坦桑尼亞達(dá)累斯薩拉姆水文地質(zhì)特征淺析

蔣玉坤，陸 波，吳 建

(華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200063)

1 概述

達(dá)累斯薩拉姆是坦桑尼亞第一大城市，作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)、文化中心，相對(duì)集中的承接了我國(guó)投資、合資和援建項(xiàng)目。然而該地區(qū)淡水資源的匱乏成為各項(xiàng)工程開展的瓶頸。

目前僅有少數(shù)當(dāng)?shù)貙W(xué)者對(duì)該區(qū)域水文地質(zhì)特征進(jìn)行專門研究，如KA Msindai(2002)通過搜集鉆孔資料，簡(jiǎn)單繪制了達(dá)市地貌圖和地質(zhì)圖；Said S.Bakari(2012)利用水文化學(xué)和同位素法研究了坦桑尼亞東南沿海含水層的補(bǔ)給歷史；Yohana Mtoni(2010)對(duì)沿海地下水質(zhì)和海水入侵進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Y.Mtoni(2011)研究了雨季旱季降水對(duì)地下水的補(bǔ)給速率和補(bǔ)給量；JaphetJ.Kashaigili研究了地下水供應(yīng)現(xiàn)狀、開采潛力以及地下水資源管理；I.C.Mjemah(2013)在對(duì)達(dá)市主要含水層研究的基礎(chǔ)上，調(diào)查了海水入侵和硝酸鹽污染對(duì)水質(zhì)的影響；IbrahimuChikiraMjemah(2009)通過調(diào)查39個(gè)水井抽水試驗(yàn)資料，對(duì)主要含水層的水力參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算。本文依托坦桑尼亞KINYEREZI燃?xì)怆娬卷?xiàng)目，對(duì)達(dá)市水文地質(zhì)特征進(jìn)行調(diào)查和淺析，為當(dāng)?shù)匦杷こ痰拈_展提供參考。

2 水文地質(zhì)概況

本文研究區(qū)域大致為南緯6°44′到7°00′，東經(jīng) 39°00′到 39°19′，面積 700 km2。圖 1 為本區(qū)域地質(zhì)圖。由圖可知，該區(qū)域主要分布有四類地層：中央平原第四紀(jì)河流—三角洲相沉積的砂層；西北部、東南部出露的中—上新世三角洲相沉積的粘質(zhì)砂層；西部早中新世河流相沉積的Pugu山砂巖；東北半島更新世海相沉積的珊瑚灰?guī)r。

圖1 研究區(qū)域地質(zhì)圖

繪制C—C′地層剖面見圖2。地層層序簡(jiǎn)單明了，Pugu山以西為巖石地層，局部上覆粘質(zhì)砂土。Pugu山以東的平原地層層序自上而下依次為第四紀(jì)砂層，平均厚度約150 m，局部夾10 m～50 m的粘性土，將該層砂分為上部的潛水含水層和下部的半承壓含水層；下伏中—上新世粘質(zhì)砂層，由于其含有較高的粘質(zhì)成分，滲透性和富水性很差，而且厚度可達(dá)1000 m，所以該層不僅作為隔水層，而且是該區(qū)域所有地下水資源的底板。沿海的珊瑚灰?guī)r受海水入侵影響，地下水鹽度高，難以作為生活生產(chǎn)用水。

圖2 C—C′地層剖面圖

3 氣象條件及地下水補(bǔ)給

達(dá)累斯薩拉姆年平均降雨量(1971—2009年)約為1114 mm，78.6%的降雨主要發(fā)生在3—5月大雨季和10—12月小雨季兩個(gè)時(shí)段，6—9月為旱季，少有降雨。月平均最高氣溫32.4℃，月平均最低氣溫18.3℃。月平均最高輻射量20.76 MJm-2，月平均最低輻射量16 MJm-2，輻射量同潛在蒸發(fā)量PET呈同規(guī)律增減。月平均風(fēng)速在4.44 ms-1～6.79 ms-1。

本區(qū)域降水是地下水的主要補(bǔ)給來源，地下水位受降水量、潛在蒸發(fā)量PET等的影響發(fā)生季節(jié)性變化。圖3為1971—2007年達(dá)市地下水補(bǔ)給量統(tǒng)計(jì)曲線。歷年補(bǔ)給量整體呈現(xiàn)下滑趨勢(shì)，地下水最大補(bǔ)給量為1986年的569.2 mm，1971、1980、1985、2003等年份的補(bǔ)給量十分有限，2003年幾乎為0。

