云南抗旱找水打井模式探討

張　陵, 趙德君, 王　芳, 李　軍

(湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州　434020)

0　引言

2009—2010年西南五省普遍遭遇百年一遇的旱災,其中云南災情尤其嚴重,耕地受旱面積達312萬hm2,受災人數超700萬人,直接經濟損失達170億元。國務院總理溫家寶、副總理回良玉先后到云南指揮抗旱救災,深入災區看望慰問受災群眾,指導抗旱救災工作。國土資源部和中國地質調查局緊急部署西南抗旱找水打井行動并啟動“西南嚴重缺水地區地下水勘查”項目。該項目的開展具有抗旱找水、直接解決當地群眾飲用水困難的現實意義,而且對于探索西南巖溶和紅層缺水地區找水打井經驗、掌握地下水賦存規律和開發利用條件、合理開發利用水資源均具有重要的指導意義。

1　地理、地質、水文地質背景

1.1　地理概況

湖北省地質局承擔的抗旱找水打井工作區位于云南嚴重缺水的大理州永平縣、云龍縣、漾濞縣、洱源縣、劍川縣和大理市六縣市以及南部紅河州的建水縣、石屏縣共8個縣市。工作區地處云貴高原與橫斷山脈結合部位,地貌復雜多樣,點蒼山以西為高山峽谷區。點蒼山以東、祥云以西為中山陡坡地形。境內的山脈主要屬云嶺山脈及怒山山脈。在低緯度、高海拔地理條件的綜合影響下,在相同地段內具有年溫差變幅小、四季不明顯的氣候特點。但同時由于地形地貌復雜,海拔高差懸殊,氣候的垂直差異顯著。按海拔高低不同,氣候和植物呈立體分布,分屬北亞熱帶、溫暖帶和寒溫帶氣候[1]。

1.2　地質概況

工作區具有紅層、巖溶分布面積廣、地質構造復雜的特點,工作區的永平縣、云龍縣、漾濞縣屬紅層分布區域,洱源縣主要屬巖漿巖分布地段,劍川縣和大理市屬巖溶與紅層分布區段,紅河的建水縣、石屏縣屬巖溶分布區域。

1.3　水文地質概況

工作區域主要含水巖類為碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖類、巖漿巖類裂隙含水巖類、變質巖類裂隙含水巖類、碎屑巖裂隙含水巖類和松散巖孔隙含水巖類。

工作區域主要地下水類型有巖溶裂隙承壓水,基巖(碎屑巖、巖漿巖、變質巖)裂隙水和松散孔隙水,一般均為潛水,局部地段為承壓水[2]。

2　地下水賦存規律與富集影響因素

2.1　地下水賦存規律

工作區的地下水類型主要為孔隙水、裂隙水及巖溶水三大類,這三類地下水的富水性、富水程度與地質構造、地形地貌、風化作用、植被覆蓋情況密切相關。一般情況下所表現的富水性與富水程度大小規律為:巖溶水>裂隙水>孔隙水。

在云南碳酸鹽巖地區的巖溶裂隙水分為淺層和深層,淺層巖溶裂隙水運移途徑短,于溝谷、低洼地以下降泉的形式排泄,其動態特征受大氣降雨控制明顯。深層巖溶裂隙水則運移途徑較長,具承壓性,在遇貫通于地表的斷裂破碎帶和巖溶管道、裂隙時,往往以上升泉、斷層泉、裂隙泉的形式上升出露排泄。深層運移循環的巖溶裂隙水含水層埋藏較深,一般>100～150 m。地下水量較大,單孔涌水量多在100～1 000 m3/d,地下水動態、流量較為穩定。經深層運移循環的巖溶裂隙水,由于地下水的溶濾礦化作用,地下水水質一般較好,且多為礦泉水。

裂隙水含水層的富水性除巖性為主控因素外,還與構造節理和風化裂隙及植被較密切。就巖性而言,砂巖比重越大,越是性脆,節理裂隙越發育,富水性越強,而玄武巖風化程度越強,巖性越破碎,富水程度越強。本次打井成功的多口井布井思路主要就是據此展開的,大理州各縣市多個成功的探采井大都如此。

巖漿巖裂隙含水巖類、碎屑巖裂隙含水巖類分布區域接受大氣降雨補給后,形成的裂隙水具運移深度淺、運移途徑較短的特點,其動態特征受大氣降雨控制明顯,即基本上也隨大氣降雨的變化而變化。

孔隙水含水層富水性差異比裂隙水含水層更大。本次開發利用的孔隙含水層一般富水性弱,單井涌水量大都<50 m3/d,局部地段可達50 m3/d以上。這種類型的孔隙水多為承壓水。富水性主要取決于砂礫石層厚度及分選性、距離河床和古河道中的位置等等。

