浅谈冻土区傍河水源地选择

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浅谈冻土区傍河水源地选择
某金矿位于巴颜喀拉山北坡,已探明金金属量达83.48t。

为解决该矿的供水水源问题,要求以该矿选址为中心,在方圆50公里范围内,寻找满足其新水用量7489m3/d的水源地。

区域上因多年冻土层的广泛分布,使地下水资源较为匮乏[1,2]。

在紧靠常年性河流旁侧建立的地下水水源地称为傍河地下水水源地,是在很多水资源紧缺地区具有开发潜力的水源地,一般情况下其供水的水量和水质都可得到保证[3]。

1 研究区概况
研究区地处中纬度高海拔区,地面标高4280--5022m,多年平均降水量444.0mm,多集中于6-9月,占全年降水量的85%以上,平均气温-3.9℃,属高寒草原半干旱气候。

区内出露的地层主要有:1)二叠系马尔争组(P2m),分布面积较小,主要以角砾状灰岩、生物碎屑岩灰岩为主;2)三叠系巴颜喀拉山群昌马河组(T1-2C),为区内主要地层,占区内出露所有基岩面积的80%,岩性以长石砂岩、石英砂岩、泥钙质板岩为主;3)第四系,广泛分布于山前倾斜平原、河流冲洪积平原的上部及现代河床及漫滩上,岩性主要为砂卵砾石,局部夹不稳定的粗砂及粉砂透镜。

2 冻土区水文地质条件
区域地下水受气候、地形地貌等影响,多年冻土层广泛分布,顶板埋深为3.10m,底板埋深为20.85m,平均厚度为17.75m,地下水以固态形式赋存于松散岩类孔隙或基岩裂隙中,为稳定的相对隔水层。

根据地下水的赋存条件、水理性质及水力特征,将本区地下水划分为冻结层上水及冻结层下水。

2.1冻结层上水特征
冻结层上水可分为松散岩类冻结层上水和基岩类冻结层上水两类。

松散岩类冻结层上水在河流沟谷两侧冲(洪)积层分布;含水层主要为第四系残坡积层、冲(洪)积层及冰水堆积物,结构松散,分选性、磨圆度一般;含水层受季节性融化层制约,表现为含水层厚度薄,埋藏浅,主要依赖大气降水和冰雪融水的入渗补给;受蒸发、气温等因素影响,致使地下水位、相态不稳定,水量随季节性变化较大。

每年5~9月融冻期,含水层才有液态水赋存,9月份融化深度最大,为1.5~2.7m,含水层厚度大部分小于2.0m,水位埋深小于1.0m;
其余时间以固态形式赋存;地下水径流交替积极,富水性中等,单井涌水量多介于100-200m3/d。

基岩类冻结层上水主要赋存于层状的砂岩、板岩、结晶灰岩等的风化裂隙中,主要接受大气降水的渗入补给,富水性较差,在地形低洼处多有泉水出露,单泉流量一般0.1—1.0L/s。

2.2冻结层下水特征
冻结层下水也可分为松散岩类冻结层下水和基岩类冻结层下水两类。

松散岩类冻结层下水广泛分布于区内多年冻土之下,含水层岩性以冰水沉积碎石为主,结构较为松散,部分胶结,含水层厚度不均匀,一般5-30m,冲洪积平原和扇区下段厚度增大,山谷和坡积地段较浅,含水层顶板埋深大于20.0m,水位稳定,相态固定,地下水具有一定的承压性,地下水总体趋势向各大河谷和冲沟运动。

单井涌水量介于50-100m3/d,渗透系数介于1.5-3.0m/d,透水性及富水性中等。

基岩类冻结层下水埋藏在多年冻土层之下,主要赋存于基岩构造裂隙中,相态固定,埋藏深度受冻土层的控制,含水层顶板埋深大于20.0m。

一般具承压性,只能通过构造融区补给,径流缓慢,向下游径流排泄。

静止水位埋深10.19~71.74m,渗透系数<0.007m/d,单井涌水量<10m3 /d,富水性较差,水量极贫乏,矿化度0.787~2.513g/L。

3 水源地的选择
3.1 水源地选择基本原则
第一、水源地应选择在含水层厚度大、透水性强、供水成井有利的范围内,以保证单井出水量大,降深相对较小,节约基建与运营成本;
第二、水源地地下水与河流地表水联系密切的河床地段,一方面地下水可控性强,能够有效截取河床地下水的径流量,另一方面袭夺河流地表水的入渗量;
第三、水源地应避开未来地表水和地下水可能受污染的区域,避开与当地牧民有争水之嫌的地段;
第四、水源地应选择距离厂区较近地段,兼顾交通、管道建设、电力和管理等方面因素,以节省输水成本;
第五、水源地应选择水化学类型简单、矿化度低、水质良好的地段,以保证矿区的用水优良性。

