丰沛平原区地下水开采利用现状及潜在水源地分析

景佳俊， 管 祯， 单雨阳， 景佳媛

(1.江苏省地质矿产局第五地质大队，徐州 221004； 2.华北理工大学，唐山 063600)

0 引言

丰沛平原区位于江苏省北部，传统产业以农耕为主，主要以潜水作为生产及生活用水，以往地下水供需矛盾并不激烈。随着社会经济的快速发展，该区对水资源的需求量日益增长，地下水作为主要的供水水源，在社会经济发展中具有重要作用。然而，地下水超采造成了区域性水位下降和水环境污染，引发地面沉降和地裂缝等地质灾害。目前，丰沛平原区已形成丰县城关—孙楼—常店和沛县—龙固2个大型超采漏斗区，不仅引发了地面沉降等地质灾害[1-4]，也严重影响了社会经济的稳定发展[5-7]。就城市供水而言，地下水暂无地表水源可代替时，只能继续开采地下水。为了缓解地下水过量开采导致的地面沉降问题，有效减少第四系孔隙水的开采量，在丰沛平原区寻找新的供水水源地是迫切需要解决的问题。本文通过总结丰沛平原区水文地质条件和特征，分析该区地下水开采利用现状，并对潜在水源地进行分析，探讨华栖隆起区裂隙岩溶水利用的可行性，为该区下一步水源地勘察工作提供参考。

1 地下水赋存特征

按含水介质不同，该区地下水主要划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和碎屑岩-岩浆岩裂隙孔隙水3类，相应含水岩组分别为孔隙含水岩组、裂隙岩溶含水岩组和裂隙孔隙含水岩组。因碎屑岩-岩浆岩裂隙孔隙水赋存量小，基本无供水价值，本文暂不作介绍。松散岩类孔隙水和碳酸盐岩类裂隙岩溶水的赋存特征如下。

1.1 松散岩类孔隙水

松散岩类孔隙水赋存于新近系—第四系孔隙含水岩组中。根据地层沉积时代，孔隙含水岩组细分为全新统孔隙含水层、中上更新统孔隙含水层和新近系—下更新统孔隙含水层。

(1)全新统孔隙含水层。全区广布，厚度<15 m，主要为粉土，结构松散，透水性较好，底部有一层厚约5 m的淤泥质亚黏土。该含水层富水性弱，单井涌水量多数为10～100 m3/d。

全新统孔隙含水层裸露地表，直接接受大气降水入渗和农灌水回渗补给。径流方向主要受地形控制，总体流向与地形坡向基本一致。全新统孔隙水的排泄途径主要有蒸发、人工开采、越流补给下伏含水层以及向地表水流泄。

(2)中上更新统孔隙含水层。全区广布，底板埋深70～90 m，东南部含水砂层累计厚5～10 m，向北、西北逐渐增厚至15～20 m。该含水层富水性较好，单井涌水量多数为1 000～3 000 m3/d。

天然条件下，该区中上更新统孔隙水主要由东北向西南径流； 现状条件下，因受人工开采影响，该区地下水由四周向漏斗区汇流。全新统孔隙水的越流补给是中上更新统孔隙水的重要补给源，人工开采及向下伏含水层越流是中上更新统孔隙水的主要排泄途径。

(3)新近系—下更新统孔隙含水层。全区广布，东部含水层底板埋深80～180 m，西部含水层底板埋深420～460 m。含水砂层厚20～40 m，单井涌水量一般>1 000 m3/d。

天然条件下，该区新近系—下更新统孔隙水自东北向西南径流； 现状条件下，受人工开采影响，该区已形成以沛县和丰县为中心的水位降落漏斗。近些年来，农村地区新近系—下更新统孔隙含水层的开采强度加大，该含水层水位普遍低于上覆含水层水位。因此，现状条件下，该区新近系—下更新统孔隙水不仅接受侧向径流补给，来自上覆含水层的越流也是其主要补给源，径流方向由四周向漏斗区汇流。人工开采是新近系—下更新统孔隙水的唯一排泄途径。

1.2 碳酸盐岩类裂隙岩溶水

碳酸盐岩类裂隙岩溶水赋存于寒武系—奥陶系裂隙岩溶含水岩组中，含水层岩性主要为灰岩、白云质灰岩和白云岩，主要分布于华栖隆起区，顶板埋深>80 m，富水性取决于构造和汇水条件，不同地段水量差异较大，单井涌水量一般>1 000 m3/d，局部可达10 000 m3/d。