松散巖孔隙含水巖類中的孔隙潛水其運移深度則更淺、運移途徑更短,動態特征基本上受大氣降雨控制,隨大氣降雨的變化而變化。此外,該類型地下水分布區又是人類生產、生活的集中區,地下水與人類生產、生活關系密切,干旱氣候嚴重破壞了水系統的平衡和人類的生存環境,制約了人類的正常經濟發展,如遇特大干旱這種制約更為明顯。

2.2　富集影響因素

工作區內影響地下水賦存和富集的主要因素主要為大氣降雨、地層巖性、地質構造、微地形地貌等。

大氣降雨補給地下水具明顯的季節性變化規律,雨季急增,旱季驟減。在云南巖溶和紅層地區大氣降雨時間分配極為不均,一般年份枯水期可長達5-6個月。由于大氣降雨對地下水的補給時間通常只有半年或稍多一點的時間,加之巖溶和紅層地區植被相對較少,降雨后極易蒸發,這些均對地下水的補給富集不利,這也是巖溶和紅層地區地下水資源貧乏的重要原因之一[3]。

地層巖性是地下水賦存富集的基礎和先決條件。據鉆孔揭露,二疊系、震旦系地層中在地下30～90 m處,巖溶較發育。另外,侏羅系砂巖中的可溶性膠結物,因溶蝕而產生諸多蜂窩狀孔洞與洞穴,同時還可增加巖石的脆性,使其在構造應力作用下裂隙特別發育,從而進一步增加鈣質砂巖的富水性。在區內的幾種主要巖石類型中(砂巖、泥質粉砂巖、灰巖,玄武巖),砂巖出露的水點最多,達70%左右,流量等級也高;特別是一些流量較大的泉,幾乎全部出露在砂巖,據此說明了砂巖含水性強。玄武巖水點數位居第二,流量等級偏低。

地質構造對巖溶和紅層地區地下水的儲存和富集起主要作用,它控制地下水補給、運移和儲存,不同的構造部位致使地下水的賦存與富集差異較大,多組大型構造帶的結合部位往往地下水富集豐富,反之則差。

地貌既是巖性、構造及外營力綜合作用的結果,同時又是接受降雨補給的重要條件。作為聯系地下水形成的外部條件和內部因素的紐帶,地貌條件將是控制地下水補給、徑流、排泄和影響地下水富集的最基本因素之一。在云南以淺層基巖裂隙水為主的紅層區,其表現極為明顯。根據調查,起伏大、切割深的地形不利于地下水的富集;而寬緩低洼地或枝狀寬谷匯合處，“箕形”地形匯水地帶,“溝谷相交”地形匯水地帶往往是地下水的富水區。

3　抗旱找水與工程施工

湖北局在抗旱找水打井項目中共完成水文地質調查246 km2,布設探采井101口。完成抗旱救災探采井132口,成井115口,其中深井7口,淺井108口,探采井成功率達87.12%,總開采出水量10 449.2 m3/d,平均單井出水量90.86 m3/d,成功地解決了16余萬人和3 000多頭大型牲畜的飲用水問題,達到了“在云南氣象干旱缺水地區開展抗旱找水打井,直接解決部分群眾飲水困難”的項目工作任務要求。

4　云南缺水地區找水經驗與規律

云南巖溶和紅層嚴重缺水地區總體來說地下水資源貧乏,水文地質研究程度也相對較低,但對于干旱嚴重缺水時尋找相對有供水意義的地下水資源還是有一定規律可循的,即充分分析山區小流域均衡場的水文地質條件和地下水的賦存、運移規律,在山前沖洪積松散堆積層、碎屑巖強風化帶、網狀風化裂隙發育地帶、構造裂隙發育地帶和碳酸鹽巖巖溶裂隙發育地帶尋找地下水資源。

云南嚴重缺水地區有供水意義的地下水資源多分布于山前小流域區段,面積一般為2～5 km2左右,多為相對獨立的水均衡系統,地下水類型主要有:紅層分布區山前沖洪積松散巖類孔隙水、紅層分布區碎屑巖類風化裂隙水、基巖(巖漿巖)構造裂隙水和碳酸鹽巖巖溶裂隙水四類。前三類分布埋藏較淺,一般為10～60 m,多賦存潛水,碳酸鹽巖巖溶裂隙水屬隱伏型,分布埋藏較深,一般>150 m以上,多賦存承壓水。

在紅層地區尋找可供集中開采的地下水關鍵在于井位的布設。紅層地下水的補給和交替徑流主要受地形、地貌條件控制。各種形態的寬凹地、低洼地,匯水條件較好,一般井位的布設首先應選擇在地形有一定的匯水面積且相對低洼處，兩條或幾條溝谷的交匯處，溝谷的下游或拐彎處，地形相對切割較深的地方。井位不宜選擇在分水嶺處,籠狀嶺脊處,村莊后面的高地或堅硬巖石露頭處。構造破碎帶富水性好,是紅層地下水的主要儲存空間,但其發育具有極大的不均勻性。尋找構造裂隙水,井位在平面上的位置應選橫向斷裂不選縱向斷裂,選新構造不選老構造,選張扭性斷裂不選壓扭性斷裂,最好盡量布置在斷裂的來水面和構造交匯點上[4]。

