河北省興隆縣北部巖溶儲水結構特征及供水服務能力分析

楊學亮，楊 熙，張 勃，趙建青，王昕洲，鄭 軍

1.河北省地質環境監測院，河北 石家莊 050000；2.河北省地質礦產局 第四水文工程地質大隊，河北 滄州 06100

0 引言

關于巖溶儲水結構特征及巖溶裂隙儲水問題，國內許多學者做了詳細研究和論述［1-7］，強調了巖溶裂隙水對我國北方地區地下水資源的重要性.筆者基于承德地區水文地質調查項目所取得的數據，綜合分析區域水文地質條件及鉆孔資料，對研究區含水巖組進行了劃分.同時對區域巖溶儲水結構特征進行研究探索，將研究區劃分為灤河流域下游柳河流域主要儲水結構、灤河流域下游柴白河流域主要儲水結構.在研究區實施探采結合孔3眼，施工配套觀測孔3眼，對鉆孔總供水能力進行評估，旨在為該地區巖溶地下水資源的合理開發利用提供科學依據.

研究區位于河北省承德市興隆縣北部，包括鷹手營子礦區、汪家莊鎮、北馬圈子鎮、北營房鎮等鄉鎮.該區屬半濕潤半干旱大陸性季風型山地氣候，地下水主要靠大氣降水入滲補給，其次為域外地下水的側向徑流補給.區內降水量、降水強度及降水補給特征對地下水形成起著主要控制作用.多年平均降雨量545.6 mm，降水年內分配極不均勻，7—8月份降雨量占全年的70%，且多為暴雨，加之地形坡度較大，植被發育一般，降水入滲系數僅為4%～8%，所以大部分降水以地表徑流流失.主要河流為柳河、清水河、柴白河及泃河.

研究區是20世紀50年代末興起的老工業基地，資源枯竭較為嚴重，生態環境脆弱，水資源的短缺阻礙著這一地區的社會經濟發展.因此，緊密結合研究區社會經濟發展需求，尋找巖溶儲水結構并開發利用巖溶水資源成為解決該地區缺水問題的重要途徑.

1 研究區地質-水文地質概況

1.1 地質背景

研究區位于燕山構造單元的內蒙地軸南側燕山臺褶帶，自元古宙末期基底形成以來，長期處于被剝蝕狀態.區內地層主要發育元古宇長城系、薊縣系、青白口系，古生界寒武系、奧陶系，中生界侏羅系以及第四系，且有太古宇深變質巖、混合巖分布.至燕山運動地臺活化，形成一系列斷陷盆地，接受了數千米中生代砂礫巖、泥巖、火山巖及火山碎屑巖堆積.受新華夏構造體系控制，區內主要的大斷裂為平坊-桑園大斷裂及密云-喜峰口大斷裂，破碎帶數十米，最寬可達200～300 m，斷面陡傾，裂隙、溶隙密集.含水層厚度大、面積廣，能夠廣泛接受大氣降水，構成完整的巖溶水系統，常有泉出露.

研究區一般斷裂按其展布方向分為NE—NNE向、近E-W向兩組.其中NE—NNE向斷裂遍布全區，數量最多，為該區主要構造.斷裂規模相差懸殊，長數千米至幾十千米.在走向上多呈彎曲波狀，形成斷裂帶.近E-W向斷裂與NE—NNE向斷裂相交分布，不同級次的斷裂、褶皺等構造較為發育，形成斷裂帶.構造裂隙發育較好的地段為地下水的形成提供了有利條件，可作為區域性巖溶裂隙水的儲水空間和導水通道［8］，對區內巖溶裂隙水的分布與徑流起到了很大作用.巖溶地下水系統受該構造控水影響較為明顯，認為構造空間分布特征是地下水系統邊界劃分的重要依據之一.

