缺水地区薄层含水结构的开发利用研究

(山西省水文水资源勘测局，山西 太原 030001)

1 薄层含水层定义及研究意义

1.1 薄、弱含水层的定义

含水层是一组既含水又能透水的地层的统称。薄层含水层[1]的“薄”是一个相对的概念，原指整体表现为隔水地层的粘土亚粘土类地层中间夹杂的砂砾石含水层，沉积厚度薄，补给条件差，富水性不好，很难提供稳定的出水流量。传统的水文地质学并没有将其计算在地下水资源里，一般也不作为开发的目的层。

本文研究的薄层含水层是这一概念的延伸，泛指所有地层中含水层厚度相对较薄、补给条件差的各类弱含水结构，不再单指粘土类地层中砂砾石夹层。

GB12719-1991《矿区水文地质工程地质勘探规范》中，以孔径91 mm的钻孔，抽水降深10 m 为准，通过计算单位涌水量，将地层富水性分为以下四级[2]： (1)弱富水性：q<0.1 L/s·m；(2)中等富水性：0.1 L/s·m5.0 L/s·m。 实际水文地质工作中，由于弱富水性地层对工农业供水意义不大，一般不会将单井水量小于10 m3/d的含水层纳入可开发资源进行评价和统计。同时，由于开采成本高，不能形成稳定供水，我们通常也将涌水量小于3 m3/h的地区划为弱含水区域。

1.2 研究意义

我国西南地区如四川省、云南省，都大量分布有第四系风化红土地层；而北方不仅沉积有第三系红土层，还有一些泥页岩为主的沉积岩如侏罗系、白垩系等，都属于典型的弱含水地区。尤其在缺水山区，降雨等水资源时空分布严重均匀，地形高差大，降雨形成的洪水很难拦蓄，地表水资源很难被利用。下游水资源过度开发，导致地下水源疏干，沟谷内原有清泉水断流干涸，更加剧了当地的用水困难。而当地地层中普遍存在有薄层的含水结构，虽然厚度不大，富水弱，但在该类地区可能是就近解决人畜饮水困难的唯一可靠途径。远距离引水不仅成本高，运行管理也难以为继。深部地下水源或者不存在，即使有也是开发成本太高，对于山区小范围供水难以形成持续发展模式。因此，从21世纪初开始，国家和地方有关部门都立足当地，探索开发薄、弱含水层的勘查技术及新型开采、开发模式，取得了很好的经验，在中西部缺水地区建立了一批示范工程。这些研究探索，对于纾解缺水山区人畜饮水困难、扶贫开发等有重大的现实意义。

2 山区薄、弱含水层分类

2.1 松散层孔隙水

2.1.1 崩塌堆积物

陡坡上的岩土、石块或风化碎屑层，在重力作用下，崩落下移形成的土石堆或碎屑堆，分布在坡脚或山麓地带形成山前崩塌物堆积。一般表现为分选差、无层理但多空隙、结构松散的岩土碎屑混杂体。接受降雨及山前侧向补给，可形成局部富水的含水层。

2.1.2 坡积物

在降雨形成的片流搬运和重力作用下，在山前斜坡地带形成坡积、堆积物。成分以中细砂、粉砂和亚粘土为主，有时夹有粗颗粒的砂砾石。从坡顶到谷底，地层颗粒由粗粒径的碎石、中细砂逐渐过度到亚砂土亚粘土。在垂直剖面上，则表现为自上而下由碎石、中细砂、亚砂亚粘土、粘土构成的沉积韵律。中上部的砂砾石层在横向上沿坡面形成很好的含水结构。底部及坡边缘的粘土构成很好的隔水层，在补给条件好的地区会以小泉小水形式出露地表，最终汇入沟谷或以地下径流方式向下游排泄。

2.1.3 山间沟谷冲洪积物

由于山区地形高差大，降雨形成的地面径流多数以洪水形式出现。这些裹夹着大量砂石的洪流，在地表宽阔地带由于流速降低，堆积形成的扇形洪积物或漫滩冲积物，构成山区最主要的松散含水结构。

