长兴岛碳酸盐岩裂隙岩溶水特征分析

陈冶程微宋波宋建伟程静孙丽萍

1.吉林大学，吉林长春，130022 2.辽宁工程勘察设计院，辽宁锦州，121000



长兴岛碳酸盐岩裂隙岩溶水特征分析

陈冶1*程微2宋波2宋建伟2程静2孙丽萍2

1.吉林大学，吉林长春，130022 2.辽宁工程勘察设计院，辽宁锦州，121000

提 要 长兴岛碳酸盐岩区占整个岛的44%，受降雨、岩性、构造等条件的影响，岩溶较发育，地下水资源较丰富，且水质较好，适宜作为饮用水水源。在收集大量基础地质资料，并结合现场调查、钻探、抽水试验成果，分析了从上至下5层岩溶带的发育特征、赋水性规律及补、径、排条件。同时考虑供水水文地质条件，进行了天然资源和开采资源概算，及成井条件、水质的分析评价。

关键词碳酸盐岩 裂隙岩溶水 天然资源量 可开采资源量 水质分析

1 自然地理条件概述

长兴岛位于辽东半岛渤海海岸中段，行政隶属瓦房店市，全岛面积252.5 km2，是长江以北第一大岛。目前该岛及周边小岛区域正在打造世界级石化工业基地，估算未来需水量为14×104m3/d。

长兴岛地处辽东湾东岸，属海洋性暖温带湿润大陆性季风气候区，雨热同季，四季分明。多年平均降水量612.4mm，降水集中在7～8月份，占全年降水量的 60%～70%，多年平均蒸发量1545.1mm。

长兴岛位于千山余脉西南部边缘，为辽东湾东岸的丘陵地台区。第四纪以来历经了大面积间歇性上升运动，海侵海退等内外营力塑造了现代地貌形态。按地貌成因本区可分为剥蚀地形、堆积地形及人工地形。剥蚀高丘地形主要分布在长兴岛中部，高程200～300m，主要岩性由石英砂岩、粉砂岩、碳酸盐岩组成。剥蚀低丘地形岩性由长石石英砂岩、粉砂岩等碎屑岩组成，高程小于200m。海积平原（阶地）、海滩与潮滩为堆积型，呈不规则条带状分布于长兴岛南、北两侧临海地带。长兴岛西海岸主要为开发的工业园区，人工削山填海工程规模较大，造成平地近9km2。填海厚度1～20m，均由砂岩、页岩碎石组成。

长兴岛区域冲沟发育，有多条季节性河流。本海区的潮汐属不规则半日混合潮，最高高潮位2.81m，最低低潮位-0.78m。

2 地质及水文地质条件概况

2.1 地层岩性

工作区内出露的地层有青白口系、寒武系、奥陶系以及第四系，其中以青白口系碎屑岩和寒武系、奥陶系碳酸盐岩为主【1】。由老至新详述如下：

青白口系（Qb） 大面积分布于长兴岛西部和东南部，与奥陶系、寒武系地层呈断层接触。岩性以灰绿色、紫色页岩及灰白色中厚层长石石英砂岩为主，夹灰色泥质白云岩、灰岩。

寒武系（Є）、奥陶系（O） 分布于长兴岛中部、东北部，面积112km2。岩性以灰色、深灰色中厚层结晶灰岩为主，局部夹薄层页岩。

第四系（Q） 主要分布于长兴岛南北两侧山前沟谷及沿海一线。上更新统（Qp）岩性为坡洪积黄褐色含砾、碎石粉土、粉质粘土夹角砾、碎石薄层；全新统（Qh）岩性为海积灰黑色淤泥质粉质粘土、粉土、细砂、中粗砂。