1.2 巖溶含水巖組

根據地層巖性、地下水賦存條件、水理性質和富水性，研究區地下水含水系統可分為4種類型：松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組、巖漿巖變質巖裂隙含水巖組.其中碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組分布面積廣，裂隙密集，巖層破碎，含水層厚度大，能夠廣泛接受大氣降水，為區內主要巖溶含水層組.

據資料分析可知，部分巖溶含水系統同時存在大氣降水、地表水、松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、巖溶地下水等多種水資源要素，各水資源要素之間存在直接或者間接的復雜轉化關［9］.研究區碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組不僅接受大氣降水入滲補給，同時還接受清水河、柴白河、柳河在系統上游地區地表產流進入碳酸鹽巖區后對巖溶水形成的滲流補給，及河谷沖洪積層孔隙含水層在進入碳酸鹽巖區后通過地下潛流形成對巖溶水的補給.

巖溶水多富集于構造所控制形成的地下暗河或儲藏于可溶巖層中［10］.研究發現，本區巖溶水主要儲藏于可溶巖層中.依據地下水賦存條件及水動力特征，將其分為4類，如表1.

表1 含水巖組劃分Table 1 Classification of water-bearing rock formations

1）奧陶系碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組

該巖組主要分布在研究區中部劉家莊-洞廟河站-跳溝、小煤嶺溝-石家莊-李家東溝及西南部馬家莊-馬家莊后溝.斷裂構造發育，巖石較破碎，巖溶較發育.北溝-小跳溝-梁西一帶為水量豐富區，小跳溝現已建供水水源地1處，共打3眼井，可開采資源約為600×104m3/a，為中型水源地.位于撥東的鉆孔ZK2，抽水試驗資料顯示，涌水量約為2 200 m3/d.位于跳溝的鉆孔ZK3，涌水量約為1 900 m3/d.小煤嶺溝-東窩鋪一帶，匯水面積相對窄小，構造裂隙發育較差，灰巖破碎程度相對較差，參考《水文地質圖編制規范（1∶50 000）》中關于含水巖組富水性的分類規定，將其劃分為水量中等區.

2）寒武系碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組

該巖組主要分布在研究區中部老虎溝-徐家莊、西南部王田溝-郝家莊、東部金扇子-東窩鋪.含水層組分布面積多狹長且受頂底板巖層巖性影響，富水性相對較差.一般情況下水量中等區井孔涌水量及泉流量多為300～1 000 m3/d.水量貧乏區井孔涌水量及泉流量多小于300 m3/d.

3）薊縣系碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組

該含水巖組分為兩類.

①薊縣系霧迷山組-高于莊組碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組：主要分布在研究區東北部澇洼-孔隆堂南溝、老雕窩-小石門及南部火道溝-小水泉.水量豐富區含水層較厚，且受斷裂構造帶影響，裂隙、溶隙密集，能夠廣泛接受大氣降水，構成完整的巖溶水系統.

②薊縣系鐵嶺組碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組：主要分布在工作區中部頭道溝-轉魚溝-東溝、東部老燒鍋河北一帶及西南部東梅寺-郝家莊西溝.分布面積較小，含水層較薄，一般在構造發育地帶富水性較好，其他部位富水性相對較差，在本區基本為水量貧乏區，井孔涌水量多小于100 m3/d，常見泉流量多小于1 L/s（86.4 m3/d）.

4）長城系大紅峪組碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組

該巖組主要分布在研究區東北部小石門一帶，面積較小，含水層較薄，為水量極貧乏區.

