柴達木盆地南緣牛苦頭礦區孔隙水水源地的分布特征及潛力分析

蔣本文，李紅林

（中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650000）

1 工程概況

項目區屬青海省格爾木市烏圖美仁鄉轄區，位于柴達木盆地南緣的牛苦頭礦區，處于格爾木市西北面。為研究就近取水的可行性，評價第四系孔隙潛水資源的分布及潛力，我中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司開展了該項目詳查階段相關的水文地質勘查工作。

1.1 以往的水文地質研究程度

本區水文地質研究程度較低，僅有早期《烏圖美仁1：20 萬水文普查報告》中對區域地下水的賦存形式及補徑排特征進行過簡單闡述。

1.2 本次勘查方法及完成情況

在水文地質測繪的基礎上，在四角羊溝及牛苦頭溝2 條山間溝谷中-下游位置，各施工了7 個水文地質鉆孔，口徑Φ250mm，填礫并安裝Φ168mm 濾管，進行了三次降深帶觀測孔的多孔抽水試驗，以獲得Q-s、q-s 曲線以及滲透系數、影響半徑、給水度等水文地質參數，通過模擬開采條件下進行群孔抽水試驗，計算了擬建水源地地下水的儲存量、排泄量，采用近似抽水試驗法以及水均衡理論，對牛苦頭礦區第四系孔隙潛水水源地的分布特征及潛力進行系統的評價分析。

2 自然地理及地質概況

2.1 氣象

項目區氣候具少雨、蒸發強烈的特點，屬于典型高原內陸高寒干旱氣候。根據小灶火氣象站觀測資料，其多年平均降雨量為25.7mm，降水多集中在6 ～9 月份，約占年降水量的89%；多年平均蒸發量為2713mm，蒸發量是降水量的106 倍；月平均氣溫7 月份最高，一般為15.1°C ～18.7°C；月均最低氣溫出現在1 月份，一般為-9.1°C ～-13.4°C，最大凍結深度0.87m。

2.2 水文

勘查區內水系不發育，四角羊溝、牛苦頭溝為勘查區鄰近的兩條主溝，屬干溝，相互獨立存在；僅在7-8 月份雨季時見間歇性流水，植被不發育；牛苦頭溝長約16km，匯水面積約80km2。四角羊溝溝長約18km，匯水面積約98km2。4 月份以后，隨著溫度上升，中高山區的積雪開始融化，并在溝谷上游匯集形成暫時性地表徑流，一天之內融雪水的流量變化范圍可達50-6000m3/d。6 ～9 月是降水量最集中的季節，牛苦頭溝陣雨形成洪流的洪峰流量可達6m3/s，洪水沿途滲漏，出山口數公里即全部滲失。

2.3 地形地貌

勘查區位于柴達木盆地南緣昆侖山支脈-祁漫塔格山麓，區域地面標高3600m-5020m，相對高差達1420m，屬山地地貌，總體上南高北低。祁漫塔格山主山脈平均海拔4500m 以上，部分山體常年積雪；中低山區位于牛苦頭溝、四角羊溝的中-下游地段的山體，海拔3500m～4000m，山體形態呈饅頭狀和環形，水源地擬建地段為山間溝谷的下游地段，地形坡度相對較緩。

3 水文地質條件

項目區地下水受地形地貌、地質構造、地層巖性、氣象及水文等條件的制約。山間溝谷下游地段沉積了巨厚的新生界第四系全新統（Qhal+pl）沖洪積層砂礫石層，厚度0m～69m，透水性良好，為孔隙潛水的儲存提供了良好的空間，富水性強，為地下水的匯流徑流區區，水量大，下部為弱透水層的花崗巖及變質巖，使得中下游第四系孔隙潛水不會垂向漏失；第四系孔隙潛水的補給來源主要依靠冰雪融化形成的地表水，通過在山間溝谷的垂直滲漏補給以及溝谷地下水徑流補給。

3.1 地下水的賦存條件及分布規律

構造運動的差異性使北部的沖洪積平原較南部祁漫塔格山區低1800m 以上，造成區內氣候、地貌、巖性、水文地質條件等具有明顯的分帶性，同時也決定了地下水的主要徑流方向及不同地帶的賦存特點和規律。

