陈官庄水源地开采环境地质问题分析

井小琴，李 宁，邵忠瑞

(1.河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南 郑州450053;2.河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院，河南 郑州450045;3.河南省地质矿产勘查开发局第三地质勘查院，河南 洛阳471023)

1 自然地理概况

水源地地处黄淮冲积平原，地势平坦，视野开阔，西北略高，东南稍低，地面标高32～34 m，地表岩性主要为冲积的粉质粘土、粉土组成。研究区地处华北平原之东南部，属暖温带季风型气候，一般春旱秋雨，夏热冬寒，四季分明。降水量:年平均降水量为 836.3 mm，年最大降水量为 1 518.6 mm，年内降水多集中在7、8、9三个月。蒸发量:年平均蒸发量为1 656.1 mm，年最大蒸发量为2 087.0 mm，年最小蒸发量为1 156.7 mm。气温:年平均气温为14.2℃，日最高气温为40.5℃，日最低气温 -23.4℃。本区地处黄河故道南缘，主要河流有王引河、小王引沟及纵横交错的人工渠道，水系较发育，走向呈西北 -东南向，属淮河水系，均为季节性河流。

2 区域地质概况

2.1 地层

地层主要有:寒武系以泥质白云质灰岩夹钙质泥岩、粉砂岩为主;奥陶系以灰色灰岩、灰黄色白云质灰岩、硅质结核灰岩为主;石炭系以深灰色灰岩、泥岩、砂岩为主，含薄层煤层;二叠系以灰色中粗粒砂岩、粉砂岩为主;新近系区内仅见新近系上新统，为冲湖积地层，一般埋深在90 m以下，含水层岩性以黄褐色细砂、粉砂为主，结构松散，层位稳定;第四系地层广泛覆盖于新近系上新统之上，岩性为黄褐色、棕褐色粘土、粉质粘土、细砂、粉砂。

2.2 构造

本区位于华北地台东南隅，秦岭纬向构造的东延部分，萧县向斜、永城隐伏背斜之间。构造线方向呈北东、北北东。

2.2.1 褶皱

主要有永城隐伏背斜、葛店背斜。

1)永城隐伏背斜:轴面沿演集、丁集一线呈北东10°～15°方向延伸，轴部由寒武、奥陶系灰岩组成。两翼由石炭、二叠系含煤地层组成。背斜东翼有葛店、新庄、车集井田、西翼有城郊、新桥矿区。

2)葛店背斜:为一隐伏地垒式倾伏背斜，呈北东向，背斜轴部地层由南到北为太原组、山西组与下石盒子组。

2.2.2 断层

区域内较大的有魏老家断层、刘河断层。

1)魏老家断层:位于永城隐伏背斜东翼，刘河断层东侧，走向与背斜轴近于平行，长约65 km，断面东倾，落差约400 m，倾角70°左右，为正断层。

2)刘河断层:位于永城隐伏背斜东翼，走向与背斜轴近于平行，断面东倾，落差约300 m，倾角65°左右，为正断层。

3 水文地质条件

3.1 中层地下水

中层地下水赋存于第四系更新统中、下部，埋深在50～80 m，含水层岩性以细砂、粉砂为主，其次为中砂，1～3层，累积厚度为 3.00～16.00 m，平均厚度 9.30 m，底部隔水层为粉质粘土及粘土层。根据区域资料，单位涌水量(q)平均为1.01 m3/h·m，渗透系数(k)为 1.30 ～1.94 m/d，水化学类型为 HCO3·SO4-Na·Mg型，矿化度 0.92 ～1.20 g/L。该层含水层薄，富水性较差，目前没有单独开采，不予赘述。

3.2 中深层地下水

3.2.1 中深层地下水的赋存条件

中深层地下水赋存于新近系上新统冲湖积层中，埋深在80～200 m，含水层顶板埋深约90 m，北部稍浅，西南部略深，底板埋深190 m左右，岩性以细砂、中细砂为主，次为粉砂，可见 4～8层，累积厚度 28.50～57.00 m，平均厚度 39.0 m，砂层分布较连续稳定，富水性较好。

根据抽水试验资料，单位涌水量1.86～4.24 m3/h· m，导水系数(T)为 226.23 ～312.22 m2/d，弹性释水系数(μe)为2.10×10-4～4.57×10-4，压力传导系数(a)为 5.05 ×105～1.49×106m2/d，渗透系数(k)为 1.30 ～5.09 m/d。