圖3 地下水補(bǔ)給統(tǒng)計(jì)曲線

據(jù)圖3計(jì)算36年的補(bǔ)給量平均值為240.7 mm，由圖1粗略估算含水砂層分布面積約為340 km2，因此平均補(bǔ)給量等價(jià)于81.8×106m3。即年均1114 mm的降水量有21.6%進(jìn)入了地下水系統(tǒng)。

4 地下水開采現(xiàn)狀

達(dá)累斯薩拉姆市自1943年開始采取地下水，直到1997年地下水僅在極小范圍內(nèi)開采，河水一直作為達(dá)市主要水源，1997年坦桑尼亞發(fā)生嚴(yán)重干旱，政府將大范圍修建水井作為緊急措施，現(xiàn)有的許多水井都是建于這一時(shí)期。Mjemah(2009)于2004—2005年調(diào)查了1300口水井，其中約70%水井正常使用，其余由于干枯、鹽度高、涌水量低等原因而廢棄。根據(jù)取水用途分別估算地下水開采量：居民用水為1.76×106m3，市政供水5.51×106m3，工業(yè)用水1.32×106m3，共計(jì) 8.59×106m3。

但是達(dá)市缺少有效的地下水管理網(wǎng)絡(luò)，私人水井大量存在，涌水量較大的私人水井甚至向村民賣水。

Mato(2010)統(tǒng)計(jì)達(dá)市共有登記水井3500眼，Y.Mtoni(2011)調(diào)查結(jié)果表明考慮另有2/3的未登記私人水井，達(dá)市總水井?dāng)?shù)約為10500眼。由此推算達(dá)市地下水年開采量可達(dá)69.3×106m3。約占補(bǔ)給量的85%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足可持續(xù)開采。這將加劇海水入侵，提高淡水—含水分界面。即便如此，地下水供給量?jī)H滿足達(dá)市17.8%的供水需求Mato(2002)。

5 地球物理探測(cè)

坦桑尼亞KINYEREZI燃?xì)怆娬卷?xiàng)目位于Pugu山以東約5 km，(9242625.59，516272.58)、(9242335.91，517291.54)、(9241334.13，517004.79)、(9241607.28，515983.01)四點(diǎn)圍成的矩形區(qū)域?？尚行匝芯侩A段利用大地電磁和電測(cè)井兩種方法進(jìn)行了廠區(qū)水文地質(zhì)勘察。

5.1 大地電磁測(cè)深

大地電磁測(cè)深(EH4)法將大地看作水平介質(zhì)，大地電磁場(chǎng)是垂直投射到地下的平面電磁波，則在地面上可觀測(cè)到相互正交的電磁場(chǎng)分量為Ex，Hy；Hx，Ey。通過測(cè)量相互正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量，可確定介質(zhì)的電阻率值。其計(jì)算公式為：

式中 ：f為頻率 (Hz)；ρ為電阻率 (Ω? m)。

由于地下介質(zhì)是不均勻的，因而計(jì)算的ρ值稱為視電阻率值。在均勻大地和水平層狀大地情況下，波阻抗Z是電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H的水平分量的比值。

選取本次布設(shè)的6條測(cè)線中代表性的兩條，繪制測(cè)深剖面進(jìn)行詳述。圖4、圖5分別是由西向東、由北向南穿越廠區(qū)的兩條測(cè)深剖面。由圖可得以下判斷：探測(cè)深度可達(dá)600 m，探測(cè)深度范圍內(nèi)巖土體基本呈現(xiàn)水平層狀分布；圖4西側(cè)約400 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)，其下地層呈現(xiàn)高阻異常，結(jié)合圖2 C—C′區(qū)域地層剖面圖，推測(cè)可能為斷層錯(cuò)動(dòng)所致，紅色高阻區(qū)可能為Pugu砂巖；圖4東側(cè)約600 m長(zhǎng)度范圍和圖5有著相似的成層規(guī)律，結(jié)合廠區(qū)工程勘察鉆探成果進(jìn)行解釋，淺部約50 m低阻區(qū)域?yàn)榉圪|(zhì)粘土，50 m～150 m(圖5南側(cè)深度超過150 m)阻值略高，為粉細(xì)砂層；150 m以下均為粘質(zhì)砂層，較高的粘質(zhì)含量，降低了其所呈現(xiàn)的電阻率值。

