闽北山区乡镇供水地下水源找水工作方法探讨 ①

张富乐

(福建省闽北地质大队，南平，354000)

集中供水工程系指以村镇为单位，从水源取水，经净化消毒，水质达到饮用水卫生标准后，利用配水管网统一送到用户或集中供水点的供水工程；其他以户为单位和联户建设的供水工程为分散式供水工程[1]。 南平乡镇集中供水基本以地表水为主，地表水水源占全市乡镇供水的95%以上[2]。近年来，随着城镇面积扩大、人口增加，早期的乡镇集中供水工程出现水源不足、季节性缺水等问题，面临寻找第二水源、后备水源的问题。2019年，省地矿局开展部分缺水乡镇(村)供水水文地质勘察项目，在邵武沿山镇开展的供水水文地质勘察(1)福建省闽北地质大队，邵武市沿山镇供水水文地质勘察报告，2020。。此次工作通过对在典型山区找水方法进行总结，为省内山地丘陵区找水工作提供参考。

1 研究区地理位置及水文气象

沿山镇位于邵武西北部郊区，距市区约17 km，镇辖区面积为261 km2，辖13个村，1个居委会，全镇户籍人口1.8万人，现镇区常住人口近0.7万人[3]。区域内属中亚热带东南季风性气候，四季分明，温暖湿润，日照充足，雨量充沛，根据近20年(1999～2019)气象资料，年降水量为1 061.8～2 504.1 mm，年平均降雨量为1 913.65 mm，丰水期为每年3～6月份，占全年降水量的58.12%。

2 供水现状及找水目标

镇区集中供水工程建于2010年，日供水量700 m3/d，受益人口为0.7万人，每天24 h供水，人均日给水量为100 L。随着镇区的扩容，常住人口将达1.2万人(2)福建省城乡规划设计院，邵武沿山镇总体规划(2017～2030)，2017。，经计算镇区自来水日供水需求约为1 200 m3/d，与现有镇区水源供水能力相差约500 m3/d。

镇区地表水源扩容受限，易受季节影响，雨季水源泥质过高、旱季水量不足，因此，考虑采用地下水源作为新水源。根据前人在镇区及周边开展的供水水文地质项目，松散岩类孔隙水、风化基岩裂隙水，单井流量一般分别为100～150 m3/d、80～100 m3/d，水量无法满足需求(3)福建省闽北地质大队，福建省邵武市农业水文地质区划图说明书，1983。。因此，此次的找水目标为深层断裂构造水，而且单井出水量不小于150 m3/d，总井口出水量不小于500 m3/d，水质满足生活饮用水卫生标准[4]。

3 富水构造的特征与验证

3.1 地质概况

研究区总体地势四周高、中间低，处于典型的山间盆地，周边群山环抱，海拔主要最高为1 280.4 m；沿山盆地地形平坦、开阔，最低海拔为210 m，相对高差为1 070 m。主要的地层有新元古代万全(岩)群黄潭(岩)组、下峰(岩)组的变粒岩、片岩，震旦纪西溪组变质砂岩，古生代寒武纪林田组变质砂岩，中生代早侏罗世梨山组砂岩、砂砾岩和第四系砂砾、卵石层；区内侵入岩分布广泛，出露面积约占78.27%，区内周边以燕山中期二长花岗岩为主。

3.2 水文地质条件

区内地下水主要为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和基岩裂隙水3种类型。

松散岩类孔隙水：主要分布于沿山河谷两岸及山间沟谷，含水岩组在第四系冲洪积卵石或砂砾石层中，含水岩组一般具二元结构，上部为弱透水的粉质黏土，下部为强透水或含水的卵石、砂砾石层，含水层厚度一般为0.5～2.5 m，单井涌水量一般为50～80 m3/d，水量贫乏。地下水为孔隙潜水，局部具微承压性，补给来源除大气降水补给外，还有河水侧向补给，另外靠近山前地带还接受基岩裂隙水补给。