2 巖溶儲水結構

巖溶儲水結構是尋找地下水的有利靶區.本研究以水文地質調查為先導，分析了研究區多年的水文地質工程地質資料，在一定程度上掌握了區域的構造展布；選擇適宜的地球物理探測方法，開展綜合地球物理勘查，尋找具有供水價值的含水層、儲水結構，并獲得含水層的埋深、厚度，儲水結構的規模、空間分布等基本數據［11］.從區域上看，地質構造作用方式決定了巖溶儲水構造的水文地質特征，儲水構造所處的地形地貌條件決定了地下水的補給排泄范圍、水量豐富程度和循環模式［12］.研究認為，雖然巖溶儲水載體在縱橫方向上發育不均一，但大體規律是巖溶地下水多儲藏于可溶巖層中.巖溶水系統控制著巖溶地下水的循環、分布、埋藏、富集規律等；水化學的分布特征控制著巖溶含水層的脆弱性程度［9］.將研究區劃分為灤河流域下游柳河流域主要儲水結構、灤河流域下游柴白河流域主要儲水結構.

2.1 灤河流域下游柳河流域主要儲水結構

尋找巖溶儲水結構，需要結合地形地貌特征、地下水埋深情況、地層巖性特點等，并合理選擇物探方法組合，綜合分析其特征，來探明地下含水結構的走向、寬度、下延伸度等［10］.本研究針對灤河流域下游主要巖溶儲水結構開展了物探和鉆探工作，主要工作集中在撥東及跳溝工作區.

工作中查明了主要儲水結構為碳酸鹽巖巖溶裂隙溶洞溶隙.該區域碳酸鹽巖具厚層狀致密塊狀構造，屬硬脆性巖石，在構造應力作用下，易產生張性節理裂隙，并經水的長期溶蝕作用，溶孔、溶隙、溶洞發育，構成很好的儲水空間.尤其是在徑流排泄區，巖溶水較富集，在斷裂（層）破碎帶、阻水巖層的迎水側及巖體接觸部位，地下水交替循環強烈，巖溶發育程度高，常常構成較大的儲水構造.巖溶水系統內往往同時存在包括大氣降水、地表水、松散層孔隙地下水、碎屑巖裂隙地下水和巖溶地下水等多種水資源要素，各水資源要素間存在直接或者間接的復雜轉化關系［9］.巖溶儲水結構，可作為缺水村鎮居民分散供水或者集中供水較為理想的水源［12］.尋找有利于地下水富集的儲水結構，對于解決人畜缺水問題是一條重要途徑.

1）撥東灰巖-裂隙導水儲水結構

撥東工作區主要出露中奧陶統厚層灰巖、白云質灰巖夾竹葉狀灰巖及下奧陶統豹皮狀灰巖、泥質條帶灰巖、白云質灰巖.推測灰巖巖層經過多次地質構造變動，產生了褶皺和斷裂，并被含有二氧化碳的水溶蝕，發育溶隙，在局部形成連通性各異的裂隙網絡［13］，既可以提供大氣降水和地表水的入滲運移通道，又可以為巖溶地下水提供儲存和積蓄的空間.

采用激電中梯測深、可控源音頻大地電磁測深等方法，完成了物探剖面.其中L02線近南北向順溝布設，大致查明了奧陶系下統和中統接觸帶存在裂隙發育，并通過南東向破壞構造的導水通道以確定勘查施工孔位.結果顯示：于深度50～200 m范圍內探測到電阻率梯度變化帶，與中下奧陶統巖層傾向一致，為下奧陶統、中奧陶統地層接觸帶.構造裂隙（傾角約50°）沿南東向發育，導致巖層較破碎，影響帶寬度大，形成地下水富集帶，地下水賦存條件較好，構成灰巖-裂隙導水儲水結構.認為地下水的主要儲存形式為構造控制下的巖溶網絡-管道裂隙水.物探解釋成果見圖1.