在干旱持續時間較長的情況下,松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙層間水及風化殘積孔隙水的水位埋深大,加上該含水巖類含水層粘粒含量較高,地層透水性差,含水較弱,單井出水量1～5 m3/d,不具備集中供水意義,但對于地理位置偏僻,人口分散的村落,可采取點狀的分散供水,即一戶一井或幾戶一井的模式應急供水,解決人、畜飲水困難。

5　開發利用模式

湖北局的工作區無論是大理州片區還是紅河州片區均屬西南巖溶石山和紅層分布地區,地表儲水困難,水利設施薄弱,骨干蓄水工程少,工程性缺水問題十分突出。抗旱災能力和水資源的利用程度和效率很低。一般干旱年份就有約1/5的人、畜飲水和20%的土地耕種困難,2010年的特大干旱,更是造成了約1/3～1/2的人、畜飲水困難,近60%的農耕土地無法耕種。

通過本次工作,筆者認為:在云南巖溶和紅層嚴重缺水地區不同地下水類型分布區的地下水補、徑、排條件、生態環境、水文地質條件(儲水構造)等差異較大,地下水的開發利用條件也不同,在紅層嚴重缺水地區對于人類活動相對較少、分散的地段可采取點狀、以鑿手壓井和小口徑(Φ100 mm)淺井(30 m以內)的方式開發利用水資源,也可采用修筑小型儲水池、塘堰的方式開發利用地表水資源。對于巖溶和紅層地區人類活動相對集中的地段則以集中方式、采用井群鑿較大口徑(Φ150～200 mm)水井提水、集中塔(池)供的方法開發利用地下水資源。同時也應充分考慮利用地表水資源，采用修建小型水庫儲水,經凈化、消毒后(水廠化)以管道疏運方法開發利用地表水資源。在巖溶缺水地區可采取大口徑(Φ250～350 mm)水井提水、集中塔供的方法開發利用地下水資源,但巖溶缺水地區可開發利用的地下水一般埋藏深度大,地下水賦存、運移規律復雜,開采利用難度和費用較大。此外,在干旱持續時間較長的情況下,松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙層間水及風化殘積孔隙水的水位埋深大,加上該含水巖類含水層粘粒含量較高,地層透水性差,含水較弱,單井出水量一般在1～5 m3/d左右,不具備集中供水意義,但對于地理位置偏僻,人口分散的村落,可采取點狀的分散供水,即一戶一井或幾戶一井的模式應急供水,解決人、畜飲水困難。

6　結語

(1) 云南巖溶和紅層嚴重缺水地區有供水意義的地下水資源多分布于山前小流域區段,面積一般為2～5 km2左右,多為相對獨立的水均衡系統,地下水類型主要有:紅層分布區山前沖洪積松散巖類孔隙水、紅層分布區碎屑巖類風化裂隙水、基巖(巖漿巖)構造裂隙水和碳酸鹽巖巖溶裂隙水四類。前三類分布埋藏較淺,一般為10～60 m,多賦存潛水,碳酸鹽巖巖溶裂隙水屬隱伏型,分布埋藏較深,一般>150 m以上,多賦存承壓水。

(2) 只要充分分析山區小流域均衡場的水文地質條件和地下水的賦存規律,在巖溶和紅層嚴重缺水地區的山前沖洪積松散堆積層、碎屑巖強風化帶、網狀風化裂隙發育地帶、構造裂隙發育地帶和碳酸鹽巖巖溶裂隙發育地帶尋找有供水意義的地下水是可行的,應急供水也是有效的。

(3) 抗旱找水打井時應因地制宜的合理利用地下水資源,開采利用可采取集中與分散相結合的模式,對于人口相對比較集中地區可采取井群深鑿大口徑水井提水、集中塔(池)供水的方式開發利用地下水資源。對于人類活動相對較少偏遠分散的地區則可采取點狀分散的方式、小口徑淺井一戶一井或幾戶一井的開采開發利用模式——即云南模式。

參考文獻：

[1]中國地質調查局.西部嚴重缺水區人畜飲用地下水勘查示范工程[M].北京：中國大地出版社，2006.

[2]中國地質調查局.嚴重缺水地區地下水勘查論文集:第二集[C].北京：地質出版社，2004.

[3]張超岳.紅層地下水形成條件及找水方向[J].地下水，1987(1)：47-53.

[4]段仲源，等.紅層裂隙水特征與找水方法[J].華東理工大學學報：自然科學版，2002，25(4)：283-287.