湖南省巖溶區(qū)抗旱找水方法

楊貴花 曹順紅 康方平

湖南省地質調查所 湖南 長沙 410016

1 缺水概況

巖溶石山分布區(qū)雖處亞熱帶，水熱條件較好，但由于長期巖溶作用，地表、地下巖溶發(fā)育，水土流失嚴重，土壤貧瘠，水源流失，以及嚴重石漠化。石漠化和巖溶滲漏造成地表少土缺水的生態(tài)環(huán)境，人類生存較為困難[1]。巖溶石山區(qū)地下河、大型溶洞和巖溶管道十分發(fā)育，巖溶地下水資源雖然豐富，但由于巖溶動力系統(tǒng)十分復雜，分布不均，有些地下水位埋深大于100m，開發(fā)利用困難。

湖南省面積21.18萬km2，巖溶石山分布區(qū)面積5.4946萬km2，占全省國土總面積的25.94%。湘南、湘東南、湘西北、湘中為湖南省巖溶石山干旱缺水嚴重區(qū)，主要集中在郴州、永州、衡陽、邵陽、懷化、湘潭、長沙等地。

2 水文地質條件及找水方向

湖南省巖溶石山區(qū)分布面積幾乎遍布全省，巖溶石山區(qū)地下水類型碳酸鹽巖裂隙溶洞水，主要賦存于古生界寒武系、奧陶系、泥盆系、石炭系、二疊系和中生界的三疊系灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖地層中。含水層富水性極不均勻，具有厚度大、巖性純、水量大、水質好，以管流、地下河為主、集中排泄等特點，水位、水量隨時間、季節(jié)變化大，開發(fā)利用困難。巖溶水的形成和分布，主要受區(qū)域構造、可溶鹽性質、地形地貌等條件控制。

廣泛分布的質純、厚層、時代老而堅硬的灰?guī)r的巖溶作用和新生代地殼抬升，長期溫暖濕潤的季風氣候、地表地下巖溶形態(tài)及其組合方式等，形成了湖南省巖溶地區(qū)地表、地下雙層結構的水文地質條件，地表巖溶滲漏、水土流失和嚴重石漠化等、地下巖溶系統(tǒng)發(fā)育，而且分布不均，地下水網(wǎng)復雜，以地下河為主體，并形成集中排泄帶。形成巖溶石山區(qū)人、地、水空間分布不匹配，水位深埋，開發(fā)利用困難大等，造成人、畜飲水困難。

巖溶石山區(qū)大氣降水是巖溶水的主要補給來源，大氣降水通過巖溶裂隙或構造裂隙滲入地下并賦存。地層巖性是巖溶水富集的基礎條件，地質構造控制巖溶水的運移和富集，地貌條件制約巖溶水的埋深與補給條件[2]。巖溶石山地區(qū)巖溶水主要富集于巖石破碎的褶皺軸部谷地和斷裂帶附近或斷塊之間谷地的一些儲水構造中[3]。由于褶皺軸部谷地或斷裂帶附近，巖石破碎，裂隙發(fā)育，巖溶水徑流通暢，水交替積極，溶蝕作用好，溶洞、地下管道、地下河發(fā)育，水量往往豐富；巖溶洼地、溶蝕槽谷、溶蝕平原，往往是因斷陷作用而形成斷陷盆地，在這些盆地中巖溶洼地、漏斗、暗河等大都沿構造線方向發(fā)育，巖溶水豐富。

3 找水方法

巖溶石山缺水區(qū)找水，主要解決三個方面的問題[4]：調查巖溶地下水賴以儲存、運移的巖溶通道的分布情況及規(guī)律；調查巖溶地下水的活動規(guī)律；調查巖溶地下水的開采條件。

為解決上述問題，可采用地面調查、巖溶地下水動態(tài)觀測、洞穴調查、連通試驗、鉆探、抽水試驗、地球物理勘探、遙感等各種技術手段。在緊密褶皺區(qū)，可溶巖與非可溶巖相間分布，巖溶地貌形態(tài)以峰叢洼地為主地區(qū)要加大遙感技術和物探新技術的應用，通過遙感技術分析巖溶地下水的露頭點、泉、地下河入口、地下河出口、落水洞等的分布，通過物探電阻率法，尤以視電阻率聯(lián)合剖面和電測深為主，及其它多種物探新方法，經(jīng)綜合分析，探測巖溶地下水的富水地段。在寬緩褶皺分布區(qū)，灰?guī)r廣布，地貌形態(tài)以峰林洼地為主，在地面地質調查的基礎上，通過多種物探手段，如核磁共振等新技術及電測深、音頻大地電場等傳統(tǒng)物探方法，確定富水部位或伏流地段。巖溶區(qū)找水一般工作程序如圖1，具體工作方法分以下幾個階段：

圖1 工作程序框圖

3.1 地面水文地質

在充分收集研究區(qū)域水文地質資料的基礎上開展野外調查，調查訪問找水區(qū)居民用水實際情況、缺水人口數(shù)量及缺水程度，對工作區(qū)地層巖性、地質構造、是否有地下泉點出露、機民井水量、水質、水位等進行水文地質調查[5]。