圖4 大地電磁測(cè)深剖面(由西向東)

圖5 大地電磁測(cè)深剖面(由北向南)

5.2 電測(cè)井

自然電位法見圖6左圖所示，在井內(nèi)放一測(cè)量電極M，地面放一測(cè)量電極N，將M電極沿井筒移動(dòng)，即可測(cè)出一條井內(nèi)自然電位隨深度變化的曲線。自然電位曲線的變化與巖性有密切關(guān)系，特別是能用明顯的異常顯示出含水層的滲透性。電阻率法見圖6右圖所示，在井內(nèi)放一電極系(底部梯度電極系)，電極系由供電電極A、測(cè)量電極M、N組成，地面放一供電電極B，將電極系沿井筒移動(dòng)，即可測(cè)出一條井內(nèi)視電阻率隨深度變化的曲線。

圖6 電測(cè)井原理示意圖

通常同一鉆孔中的兩條曲線是可以互相對(duì)應(yīng)的，高電阻率地層又對(duì)應(yīng)低自然電位(負(fù)相關(guān))，這類地層是很好的含水層，低電阻率、自然電位無異常地層是很好的隔水層。

圖7為204 m深鉆孔(孔位516731，9241702)中電測(cè)井成果曲線。圖中縱軸代表深度，左側(cè)為自然電位曲線，右側(cè)為是電阻率曲線。

圖7 電測(cè)井曲線

由圖7可知，該孔位地層56 m以上，以粉質(zhì)粘土為主，56 m～135 m以粉細(xì)砂為主，粘質(zhì)含量很高，所以此段地層電阻率都不高，最大僅達(dá)到11 Ω·m，從自然電位曲線也可以看出自然電位差別小，反映地層滲透性差，也說明地層粘質(zhì)含量高。135 m～200 m整體電阻率也不高，最大約為18 Ω·m，對(duì)應(yīng)鉆探資料，以粉細(xì)砂、中細(xì)砂、細(xì)砂為主夾粘土層，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)這樣的砂層電阻率至少30 Ω·m～40 Ω·m以上，這說明砂層粘質(zhì)含量高。綜合分析兩條曲線，135 m～142 m、146 m～149 m、167 m～176 m、180 m～182 m、189 m～195 m段滲透性相對(duì)較好，可能由于粘質(zhì)含量有所降低，但仍不可視為可用含水層。

6 結(jié)論與建議

坦桑尼亞達(dá)累斯薩拉姆市的主要地下含水層為中央平原第四紀(jì)河流—三角洲相沉積的砂層，該層被局部出現(xiàn)的均厚度約50 m的粘性土層分割為上部潛水含水層和下部半承壓含水層，降水作為含水層主要補(bǔ)給來源，補(bǔ)給量不能以滿足達(dá)市用水總量需求。KINYEREZI燃?xì)怆娬緩S區(qū)的地球物理探測(cè)結(jié)果表明，構(gòu)成半承壓含水層的粉細(xì)砂，同樣具有較高的粘質(zhì)含量，作為含水層，滲透性較差，尤其在旱季，涌水量小且不持續(xù)。下伏的粘質(zhì)砂層，可根據(jù)電測(cè)井細(xì)分為若干亞層，局部滲透性相對(duì)較好，但仍不能作為可用含水層。

建議達(dá)市對(duì)地下水資源進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，做到可持續(xù)開采。工業(yè)大量用水的情況下，可嘗試沿?；?guī)r地層取水或直取海水，并進(jìn)行海水淡化處理。

[1]KA Msindai.Engineering geological mapping of Dar es Salaam city,Tanzania[J].Tanz.J.Sci.2002,28(2):83-95.

[2]Said S.Bakari,Per Aagaard,Rolf D.Vogt,FridtjovRuden,Matthias S.Brennwald,Ingar Johansen,SteinarGulliksen.Groundwater residence time and paleorecharge conditions in the deepconfined aquifers of the coastal watershed,South-East Tanzania[J].Journal of Hydrology,2012,(466–467): 127–140.

[3]Yohana Mtoni,Kristine Walraevens.Saltwater intrusion in the quaternary aquifer of the Dar es Salaam region,Tanzania[C]// SWIM21- 21st Salt Water Intrusion Meeting,June 21-26,2010:158-161.

[4]Y.Mtoni,I.C.Mjemah,M.Van Camp,K.Walraevens.