该区裸露岩溶区面积<0.01 km2，可忽略不计，以NE向的侧向径流补给为主，以上覆含水层越流补给为辅，径流方向自东向西。人工开采是碳酸盐岩类裂隙岩溶水的唯一排泄途径。

2 地下水现状

2.1 开采利用现状

丰沛平原区地下水主采层位为中上更新统孔隙含水层和新近系—下更新统孔隙含水层。根据调查统计资料[4]，截至2012年底，丰沛平原区共有中上更新统孔隙含水层开采井8 723眼，新近系—下更新统孔隙含水层开采井430眼，且主要集中在丰县、沛县城区及沛县北部大屯镇。中上更新统孔隙水开采量为9 400.52万m3/a，可采资源量为9 289.60万m3/a，补给资源量为11 240万m3/a； 新近系—下更新统孔隙水开采量为8 544.72万m3/a，可采资源量为8 573.73万m3/a，补给资源量为10 374万m3/a。目前，孔隙含水层已超采或临近超采，且开采极不均衡。沛县龙固、杨屯、大屯、沛城和安国，中上更新统孔隙含水层和新近系—下更新统孔隙含水层均超采； 沛县龙固、杨屯和大屯，丰县凤城、宋楼、大沙河、欢口、赵庄、孙楼和常店，中上更新统孔隙含水层超采量>50%。

2.2 地质环境现状

丰沛平原区孔隙水长期不均衡开采导致超采区中上更新统含水层水位大幅下降。20世纪70年代，该区自然水位标高约25 m，但目前该区自然水位标高约0 m，最低水位标高已降至-14.4 m(丰县县城)，形成了丰县城关镇—孙楼镇—常店(面积325.22 km2)大型超采漏斗区和沛县—龙固(面积427.33 km2)大型超采漏斗区，并引发大面积地面沉降(图1)。地面沉降主要发生在沛县大屯镇和丰县城市规划区地下水强烈开采区，其中沛县大屯镇地面沉降发生时间较早。1988年，大屯镇已形成与开采区一致的沉降漏斗，最大累计沉降量达329 mm； 至2006年，该镇最大累计沉降量达821 mm，平均沉降速率为27 mm/a； 2006年，该镇累计沉降量>700 mm的区域面积达1.09 km2。根据地面沉降监测资料[4]及地下水降落漏斗分布范围，推测目前丰沛平原区累计沉降量>200 mm的区域面积达200 km2，累计沉降量>100 mm的区域面积达600 km2。

图1 丰沛平原区地面沉降分布图

3 潜在水源地分析

3.1 地质条件

华栖隆起区位于丰沛平原区中部，主要由寒武系、奥陶系和石炭系碳酸盐岩组成，总厚度>1 000 m，沿NEE—SWW向呈条带状展布，长约40 km，宽5～6 km，总面积为225.88 km2。西侧丰县断裂与古近系碎屑岩呈断层接触，南、北两侧分别与泰山群片麻岩、二叠系—侏罗系及古近系碎屑岩呈角度不整合接触，东部延至区外，局部有闪长斑岩侵入，为半封闭型水文地质单元(图2)。

图2 华栖隆起区位置及第四系等厚线

华栖隆起区在丰县华山镇和栖山镇有基岩零星出露，其余地区被厚度为50～280 m的松散层覆盖，为埋藏型裂隙岩溶水富水地段。裂隙岩溶水接受大气降水越流补给，越流系数为(1.297～4.45)×10-5d-1，水头埋深10～15 m，高于含水层顶板，属承压水。目前，该区无人工开采活动，基本保持天然状态。

根据矿区勘探试验资料[8-10]及区域相关研究成果，发现该区含水层岩溶裂隙较发育，富水性总体较好。寒武系和奥陶系多为灰岩，富水性最佳，单井涌水量一般>1 000 m3/d，钻孔揭露该类岩层均严重漏水； 石炭系和二叠系含煤岩组富水性较差，单井涌水量一般<300 m3/d。在肖县组施工的ZK1302孔和ZK1508孔抽水试验结果[8-10]显示：ZK1302孔水位降深为2.8 m时，出水量为898.8 m3/d； ZK1508孔水位降深为3.92 m时，出水量为4 032.0 m3/d。计算获得的平均渗透系数k为5.40 m/d，导水系数T为560 m2/d，释水系数S*为0.021。根据马家沟组ZK4301-1孔抽水试验结果[8-10]，钻孔水位埋深为19.83 m、降深为10.11 m时，出水量为4 567.3 m3/d，计算获得的平均渗透系数k为10.89 m/d。

