青海省囊謙縣水工環(huán)與地質(zhì)災害防治的研究

沈春強，王萬平，羅銀飛，高 源，高忠詠，康舒欣，羅平平

(1. 陜西地礦九〇八環(huán)境地質(zhì)有限公司 陜西地礦地質(zhì)工程勘查院有限公司,陜西 西安 710600； 2. 青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局青海省環(huán)境地質(zhì)重點實驗室,青海 西寧 810008; 3. 四川省華地建設(shè)工程有限責任公司 四川省地礦局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，四川 成都 610000； 4. 青海省水工環(huán)調(diào)查院 青海省水文地質(zhì)及地熱地質(zhì)重點實驗室，青海 西寧 810008;5. 長安大學 環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054)

1 水工環(huán)地質(zhì)概況

1.1 自然地理及地質(zhì)環(huán)境背景

調(diào)查區(qū)出露的地層主要有前第四紀地層和第四系上更新統(tǒng)(Q3)、全新統(tǒng)(Q4)，其中前第四紀地層分為石炭系下統(tǒng)(C1)、二疊系下統(tǒng)(P1)、三疊系上統(tǒng)(T3)、古近系(E2)。石炭系下統(tǒng)(C1)主要分布于調(diào)查區(qū)北部扎曲兩岸山區(qū)，呈北西—南東向展布，主要為泥質(zhì)粉砂巖、板巖夾泥巖和灰?guī)r及硅質(zhì)砂巖等。區(qū)內(nèi)二疊系下統(tǒng)(P1)不甚發(fā)育，主要分布在扎曲河右岸上游一帶，主要為上部灰白色厚層狀灰?guī)r，下部薄層狀砂巖、砂質(zhì)灰?guī)r，底部礫巖，厚度大于113～883 m，該層與下伏下石炭系呈角度不整合接觸；三疊系(T3)主要分布在扎曲左岸的中高山區(qū)，區(qū)內(nèi)西南部出露很少，呈小片零星分布，主要為灰色、淺灰色中厚層—塊層狀灰?guī)r夾砂巖組成，厚度132～2 150 m；古近系E2主要分布在扎曲和香曲兩岸的低山丘陵區(qū)，巖性主要為紫紅色、淡紫紅色礫巖、砂巖等，厚度89～1 793 m。區(qū)域內(nèi)新構(gòu)造運動的特征，表現(xiàn)在在老構(gòu)造運動的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展，并具有繼承性，其特點是受斷裂構(gòu)造控制，在區(qū)內(nèi)以震蕩式上升運動為主。

1.2 水文地質(zhì)條件

調(diào)查區(qū)內(nèi)地下水可劃分為4種類型：松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、碎屑巖孔隙裂隙水及基巖裂隙水。松散巖類孔隙水主要賦存于扎曲和香曲河兩側(cè)第四系地層的砂卵礫石層中，含水介質(zhì)為粗粒碎屑松散物質(zhì)，具有良好的貯水空間，又有河水滲漏和側(cè)向基巖山區(qū)地下水的補給，故水量較為豐富，可以分為4個區(qū)，分別為單井涌水量大于5 000 m3/d，單井涌水量1 000～5 000 m3/d，單井涌水量100～1 000 m3/d，單井涌水量小于100 m3/d；碎屑巖類孔隙裂隙水埋藏在古近系砂質(zhì)泥巖及礫巖中，但含水層較薄，透水性能也較差，換算涌水量為66.78 m3/d，礦化度1.67 g/L，水化學類型為HCO3-Na型水；碳酸鹽巖類裂隙孔隙水流量較小，單泉流量0.1～1 L/s，礦化度小于1 g/L，水化學類型為SO4·HCO3-Ca·Mg或HCO3-Ca·Mg型水；基巖裂隙水分布于廣大基巖山區(qū)，單泉流量一般0.1～1 L/s，徑流模數(shù)在1.0～3.0 L/s·km2之間，礦化度小于0.5 g/L，屬HCO3-Ca型。