图1 邵武市沿山镇水文地质略图Fig.1 Brief hydrogeological map of Yanshan town, Shaowu city1—第四系；2—燕山中期二长花岗岩；3—下降泉；4—上升泉；5—水文钻孔；6—涌水钻孔；7—充水断层/断层；8—地层界线；9—电阻率联合剖面测线；10—高密度电阻率测深剖面测线

碎屑岩类孔隙裂隙水：含水岩组主要为侏罗纪梨山组、寒武纪林田组砂岩，裂隙中因为泥质含量高，贮存条件差，泉流量一般小于0.1 L/s，总体水量属贫乏，主要为大气降水补给。

基岩裂隙水：可划分为侵入岩类基岩裂隙水、变质岩类基岩裂隙水和构造裂隙水。侵入岩类基岩裂隙水含水岩组主要为燕山期花岗岩，泉流量一般为0.11～0.454 L/s，单井涌水量为19.1～86.4 m3/d，总体水量属贫乏。变质岩类基岩裂隙水含水岩组为元古代变质岩，岩石节理裂隙较发育，连通性较差，地下水贮存条件较差，泉流量为0.08～0.10 L/s，水量贫乏。构造裂隙水主要贮存于张性断裂构造中，受断裂构造的产状、规模影响，富水性不一(图1)。

3.3 断裂构造及富水性

研究区处福建一级构造单元闽西北隆起带的中偏北部，属南华活动带武夷—云开褶皱带北段的华夏基底隆起带的一部分，为华夏古陆的重要组成部分。区内经历了众多构造期的变动，尤其是晚侏罗世以来，大规模陆内断陷及岩浆活动构成该区最基本和最主要的构造体系-岩浆岩展布，主要构造为北东、北北东向，次为南北向构造(4)福建省地质调查研究院，邵武幅1∶25万区域地质调查报告， 2005。，野外调查发现的主要断裂构造特征及富水性(表1)。

根据水文地质调查判断，工作区主干断裂构造为北东向(F1、F2)规模较大，延伸较长，但一般不含水，为阻水构造；次为近东西向断裂构造(F3、F4、F5)，规模较小，但富水性较好，尤其与北东向断裂相交部位，为北东向阻隔，富水性好。

构造裂隙水主要受断裂通过地层岩性、地质构造发育程度、地形(地貌)等因素影响，构造裂隙水的补给来源主要为大气降水、风化带孔隙裂隙水及断裂穿过沟谷、河流、水库的地表水。地下水沿破碎带由地形高处往低处径流，含水带一般具承压性，在断裂穿过沟谷地形低洼处一般以上升泉的形式排出地表。补给区与排泄区往往相距较远，泉流量与季节关系不密切。

区内周边群山环绕，汇水条件好，降雨量充沛，近东西向断裂构造(F5)切穿数个沟谷(图2)，可以获得较为稳定的补给来源。据泉点S104、S107的流量观测(2019-05～2020-04)

表1 邵武沿山主要断裂特征及富水性

及涌水钻孔SWGS-5(2019-09～2020-08)监测数据，通过泉、井流量与降雨量的相关性分析，构造裂隙水具有相对稳定的补给来源，流量与大气降水关系不密切，泉点丰水期最大流量分别为0.170 L/s(S104)和0.483 L/s(S107)、枯水期最小流量分别为0.140 L/s(S104)和0.325 L/s(S107)，泉流量随季节略有变化，丰水期流量是枯水期的1.21～1.48倍；SWGS-5孔水位年变化幅度仅为0.05 m，流量为0.035 L/s(表2)。

图2 邵武沿山F5断裂剖面(走向方向)示意图Fig.2 F5 fracture profile (strike direction) schematic of Yanshan town, Shaowu city1—第四系；2—燕山中期正长花岗岩；3—燕山中期二长花岗岩；4—上升泉；5—断层及编号；6—施工钻孔及编号

构造裂隙水的水化学主要为HCO3-Na·Ca型，个别为HCO3-Ca和HCO3-Na·Mg·Ca型，水化学类型主要与断裂穿过两侧围岩地下水水化学大致相同。因构造裂隙水上覆相对隔水层残坡积黏性土及第四系冲洪积黏土层，埋藏较深，径流途径长，水质不易受地

