),其計算結果見表3。

表3 Theis配線法計算結果

由于前期詳查期間抽水試驗時在GT2孔處已經發生了巖溶塌陷，說明GT2孔是巖溶塌陷最敏感的地段，因此對基巖觀測井GT2處水位進行控制并設置預警水位，可以保障水源安全運行。根據巖溶塌陷產生的機理，設置灰巖頂板埋深以上2m作為下限預警水位Sd，灰巖頂板埋深以上5m作為上限預警水位Su，計算水源地允許開采量范圍(圖7)。

1—第四紀粉質粘土；2—第四紀砂層；3—古近紀泥巖；4—古近紀細砂巖；5—奧陶紀土峪組白云質灰巖；6—奧陶紀北庵莊組石灰巖；7—地下水靜水位;8—抽水時巖溶地下水動水位；9—GT2孔處下限預警水位和上限預警水位;10—巖溶發育段圖7 小龔莊水源地至GT2孔(巖溶塌陷發生地)地質剖面圖

根據鉆孔資料可知GT2井灰巖頂板埋深為26m，在豐水期來之前靜水位埋深為3.90m，計算預警降深上下閾值Sd和Su分別為20.10m、17.10m。GT2井距抽水井的距離為310m，抽水延續時間t按水源地運行自豐水期末至下一年豐水期前的延續時間，即自第一年的10月1日至第二年的6月1日，計243天。導水系數T參照水均衡法計算時參數計算結果，取水源地K7孔計算結果397.97 m2/d，彈性釋水系數采用參數計算表中K7孔的彈性釋水系數3.25×10-3。

將上述計算參數代入公式(3)，其計算得到上下限預警水位Su、Sd時的允許開采量為分別Qu=11187m3/d，Qd=13150m3/d。

故按照非穩定流Theis公式進行計算，在預警水位范圍內即水位在灰巖頂板埋深以上2～5m時，水源地的安全開采量為11187～13150m3/d之間。

4.2 允許開采量的確定與評價

開采試驗法計算的允許開采量為11354m3/d，介于按非穩定流泰斯公式計算的安全開采量范圍11187～13150m3/d之間，后者對前者進行了驗證，說明開采實驗法計算的允許開采量是可靠的。最終推薦允許開采量為11354m3/d，在最大程度開采地下水資源的情況下，保證水源地運行時不易引發巖溶塌陷的環境地質問題。

5 結論與建議

(1)經過對小龔莊水源地水文地質資料的詳細分析，該文采用開采試驗法計算的小龔莊水源地允許開采量為11354m3/d。通過設定巖溶塌陷預警水位，利用非穩定流Theis公式計算不易誘發巖溶塌陷的安全開采量范圍為11187～13150m3/d，后者對前者進行了驗證，說明以12187m3/d作為小龔莊水源地允許開采量是可靠的，最終推薦允許開采量為11354m3/d。

(2)鑒于該次計算依據的抽水試驗時間較短，計算的水文地質參數精度可能不夠，建議在水源地運行一個水文年后根據運行期間監測數據對水源地允許開采量進行修正。

(3)該文通過開采試驗法與非穩定流Theis公式法相結合的方式最終確定了小龔莊水源地的地下水允許開采量，保證了水源地可以最大限度的開采地下水資源，同時在水源地運行時不易誘發巖溶塌陷的發生環境地質問題。對該類型水源地地下水允許開采量的計算評價具有一定的借鑒意義。