2 研究技術(shù)方法

2.1 水文與工程鉆探

為查明河谷地帶的水文地質(zhì)條件，本次的水文地質(zhì)鉆探工作主要部署在扎曲、香曲河河谷地帶。水文地質(zhì)鉆探工作嚴格按照《水文地質(zhì)鉆探規(guī)程》(DZ/T0148-94)進行，共部署水文地質(zhì)鉆孔13眼，全孔段取芯，成孔口徑550 mm，總進尺590.1 m。分兩次鉆進，首先采用SPJ-300鉆機回轉(zhuǎn)鉆進取芯，卵礫類大于40%，粘土類大于70%，并對巖芯進行了準確詳細的描述，地層和含水層劃分準確可靠；之后采用SPC-600型黃河牌車載鉆機進行擴孔成井，成井口徑550 mm，依據(jù)地層結(jié)構(gòu)和含水層位置，分別下入Φ273 mm沉淀管、打眼纏絲包網(wǎng)濾水管及井壁管，人工緩慢在管外填入5～7 mm粒徑的精選天然礫料，至地下水位以上3 m，填礫厚度10 cm，其質(zhì)量符合《水文地質(zhì)鉆探規(guī)程》的相關(guān)技術(shù)要求。

工程地質(zhì)鉆孔主要用于查明淺部地層結(jié)構(gòu)、巖土物理學性質(zhì)、地下水位埋深等，為區(qū)域地層、地下水等水位線劃分及重點地區(qū)城鎮(zhèn)規(guī)劃提供基礎(chǔ)資料。鉆孔孔徑127 mm，采用XY-1型鉆機清水鉆進，一徑到底，巖芯采取率在70%～90%之間。淺井主要用于輔助查明第四系地層、包氣帶巖性結(jié)構(gòu)，完成對鉆機難以到達地區(qū)的第四系潛水含水層劃分和各類樣品采集。本次工作淺井工程部署合理，累計完成工作量208.2 m。

2.2 抽水試驗與采樣分析

對本次施工的所有水文地質(zhì)鉆孔進行了抽水試驗。首先采用活塞和水泵聯(lián)合洗井，達到水清砂凈后，進行了試抽，試抽結(jié)果對比合格以后再進行正式的抽水試驗，洗孔質(zhì)量良好。試驗過程中采用三角堰觀測流量，采用mini-diver及電子水位儀觀測水位，讀數(shù)精確到毫米；同時采用溫度計對氣溫、水溫進行了同步觀測，讀數(shù)精確到0.1℃，抽水穩(wěn)定持續(xù)時間均控制在8 h以上，每個落程抽水試驗結(jié)束后，對恢復水位進行了觀測。水化學分析主要包括水質(zhì)全分析、簡分析以及生活飲用水專項分析，以查明區(qū)內(nèi)地下水的物理性質(zhì)、化學成分、毒理指標，為劃分地下水化學類型，研究區(qū)域水文地球化學特征及其垂向和水平分帶規(guī)律，為研究地下水成因水質(zhì)評價提供依據(jù)。

2.3 動態(tài)監(jiān)測

動態(tài)觀測點主要布置在河流上、下游斷面，以及重要的民井、本次施工的鉆孔中，基本控制了區(qū)內(nèi)主要水文地質(zhì)單元，觀測工作由專人負責，觀測期為一個水文年。地下水位采用手持電子水位儀進行測量，地表水流量采用流速儀進行測量，每15天進行一次統(tǒng)測。觀測數(shù)據(jù)詳實準確，客觀地反映了地表水、地下水的動態(tài)變化規(guī)律，為研究區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)動態(tài)變化規(guī)律提供了可靠依據(jù)。