表工农业用水入渗影响，据SWGS-3、SWGS-5等孔丰、枯水期水质监测，pH值为6.50～6.65，铁(Fe)0.02～0.03 mg/L、锰(Mn)0.02～0.04 mg/L、氟化物(F)0.17～0.18 mg/L、硝酸盐(NO3)0.38～1.03 mg/L、偏硅酸(H2SiO3)32.33～34.683 mg/L等主要指标变化不大(表3)，水质总体稳定，适宜作为集中供水水源。

表3 邵武沿山—丰水期(SWGS5-1)、枯水期(SWGS5-2)水质测试成果

3.4 断裂构造验证

近东西向断裂构造为此次找水的重点。拟布设钻孔地段为第四系覆盖，在F4上布设了电阻率联合剖面法测量，测试成果显示，K1测线在120 m附近出现正交点，推断点190 m为张性破碎带构造；K2测线在230 m附近出现正交点，推断点230 m为张性破碎带构造。在物探推荐部位施工SWGS-2，抽水试验水量仅19.30 m3/d(降深28.0 m)。

F5断裂构造，地表露头较明显，且沿断裂构造有多处泉点出露，直接采用取芯钻孔验证。于F5含水断裂与F2阻水构造交汇部位，F5构造倾向方向施工SWGS-7，经钻孔揭露，孔深38.0～44.0 m处揭露断层破碎带，裂隙发育，裂隙面多见铁锰质，岩芯破碎，多呈碎块状、块状；经抽水试验，井口出水量为304.3 m3/d(降深26.65 m).此后。在东侧采用潜锤无芯钻探，孔深为130 m,主要含水段为31.3～36.67 m，井口出水量为810 m3/d(降深8.70 m)。于F5断裂东段施工SWGS-5，孔口出水量187.7 m3/d(降深19.75 m)，该孔为涌水孔，水头高于孔口0.65 m。于F3与F2断裂交会部位施工SWGS-4、SWGS-11孔，孔口出水量均大于400 m3/d。

此次共施工钻孔11个，可供利用的钻孔为8个，井口总出水量为2 500 m3/d，可解决1.2万人的日常饮用需求。根据10组水样分析成果，水质均符合生活饮用水卫生标准，地下水各组分中pH值为6.5～7.01，属中性水；总硬度(以CaCO3计)为19.12～79.33 mg/L，属软水-极软水；溶解性总固体为22～157 mg/L，属淡水。按地下水质量标准[5]指标，地下水质量综合类别为Ⅱ类和Ⅲ类，Ⅲ类指标主要为铁、锰，次为铝，地下水化学组分含量中等，适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水。此外，SWGS-3、SWGS-4、SWGS-5、SWGS-7、SWGS-11等钻孔水中的偏硅酸含量为31.3～38.4 mg/L，其他指标满足“饮用天然矿泉水”[6]水质标准，可作为偏硅酸型矿泉水开发利用。

后期对地下水的开发利用应保护好供水井周边的生态环境，设立Ⅰ级(井位周边30～50 m)、Ⅱ级(井位周边150～200 m)、Ⅲ级保护区范围；不得有影响供水井水质、水量的人类工程活动；供水井所在农田建议不耕种，防止地表水在供水井周边漫流、下渗，影响水质，并定期对水质、水量观测。

4 找水工作方法

4.1 含水构造的确定

在非岩溶山区，主要地下水类型为松散岩类孔隙水、风化基岩裂隙水、构造裂隙水3种类型。松散岩类孔隙水通常富水性中等-丰富，但易受生活、生产影响，水质较差；风化基岩裂隙水一般水量有限，且受季节影响流量不稳定，不宜作为集中供水水源。因此，在非岩溶山区寻找大量地下水，主要为构造裂隙水。野外调查应重点查明构造的力学性质、规模、产状要素、胶结与充填、岩脉与岩体活动和蚀变破碎情况、裂隙发育程度及地下水活动，以及断裂构造的交切关系等[7]。对构造的性质判断，对成功找水起到了至关重要的作用。水文工作应重视泉点的调查，特别是上升泉是对构造的富水性进行判断的重要依据，F5断层沿走向方向分布3处上升泉，最大流量为1.00 L/s，判断该断裂富水性好，后期钻孔验证亦与地表调查结论一致。

