山東省東劉家金礦尾礦庫地下水均衡探析

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014)

1 研究區(qū)概況

東劉家金礦礦區(qū)位于山東半島的中南部海陽市郭城鎮(zhèn)，南臨黃海，北接半島內(nèi)陸，屬暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候，四季分明，雨量充沛，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。無霜期長達(dá)218 d，多年平均氣溫為11.4℃，年平均降水量為787.8 mm，主要集中在夏季，年平均蒸發(fā)量1 541 mm。

沙旺尾礦庫與東劉家礦區(qū)直線距離0.5 km，中間以東劉家水庫相隔，其間道路運(yùn)輸距離1.6 km。沙旺尾礦庫場區(qū)地形南高北低，地貌為剝蝕丘陵，山體自然完整，穩(wěn)定性好，無滑坡崩塌等地質(zhì)災(zāi)害及不良地質(zhì)作用。區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，走向?yàn)楸蔽髂蠔|向，溝谷中少量季節(jié)性徑流，勘察期間為干旱季節(jié)，無水，其東北200 m左右有東劉家水庫。尾礦庫庫底高程約140 m，相對高差132 m，匯水面積0.69 km2。

研究區(qū)內(nèi)地層簡單，主要發(fā)育古元古代荊山群陡崖組變質(zhì)巖，第四紀(jì)主要分布于山澗臺地與溝谷中。變質(zhì)巖類型為：大理巖類、變粒巖類、斜長角閃巖類等。其傾向均為SE，傾角40°～60°，為一單斜巖層。第四系主要分布礫質(zhì)粘性土，分布連續(xù)、穩(wěn)定，厚度0.30～7.90 m，平均厚度2.88 m(見圖1)。

2 含水層特征

2.1 區(qū)域含水層特征

研究區(qū)區(qū)域含水層為第四系孔隙含水層和基巖裂隙含水層。區(qū)域第四系孔隙含水層沿溝谷呈帶狀分布，主要由粘質(zhì)砂土、中粗砂礫、礫石、卵礫石組成，礫石成分為二長花崗巖、各類脈巖及荊山群變質(zhì)巖組成，厚度0.5～7.9 m，成井時多與下伏基巖強(qiáng)風(fēng)化帶一起成井，水位埋深淺，隨季節(jié)變化大，出水量一般不足50 m3/d，水化學(xué)類型為HCO3--Ca·Mg型，礦化度小于0.4 g/L。

基巖裂隙含水層賦存于“牧牛山”二長花崗巖、中生代閃長玢巖等脈巖的風(fēng)化孔隙裂隙中，裂隙發(fā)育深度20 m以上，為裂隙潛水，井泉的涌水量一般小于30 m3/d。水化學(xué)類型為HCO3--Ca型、礦化度為0.2 g/L。

2.2 尾礦庫庫區(qū)含水層特征

根據(jù)尾礦庫水文地質(zhì)勘察報告，研究區(qū)內(nèi)第四系主要為角礫粉質(zhì)粘性土，除低洼地帶含有少量地下水外，其它地段不含地下水，為包氣帶。該層結(jié)構(gòu)松散，厚度較薄，滲透性較好。室內(nèi)滲透性試驗(yàn)結(jié)果和試坑注水試驗(yàn)結(jié)果見表1。室內(nèi)試驗(yàn)限于取樣樣品中的含礫量相對原地偏少，試驗(yàn)結(jié)果相對偏小，故本次評價過程中，采用場區(qū)2個試坑注水試驗(yàn)資料，滲透系數(shù)取k=0.39 m/d。

圖1 東劉家金礦區(qū)尾礦庫區(qū)域地質(zhì)圖

試樣位置編號滲透系數(shù)K/cm/s平均值排水涵管ZK02-11.34E-051.34E-05 cm/s合0.011 6 m/d擴(kuò)容庫區(qū)ZK13-11.13E-061.13E-05 cm/s合0.009 8 m/d試坑SK024.47E-04SK104.67E-034.57E-04 cm/s合0.394 8 m/d

尾礦庫庫區(qū)基巖裂隙含水層為強(qiáng)-中風(fēng)化帶，強(qiáng)風(fēng)化帶和中風(fēng)化帶厚度在3.80～20.70 m之間。強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙發(fā)育，巖石破碎，巖芯呈碎塊狀；中風(fēng)化帶，巖芯呈短柱狀或柱狀，經(jīng)壓注水試驗(yàn)，該含水層滲透系數(shù)為0.16～0.24 m/d，見表2。

表2 強(qiáng)風(fēng)化帶和弱風(fēng)化帶注水試驗(yàn)成果表

根據(jù)前期勘察資料，尾礦庫區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，近SN向的F1和F2被閃長玢巖脈充填；推斷的F3斷層，走向NE，帶內(nèi)巖芯也較破碎，該斷裂帶取滲透系數(shù)為0.46 m/d。

3 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

尾礦庫區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給主要是大氣降水，降水大部沿地勢自然流入溝谷，以地表水的形式流出庫區(qū)，少部分沿節(jié)理裂隙向下滲透。地下水位受季節(jié)影響較大，雨季降水量豐富，水位抬高大，枯水期則水位下降較大，在低山丘陵地區(qū)，地下水流向與地形坡向一致，自高向低運(yùn)動，遇地形切割或隔水層也可流出地表，以泉的形式排泄。庫區(qū)內(nèi)未見泉，雨季在庫區(qū)壩外50 m左右有一泉，流向東北方向，匯入東劉家水庫。尾礦庫評價范圍內(nèi)無地下水開采利用情況。