2.4 地下水資源評價

地下水資源評價包括水量和水質(zhì)兩個方面。地下水資源包括天然資源量及允許開采量。其中采用徑流模數(shù)法計算基巖裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、碎屑巖裂隙孔隙水，用斷面法進行計算松散巖類孔隙水。根據(jù)本次野外調(diào)查資料及抽水試驗資料，首先進行模型概化，計算區(qū)位于扎曲河， 沿途地表水垂直滲漏補給地下水。根據(jù)以上條件概化后，區(qū)內(nèi)可認為是具有水力坡度的無限含水層的源匯項，現(xiàn)狀開采量可看成抽水井抽水量。條件概化后，按勢流疊加原理，用非穩(wěn)定流干擾井群法解析式求解，選取計算參數(shù)為導水系數(shù)、滲透系數(shù)、含水層厚度、給水度、抽水井流量等，從而對地下水資源量進行評價。計算公式如下。

1)采用徑流模數(shù)法，計算公式如式(1)所示。

Q=3.1536·M·F

(1)

式中Q——地下水資源，104m3/a；

M——地下徑流模數(shù)，L/s·km2；

F——計算段面積，km2。

2)采用斷面法進行，計算公式如式(2)所示。

Q=K×W×I

(2)

式中K——滲透系數(shù)，m/d；

W——過水斷面面積，m；

I——水力坡度，‰。

3)計算滲透系數(shù)K和導水系數(shù)T，計算公式如式(3)所示。

式中K——滲透系數(shù)，m/d；

Q——涌水量，m3/d；

H——含水層厚度，m；

h——含水層抽水時厚度，m；

R——抽水影響半徑，m；

r——抽水孔半徑，m；

T——導水系數(shù)，m2/d。

3 結(jié)果討論與分析

3.1 地下水補徑排關(guān)系

扎曲和香曲河谷潛水的主要補給來源為河水的滲漏補給及基巖裂隙水的側(cè)向補給，河水的補給源區(qū)為無人居住的基巖山區(qū)，無人類活動，另外也未發(fā)現(xiàn)對地表水水質(zhì)有嚴重影響的巖體和礦體。在香曲下游與扎曲交匯地帶為囊謙縣香達鎮(zhèn)，也就是囊謙縣政府所在地，此處人類活動頻繁，由于河谷第四系很薄，在雨季河水和古近系紅層接觸，使得河水發(fā)渾，且水質(zhì)較差。

3.2 水化學特征

3.2.1 地表水化學特征

據(jù)水質(zhì)分析資料，調(diào)查區(qū)內(nèi)扎曲以HCO3·SO4-Ca·Mg型水為主，香曲以HCO3·SO4-Ca型水為主，那溶溝以HCO3·SO4-Ca型水為主，格代則溝以HCO3-Ca·Mg型水為主。pH值7.37～8.25，礦化度253.96～374.16 mg/L，總硬度252.20～298.24 mg/L。河流地表水的水化學類型的變化特征是：支溝因流程短，水化學類型簡單，礦化度小，香曲、扎曲因流域面積廣，水化學類型復雜，礦化度相對較高。

3.2.2 地下水化學特征

地下水樣品的測試結(jié)果顯示地下水樣品基本落在“1+4”區(qū)，測試結(jié)果投影于Piper三線圖(見圖1)，顯示出堿土金屬離子大于堿金屬離子，強酸根離子大于弱酸根離子的特征。山區(qū)及丘陵地下水主要以HCO3、HCO3·SO4、HCO3·Cl·SO4型為主，而河谷地下水受各種因素影響，水化學類型復雜多樣。通過分析，調(diào)查區(qū)山區(qū)地下水類型主要為碎屑巖裂隙孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水及基巖裂隙水3種，單泉流量均在0.1～1.0 L/s之間，富水性等級為中等，山區(qū)地下水不具備供水條件。河谷區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水，水為無色、無味、無嗅、透明，礦化度小于1.0 g/L的HCO3型淡水，地下水質(zhì)量多數(shù)為Ⅲ類水，地下水質(zhì)量級別為較好，是適合于生活用水的較好的水，含水層巖性為沖積、沖洪積的砂卵礫石層，水量極其豐富，具有較好的供水前景。