3.2 水文地質物探

在地面調查的基礎上，確定找水靶區(qū)及技術手段，根據(jù)地形地貌準確進行遙感及水文地質物探工作，對遙感及物探資料進行綜合分析后確定巖溶地下水的富水地段及類型[6]。

3.3 水文地質鉆探及抽水試驗

在確定的鉆探孔位上進行水文地質鉆探，鉆探完成后進行抽水試驗，確定水量能否達到缺水要求，如果水量不通滿足要求則繼續(xù)開始后續(xù)鉆孔及抽水試驗工作，直到滿足缺水要求建成水廠為止。

4 實例分析

4.1 新邵縣潭溪鎮(zhèn)高梓村抗旱找水

4.1.1 缺水狀況

該區(qū)位于新邵縣中東部，村域面積2.6km2，共有農(nóng)業(yè)人口356戶1226人，地形復雜，地表水流失嚴重，群眾飽受干旱困擾，人畜飲水、農(nóng)田灌溉困難。

4.1.2 水文地質條件

高梓村總體地勢東南、北西、西南高，東北低，呈簸箕狀向東北開口，屬中丘陵谷地地形。高程一般320～450m，相對高差一般小于110m，地形坡度一般20°～35°。地貌類型分為侵蝕堆積地貌、剝蝕構造和溶蝕構造三種地貌類型。區(qū)內出露地層主要為泥盆系、第四系，就出露面積來說，主要分布泥盆系七里江組、錫礦山組泥粉晶灰?guī)r等，構造位置處于潭溪向斜的東南翼，其東為龍山穹窿，區(qū)內斷層發(fā)育，有彭家沖正斷裂（F2），見圖2。地下水類型主要有碎屑巖裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水、松散巖類孔隙水。

圖2 高梓村抗旱找水構造位置圖

4.1.3 地球物理勘探

根據(jù)找水任務和巖土特征，結合高梓村實際地質情況，選擇采用聯(lián)合剖面法、高密度電法和天然電場選頻法等物探工作手段。具體實施方法為：聯(lián)合剖面法采用A0=50m，MN=20m與A0=100m，MN=40m兩個極距進行工作，無窮遠C極垂直于測線方向布置在超過5倍AO的位置；高密度電法采用α排列（溫納裝置AMNB），測量斷面為倒梯形，測量時，AM=MN=NB為一個電極間距，A、M、N、B從一頭逐點同時向一個方向移動，得到第一條剖面，接著AM、MN、NB增大一個電極間距，A、M、N、B又從一頭逐點同時向一個方向移動，得到另一條剖面；這樣不斷掃描測量，得到倒梯形斷面，電極距采用5m極距，一共排列為60根電極，滾動次數(shù)為58次；天然電場選頻法使用S-500型選頻儀，采集模式為150m，采集頻率為36個，見圖3。

圖3 1220線高密度電法反演斷面

根據(jù)物探勘查結果，結合地質資料及實地情況，可以判斷：區(qū)內下伏基巖有一條分界線，其北西側以含炭泥灰?guī)r為主，呈相對低阻；南東側則以泥晶灰?guī)r為主，呈相對高阻。泥晶灰?guī)r為主的下伏基巖局部還存在巖溶、裂隙發(fā)育。綜合判斷上述巖性分界線附近靠可溶巖一側與泥晶灰?guī)r下伏巖溶、裂隙發(fā)育帶為區(qū)內富水相對有利地段。

4.1.4 鉆探施工及抽水試驗

在前期工作圈定的富水靶區(qū)實施水文地質鉆探2孔，其中，SK01采用Φ172mm合金鉆頭干鉆鉆進以及Φ172mm、Φ150mm、Φ130mm、Φ110mm金剛石鉆頭正循環(huán)鉆進等技術，終孔深度：151.48m，經(jīng)抽水試驗確定涌水量104 m3/d；SK02終孔深度：75.79m，經(jīng)抽水試驗確定涌水量70.8m3/d。

4.1.5 效果分析

兩個鉆孔的實施，獲取的總涌水量為222.28m3/d，達到預期效果。高梓村利用SK01鉆孔成井一口，并修建蓄水池等配套設施，為1226位村民提供生活用水，解決了該村飲用水缺乏的難題。

4.2 祁東縣黃土鋪鎮(zhèn)泉溪村抗旱找水

4.2.1 缺水狀況

該區(qū)地處祁東縣黃土鋪鎮(zhèn)北部山區(qū)，全村總面積6.2km2，共有1087 戶3500 人，當?shù)貙儆诘湫偷膸r溶地區(qū)，地表蓄水功能較差，每到旱季該村百姓飲水十分困難。

4.2.2 水文地質條件

泉溪村地形總體起伏不大，標高 146.6～209.6m，相對高差 30～50 m，總體地勢西北高、東南低。地貌類型主要為溶蝕丘寬谷。主要出露泥盆系和石炭系灰?guī)r、白云質灰?guī)r泥灰?guī)r及砂頁巖等，構造較發(fā)育。