同一构造不同部位的富水性也有差异，主要受补给条件、与其他构造的交切关系等因素影响。研究区近东西向为富水构造，北东向为阻水构造，在二者的交切部位施工(SWGS-7、SWGS-4)孔，水量远远大于其他部位施工(SWGS-5、SWGS-10)孔。

4.2 物探方法的综合运用

物探是用物理方法找水的一种重要的地质勘探手段，应用前提是目标体与围岩体具有物性差异[8]。因此，实际生产中应该加强物探资料与地质资料综合研究，多种物探手段组合能够有效排除干扰和不确定因素，提高物探工作准确性。

沿山K1线联合剖面测量成果来看，曲线形态整体呈“V”字形，小极距在120 m有明显低阻正交点，大极距在140 m有明显的低阻正交点，推测为含水构造引起。后期在K1线130 m处施工钻孔SWGS-2，富水性差，抽水试验水量仅19.30 m3/d(降深28.0 m)，未达到预期目的，分析其原因可能为构造局部含泥质胶结引起低阻，泥质胶结物电阻率相对围岩电阻率较低，在联合剖面曲线上同样表现为低阻正交点(图3)。

图3 K1线电阻率联合剖面曲线Fig.3 Combined resistivity profile of K1 line

在F5构造上布设了电阻率联合剖面法和高密度电阻率测深法，联合剖面曲线形态整体呈“V”字形，小极距在200 m有明显低阻正交点，大极距在210 m有明显的低阻正交点，推测为含水构造；高密度测深断面图显示在210 m处有明显低阻异常向深部延伸。后期在K7线210 m处施工SWGS-5，孔深24.50～31.30 m处揭露断层破碎带，裂隙发育，裂隙面多见铁锰质，岩芯破碎，多呈碎块状、块状；经抽水试验，井口出水量为187.7 m3/d(图4、图5)。

图4 K7线高密度电阻率测深断面图Fig.4 High density resistivity bathymetric profile of K7 line

图5 K7线电阻率联合剖面曲线Fig.5 Combined resistivity profile of K7 line

4.3 钻探工艺的选择

潜孔锤无芯钻探具有钻进效率高、钻头寿命长、防斜效果好、成井质量高、出水量直观等优点[9]。岩芯钻探钻进平均速率为1 m/h，潜孔锤为20 m/h，钻探速率比为20，提高了施工效率，完成一个潜孔锤钻井的施工和成井的工作时间小于8 h，对于应急、抗旱打井应优先推广。使用潜孔锤工艺，在钻进过程向孔内输送高压气体，冲开岩层的裂隙，带走施工过程中的岩粉，对孔壁具有一定的破坏作用，可加大孔径，提高出水量。在同一位置(SWGS-3、SWGS-7)采用不同工艺，在相同孔深的情况下，潜孔锤工艺出水量(480 m3/d)是取芯工艺(300 m3/d)的1.6倍。

5 结论

(1)在非岩溶山区，寻找大水量地下水的目标应是寻找构造裂隙水。关键是对构造性质的正确判断。通过泉点调查充分分析构造的相互关系和富水性是找水成功与否的关键。

(2)物探找水工作应充分考虑地形、地物、岩性等的影响或干扰，科学合理布设物探工作，在物探异常处应该采用多种物探手段来加强物探定性解释。

(3) 潜孔锤钻探用于供水勘察在效率上优于传统的岩芯钻探，如果配合井下摄影等新技术，可以取得很好的效果。建议找水工作前期布置少量岩芯钻探试验井用于探查断裂构造、富水性，确定富水断裂位置后，采用潜孔锤钻探施工生产井可以提高效率。