金 萍,王現(xiàn)國,王關(guān)杰,李 瑩

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì),河南鄭州 450053)

修武縣磨臺(tái)營(yíng)水源地巖溶水系統(tǒng)分析

金 萍,王現(xiàn)國,王關(guān)杰,李 瑩

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì),河南鄭州 450053)

采用補(bǔ)給量評(píng)價(jià)法和水均衡評(píng)價(jià)法對(duì)磨臺(tái)營(yíng)水源地巖溶水的資源量進(jìn)行計(jì)算,通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果,得到磨臺(tái)營(yíng)水源地巖溶水處于平衡階段,且有較大的開發(fā)潛力,在合理開發(fā)利用的前提下,可作為備用水源地。

備用水源地;巖溶水;水資源

0 引言

修武縣幸福水廠供水項(xiàng)目一期供水規(guī)模為 3×104m3/d,但是隨著科技的進(jìn)步、社會(huì)工業(yè)的發(fā)展以及人口的增長(zhǎng),這已經(jīng)不能滿足城市供水的需求。通過對(duì)焦作地區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)條件和有關(guān)資料進(jìn)行認(rèn)真分析、研究和討論,并到磨臺(tái)營(yíng)水源地實(shí)地踏勘,認(rèn)為磨臺(tái)營(yíng)作為修武縣城供水水源地是適宜的。

1 巖溶水系統(tǒng)的邊界

1.1 巖溶水水文系統(tǒng)與巖溶含水系統(tǒng)

巖溶水系統(tǒng)可分為兩類。一是巖溶水文系統(tǒng),巖溶水的匯水范圍;二是巖溶含水系統(tǒng),與巖溶水水力聯(lián)系的巖溶含水巖系的分布空間[1]。但是通常情況下,巖溶水文系統(tǒng)與巖溶含水系統(tǒng)的范圍并不一致,往往也不是相互包容的[2]。

1.2 磨臺(tái)營(yíng)巖溶水系統(tǒng)邊界

巖溶含水系統(tǒng)的邊界主要取決于地質(zhì)構(gòu)造,巖溶水文系統(tǒng)的邊界則取決于地形與地質(zhì)構(gòu)造。根據(jù)以往的工作內(nèi)容,分析研究認(rèn)為,磨臺(tái)營(yíng)水源地位于九里山巖溶水系統(tǒng)焦北子系統(tǒng)內(nèi),故本次確定的巖溶水系統(tǒng)邊界為焦北子系統(tǒng),其具體范圍為東到修武縣東邊界,南以鳳凰嶺斷層為界,西到焦作市區(qū)西邊界,北到省界,面積為 738 km2。

2 巖溶地下水補(bǔ)、徑、排及其轉(zhuǎn)化特征

①巖溶水的補(bǔ)給

九里山泉域巖溶水系統(tǒng)北部灰?guī)r裸露區(qū),為巖溶水的主要補(bǔ)給區(qū)。因灰?guī)r出露面積大,構(gòu)造巖溶發(fā)育,為降水入滲及河流滲漏提供了有利條件。但因各區(qū)地形、地貌、構(gòu)造巖溶發(fā)育程度的不同,入滲強(qiáng)度強(qiáng)弱不均,因而表現(xiàn)出大氣降雨、地表水流及巖溶地下水的轉(zhuǎn)化程度各有差異。

在雙廟 ～黑龍王廟一線以北及丹河區(qū)北部,地形較陡,溝谷深切,可見 O1賈旺頁巖出露,大氣降雨入滲補(bǔ)給巖溶地下水的條件差,因此大氣降雨主要形成地表水流向下游,而在雙廟 ～黑龍王廟一線以南及丹河的山路平 ～后陳莊段,地形平緩、且構(gòu)造巖溶發(fā)育,大氣降雨強(qiáng)烈入滲,地表水流大量漏失,補(bǔ)給巖溶地下水,造成西石河、山門河、紙坊溝洪水多年不能下山。

此外,焦作西部的丹河地表水滲漏也是本區(qū)巖溶水重要補(bǔ)給來源[3]。

②巖溶地下水的徑流條件

鳳凰嶺斷層西段為太行山區(qū)與平原的自然分界線,直接接受著來自太行山區(qū)強(qiáng)大的地下水補(bǔ)給,又由于本斷層北升南降,奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水受到斷層南盤砂泥巖隔水層的阻隔,使來自北部巖溶裂隙水改變了原來運(yùn)動(dòng)方向,一方面表現(xiàn)為沿?cái)鄬颖眰?cè)破碎帶富集、運(yùn)移,另一方面沿?cái)鄬幼呦蛳驏|形成一個(gè)近東西向強(qiáng)徑流帶。

水源地處于太行山前傾斜平原地帶,為鳳凰嶺斷層強(qiáng)徑流區(qū),巖溶地下水由西向東徑流。

③巖溶水的排泄

巖溶水接受大氣降水補(bǔ)給后,主要以人工開采、泉的形式排泄。

3 補(bǔ)給量評(píng)價(jià)法計(jì)算巖溶水資源量

3.1 計(jì)算分析范圍的確定

論證區(qū)巖溶水具有補(bǔ)給區(qū)和開采區(qū)分布不一致的特征。補(bǔ)給區(qū)為九里山巖溶水系統(tǒng)中焦北子系統(tǒng)北部巖溶水裸露區(qū),面積為 738 km2;開采區(qū)為巖溶水隱伏區(qū)、面積 329 km2。