4 地下水均衡分析

本次均衡計(jì)算以尾礦庫匯水區(qū)為尾礦庫均衡評價區(qū)，各均衡要素的分析如下。

4.1 地下水補(bǔ)給量

本區(qū)地下水補(bǔ)給來源僅為大氣降水。

計(jì)算公式：Q降=F×P×α

式中：F為降雨入滲補(bǔ)給面積，約為0.69 km2；P為有效降雨量，取多年平均值787.8 mm；α為降雨入滲系數(shù)。根據(jù)尾礦庫工勘及評價區(qū)基巖出露面積分布及表層松散層巖性，取值0.10。

經(jīng)計(jì)算，降雨入滲的補(bǔ)給量為5.44萬 m3/a。

4.2 地下水排泄量

通過對區(qū)內(nèi)地下水的排泄條件分析，本區(qū)地下水的排泄量為：

Q總排=Q蒸發(fā)+Q側(cè)排

(1)

式中：Q總排為地下水總排泄量；Q蒸發(fā)為蒸發(fā)排泄量；Q側(cè)排為地下水側(cè)向排泄量；

4.2.1 蒸發(fā)排泄量

粉質(zhì)粘土的地下水極限蒸發(fā)深度為3.1 m，結(jié)合本區(qū)地層分布、巖性特征等水文地質(zhì)條件，綜合考慮取本區(qū)地下水極限蒸發(fā)深度為4 m。根據(jù)尾礦庫工勘報告 ，本區(qū)有利于地下水蒸發(fā)且水位埋深小于4 m的分布區(qū)面積約為0.16 km2。地下水蒸發(fā)強(qiáng)度按下式計(jì)算：

(2)

式中：ε為地下水蒸發(fā)強(qiáng)度(m)；ε0為水面蒸發(fā)量(m)；取多年平均蒸發(fā)量1 541 mm；h為地下水水位埋深(m)；在地下水位埋深小于4 m的分布區(qū)，取地下水位埋深的平均值2.5 m；H為地下水極限蒸發(fā)深度(m)；本次評價取4 m；n為與土壤質(zhì)地有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般為1～3，本次取值為2。

地下水蒸發(fā)量按下式計(jì)算：

Q蒸發(fā)=F×ε×t

(3)

式中：F為地下水位埋深小于4 m的分布區(qū)面積，取為0.16 km2；m為地下水蒸發(fā)強(qiáng)度(m)；t為計(jì)算時段(a)。

經(jīng)計(jì)算，地下水蒸發(fā)排泄量為3.48萬 m3/a。

4.2.2 地下水側(cè)向排泄量

根據(jù)水文地質(zhì)條件及地形條件，研究區(qū)地下水主要通過第四系松散含水層側(cè)向排泄至東劉家水庫，按下式計(jì)算：

Q側(cè)排=K×I×B×M

(4)

式中：K為滲透系數(shù)(m/d)，取強(qiáng)風(fēng)化層的平均值0.22 m/d；I為水力坡度。參照尾礦庫工勘及地下水位監(jiān)測資料(尾礦庫后緣水位監(jiān)測點(diǎn)地下水位158 m標(biāo)高，水位高差18 m，距離350 m)，取0.051；B為計(jì)算斷面寬(m)，取480 m；M為含水層厚度(m)，取強(qiáng)風(fēng)化層厚度9.70 m。

經(jīng)計(jì)算，地下水徑流側(cè)向排泄量為1.88萬 m3/a。

4.3 地下水總排泄量

綜合本區(qū)各單項(xiàng)地下水排泄量，本區(qū)地下水總排泄量為5.36萬 m3/a，見表3。

表3 評價區(qū)各項(xiàng)地下水排泄量 萬m3/a

表4 評價區(qū)地下水總均衡計(jì)算 萬m3/a

4.4 地下水總均衡

根據(jù)地下水均衡原理，均衡區(qū)在一個水文年里，地下水的天然總補(bǔ)給量與地下水的總排泄量是大致均衡的，即Q總補(bǔ)≈Q總排。

綜上所述，本區(qū)的地下水的儲存量的變化量為：

儲存量變化量=Q總補(bǔ)-Q總排=5.44-5.36=0.08萬 m3/a；

補(bǔ)給量略大于排泄量，總體上本區(qū)處于地下水均衡狀態(tài)，見表4。

5 結(jié)語

研究區(qū)內(nèi)含水層為第四系孔隙含水層和基巖裂隙含水層，第四系孔隙含水層結(jié)構(gòu)松散，厚度較薄，滲透性較好；強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙發(fā)育，巖石破碎，巖芯呈碎塊狀，中風(fēng)化帶，巖芯呈短柱狀或柱狀。研究區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給來源單一，僅依靠大氣降水；地下水排泄主要通過第四系松散含水層側(cè)向匯入東劉家水庫。研究區(qū)內(nèi)地下水均衡評價范圍為0.69 km2，總補(bǔ)給量為5.44萬 m3/a，總排泄量為5.36萬 m3/a，補(bǔ)給量略大于排泄量，總體上研究區(qū)內(nèi)地下水處于均衡狀態(tài)。