圖1 撥東工作區可控源音頻大地電磁測深反演深度-電阻率等值線斷面圖Fig.1 Cross-section of resistivity contour by controllable source audio magnetotelluric sounding inversion in Bodong area

在撥東村施工了一眼探采結合孔ZK2，配套施工一眼觀測孔GCK2.主孔ZK2揭露的地層結構為：0～1 m為灰黑色雜填土，由黏性土、碎殘石及其他雜物組成；1～29 m為黃褐色碎石土，碎石含量約占70%，多為棱角狀，成分以灰巖為主，含少量砂巖，由粉質黏土填充；29～30 m為漂石層；30～101 m為青灰色奧陶系灰巖，隱晶質結構，塊狀構造，主要由碳酸鹽礦物組成，局部見有方解石脈，巖心呈短柱狀，可見節理裂隙，巖質較硬；30.5～32 m為黃褐色斷層泥.主要裂隙段及含水層位置為45～50 m和65～70 m.

對該鉆孔進行了2個落程穩定流抽水試驗.根據抽水試驗數據及觀測結果，使用曲度法判斷涌水量方程類型.該井靜水位為7.84 m，最大降深2.31 m時，穩定后單井涌水量約為2 000 m3/d.通過鉆探工作，進一步驗證了撥東灰巖-裂隙導水儲水結構的發育情況，確定了主要裂隙段位置及含水層位置.

配套觀測孔GCK2孔深約142 m，距離主孔ZK2約136 m.同步對觀測孔GCK2進行數據觀測，可知主孔水位降深為0.9 m時，觀測孔水位降深為0.5 m；主孔水位降深為2.31 m時，觀測孔水位降深為1.37 m.

2）跳溝灰巖-裂隙破碎帶儲水結構

跳溝研究區為一近東西向沖溝，延伸超過4 km，為后期構造裂隙發育所成.推測由于裂隙影響，致使巖層破碎，加速了巖溶化作用，使得巖溶水在一定程度上能夠富集［14］.

該區主要出露奧陶系灰巖、白云質灰巖、豹皮狀灰巖.在沖溝內，采用可控源音頻大地電磁測深法順溝完成一條剖面.電阻率等值線圖揭示：深度300 m以上出現了明顯的低電阻率異常帶，電阻率值低于400Ωm，與地表出露的正長斑巖、奧陶系灰巖類地層的電阻率均不符合，異常向深部延伸超過300 m，上游地下水補給面積也較大，形成灰巖-裂隙破碎帶儲水結構.認為地下水的主要儲存形式為構造控制下的巖溶網絡-管道裂隙水（圖2）.

圖2 跳溝工作區可控源音頻大地電磁測深反演深度-電阻率斷面圖Fig.2 Cross-section of resistivity contour by controllable source audio magnetotelluric sounding inversion in Tiaogou area

在跳溝村施工了一眼探采結合孔ZK3，配套施工一眼觀測孔GCK3.主孔ZK3揭露的地層結構為：0～5 m為淺黃色粉質黏土，土質均勻，軟塑為主；5～9 m為青灰色奧陶系灰巖，隱晶質結構，塊狀構造，巖心多為長柱狀，少量為碎塊狀，節理裂隙不發育；9～15 m為黃褐色—土黃色粗砂巖，粒狀結構，塊狀構造；15～188 m為青灰色奧陶系灰巖，隱晶質結構，塊狀構造，巖石質硬.15～47 m節理裂隙不發育；47～53.5 m發育少量節理裂隙；53.5～63 m節理裂隙不發育；63～188 m裂隙發育.該井主要裂隙段及含水層位置位于115～120 m和150～165 m.

對其進行了3個落程穩定流抽水試驗.該井靜水位為13.57 m，最大降深12.57 m時，穩定后單井涌水量約為1 900 m3/d.

配套觀測孔GCK3孔深約154 m，距離主孔ZK3約19 m.同步對觀測孔GCK3進行數據觀測，可知主孔水位降深為12.57 m時，觀測孔水位降深為11.64 m；主孔水位降深為8.44 m時，觀測孔水位降深亦為8.44 m；主孔水位降深為4.38 m時，觀測孔水位降深亦為4.38 m.