圖1 地下水體Piper三線圖解

3.3 地下水動態(tài)特征

河谷平原潛水，由于所處的地貌部位不同、埋藏深淺不一、比如河流的上、中、下游或是漫灘、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級階地，則各自有不同的補給、徑流和排泄條件及埋藏特點，反映在地下水的動態(tài)變化上差別很大，水位的高低峰值、水化學、地下水變化幅度也不一樣。Ⅱ-Ⅲ級階地距離地表水較遠，受河水的影響較小，氣象因素影響較大，因此水位年變幅比河漫灘較大。但不管是河漫灘還是Ⅰ-Ⅲ級階地，潛水位的峰、谷值均有滯后現(xiàn)象，一般滯后1個月。

3.4 地下水資源評價及允許開采量評價

工作區(qū)地下水資源量是在劃分區(qū)和亞區(qū)的基礎(chǔ)上進行計算的，不同的段采用不同的方法計算。山區(qū)基巖裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和碎屑巖類裂隙孔隙水采用徑流模數(shù)法，是根據(jù)野外調(diào)查的實際資料計算的，計算是有依據(jù)的，可以滿足調(diào)查的精度要求。平原區(qū)松散巖類孔隙水根據(jù)水文地質(zhì)鉆探資料采用斷面法進行計算，計算精度較高(見表1)。

表1 松散巖類孔隙水水資源計算

香曲河段：利用本次施工的K5和K6號鉆孔抽水試驗資料，采用斷面徑流量法計算香曲河段的Ⅰ-Ⅰ′地下水斷面徑流量為5 200 m3/d，采用干擾井群法計算擬開采區(qū)開采量為2 000 m3/d時候在不同開采時間下的降深值，計算開采60年后的降深值為4.23 m，約占該地段平均含水層厚度的50%，開采量占斷面徑流量的38%，說明允許開采量2 000 m3/d是完全有保障的，但由于開采2 000 m3/d時降深已達含水層厚度的一半，不宜再增大開采量。

扎曲河段：利用本次施工的K01和K02號鉆孔抽水試驗資料，采用斷面徑流量法計算Ⅲ-Ⅲ′地下水斷面徑流量為8 100 m3/d，采用干擾井群法計算擬開采區(qū)開采量為2 000 m3/d時候在不同開采時間下的降深值，計算開采60年后的降深值為5.24 m，約占該地段平均含水層厚度的33.6%，開采量僅占斷面徑流量的24%，說明允許開采量2 000 m3/d是完全有保障的。

利用本次施工的K03和K04號鉆孔抽水試驗資料，采用斷面徑流量法計算Ⅳ-Ⅳ′地下水斷面徑流量為8 300 m3/d，采用干擾井群法計算擬開采區(qū)開采量為2 000 m3/d時候在不同開采時間下的降深值，計算開采60年后的降深值為6.07 m，約占該地段平均含水層厚度的67.4%，開采量僅占斷面徑流量的24%，說明允許開采量2 000 m3/d是完全有保障的；扎曲河上下游開采量疊加，開采量僅占斷面徑流量的48.2%，允許開采量也是完全有保障的。