2.2 地质构造

本区大地构造位置隶属中朝准地台辽东台隆内的Ⅲ级构造区，复州-大连凹陷带。在漫长的地质时期中，本区经历了多次构造运动。晚古生代至新生代主要表现为地壳上升运动为主，导致地层严重缺失。其次是地壳应力场的变化发生了燕山运动、喜马拉雅运动，保留下来的构造形迹有断裂、褶皱，直接控制现代地貌形态和地下水的赋存与分布【2】。

长兴岛内与碳酸盐岩岩溶裂隙水有直接影响的断层有F1、F2、F3三条压性断层，对其特征详述如下：

F1断层：发育于南部蚊子嘴—龙口一带，长约10km，走向近东西，倾向南，倾角40～50°。北盘地层为奥陶系灰岩，逆掩于青白口系砂页岩之上。

F2断层：发育于桃房水库—沙包子一线，长近 20km，近北东向波状展布，倾向北西，倾角 30～40°。上盘地层为青白口系砂页岩，下盘为奥陶系灰岩。

F3断层：北东向呈波状展布于长兴岛东南部，出露长近25km，走向30～50°，倾向东南，倾角40～50°。上盘为青白口地层，下盘为寒武、奥陶系地层。

F1、F2、F3断层压性特征明显，断层面见挤压片理化现象，有阻水作用（图1）。受断裂影响，岛内寒武、奥陶灰岩节理裂隙发育，岩溶现象较发育，为地下水的储存、运移提供了必要的条件。

图1 长兴岛碳酸盐岩区地质结构图Fig.1 Geological structure of carbonate rock area in Changxing island

2.3 水文地质条件概况

工作区按赋水介质特征可分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水及碎屑岩类孔隙裂隙水三种类型【3】。

松散岩类孔隙水主要由上更新统坡洪积层、海积层组成，呈条带状分布于长兴岛南部。含水层由坡洪积物含碎石中粗砂、海积中粗砂、砾砂构成，地下水位埋深为0.5～2.2m之间。渗透系数为20～60m/d，单井涌水量小于200m3/d。

碳酸盐岩裂隙岩溶水分布于长兴岛东侧丘陵地区，含水层由寒武、奥陶系中厚层结晶灰岩，青白口系南芬组泥晶白云岩、灰岩夹钙质页岩组成，富水性不均。其中寒武、奥陶系中厚层结晶灰岩局部裂隙、岩溶发育，分布标高主要在1～70m，溶洞大者直径达1m。地下水埋深1.63～28.27m。渗透系数5～12m/d，单井涌水量一般1000～2000m3/d。青白口系南芬组泥晶白云岩、灰岩夹钙质页岩构造裂隙、溶隙发育不均匀，渗透性各向异性，单井涌水量一般小于500m3/d。

碎屑岩类孔隙裂隙水主要分布于长兴岛碳酸盐岩裂隙岩溶水周围。地层岩性为中元古界青白口系石英砂岩、粉砂岩。断裂不发育，地下水埋藏深度3～20m，渗透系数0.01～5m/d ，单井涌水量小于100m3/d。

3 碳酸盐岩裂隙岩溶水特征分析

3.1 岩溶分布规律

岩溶的发育在平面上分布具有普遍性和不均匀性，表现出一定的规律。

本区表层岩溶普遍发育，在碳酸盐岩分布区，不仅地表溶隙，溶槽、溶沟及溶孔、溶洞遍布，而且几乎所有的第四系覆盖之下，勘探揭露碳酸盐岩顶面均凸凹起伏，溶隙、溶槽、溶沟与溶洞亦发育，显示出岩溶发育在平面分布上的普遍性。但由于古地貌与地质构造等因素控制和影响，又使得岩溶发育分布具不均匀性，在北北东向、北东向和北西向三组构造切割作用下，岩溶和裂隙岩溶系统分布与区域岩溶系统分布一致。在溶蚀洼地边缘、褶皱平缓轴部及断裂构造等构造裂隙发育部位，岩溶发育强烈。