2.2 灤河流域下游柴白河流域主要儲水空間結構

針對該儲水空間結構開展了物探和鉆探工作，主要研究工作集中在南大洼工作區，為南大洼非可溶巖-斷裂破碎帶儲水結構.推測認為該地非可溶巖受到構造的影響，使得斷裂破碎帶處地下水活動相對頻繁，運移速度加快，導致巖溶發育速率增強［10］.

該區域主要出露侏羅紀正長斑巖，在東北部小面積出露有侏羅紀次正長斑巖.采用可控源音頻大地電磁測深等方法，完成了5條物探剖面，均探測到低電阻率異常帶.其中L02線的低電阻率異常主要以175點為中心，向深部延伸超過300 m，淺部寬約75 m，向深部變窄，較為陡立；深部略南傾，傾角為75～90°.認為南大洼工作區內的低電阻率異常為正長斑巖斷裂破碎所致，斷裂帶電阻率降低明顯，存在一條充水構造破碎帶，巖石破碎、裂隙發育，多填充水，距沖溝東南側的山體較近.建議在L02線175點（深大異常）處進行鉆探（圖3）.

圖3 南大洼工作區可控源音頻大地電磁測深反演深度-電阻率斷面圖Fig.3 Cross-section of resistivity contour by controllable source audio magnetotelluric sounding inversion in Nandawa area

在南大洼村施工了一眼探采結合孔ZK1，配套施工一眼觀測孔GCK1.主孔ZK1揭露的地層結構為：0～8 m為黃褐色砂礫石，主要以第四系河道堆積、砂卵礫石為主；8～32.5 m為淺灰色石英粗安質角礫巖，塊狀構造，斑狀結構，主要由火山角礫和膠結物組成；32.5～201 m為淺灰-肉紅色正長斑巖，斑狀結構，塊狀構造，主要礦物成分為正長石，次要礦物成分為石英、角閃石，斑晶直徑0.2～11 cm，主要成分為正長石、角閃石.主要裂隙段及含水層位置為32～45 m和127～140 m.

對主孔ZK1進行了3個落程穩定流抽水試驗，該井靜水位為3.33 m，最大降深32.66 m時，穩定后單井涌水量約為400 m3/d.

配套觀測孔GCK1孔深約148 m，距離主孔約174 m.同步對其進行數據觀測，未發現該孔水位降深出現變化.

3 巖溶含水介質特征

研究和分析認為，灤河流域下游柳河流域主要儲水空間、灤河流域下游柴白河流域主要儲水空間的含水介質主要表現為“裂隙巖溶型”.含水介質多由溶蝕空洞和裂隙共同構成［10］.本研究共計調查井72點，其中枯水期（2019年6月16—17日）、豐水期（2019年8月31日—9月2日）各調查36點.調查結果顯示，豐水期統測井水位埋深大部分均出現不同程度的上升情況，水位變幅為0.04～1.19 m，地下水動態有降水入滲補給滯后現象（圖4）.在徑流、排泄區地下水水力坡度較為平緩，水量相對豐富，可以形成徑流帶，沿途接受降水通過巖溶裂隙介質以擴散流的形式和通過落水洞以集中流的形式補給［11］，且推測通過巖溶裂隙介質以擴散流的形式補給占比例更大.降雨期間，巖溶裂隙介質為流域地下水的主要排泄通道，發揮著重要的排泄作用［11］.

圖4 研究區部分統測井點水位變化動態曲線圖Fig.4 Dynamic curves of water level changes at some logging points in the study area

4 探采結合孔供水服務能力及建議方案

城鎮供水關系公共健康和生命安全［15］，國內學者針對巖溶供水做過較多研究［16-21］.中國地質環境監測院在承德地區實施的水文地質調查工作，對解決群眾安全飲水及相關扶貧產業的用水問題作出了貢獻.

隨著京津冀協同發展，興隆縣人口急劇增加.興隆縣規劃人口約20萬人，生活飲用水需水量約為4×104m3/d.目前水源地的日供水量僅為1×104m3/d左右，缺水量3×104m3/d左右.興隆縣城現有水源地供水量已經不能滿足其現狀及未來規劃的飲用水需求.