3.5 地質(zhì)情況與地質(zhì)災害防治

調(diào)查區(qū)巖體分為堅硬塊狀侵入巖巖組、堅硬—較堅硬層狀砂巖、灰?guī)r巖組和較軟弱—軟弱層狀砂巖、泥巖巖組3大類；土體類型劃分為沖積卵石單層土體、上部粉砂、粉土、填土，下部多卵石、礫石土、上部粉細砂、粉土，下部多泥質(zhì)礫石、含泥質(zhì)礫石3大類。區(qū)內(nèi)分為高山工程地質(zhì)區(qū)、低山丘陵工程地質(zhì)區(qū)和河谷沖洪積平原工程地質(zhì)區(qū)3類工程地質(zhì)區(qū)，其高山工程地質(zhì)區(qū)和低山丘陵工程地質(zhì)區(qū)的工程地質(zhì)條件差，不適宜工程建設(shè)；河谷沖洪積平原工程地質(zhì)區(qū)工程地質(zhì)條件較好，適宜工程地質(zhì)建設(shè)。對調(diào)查區(qū)進行了工程建設(shè)適宜性評價，分為建設(shè)條件極差的場地、建設(shè)條件很差的場地、適宜建設(shè)的場地及較適宜建設(shè)的場地。評價認為扎曲和香曲河谷區(qū)為工程建設(shè)適宜場地，扎曲和香曲近山麓區(qū)及各支溝地帶為工程建設(shè)較適宜場地，周邊山區(qū)為工程建設(shè)不適宜場地。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害5類：滑坡、崩塌、泥石流、不穩(wěn)定斜坡、河流塌岸，不穩(wěn)定斜坡是區(qū)內(nèi)最主要的地質(zhì)災害類型，其占所調(diào)查地質(zhì)災害總數(shù)的43%，潛在或已經(jīng)危害到當?shù)氐慕ㄔO(shè)發(fā)展及人民群眾財產(chǎn)安全。根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件的實際情況、主要環(huán)境地質(zhì)問題和人類工程經(jīng)濟活動現(xiàn)狀等因素及分區(qū)原則，劃分出3個環(huán)境地質(zhì)區(qū)，分別為地質(zhì)環(huán)境條件較好，宜發(fā)展城建的河谷沖洪積平原區(qū)；地質(zhì)環(huán)境條件較差，宜發(fā)展牧業(yè)的低山丘陵區(qū)；地質(zhì)環(huán)境條件差，不宜發(fā)展城鎮(zhèn)建設(shè)的高海拔中高山區(qū)。為囊謙縣的城鎮(zhèn)建設(shè)提供了一定的環(huán)境地質(zhì)依據(jù)。

4 結(jié) 論

1)調(diào)查區(qū)山區(qū)地下水類型主要為碎屑巖裂隙孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水及基巖裂隙水3種，單泉流量均在0.1～1.0 L/s之間，富水性等級為中等，山區(qū)地下水不具備供水條件。河谷區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水，水為無色、無味、無嗅、透明，礦化度小于1.0 g/L的HCO3型淡水，地下水質(zhì)量多數(shù)為Ⅲ類水，地下水質(zhì)量級別為較好，是適合于生活用水的較好的水，含水層巖性為沖積、沖洪積的砂卵礫石層，水量極其豐富，具有較好的供水前景。

2)對調(diào)查區(qū)采用徑流模數(shù)法、斷面法進行了地下水資源評價，工作區(qū)基巖山區(qū)地下水天然資源總量為0.297 6×108m3/a，扎曲和香曲河谷潛水的補給來源于河水滲漏和無人居住的基巖地區(qū)，水質(zhì)較好；而在香曲下游與扎曲交匯地帶為囊謙縣香達鎮(zhèn)，人類活動頻繁，水質(zhì)較差。針對囊謙縣香達鎮(zhèn)建設(shè)和社會經(jīng)濟發(fā)展水平，地下水的開采利用適合高處開采地處供給的方式，其允許開采量分別占斷面徑流量的50%和24%，說明允許開采量2 000 m3/d是完全有保障的。

3)根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)、地貌條件、巖土體類型，香達鎮(zhèn)城鎮(zhèn)建成區(qū)及城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)為適宜建設(shè)區(qū)和較適宜建設(shè)區(qū)；基本查清了區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害及分布特征，針對調(diào)查區(qū)地質(zhì)災害特征，劃分出3個環(huán)境地質(zhì)區(qū)，對調(diào)查區(qū)進行了工程建設(shè)適宜性評價，分為建設(shè)條件極差的場地、建設(shè)條件很差的場地、適宜建設(shè)的場地及較適宜建設(shè)的場地，為囊謙縣的城鎮(zhèn)及地震災區(qū)后重建提供一定的環(huán)境地質(zhì)依據(jù)。