根据钻探与物探的成果统计，区内岩溶发育在垂直方向上具有明显的成层性（表1）。岩溶发育程度明显地随深度增加而递减。其中标高 5m以上三段岩溶发育，赋存较丰富的地下水。下部4、5层岩石渐完整，岩溶发育亦随着深度变化而由强减弱。

表1 长兴岛地区岩溶发育规律Table 1 Karst development in Changxing island

3.2 裂隙岩溶水分布特征

由前述区内岩溶的发育平面上分布普遍，垂向上具有成层性特征，故裂隙岩溶水具有相同的特征。

岩溶区内碳酸盐岩地层分布面积为112km2，其中，青白口系南芬组泥晶白云岩、灰岩夹钙质页岩为20km2，其虽具有区内岩溶特征，但发育程度较差；而寒武、奥陶系主要岩性为中厚层结晶灰岩，岩溶发育较好。

区内机民井一般井深小于50m，大部分取第一层裂隙岩溶水，少数深井取第二层水。区内部分抽水试验机民井情况详见表2。

由上表可见，青白口系地层岩溶发育相对弱，单井涌水量一般小于 500m3/d；寒武、奥陶系地层岩溶发育相对较强，单井涌水量一般 1000～2000m3/d。

3.3 裂隙岩溶水的补、径、排条件

裂隙岩溶水分布于丘陵区，覆盖层较薄或基岩直接裸露地表，接受大气降水的入渗补给。地下水埋藏较深，一般在10～20m，水位年变幅较小，大气降水补给滞后时间长，受隔水边界控制，水循环较缓慢。地下水由中部丘陵向山间河谷径流汇集后，向东南、西北两侧海域排泄。另碳酸盐区包括长兴岛镇在内的村屯，零星开采部分浅层水（据调查开采量为 500～800m3/d），也是其主要排泄方式。

表2 机民井抽水试验情况一览表Table 2 The pumping test situation of the Jimin well

3.4 供水水文地质条件分析

3.4.1 天然补给资源量 长兴岛碳酸盐岩区为岛内地形最高的丘陵区，大气降水为主要补给来源。其西侧、南侧被F1、F2、F3压性断层及青白口系砂页岩围绕，可视为阻水边界，构成了一个相对半封闭的储水构造（图 1）。大气降水入渗量作为天然补给资源量，侧向径流流出量忽略不计。

采用公式为：

α= a·p·F

式中：a—降水入渗补给系数，无量纲，依据地区经验确定（0.20）

P—降水量（m/a），取多年平均值，为0.612m

F—碳酸盐岩区面积（112km2）计算结果：α=13.71×106m3/a

3.4.2 现状开采量 长兴岛碳酸盐区常住人口约8000人，按 100L/（d·人）的定额计，现状开采量估算为800 m3/d。

3.4.3 可开采量 区内碳酸盐岩裂隙岩溶水，水量较丰富，适宜集中开采，可做供水水源。但由于汇水条件和构造条件的差异，同时考虑取水方便，布井间距等影响因素，可在沟谷及断裂发育处布置20眼供水井，单井涌水量1500m3/d，设计最大开采能力 3.0×104m3/d（1095×104m3/a），日常开采量2.0×104m3/d（730×104m3/a）。

区内现状开采量为800 m3/d，即29.2×104m3/a；水位较深（10～20m），蒸发量可忽略不计。因F1、F2、F3压性断层为阻水边界，故径流排泄量微弱；东北部虽径流条件稍好，但如按设计方案开采，整个区域水位将明显下降，径流排出量会大大减少，故本次估算不计算径流排出量。

按地下水均衡方程，排泄项为设计开采量与现状开采量之和，最大开采量为1124.2×104m3/a，日常开采量为759.2×104m3/a；补给项为大气降水入渗量，即13.71×106m3/a。

由上述分析可计算出，设计最大开采能力的开采量为天然补给资源量的82%；日常开采量为开然补给资源量的55.4%。根据其它岩溶水源地经验，开采资源可占补给资源的50%～80%，本次工作估算的日常可开采量是有保证的；遇特殊情况（如岛外引水工程故障）可短时间内按接近设计最大开采量供水。