依據1∶5萬水文地質調查與物探解譯結果，在研究區實施探采結合孔（表2）.

表2 探采結合孔供水能力及服務對象一覽表Table 2 Water supply capacity and service objects of exploration-mining combination boreholes

南大洼村位于承德縣劉杖子鄉，為革命老區，同時為貧困村.探采結合孔ZK1單井涌水量約為400 m3/d，預計能夠為200余戶村民，20余公頃蘑菇大棚、蔬菜大棚、果園等供水.特別是能夠緩解旱季用水困難的現狀.

撥東村現供水條件簡陋，水質差，水量不足，無法滿足當地生產生活需求.探采結合孔ZK2單井涌水量約為2 200 m3/d，預計能夠為500多村民以及13余公頃農田等供水.能夠改善因水質較差、干旱季節居民用水緊缺等問題帶來的不良影響.

跳溝村是鷹手營子礦區脫貧攻堅龍頭村，也是美麗鄉村建設示范村，近年來注重生態文明建設及特有鄉村文化產業發展.探采結合孔ZK3單井涌水量為1 900 m3/d，預計能夠為20余公頃農田梯田、山楂果園、葡萄采摘園的灌溉提供良好的支撐，有效帶動村莊經濟、文化發展.

3眼探采結合孔預計能為該地區供水4 500 m3/d，灌溉約53 hm2農田，緩解近千居民用水問題.

需要特別指出的是，井孔ZK1位于興隆縣撥東村，距離興隆縣城約19.23 km，距興隆縣現有扁擔溝水源地主管網約6.25 km.隨著該地區經濟的快速發展，供水安全的風險和挑戰越來越大，為進一步滿足實際需求，加強地下水的合理開發和科學利用及水資源的有效管理，建議井孔ZK1盡快并入興隆縣城供水管網.為確保相關工作能夠有序開展，進行了實地勘查，該區域工程地質條件簡單，尚未發現大型構造活動痕跡，無地質災害.第四系覆蓋層穩定，沒有墓穴、防空洞、孤石等對工程不利的埋藏物.鑒于承德市多年平均最大凍深為0.98 m，歷年最大凍深為1.26 m，建議供水管道基礎埋深超過1.3 m為宜，埋深在最大凍土線以下0.3 m，即管道埋深在1.6 m左右.沿途經過撥西村、郝家莊村、郝家莊西溝村及扁擔溝村等地.工作區內有水泥路、鄉村公路等，交通較為便利，方便機械運輸設備通行.附近均有可用電源，可以為鋪設管道提供便利條件.

5 結論

（1）對研究區含水巖組進行了劃分，將巖溶含水巖組劃分為奧陶系碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組、寒武系碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組、薊縣系碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組、長城系大紅峪組碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組.

（2）對區域巖溶儲水結構特征進行研究探索，將研究區劃分為灤河流域下游柳河流域主要儲水結構、灤河流域下游柴白河流域主要儲水結構.并將灤河流域下游柳河流域主要儲水結構細分為撥東灰巖-裂隙導水儲水結構和跳溝灰巖-裂隙破碎帶儲水結構兩個小類.查明區域儲水空間結構特征.

（3）依據1∶5萬水文地質調查與物探解譯結果，在研究區共實施探采結合孔3眼（配套施工配套觀測孔3眼）.探采結合孔分別位于承德縣劉杖子鄉南大洼、興隆縣平安堡鎮撥東村、鷹手營子鎮跳溝村.預計能夠為該地區供水4 500 m3/d，灌溉約53 hm2農田，緩解近千居民用水問題.

致謝：在研究工作及成文過程中得到中國地質環境監測院殷志強、劉文波、邵海等同志的指導及支持，在此表示衷心的感謝.