某鍶型天然礦泉水資源允許開采量評價★

張 晶，王洪亮，趙 斌

(1.華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021;2.自然資源部金屬礦山地下水災害防治工程技術創新中心,河北 石家莊 050021)

鍶是人體骨骼和牙齒的重要組成元素,能夠促進骨骼發育和類骨質的形成,還具有抗氧化、防衰老等諸多保健功能[1]。我國鍶型食品品類較少,以礦泉水為主,因此,天然鍶型礦泉水越來越受到消費者的追捧,消費市場存在巨大潛力[2]。隨著我國天然礦泉水行業的迅猛發展[3],已經形成了眾多天然礦泉水開發基地[4-7],承德市因自身地質條件優勢,蘊育了豐富的鍶型、偏硅酸型、偏硅酸·鍶復合型天然礦泉水資源[8],極具研究價值。

勘察區位于承德市西部,地形總體上西高東低,海拔標高473 m～2 047 m,屬大陸性季風型燕山山地氣候,歷年平均降水量為443.61 mm,歷年平均蒸發量為1 359.64 mm。區內無大型工礦企業,水資源開發利用程度低,溝谷有常年性河流,植被茂盛,生態環境優美,具有得天獨厚的自然條件。

1 含水系統特征

1.1 含水層巖性及富水性

勘察區內含水介質主要有松散巖類孔隙含水層、基巖風化裂隙含水層及基巖構造裂隙含水帶。

1)松散巖類孔隙含水層。第四系全新統沖洪積層主要分布在溝底,巖性主要為砂礫卵石層,厚度約10 m,地下水水位埋深0.50 m～6.23 m,滲透系數為9.62 m/d～469.03 m/d,透水性強,降深5 m時單井涌水量360.72 m3/d～5 731.34 m3/d,富水性中等—極強。

第四系更新統風積坡洪積層巖性主要為風積黃土狀亞黏土,局部夾洪坡積砂礫石,厚度約40 m,水位埋深3.90 m～5.50 m,滲透系數為0.21 m/d～6.03 m/d,透水性中等,降深5 m時單井涌水量小于366.77 m3/d,富水性微弱—中等。

2)基巖風化裂隙含水層。廣泛分布于全區,基巖風化裂隙發育程度中等,風化層一般深度20 m～40 m,地下水水位埋深4.60 m～8.00 m,滲透系數為0.33 m/d～2.89 m/d,單位涌水量為0.074 L/(s·m)～0.100 L/(s·m)。該含水層中多出露下降泉,泉水流量季節性變化明顯,流量最大為2.71 L/s～53.09 L/s。總體來看,該含水層透水性中等,富水性弱—中等。

3)基巖構造裂隙含水帶。區內斷層構造破碎帶及其兩翼影響帶構造裂隙較發育,基巖構造裂隙含水帶沿斷層及其兩側呈帶狀分布,含水層厚度垂向發育較深,寬度10 m～250 m不等。含水層滲透系數為0.19 m/d～0.73 m/d,單位涌水量0.076 L/(s·m)～0.143 L/(s·m),該含水層透水性中等,富水性弱—中等。

1.2 地下水流動系統特征

區內地下水主要接受大氣降水入滲補給,各含水層之間均存在一定的水力聯系。第四系孔隙含水層與基巖風化裂隙含水層直接接觸,水力聯系密切,基巖風化裂隙水于溝谷兩側山區接受降水補給后,依地勢向谷底匯集,在溝谷等地形切割強烈地帶形成下降泉或泄流帶,補給谷底第四系松散巖類孔隙含水層或以地表水排泄。部分基巖風化裂隙水沿構造裂隙繼續下滲補給基巖構造裂隙含水帶,沿斷裂帶向溝谷徑流,在地勢低洼處溢出成泉補給谷底河流。在基巖構造裂隙水補給區內,構造裂隙水接受上覆基巖風化裂隙水的補給,而在基巖構造裂隙水徑流區內,基巖構造裂隙水則向上越流補給基巖風化裂隙水和第四系孔隙水,三個含水層相互聯系,構成統一的地下含水系統,見圖1。

1.3 地下水動態特征

由于勘察區第四系孔隙含水層和基巖構造裂隙含水帶分布面積有限,且基巖風化裂隙含水層富水性較差,大部分地下水轉化為河川基流,因此,地下水水位年內、年際動態變化小,地下水的動態變化主要體現在河川流量的變化。

1.4 地下水水化學特征

區域內大量分布花崗巖、閃長巖等火成巖地層,為地下水提供了鍶和偏硅酸物質來源,斷裂構造為地下水的溶濾、匯集和運移提供空間與場所。地層巖性與地質構造控制著區內地下水化學場的空間分布特征。

表1 鉆孔GK02水質監測表

GB 8537—2008飲用天然礦泉水中規定:鍶質量濃度不小于0.20 mg/L(含量在0.20 mg/L～0.40 mg/L時,水源水溫應在25 ℃以上)。因勘察區地下水溫度低于25 ℃,鍶質量濃度需高于0.40 mg/L。