3.2 目标含水层的选择
根据区域水文地质条件分析,砂(砾)岩板岩裂隙水富水性较弱;灰岩裂隙水富水性较强,但灰岩沿区域构造破碎带分布,分布面积太小,地下水资源量有限;因此,基岩裂隙含水层不能作为供水目标层。

第四系冻结层上水补给条件好,但含水层厚度小,大部分厚度小于2.0m,并且季节性变化显著,地下水相態不稳定,水量随季节性变化较大,形成局部的、季节性、孤立的滞留水体,不构成统一地下水体,因此,第四系冻结层上水不能作为供水目标层。

第四系冻结层下水含水层构成统一地下水体,水位稳定,但覆盖在多年冻土层之下,一般情况下补给条件较差,如果在适宜地段解决了第四系冻结层下水含水层的补给问题,可作为供水目标层。

3.3 水源地的确定
根据以上原则,区内只有秀水河为常年流水河流,在河床之下,多年冻土层应存在“天窗”,可将第四系冻结层下水含水层为供水目标层,利用河床附近的多年冻土层“天窗”,截取秀水河第四系孔隙地下水和袭夺地表水入渗量,建立傍河水源地。

在秀水河开展水文地质调查发现,在扎拉依给陇哇与秀水河交汇一带,河流上游断面流量明显大于下游,属河流渗漏段,表明该段极可能为融区,即在河床底部不存在多年冻土层。

为验证此推断,垂直于河流布设了高密度法物探剖面,见图1:河床范围内0-70m电性层参数介于ρs90—140mΩ·m,电性参数均匀,含水层厚大,从东到西连续稳定,厚度略有增大,见图1左侧蓝色区域;70m以下电性层参数介于ρs200—300mΩ·m,基本为相对隔水的下界风化基岩面,图1中天蓝色区域;南北两侧阶地含水层电性参数均匀,5-30m电性层参数介于ρs 900—1000mΩ·m,為多年冻土分布段,图1中右侧红色区;30-70m电性层参数介于ρs30—60mΩ·m,为冻土下部含水层,图1中浅绿色区域。

综上,广泛分布的多年冻土层在该地段形成“天窗”,使区内冻结层上水与冻结层下水相互沟通形成统一含水体,含水层厚度较大、透水性和富水性强,且
分布比较均匀。

为进一步夯实水源地确定依据,在秀水河两岸布设4个水文地质勘查孔:孔深57.8-73.5m,静水位埋深0.78-1.16m,略低于河水位,含水层厚度23-29m;抽水试验发现,单孔出水量1166.4-1296.0m3/d时,水位降深仅0.4-0.67m,单位涌水量21.3-31.7L/s·m,渗透系数73.57-142.44m/d,富水性强。

取水样送检发现,水源地地下水总硬度0.3-0.5 g/l,矿化度在0.3—0.6g/l,pH值6.87-7.93,地下水质量为良好(II类),地下水除菌落总数超标外其他指标满足生活饮用水标准;地下水为锅垢少、中等沉淀物、半起泡、半腐蚀性水,水质满足工业锅炉用水标准。

4 结语
本次工作基于“大胆猜想、小心求证”的指导思想,结合水文地质调查、物探、钻探、动态观测、抽水试验等多种手段,最终将某矿水源地选在扎拉依给陇哇与秀水河交汇一带。

该地段河床开阔平直,为河流融区所在,地下水与地表水水力联系密切;第四系砂砾卵石含水层厚度大、单一,透水性强,成井条件良好;可截取第四系孔隙地下水并袭夺地表水入渗量,适宜建立傍河水源地;水化学类型简单、矿化度低、水质良好,满足矿山生产用水标准。

采用地下水排泄量法计算地下水补给资源量为3.89×104 m3/d,采用解析法预测水源地地下水允许开采量为8000m3/d(C级)[4],满足矿山需水要求;并且该水源地在进矿公路附近,利于管理维护;距矿区选址仅17.5km,供水管线可沿扎拉依给陇哇沟谷铺设,直达矿山需水厂房。

综上,该傍河水源地的确定成功解决了某矿供水水源难题,不仅水量、水质均满足矿山需水要求,而且水源地及输水管线运行管理方便,为高原多年冻土区找水成功案例。

参考文献
[1] 罗栋梁,金会军,林琳,等. 青海高原中东部多年冻土及寒区环境退化. 冰川冻土. 2012, 34(3): 538-544.
[2] 南卓铜,黄培培,赵林. 青藏高原西部区域多年冻土分布模拟及其下限估算. 地理学报. 2013,68(3): 318-327.。

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