2.2 基岩裂隙水

在地质演化及构造运动的作用下，坚硬的基岩会产生各种裂隙 ，包括成岩裂隙、风化裂隙和构造裂隙三种。这些裂隙接受降雨等补给后，形成基岩裂隙水。裂隙水的埋藏、分布及富水程度受裂隙发育控制和补给条件影响，裂隙水分布不均，不同岩层间水力联系少。

2.2.1 残积物及风化壳

地表岩石经风化作用后，残留在原地形成风化残积物。多层结构的残积物构成风化壳，在地表呈壳状包裹于地面，构成岩石圈的表层。

由于风化作用的长期及普遍性，风化裂隙大多分布于地表或浅埋于松散沉积层下部，形成均匀、密集联通的层状、块状裂隙系统。孔隙度大，导水性能好，接受水源补给后构成良好的风化裂隙含水系统。常为潜水，多层结构及埋藏型也可能是承压水。

2.2.2 条带状构造裂隙水

构造裂隙是岩石在构造应力作用下产生的裂隙。构造裂隙水储存并运动于这些裂隙中。裂隙发育的方向性导致含水岩层的渗透具有各向异性，在同一岩层的不同方向，裂隙发育好的方向上，导水性强，水力联系好；裂隙发育差的方向上，导水性差，水力联系弱。整体呈现带状分布形成含水带。

一般情况下，在构造应力集中之部位裂隙较为发育，越是坚硬的脆性岩石越容易形成裂隙。所以在向斜、背斜轴部，区域地层隆起的核部，断裂构造破碎带处裂隙发育而富水。

2.2.3 成岩裂隙水

成岩裂隙和成岩裂隙水：成岩裂隙是玄武岩、大理岩等岩石在形成过程中由于冷凝、固结、脱水等作用而产生的原生裂隙，成岩裂隙的特点是受岩性控制，发育均匀，呈层状分布，多富集潜水，赋存的地下水称为成岩裂隙水。

沉积岩和深层岩浆岩的成岩裂隙通常是闭合的，含水意义不大。最有意义是玄武岩成岩裂隙。陆地喷发的玄武岩岩浆，在冷凝收缩过程中产生的柱状节理就属于成岩裂隙(还有气孔)。此类裂隙张开性一般较好，且分布均匀、密集，连通性好，良好的补给条件下构成贮水丰富、导水通畅的成岩裂隙含水系统。

3 适用的地球物理勘查技术方法

由于传统物探技术受极距、灵敏度等因素影响，分辨率有限，对薄层含水层的勘查从来都是难点。如何在贫水山区，在地质资料的基础上，科学合理地运用综合物探方法，寻找到分布范围小，厚度有限的含水结构，经过多年的研究和经验积累，有了一定的进展，但勘探成本普遍较高，更合理经济的物探方法仍处于探索研究阶段。这里只介绍两种较为成熟的浅层物探方法。

3.1 核磁共振法

核磁共振找水技术直接探测自由水分子中氢原子的激发响应，是目前国际上唯一直接找水的技术方法。国内外的实验统计数据表明[3]，仪器测得的氢原子核磁共振信号的平均衰减时间T2*对自由水和束缚水的反映不同，束缚水的衰减时间T*2小于30 ms。而核磁共振仪器的测量间歇时间也为30 ms，因此接受不到束缚水的激发响应信号。而自由水的水量越大，核磁响应信号越强，因此该方法可以直接寻找地层中的自由水并评估其富水性和渗透系数。缺点是仪器复杂笨重，工作耗时长，抗干扰能力差。特别适宜于一般物探方法难以寻找的分布不均的地下水，如黄土丘陵孔隙水、风化碎屑岩裂隙水、在岩溶发育带区分含水或泥质充填物以及断裂构造形成的层状、脉状裂隙水。

3.2 高密度电法

高密度电法对浅层地下结构具有高分辨率，是浅层地球物理勘查的主要方法之一。对于砂页岩地区的断裂构造、灰岩区岩溶发育及松散沉积层中分布不均的砂砾石层，具有快速高效的特点，成本低，是其他物探方法难以比拟的。资料处理简单成熟，最大的缺点是难以确定富水性。

高密度电法与传统的电阻率法相比，是一次测量中设置了较高密度的测点。现场工作时，将全部电极布置在一定间隔的测点上，电极之间根据设置模式可以自由组合测量，这样一次就可以获得更多的地电信息，使电法勘探成为覆盖式的测量方式。