（1）南部海拔4500m 以上的高山區，常年有冰凍層，為凍結層水的賦存提供了賦存條件。

（2）山區風化剝蝕的碎屑物質被地表水帶入溝谷，在溝谷谷地中形成巨厚層狀沖洪積松散層，主要為砂卵礫石，顆粒較粗，孔隙度大，具有良好的貯水空間，為地下水的賦存提供了良好場所；接受溝谷季節性河流大量垂直滲漏補給，形成孔隙潛水含水層，其特點是含水層滲透系數、給水度大，埋藏較深，富水性強，主要分布于四角羊溝及牛苦頭溝2 條山間溝谷下游地段。

四角羊溝主溝長約20.0km，牛苦頭溝主溝長約16.0km，本次水源地的勘查區位于2 條山間溝谷下游，含水層為第四系沖洪積松散堆積層；其中四角羊溝溝谷內堆積物厚度為0m ～53.0m，地下水位埋深約32.0m；牛苦頭溝溝谷內堆積物厚度為0m ～69.0m，擬建水源地地下水位埋深32.0m ～39.5m，地下孔隙潛水豐富，滲透系數一般5.5m/d～40m/d，為潛水水量豐富地段，也是水源地建設的最優地段。

3.2 地下水的補給、徑流、排泄條件

項目區地下水類型為第四系孔隙潛水，大氣降水及融雪水在山間溝谷中地表徑流的垂直滲漏是地下孔隙潛水主要補給來源，第四系孔隙潛水含水層巖性顆粒粗大，結構松散，透水性強，地下水的徑流方向與溝谷的發育方向一致，地下孔隙潛水主要以潛流的形式向溝谷下游排泄。

4 地下水資源評價

4.1 地下水天然資源評價

4.1.1 水文地質參數的確定

（1）滲透系數（K）的確定：管井揭穿第四系松散層潛水含水層，屬于完整井，選用主孔帶2 個觀測孔的三次降深抽水試驗對滲透系數(K)進行計算，并對計算結果進行對比分析。計算公式：

式中：Q 為抽水試驗時的出水量（m3/d）。H 為含水層的厚度（m），取值17.5 m。S1為距離抽水孔較近的觀測孔水位降深值（m），取值50m。S2為距離抽水孔較遠的觀測孔水位降深值（m），取值70m。r1為抽水孔與較近觀測孔之間距離（m）。r2為抽水孔與較遠觀測孔之間距離（m）。

經計算得大降深至小降深抽水試驗時的滲透系數分別為：63.23（m/d）、61.40（m/d）、65.76（m/d）；取平均值作為含水層的滲透系數，K(GCK1-1)=63.46（m/d）。同理求得牛苦頭溝第四系沖洪積地層的滲透系數K（G07）=32.07m/d 。

（2）給水度（μ）的確定：采用適用于K=0 ～600m/d中細砂以粗地層的經驗公式計算給水度（μ）值，用經驗公式計算的給水度值與經驗值比較接近，但有些偏大，計算的地下水資源量會偏大。

計算得：四角羊溝水源地2-2′剖面處μ（四角羊溝）=0.211

牛苦頭溝水源地G07 號井處μ（牛苦頭溝）=0.192

（3）水力坡度（I）的確定：通過使用高精度測量儀器準確測量了各孔的地表高程，結合統測的地下水埋深，換算出統一的靜止水位標高；采用以下公式：

式中： I 為水力坡度；

ΔS為沿地下水徑流方向上兩點之間的水頭差

L 為沿地下水徑流方向上兩點之間的水平距離

經計算可知：

（4）影響半徑（R）的確定：根據觀測孔的水位降深及相應的計算公式綜合確定鉆孔的影響半徑。通過分析計算得出的影響半徑，得出四角羊溝擬建水源地影響半徑為300m，牛苦頭溝擬建水源地影響半徑為500m。

4.1.2 地下水補給量

四角羊溝及牛苦頭溝2 條山間溝谷水源地地下水的補給來源主要來自南部山區大氣降水及融雪水補給，由于工作區的氣象、水文資料較少，無法準確核算大氣降雨對地下水的入滲補給量。