經監測,水質界限指標中鍶元素含量分別為:0.520 mg/L(平水期)、0.460 mg/L(枯水期)、0.460 mg/L(豐水期),均達到規范中界限指標要求,且水質感官指標符合要求,限量指標、污染物指標、微生物指標均未超標,可定為鍶型天然礦泉水。

2 地下水資源評價

2.1 水文地質概念模型

勘察區北、西、南為地表水分水嶺,東部為地表水和地下水出口,構成一個半封閉的水文地質單元,面積102.45 km2,如圖2所示。

單元內主要含水層有沿谷底呈帶狀分布的第四系松散巖類孔隙含水層、廣泛分布的基巖風化裂隙含水層和沿斷裂構造及其影響帶分布的基巖構造裂隙含水帶,三個含水層之間具有一定水力聯系,構成統一的地下含水系統。

天然狀態下,地下水接受大氣降水入滲補給后,依地勢向溝谷匯聚,部分形成河川基流,部分沿溝谷向下游徑流排泄,深部基巖構造裂隙水呈高承壓性質;開采條件下,深部基巖構造裂隙水壓力釋放,沿構造破碎帶,形成橢圓形地下水頭降落漏斗,兩側山區基巖裂隙水沿斷層破碎帶向水源井徑流,谷底上部的第四系孔隙水和基巖風化裂隙水向下補給深部基巖構造裂隙水。

2.2 水量均衡計算

勘察區內地下水位年內、年際動態變化小,地下水儲存量變化小,可忽略不計。用排泄量法計算地下補給量:Q補=Q排=Q開+Q蒸+Q側排+Q河流。

1)地下水開采量。勘察區內地下水開采量主要為農業開采和人畜用水開采。統計勘察區內人口,共4 023口;牲畜360頭;灌溉田218.67 hm2。按照定額計算,地下水開采量為37.15萬m3/a。農業灌溉回歸系數β取經驗值0.20,即農業灌溉水回滲量為6.15萬m3/a。則Q開計算值為31.00萬m3/a。

經計算,勘察區內潛水蒸發量為191.98萬m3/a。

3)東部邊界側向排泄量。根據Darcy公式計算東部側向排泄量,選擇垂直于地下水流向的CK01—GK02鉆孔一線作為計算斷面,計算公式:Q側排=K·I·M·L。其中,K為含水層滲透系數,m/d,第四系孔隙含水層和風化裂隙含水層滲透系數取水源井GK02抽水試驗計算值3.26 m/d;I為地下水水力坡度,%,取CK01,GK01,GK02之間水力坡度平均值4.477%;M為含水層厚度,m,第四系孔隙含水層和風化裂隙含水層厚度取CK01,GK01,GK02孔揭露厚度平均值27.30 m;L為斷面長度,m,取谷底第四系覆蓋區寬度353 m。

通過計算,東部側向排泄量為51.34萬m3/a。

4)河川基流量。根據楊繼營村西流量觀測點實測流量,采用河流基流量分割程序HupbaseFlow軟件,求取河川基流量。取參數N=3,f1=0.96,f2=0.5,對楊繼營觀測點流量過程線進行切割,見圖3。計算勘察區內地下水排泄于主溝河流的河川基流量為176.20萬m3/a。

綜上計算,勘察區內地下水補給資源量Q補=Q排=Q開+Q蒸+Q側排+Q河流=31.00+191.98+51.34+176.20=450.52萬m3/a(12 343.01 m3/d)。

2.3 允許開采量評價

于枯水期對鉆孔GK02開展了單孔多落程穩定流抽水試驗,其抽水量和對應的降深值見表2。

表2 抽水試驗抽水量及降深值

對應的Q-S曲線見圖4。

含水層由上部第四系孔隙含水層(1.82 m～7.50 m)和下部基巖風化裂隙含水層(7.50 m～30.60 m)組成,上部第四系孔隙水含水層透水性強,且與地表水水力聯系密切,下部基巖風化裂隙含水層透水性差,補給條件較差,造成當地下水水位處于第四系孔隙水含水層中時,鉆孔出水量隨降深增加幅度很大,而當水位下降至第四系孔隙含水層之下時,出水量隨水位降深增加劇烈減小。

根據含水層結構特點及抽水試驗成果分析,計算采用單井最大穩定出水量對應的水位降深等于第四系含水層和基巖強風化層厚度之和,取S=6.00 m作為抽水試驗最大降深值推算鉆孔GK02出水量,計算允許開采量為9.40 L/s,即812.16 m3/d。開采估算基準日為1月,處于枯水期。計算開采量為枯水期抽水試驗最大涌水量的84%,保障程度較高。

3 結論

本文通過水均衡方法計算得出勘察區地下水資源量為12 343.01 m3/d,扣除人工開采量849.32 m3/d后,剩余資源量為11 493.69 m3/d。確定水源地取水層位為第四系含水層和基巖強風化層,評價鍶型礦泉水資源允許開采量為812.16 m3/d(C級)。計算允許開采量僅占剩余資源量的7.07%,可見該水源地開采資源是有足夠保障的。