图1所示是在某山间沟谷内的运用60道高密度电法仪器勘查浅层砂砾石层的测量结果。一次布置60个电极进行组合测量，经数据处理后，根据图中粗线划定的区域，就可以将地下埋深8米以上的高阻砂砾石层分辨出来。界面清晰，资料可靠性好。工作效率高。

图1 山西某山间沟谷高密度电法反演成果图

图2 辐射井示意图

图3 虹吸井示意图

4 开发利用方式探讨

由于薄、弱含水层的水资源自身径流条件差，补给量小且速度缓慢，采用传统的单井开采与其含水层自身的补给很难同步，导致开采时水位降深大，不能满足稳定抽水。开发利用时必须要先解决区域弱含水结构的几个关键问题，包括最大程度汇集地下水的能力和改善补给条件[4]。通过工程措施增强开采井的汇水能力，尽可能增加区域含水层的静水储存空间[5]。只有满足这两个条件，才能保证高峰期的供水需要。

4.1 辐射井

辐射井[1]是在大口井或管井的动水位下，在含水层的部位，沿径向施工安装3～8条集水管道来增大出水量。见图2所示，主要是由集水井与一层或多层呈辐射状排列的集水管组成的地下取水建筑物。辐射井适用于埋深较大，含水层厚度较薄的粗砂砾石含水层。地下水补给条件越好，出水量越大。山区和黄土丘陵区都可采用，现阶段在缺水地区应用广泛。含水层较厚时,设置多层辐射集水管，可以大大增大出水量。

4.2 虹吸井

将两个以上的筒井、管井以虹吸管连接起来，通过群井联用开采弱含水层中的地下水。见图3所示，虹吸井[5]一般由一个或多个水源井和一个集水井及虹吸组合输水管组成。水源井在集水井周围根据含水层的分布情况布置，开采时通过虹吸原理将高处的地下水自动流入到低水位的开采井中，汇流到一起满足机泵连续稳定抽水的要求，解决单个水井抽水的耗能和水量不足问题。

4.3 截潜、截渗和拦蓄洪水

4.3.1 截潜流

截潜流工程通过在河底或沟谷的砂卵石含水层内部垂直水流方向修建截水墙，拦蓄汇集地下水至集水井或水池中，综合开发地表径流和地下径流的一种集水工程。适应于河床或沟谷宽度不大，含水层埋深较浅、富水性好的地区。根据是否完全穿透含水层的截流方式分为完整式和非完整式两种。完整式截潜贯穿含水层直达底部，如果能配合底部防渗处理，在地形高差大，水力坡度大的地区比非完整式截流在拦截地下径流方面更容易拦蓄储存地下水，抬高当地地下水位，效果也更好。

4.3.2 渗渠

开挖渗渠主要是为了拦截山区沟谷或山间季节性小河的河床渗透水和地下潜流水。通常分为横切沟谷和沿河岸布置两种。后者区别于截潜流，成本低，维护方便，还可用于拦截边坡或丘陵缓坡坡积物的地下径流。在山区可以沿沟谷和水流走向长距离设置，对于解决小型供水很有意义。

4.3.3 引泉

在山区有地下水露头的地方，充分利用山区清泉水，修建贮水的地下建筑物。再利用地形高差，通过管道借重力作用将泉水自动引流到下游集水井或清水池等取水建筑物中加以利用。

4.3.4 山区洪水资源化

通过布置在沟谷或河道上游的拦河坝、堰，采用蓄、滞、补等措施对山区洪水进行资源化利用，缓解水资源供需矛盾。将山区降雨就地截留使用，或有意识延长洪水在山间沟谷或冲、洪积含水层的滞留时间，回补地下水。

5 结语

对于传统水文地质来说，薄层、弱含水结构不具有连续供水的能力，开发价值不大。但对于缺水山区，采用新方法、新途径，立足当地开发该类含水层，满足人畜饮水的基本需求，纾解水资源的供需矛盾，很有现实意义。经过技术人员多年的研究和积累，已经探索出一些切实可行的勘查及开发利用方式，建立了一批示范基地。由于缺水地区自身水资源条件的限制和观念影响，低成本开发当地薄、弱含水层，可持续地解决生活用水问题，还有待进一步的研究探索和推广应用。