3.2.2 中深层地下水的富水性

综合考虑含水层厚度，通过含水层厚度计算出砂层出水率，考虑单位涌水量的大小，换算成降深20 m出水量，再依据单井出水量的大小，划分三个富水程度不同的水文地质分区。

1)强富水区(单井出水量＞70 m3/h)分布在本区东北部的小杨庄～陈庄以北、张楼～张庙台 ～周楼以东一带和西南部梁井～张庄一带，分布面积约10.0 km2，占水源地面积的28.57%，含水层岩性以中细砂、细砂为主，其次为粉砂，可见5～8层，累积厚度为38.00～52.00 m。根据抽水试验资料，取水层段的管径 φ325 mm，单位涌水量为 3.59～4.24 m3/h·m。根据砂层出水率，考虑单位涌水量的大小，换算成20m降深单井涌水量 71.8 ～84.8 m3/h。

2)富水区(单井出水量50～70 m3/h)分布在本区刘楼～小杨庄以南，刘楼～梁井～张老庄以东至王引河一带，分布面积约18.5 km2，占水源地面积 52.86%，含水层岩性以细砂为主，其次为粉砂，可见3～7层，累积厚度35.50～42.50 m。根据抽水试验资料，取水层段的管径φ325 mm，单位涌水量为2.51～3.62 m3/h·m。根据砂层出水率，考虑单位涌水量的大小，换算成20m降深单井出水量50.4～67.2 m3/h。

3)中等富水区(单井出水量35～50 m3/h)零星分布在本区刘集5～后左寨和烈士陵园 ～董窑一带，分布面积约6.5 km2，约占水源地面积的18.57%，含水层岩性以粉细砂、细砂为主，其次为粉砂，可见5～7层，累积厚度为38.00～46.50 m。根据抽水试验资料，取水层段的管径 φ325 mm，单位涌水量为1.86～2.27 m3/h·m。根据砂层出水率，考虑单位涌水量的大小，换算成20 m降深单井出水量为37.2～45.4 m3/h。

3.3 中深层地下水的补给、径流、排泄条件

中深层地下水埋藏较深，不能直接得到大气降水的补给，同时上部又分布有较厚的粉质粘土层，与上部含水层的水力联系很弱，其天然状态下，近似处于静止的封闭水，径流缓慢，补给量小，形成开采漏斗时，才能接受漏斗周边的径流补给。中深层地下水的径流，在天然状态下其流向总体上由北向南和由东北向西南径流。中深层地下水排泄途径为人工开采和向下游侧向径流排泄。

3.4 中深层地下水水位埋深及动态变化

3.4.1 中深层地下水水位埋深现状

根据钻孔水位测量，中深层地下水静止水位埋深一般为13.525～17.67 m，水力坡度为 1/20005～1/3500。

3.4.2 中深层地下水水位动态变化

中深层地下水水位的变化，反映了新近系河湖相沉积含水层的地下水压力水头的变化，水位下降速率取决于含水砂层的弹性释水和贮水能力及中深层地下水的开采强度。区内中深层地下水目前尚未开采，根据水位观测资料，8月至11月份水位平稳，12月至翌年3月底水位缓慢上升，一般幅度为 0.105～0.38 m。

中深层地下水位动态不受降水影响，只受开采强度影响。目前水源地四周除南部2003年建设的神火工业园区赵双楼水源地外(距陈官庄水源地12 km)，其余基本没有开采，根据该水源地的水位资料，天然水位下降速率仅有0.088 m;而2004年10月、2005年3月水位变化较大，是由于该厂试产开采所致。结合供水管井水位资料，年平均下降速率为0.36 m。综合考虑，中深层地下水水位年下降速率为0.15 m。

3.5 中深层地下水水化学特征

中深层地下水无色透明、无嗅无味，水温一般为18℃ ～19℃，pH 值为 7.305 ～7.70，呈中性;矿化度 1.115 ～1.47 g/L，平均为 1.23 g/L，为微咸水;总硬度(以 CaCO3计)225.55 ～523.0 mg/L，大部分为 228.05 ～314.0 mg/L，属微硬水;水化学类型主要为 HCO3·SO4·Cl-Na及 SO4·HCO3·Cl-Na型水。HCO3·SO4·Cl-Na型水分布在水源地的郭庄5～刘集以北和梁井5～刘楼5～陈官庄以南、G311公路以北一带，SO4·HCO3·Cl-Na型分布在水源地中部郭庄～刘集以南、梁井 ～刘楼～陈官庄以北和 G311公路以南董窑一带。

4 水源地开采对周边环境的影响

现状条件下，水源地未出现降落漏斗，中深层地下水流向呈北～南和东北～西南向，中深层地下水目前基本没有开采，水源地附近仅刘河矿有1眼深度176 m的中深井(目前尚未开采)。水源地开采后，将形成一个降落漏斗，根据计算，水源地开采20年，中心井水位降深为73.04 m。因而在现状条件下，水源地开采后不会造成水源枯竭及水井报废。