3.4.4 成井条件分析 长兴岛碳酸盐岩存在五层溶洞，上部三层为富水地段，也是取水层位，故设计揭露或穿透第三层溶洞终孔，孔深 100～120m。该区裂隙、溶隙、溶洞发育，钻进困难，可采用300型水文水井钻机，跟管钻进成孔。设计一开跟管直径625mm，钻透第一层溶洞下入带花管的550mm无缝钢管，强力拔出625mm套管后固井；二开跟管直径425mm，钻透第二层溶洞下入带花管的325mm无缝钢管，强力拔出425mm套管后固井；三开跟管直径273mm，钻透第三层溶洞下入带花管的 250mm无缝钢管，强力拔出273mm套管后固井成孔，见图2。

图2 井管结构示意图Fig.2 Schematic diagram of well pipe structure

3.4.5 水质分析 长兴岛碳酸盐区地下水化学类型为HCO3-Ca型水，无色，无味，无肉眼可见物，清澈无杂质，pH值为6.76～7.58，溶解性总固体269～949mg/L。铜、铅、锰等重金属，砷、汞、镉、氰等有毒元素及酚、苯等石化污染物均未检出。按《中华人民共和国地下水质量标准》（GB/T14848-93）评价，区域碳酸盐岩裂隙岩溶水质量等级为Ⅲ类，适用于集中或生活饮用水水源及工、农业用水（主要水质分析项目见表3）。

表3 地下水质量评价表Table 3 Groundwater quality evaluation table

4 结语

长兴岛作为未来的世界级石化工业基地，受岛内封闭的自然地理条件所限（四面环海），优质淡水资源缺乏。未来工业用水及生活用水缺口较大，约为10×104m3/d。本文分析了岛内碳酸盐岩裂隙岩溶水特征，并估算了其天然补给量和可开采资源量，对其水量保证和水质特征做出了初步评价，其日开采量（2×104m3/d）可保证20万人口日供水量，且水质优良，适宜作为饮用水源。缺口部分建议岛外引水解决，主要为工业用水，水质要求不高，岛内碳酸盐岩裂隙岩溶水应优先解决人民生活用水。

参 考 文 献

1 地质矿产局. 辽宁省区域地质志［M］. 北京：地质出版社，1989，7

2 地质矿产局. 辽宁省区域地质志［M］. 北京：地质出版社，1989，717～718

3 中国地质调查局. 水文地质手册［M］. 北京：地质出版社，2012，93～94

Carbonate zone covers 44% of the entire Changxing island. Affected by rainfall， lithology， structure and other conditions， karst is developed well in this region， and groundwater resources are abundant. Moreover，groundwater with good quality is suitable as a drinking water source. On the basis of a large number of basic geological data， combined with on-site investigation， drilling and pumping test results， this paper analyzes the characteristics of 5 karst belt layers from top to bottom， regularity of water abundance and the conditions of reinforcing， runoff and discharge. Taking into account the hydro-geological conditions of the water supply， the paper also estimates the natural and exploitation resources， and analysis well conditions and water quality.

Keywords: carbonate rocks， fissure karst water， natural resources， recoverable resources， water quality analysis

中图分类号：P641.134

文献标识码：A

文章编号：1006-5296（2016）02-0079-06

* 第一作者简介：陈冶（1957～），男，水工环专业，副教授

收稿日期：2015-12-27；改回日期：2016-03-09

THE KARST WATER CHARACTERISTICS OF CARBONATE ROCK FISSURE IN CHANGXING ISLAND

Chen Ye1Cheng Wei2Song Bo2Song Jianwei2Cheng Jing2Sun Liping2
1.Jilin University， Changchun， Jinlin 130022 2.Liaoning Engineering Investigation and Design Institute， Jinzhou， Liaoning 121000

Abstract