根据本次ZK808孔肖县组下段含水层水质分析结果，该区裂隙岩溶水为HCO3·SO4·Cl-Na (或Na ·Ca)型水，矿化度为1～1.5 g/L，总硬度>450 mg/L，pH值>7.5，符合饮用水水质标准。

3.2 区域岩溶水资源量计算

根据区域抽水试验结果，该区岩溶水给水度为2.5×10-3，贮水系数为4.65×10-4，导水系数为250 m2/d，水力坡度为3.35×10-4，越流系数为1.81×10-5d-1。

根据水均衡法[11]，本次拟定的水均衡区为岩溶覆盖区，总面积为225.88 km2，均衡期拟定为一个水文年，以覆盖型与裸露型岩溶区段补给量之和作为开采量，其中15%的岩溶水为不可采量，公式为

Qk=Qy+Qc，

(1)

Qc=0.85QCB-QK，

(2)

Qy=3.65×104·K·ΔH·F，

(3)

QB=Qk/F，

(4)

式中：Qk为开采资源量，万m3/a；Qc为侧向补给资源量，万m3/a；QCB为侧向补给量，万m3/a；QK为开采量，万m3/a；Qy为越流补给资源量，万m3/a；K为越流系数，d-1； ΔH为设计水头差，5 m；F为岩溶区面积，225.88 km2，QB为开采模数，万m3/(a·km2)。其中裸露岩溶区面积仅0.01 km2，本文忽略不计。

通过计算，研究区越流补给资源量为640.61万m3/a，侧向补给资源量为26.90万m3/a，总可采资源量为667.51万m3/a，开采模数为2.96万m3/(a·km2)，可作为潜在水源地进一步开展地下水勘查评价工作。

3.3 岩溶水开采可行性

华栖隆起区裂隙岩溶水主要富水区段为基岩面以下约20 m地段，向下富水性骤降，单井涌水量多数>4 000 m3/d，是区域上良好的供水水源，预计开采井的建井深度与孔隙水开采井的开采深度相近，建井成本略高。华栖隆起区与丰县及沛县县城具有一定距离，预计供水管网建设及运营成本较孔隙水略高，但裂隙岩溶水开采可有效缓解区内供水压力，有利于孔隙水资源的科学开发与保护，裂隙岩溶水开采具有可行性。

岩溶裂隙水疏干至-200 m时，姜梨园铁矿井下疏干排水资料[9]显示：距矿井边界北800 m处设置的岩溶水观测井水位埋深由18.6 m下降至22 m，第四系底部含水观测井(基岩面以上与风化裂隙接触带)水位埋深由18 m降至82 m； 距矿井边界北1 km处设置的岩溶水观测井水位埋深由18.2 m下降至32 m。因此，裂隙岩溶水过度开采将导致孔隙水水位下降，可能引发地面沉降等地质灾害。

裂隙岩溶水水位下降引起孔隙水水位下降，二者之间的水力联系密切，裂隙岩溶水过度开采将导致裂隙岩溶水水位下降，当水位降至基岩面附近时易形成土洞，可能引发岩溶地面塌陷等地质灾害。大规模开采岩溶水还可能导致裂隙岩溶水的水质发生变化。

4 结论

(1)丰沛平原区地下水主采层位为中上更新统孔隙含水层和新近系—下更新统孔隙含水层，已形成丰县城关—孙楼—常店和沛县—龙固2个大型超采漏斗区，总面积超过750 km2，引发了地面沉降等地质灾害。

(2)华栖隆起区为裂隙岩溶水的富水地段，总可采资源量为667.51万m3/a，可作为水源地进一步开展地下水勘查评价工作。

(3)华栖隆起区岩溶水距离城区近，水量大，水质好，开发难度小，具有可观的经济价值。

(4)裂隙岩溶水过量开采可能引发地面沉降、岩溶地面塌陷等地质灾害，应对裂隙岩溶水开采情况进行长期监测，合理开发利用水资源。