5 环境地质预测

5.1 中深层地下水水质变化趋势

中深层地下水主要接受侧向径流补给，水源地水化学类型主要为 HCO3·SO4·Cl-Na及 SO4·HCO3·Cl-Na型水。根据开采性抽水试验抽水后期采取的五个抽水井的水样水质分析资料，同各单井抽水试验时所取水样的水质分析资料来看，各项化验指标基本一致，水质未发生变化。依此分析，水源地投产后，水源地中深层地下水的水质类型将不会发生太大变化，水源地在合理开采情况下，认为中深层地下水仍除 F-、SO42-离子含量及矿化度超标外，其它因子将不会超过《生活饮用水水质标准》(GB5749-85)中的允许含量。

5.2 对浅层地下水的影响

根据水文地质条件，区内中深层地下水埋藏较深，其上有厚层粘性土相隔，通过非稳定流和开采性抽水试验期间布设的机民井水位资料分析，二者没有水力联系。此外各探采成井孔在施工过程中采用优质半阴干粘土球封闭止水，止水效果良好，防止了浅层与中深层地下水沿井筒发生相互补给。总之，中深层地下水的开采不会影响浅层地下水。

5.3 地面沉降预测

水源地开采后，必然形成地下水降落漏斗，在开采降落漏斗范围内，应对其地面沉降进行监测。区内中深层地下水虽然贮存于新近系上新统冲湖积层中，固结程度较高，但仍然有可能引起地面沉降，因缺少工程地质钻探及岩土测试资料在此不予计算，建议建设部门进行专门环境地质评价。

5.4 压煤概述及地面塌陷预测

水源地位于车集井田与葛店井田北部约14 km，刘河矿东1 km，根据河南永夏煤田地质勘探资料，陈官庄一带二叠系山西组所含二2可采煤层埋藏深度在11 005～1 300 m，下石盒子组底部含煤4层(三煤)，其中三层煤厚均小于 0.65 m不可采，仅有一层煤厚为1.25 m，但不连续，且埋藏深度大。鉴于区内煤系地层埋藏较深，可采煤层较少、较薄，较长时期内难以开采利用，因此，水源地不存在压矿问题和采煤引起地面塌陷环境地质问题。

6 水源地保护

6.1 建立卫生防护带

由于中深层地下水埋藏较深，水源地开采后，主要接受侧向径流补给，因而地面污染一般不会直接对中深层地下水造成影响，但注意同一深度开采段的取水建筑物，应采取严格的止水措施，避免人为因素致使中深层地下水水质恶化，因此根据中深层地下水埋藏条件，地表渗透条件以及水源地开采降落漏斗影响范围等因素，水源地应建立卫生防护带，卫生防护带的宽度宜为开采井距的15～2倍。

6.2 水源地生产井的施工工艺

根据中深层地下水水文地质条件，在开采中深层地下水建造中深井时，成井深度以200 m左右为宜，管径为 φ325 mm一径到底，过滤器可选用缠丝包网填砾过滤器或镀锌桥式过滤器，根据含水层粒级可选用与其相匹配的滤料，滤料宜为Φ0.755～2 mm的优质石英砂，通过物探测井准确划分地层及确定咸淡水界面，在适当的位置进行封闭止水，止水材料选用直径Φ15～3 cm半阴干优质粘土球，为了防止地表水通过井孔环状间隙下渗，地面下10 m深度应利用粘土围填封闭。

另外，在水源地周围1 500～2 000 m范围内不宜再建造其它工业生产用水井，特别是在已形成降落漏斗区内不应再建造工业生产井，以避免漏斗水位进一步大幅度下降。

6.3 水源地开采监测工作

随着水源地的开采，地下水的水位下降，会引起一系列环境地质条件的改变，因而建立起完善的地质环境保护网络系统，开展一系列的环境地质监测工作，为更好地科学开发地下水资源作好保障和服务。

(1)建立地下水动态监测和管理系统，对水源地及周边地下水的水质、水量、水位进行长期观测和研究，提供水源地水质发展趋势及防治水质恶化的方法;研究水源地开采对周边地下水水位、水量的影响以及周边地下水的开采对水源地的影响，提出缩小影响并达到长期科学开采地下水资源目的方法。

(2)建立环境质量监测系统，对水源地及当地环境的污染情况进行监测和预报，提出防治和解决污染问题的方法及措施。

[1]冯亿年，等.河南省永城市神火工业园备用水源地供水水文地质详查报告.2010.

[2]刘兆昌，等.供水水文地质(第三版).[M].北京:中国建筑工业出版社.2000.

[3]房佩贤，等.专门水文地质学.[M].北京:地质出版社.2005.

[4]中国地质调查局[M].水文地质手册(第二版).地质出版社.2012.