4.2.3 地球物理勘探

根據(jù)找水任務和地球物理特征，結合高梓村實際地質情況，選擇采用高密度電法和天然電場選頻法等物探工作手段。具體實施方法為：高密度電法電極距采用5m極距，一共排列為120根電極，滾動次數(shù)為118次；天然電場選頻法使用S-500型選頻儀，采集模式為150m，采集頻率為36個。根據(jù)物探勘查結果，結合地質資料及實地情況，可以判斷：400線240-280號測點、420線240-320號測點均位于斷層F3附近，F(xiàn)3斷層位于巖溶地區(qū)，規(guī)模較大，影響范圍廣，附近有數(shù)個泉出露，是地下水的富水地段，見圖4、圖5。

圖4 420線高密度電法反演斷面圖

圖5 420線綜合地質解釋剖面圖

4.2.4 鉆探施工及抽水試驗

在前期工作圈定的富水靶區(qū)實施水文地質鉆探2孔，其中，SK01采用Φ172mm合金鉆頭干鉆鉆進以及Φ172mm、Φ150mm、Φ130mm、Φ110mm金剛石鉆頭正循環(huán)鉆進等技術，終孔深度：138.41m，經(jīng)抽水試驗確定涌水量小于10 m3/d；SK02終孔深度：122.70m，經(jīng)抽水試驗確定涌水量336.09 m3/d。

4.2.5 效果分析

兩個鉆孔的實施，獲取的總涌水量超過340 m3/d，達到預期效果。泉溪村利用SK02鉆孔成井一口，并在村部北側山腰修建蓄水池等配套設施，為兩千余名缺水村民提供生活用水，助其走出了飲用水匱乏的困境。

4.3 耒陽市長坪鄉(xiāng)譚湖村抗旱找水

4.3.1 缺水狀況

缺水人口約2000人，其僅依靠淺水井或受污染的地表水維持生產(chǎn)生活，在干旱季節(jié)人畜飲水困難，存在極大的安全隱患。

4.3.2 水文地質條件

譚湖村總體地勢東、南、西高，北低，呈簸箕狀向北開口。高程一般 250～420m，相對高差50～150m，區(qū)內地形坡度一般20～40°。出露地層主要為第四系松散層和石炭系泥晶灰?guī)r、粉砂巖等，以泥晶灰?guī)r為主。構造活動強烈，主要發(fā)育南北走向的斷裂和褶皺。區(qū)內發(fā)育兩處泉點，流量均為0.5L/s。

4.3.3 地球物理勘探

根據(jù)找水任務和巖土特征，結合譚湖村實際地質情況，實施聯(lián)合剖面法測線1條，測點57點；高密度電法測線4條，測點共252點；天然電場選頻法測線1條，測點10點。具體實施方法為：聯(lián)合剖面法采用AO=50m，MN=20m與AO=100m，MN=40m兩個極距進行工作，無窮遠C極垂直于測線方向布置在超過5倍AO的位置；高密度電法電極距采用5m極距，一共排列為60根電極，滾動次數(shù)為58次；天然電場選頻法使用S-500型選頻儀，采集模式為150m，采集頻率為36個，見圖6。

圖6 330線（95-140號）天然場分頻法剖面

根據(jù)物探勘查結果，結合地質資料及實地情況，可以判斷：320線470-490號附近有斷層穿過，310線85-110號測點、330線120-140號測點等部位為巖溶裂隙相對發(fā)育帶，上述區(qū)域是找水潛力較大的富水。

4.3.4 鉆探施工及抽水試驗

在前期工作圈定的富水靶區(qū)實施水文地質鉆探2孔，其中，SK01終孔深度：138.86m，經(jīng)抽水試驗確定涌水量50.98t/d；SK02終孔深度：152.79m，經(jīng)抽水試驗確定涌水量150.34 m3/d。

4.3.5 效果分析

兩個鉆孔的實施，獲取的總涌水量為201.32 m3/d，達到預期效果。譚湖村利用SK01、SK02鉆孔成井兩口，并在村部東側山腰上部修建蓄水池等配套設施，為近2000名缺水村民提供生活用水，為鄉(xiāng)村振興工作打牢基礎。

5 結語

湖南省巖溶石山分布區(qū)，地下水資源豐富，但分布不均且復雜，旱災頻發(fā)，為解決頻發(fā)的旱災問題，必須加強抗旱找水工作。

（1）探尋有利于巖溶地下水賦存的基礎水文地質條件：在巖溶區(qū)找水優(yōu)先考慮覆蓋型緩丘、谷地、斷裂較發(fā)育等地形地貌區(qū)域，灰?guī)r比白云巖更有利，質純比不純更有利，中厚層構造比巨厚層構造及薄層構造更有利，在巖性差異相對較大的接觸處巖溶較發(fā)育，對地下水運移和儲水有利。

（2）積極推廣采用地面調查、巖溶地下水動態(tài)觀測、洞穴調查、連通試驗、鉆探、抽水試驗、地球物理勘探、遙感等各種技術手段，查明巖溶地下水的通道分布規(guī)律、活動規(guī)律和開采條件，充分開發(fā)利用當?shù)叵滤Y源，解決頻發(fā)的旱災問題。