3.2 計(jì)算公式

式中:Q可為巖溶水可開采量(萬 m3/a);Q降為降水入滲補(bǔ)給巖溶水量(萬 m3/a);Q側(cè)補(bǔ)為丹河水側(cè)向補(bǔ)給巖溶水量(萬m3/a)

式中:Q可為降水入滲補(bǔ)給巖溶水量(萬 m3/a);Q降為降水入滲補(bǔ)給巖溶水系數(shù);F為計(jì)算區(qū)面積[4]

3.3 補(bǔ)給量計(jì)算分析

巖溶水補(bǔ)給量由降水入滲補(bǔ)給量和丹河側(cè)滲補(bǔ)給量組成。

①降水入滲補(bǔ)給

(1)降水入滲量的計(jì)算公式:Q降=∑P·α·F

式中:Q降為降水入滲補(bǔ)給量;∑P為年降水總量;α為降水入滲系數(shù);F為計(jì)算區(qū)面積

(2)計(jì)算結(jié)果:1996年、1994年、2002年計(jì)算區(qū)面積為738 km2,巖溶水降水入滲補(bǔ)給量分別為 21 368萬 m3/a、17 530萬 m3/a、16 395萬 m3/a,平均為 18 431萬 m3/a。

②丹河水側(cè)向補(bǔ)給量

丹河是本區(qū)常年性河流,位于丹河子系統(tǒng)補(bǔ)給區(qū)漏失嚴(yán)重,經(jīng)多年多次實(shí)測(cè)漏失量變化不大。依據(jù) 1996年、1994年、2002年地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)告,各典型年實(shí)測(cè)漏失量分別為 4 037萬 m3/a、5 468萬 m3/a、4 100萬 m3/a,平均為 4 535萬 m3/a。

3.4 開采量分析

由礦坑排水量、自備井開采量、自來水公司開采量組成。

①礦坑排水量

依據(jù)各典型年動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)告提供的礦坑排水量資料,1996年、1994年、2002年礦坑排水量分別為 17 044萬 m3/a、19 775萬 m3/a、14 600萬 m3/a。礦坑排水中巖溶水占75%,孔隙水占 25%,其中滲漏量占礦坑排水量的 19%。以此計(jì)算各典型年礦坑排巖溶水量分別為 12 784萬 m3/a、14 831萬 m3/a、11 000萬 m3/a,平均為 12 872萬 m3/a。

②自來水開采量

焦作市現(xiàn)有自來水廠七個(gè),其中兩個(gè)是利用礦排水,五個(gè)是開采巖溶水,現(xiàn)有井 78眼,井深 120～600m不等。據(jù)統(tǒng)計(jì) 1996年、1994年、2002年各典型年巖溶水開采量分別 3439萬 m3/a、2 072萬 m3/a、4 342萬 m3/a,平均 3 284萬 m3/a。

③自備井開采量

區(qū)內(nèi)共有自備井200余眼,據(jù)各典型年動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)告資料統(tǒng)計(jì) 1996年、1994年、2002年自備井開采巖溶水量分別為 5 210萬m3/a、4 409萬 m3/a、5 320萬 m3/a,平均為 4 980萬 m3/a。

3.5 計(jì)算結(jié)果

1996年、1994年、2002年巖溶水補(bǔ)給區(qū)面積為 738 km2,開采區(qū)面積為 329 km2,總面積為 1 067 km2?？傃a(bǔ)給量分別為 25 405萬 m3/a、22 998萬 m3/a、20 495萬 m3/a,平均為22 966萬 m3/a?？傁牧糠謩e為 21 443萬 m3/a、21 312萬m3/a、20 662萬 m3/a,平均為 21 136萬 m3/a?？砷_采量即是總補(bǔ)給量。

多年平均巖溶水開采量 21 136萬 m3/a、可開采量 22 966萬 m3/a。

由于豐、平、枯典型年礦坑排巖溶水量分別為 12 784萬 m3/a、14 831萬 m3/a、11000萬 m3/a,平均為 12 872萬 m3/a。這些巖溶水均可處理再利用,因此巖溶水開發(fā)利用潛力較大。

4 水均衡法計(jì)算巖溶水資源量

4.1 水均衡法的原理

水均衡法也稱水量平衡法或水量均衡法。是全面研究某一地區(qū) (或均衡區(qū))在一定時(shí)間段內(nèi)(均衡期,一般為一年)地下水的補(bǔ)給量、儲(chǔ)存量和消耗量之間的數(shù)量轉(zhuǎn)化關(guān)系的平衡計(jì)算。

4.2 水均衡法的計(jì)算公式

對(duì)一個(gè)均衡區(qū)(或地段)的含水層組(或單元含水層組)來說,在補(bǔ)給和消耗的不均衡過程中,在任一時(shí)段 Δt內(nèi)的補(bǔ)給量和消耗量之差恒等于這個(gè)含水層組中水體積(或質(zhì)量)的變化量。因而建立水均衡方程式[5]:

當(dāng) Q補(bǔ)＞Q消時(shí),巖溶水水位上升,Q超、Q變?yōu)檎?為正均衡。

當(dāng) Q補(bǔ)＜Q消時(shí),巖溶水水位下降,Q超、Q變?yōu)樨?fù)值,為負(fù)均衡。

當(dāng) Q補(bǔ)≈Q消時(shí),巖溶水水位基本不變,Q超、Q變正、負(fù)值很小,為動(dòng)平衡狀態(tài)。

式中:Q超為 Δt時(shí)段內(nèi)巖溶水超采量;Q變?yōu)棣時(shí)段內(nèi)水體積變化量,數(shù)量上等于超采量;Q側(cè)補(bǔ)為丹河側(cè)向補(bǔ)給量;Q開為巖溶水開采量;μ為巖溶水含水層給水度:裸露區(qū)為水位變動(dòng)帶給水度,隱伏區(qū)為含水層彈性給水度;F為 時(shí)段內(nèi)巖溶水評(píng)價(jià)區(qū)面積;ΔH為 Δt時(shí)段巖溶水水位變幅;Δt為計(jì)算時(shí)段。

4.3 計(jì)算結(jié)果

1996年、1994年、2002年巖溶水補(bǔ)給區(qū)面積為 738 km2,開采區(qū)面積為 329 km2,總面積為 1067 km2。超采量分別為+3 972萬 m3/a、+1 686萬 m3/a、 -167萬 m3/a。

多年平均巖溶水超采量 +1830萬 m3/a,巖溶水水位平均上升速率為 0.87m/a。

綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為,現(xiàn)狀條件下就評(píng)價(jià)區(qū)整體而言,巖溶水處于正均衡狀態(tài)。2002年前 10年巖溶水水位平均上升速率為0.87m/a。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

通過以上兩種方法計(jì)算得到以下結(jié)論:

(1)補(bǔ)給量評(píng)價(jià)法計(jì)算得到多年平均巖溶水開采量21 136萬 m3/a、可開采量 22 966萬 m3/a。 豐、平、枯典型年礦坑排巖溶水量分別為 12 784萬 m3/a、14 831萬 m3/a、11 000萬 m3/a,平均為 12 872萬 m3/a。這些巖溶水均可處理再利用,因此巖溶水開發(fā)利用潛力較大。

(2)水均衡法計(jì)算得到的多年平均巖溶水超采量 +1 830萬 m3/a,巖溶水水位平均上升速率為 0.87m/a?，F(xiàn)狀條件下就評(píng)價(jià)區(qū)整體而言,巖溶水處于正均衡狀態(tài)。2002年前10年巖溶水水位平均上升速率為 0.87m/a。

(3)磨臺(tái)營(yíng)巖溶水水源地處于平衡階段,且有較大的開發(fā)潛力,在合理開發(fā)利用的前提下,可以作為備用水源地。

5.2 建議

在備用水源地區(qū)域,應(yīng)建立完善的水量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),科學(xué)布設(shè)地下水位和水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井,定期進(jìn)行水位觀測(cè)和水質(zhì)化驗(yàn),實(shí)施水量水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)地表水、地下水水量和水質(zhì)的變化,預(yù)測(cè)備用水源地水量水質(zhì)發(fā)展演變趨勢(shì),及時(shí)向當(dāng)?shù)卣八Y源管理部門和相關(guān)企業(yè)提供水量、水質(zhì)信息。

[1]王現(xiàn)國.豫西龍澗泉巖溶水系統(tǒng)研究[J].人民黃河.2010,32(5):42-44

[2]張人權(quán),周宏,陳植華等.山西郭莊泉巖溶水系統(tǒng)分析[J].地球科學(xué).1991,16(1):1-17

[3]潘國營(yíng),韓懷彥,張慧娟.焦作巖溶水系統(tǒng)水質(zhì)模擬與污染原因探討[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000,19(6):417-420

[4]王樹謙、陳南祥編著.水資源評(píng)價(jià)與管理.水利水電出版社,1996.2

[5]趙云章.朱中道等.河南省地下水資源與環(huán)境.中國大地出版社,2004.6

K arstW ater System Analyzed of M otaiying water source in Xiuwu

JIN Ping,WANG Xian-guo,WANG Guan-jie,LIYing
(The second Hyd rogeololgy and Engineering geology team of Henan provincial Bureau of Geo-exploration and Mineral Development)

The article takes the water recharged evaluation method and Water balance assessmentmethod to calculate karst water resource in the Motai station source,compared to the results,itobtained the conclusion was karst water source in equilibrium phase,and have greater development potential,in the rational exploitation of the p remise,can be used as alternative water source.

Alternate water source;karstwater resource and water resource

P641.134

B

1004-1184(2011)01-0014-02

2009-07-14

金萍(1981-),女,遼寧錦州人,工程師,主要從事水工環(huán)地質(zhì)勘察工作。