4.1.3 儲存量的計算

根據1：2.5 萬水文地質測繪及水文地質調查資料，牛苦頭溝G07 至G01 段溝谷地形平緩寬闊，為擬建水源地的主要儲水地段，該段以上溝谷寬度變得狹窄，地形坡降開始變大；根據牛苦頭溝在G07 處獲得的1 條水文地質剖面、已有7 口水井資料獲得的沿溝谷發育方向的縱剖面、溝谷形態、水力坡度等資料可知，牛苦頭溝山間溝谷擬建水源地地下孔隙潛水的平均含水層厚度為13.1m，平均寬度150m，選取G07 至G01 段共2.5km 溝谷計算地下水儲存量。

根據地下水儲存量容積法計算公式：

式中：μ 為給水度，為經驗值，與實際經驗值較為接近。V的取值為各剖面橫斷面面積的平均值與該段溝谷長度的乘積。

4.1.4 排泄量的計算

牛苦頭溝山間溝谷3-3′剖面含水層厚度大，溝谷呈V 型，橫斷面面積為2111.8m2；按照達西滲透定律使用以下公式計算：

式中：Q 地下水徑流量（m3/d）。K 滲透系數（m/d）。I 水力坡度。B 計算斷面的寬度（m）。M 含水層厚度（m）。B 與M 的乘積為橫斷面面積（m2）。

經計算可知：四角羊溝擬建水源地在下游2-2′處滲透系數取值31.93m/d；水力坡度為2.1%，橫斷面地下水排泄量為：Q2-2′排=2892.9m3/d。

牛苦頭溝在3-3′剖面處滲透系數取值32.07m/d；水力坡度為2.2%，橫斷面地下水排泄量為Q 3-3′排=1490.0m3/d。

4.2 地下水允許開采量計算

（1）四角羊溝山間溝谷水源地。通過近似開采試驗法對溝谷上游施工的兩個水文地質勘查孔同時進行抽水試驗，當開采總量為1600m3/d 時，經過72 小時時間抽水試驗可知，KT01 靜止水位為31.44m，穩定水位36.3m，降深4.86m，穩定出水量968.4m3/d；GCK1-1 靜止水位為31.09m，穩定水位32.86m，降深1.77m，穩定出水量628.8m3/d；停泵后，水位迅速回升，停泵后5 分鐘，KT01 鉆孔恢復水位剩余值為1.16m，GCK1-1 鉆孔恢復水位剩余值為0.74m，經過48 小時后，水位基本恢復到原來水平，說明實際抽水量基本接近開采條件的補給量，可將抽水試驗的抽水量近似為允許開采量，即Q允（四角羊溝）=1600 m3/d。

（2）牛苦頭溝山間溝谷水源地。通過開采試驗法模擬未來開采方式對G07、G06 進行了兩個主孔同時抽水試驗，當開采總量為1682m3/d 時，經過72 小時抽水試驗可知，G07 靜止水位為31.8m，穩定水位41.72m，降深10.24m，穩定出水量1054.0m3/d；G06 靜止水位為32.73m，穩定水位35.49m，降深2.76m，穩定出水量628.8m3/d；停泵后5 分鐘，水位迅速回升，此后水位恢復相對較慢。取用牛苦頭溝3-3′剖面處的地下孔隙潛水排泄量作為地下水允許開采量，即Q允（牛苦頭溝）=1490.0m3/d。

小結：牛苦頭礦區四角羊溝及牛苦頭溝2 條山間溝谷中的地下水允許開采量Q允=3090m3/d。

5 結論和建議

（1）通過勘察工作，對四角羊溝及牛苦頭溝礦區水源地地下水采用近似抽水試驗法，得出四角羊溝水源地地下水允許開采量Q允（四角羊溝）=1600.0m3/d；結合牛苦頭溝3-3′水文地質剖面處地下孔隙潛水的排泄量，得出牛苦頭溝地下水的允許開采量Q允（牛苦頭溝）=1490.0 m3/d。

（2）由于勘查時使用近似抽水試驗法的抽水時間較短，不能完全準確模擬未來水源地在開采使用條件下的狀態，因此，在擬建水源地投入建設使用后，應對地下水的開采量、靜止水位、動水位、降深、恢復水位等進行詳細的記錄，以此對地下水資源的允許開采量進行復核及調整。

（3）目前水源地已于2015 年建成并投入使用，到目前已使用了近5 年時間，根據投入使用的水源地各鉆孔的抽水記錄資料可知，前期的勘查資料非常準確。