山区地下水探测方法研究论文

王明章

（贵州省地质调查院，贵阳 550004）

摘要：寒武系中上统白云岩分布区发育了众多的山间盆地和谷地，盆地和谷地中地下水富集且岩层含水性较均匀。但受地质构造等因素控制，在含水相对均匀的总体特征下不同地带地下水的富集仍存在较大的差异。查清盆地（谷地）中地质构造、寻找地下水集中径流带并合理布置开采井群，是有效开发利用岩溶地下水的关键所在。本文以贵州省玉屏县朱家场地区地下水开发为例，对该类型系统地下水的勘查和开发利用经验进行总结，旨在为同类岩溶水系统的开发利用提供参考。

关键词：寒武系白云岩；山间盆地；地下水开发利用

1 寒武系白云岩山间盆地水文地质特征

我国西南地区的黔北、黔东北、渝东南、湘西、鄂西地区大面积分布寒武系中上统白云岩，由于地层时代老，在地史时期经历了多次的构造运动，岩体中裂隙和节理极为发育，岩石破碎，并且岩石矿物成分和结构决定了岩石中岩溶发育的方式为弥散性的溶蚀，其结果在岩体中形成众多的小型溶蚀孔洞和溶蚀裂隙。各种成因的空间在岩体中交错发育，相互联通，在岩体中构成了分布相对均匀的近似网络状孔洞裂隙系统，成为地下水运移和储存的空间。上述含水介质组合及分布特点，使得地下水在含水岩组中分布相对均匀，运动呈“分散”、“渗流”特征，径流速度缓慢，并多以小泉及散流状分散排泄，构成了分散排泄型地下水系统。

寒武系中上统白云岩分布区发育了众多的山间盆地或谷地，周边为峰丛洼地、缓丘波地为主的山地。盆地及谷地多为山区地下水汇集地带，在没有遭受地质构造破坏及地形强烈切割的条件下，盆地（谷地）中地下水分布较为均匀且丰富，一般都能成为具有开发价值的地下水源地。井群开采是该类系统中开发岩溶地下水的主要手段。

但由于该类地层经历的地质构造运动多，分布区断裂构造通常较为发育，受地质构造和岩溶发育控制，在总体含水相对均匀的特征下，不同地带地下水的富集仍存在较大的差异。因此，查清盆地（谷地）中地质构造并寻找地下水集中径流带，是提高机井涌水量、有效开发利用该类地下水的关键所在。

本文以贵州省玉屏县朱家场地区地下水勘查与开发工程为例，对地下水的勘查与开发经验进行总结，为同类岩溶水系统的勘查与开发利用提供参考。

2 社会环境及工程来源

朱家场地区社会环境概况

贵州省玉屏县朱家场地区位于贵州省东部湘黔两省交界地带，地理位置为东经108°47′27″～109°9′30″，北纬27°12′00″～27°32′00″（图1）。

图1 兴隆—朱农场交通位置图

1—县界；2—开采区界线

由于该区处在车坝河和舞阳河的河间地块上，耕地及村寨高于地表河床400余m，地表无河溪分布，人畜饮水和农田灌溉缺水极为严重。1998年区内城镇及农村人口万人，稻田面积约917hm2，实际可灌溉面积仅约445hm2。城镇需水量万m3/a，实际供水量万m3/a，缺水量万m3/a；农田灌溉需水量546万m3/a，实际供水量万m3/a，缺水量万m3/a。全区总缺水量万m3/a。1998年以前，粮食平均产量仅4500kg/hm2，干旱年份严重歉收。缺水是导致该地区生产力低下、人民贫困的主要因素。因此，寻找并开发地下水资源，是改善当地生态环境、促使社会与经济发展的重要途径之一。

地下水勘查开发工程来源

1998～2000年，联合国粮食计划署在黔东地区实施代号为“5181”的农业综合开发工程。同期，原地质矿产部“岩溶缺水区找水工程”也在该区展开。寻找和开发水资源，解决该地区的人畜饮水和农田灌溉成为两个项目共同的目标。经过工程可行性对比研究，从车坝河和舞阳河提取地表水扬程分别为450m和487m，扬程高、输水距离远、供水分散，成本高且难于管理，而区内地下水丰富、埋藏浅，具有可就近分散供水，成本低，易管理，见效快的优势。“5181工程”选择了地下水开发利用方案，并委托原贵州省地质矿产局承担该区地下水勘查、设计和开采施工。

3 区域地质条件及岩溶水系统特征

区域地质条件及岩溶发育特征

朱家场地区在大地构造位置上位于扬子准地台与华南褶皱带的过渡地带，走向北东、近东西向和近南北向的断裂构造极为发育，并以走向北东断裂为主干构造，平面分布成棋盘格式（图2）。

图2 兴隆—朱家场水文地质图

1—钻孔，左：编号，右：分子为涌水量（m2/d）、分母为降深（m）；2—下降泉，左：编号，右：流量（L/s）；3—上升泉群；4—一侧冲水、一侧阻水断裂

区内出露地层均为寒武系中上统，岩性以中—厚层状白云岩为主，夹薄层泥质白云岩，总厚度732m。地貌上形成缓丘谷地地貌，地表多被第四系粘土覆盖，为覆盖型岩溶区。受岩性和结构控制，白云岩岩体中岩溶形态以小型的溶蚀孔洞为主，在岩体中分布相对较均匀，未见较大规模的溶蚀洞穴。

岩溶水系统特征

地下水主要接受大气降水的补给，在重力作用下从山区地带向谷地中汇集并总体上北西向南东运移，在径流途中受断裂等阻水以及在地势低洼地带以泉排出地表，使区内形成独立的分散排泄型岩溶地下水系统，并成为一个覆盖型岩溶山间盆地型储水构造。谷地中地下水埋藏深度多小于10m。水动力特征以潜水为主，在局部地带受构造控制或由于岩性不均匀而呈现承压状态。

虽然区内岩层含水性相对较为均匀，但由于受地质构造和岩溶发育控制，不同地带地下水的径流和富集差异性较大。1986年中国人民解放军建字00932部队在该区开展农田供水水文地质勘查，施工勘探钻孔15个，单孔涌水量多在50～800m3/d，其中50%以上钻孔涌水量小于500m3/d，显示了含水层富水性具有较强的不均匀性。

4 地下水勘查方法及主要成果

分析原勘探钻孔涌水量小且差异较大的原因，在于受到地质构造的影响，孔位未能布置在地下水富集地带上。因而确定了勘查工作的重点为详细查清谷地中的断裂构造的空间分布、水文地质特征及谷地中地下水的集中径流带。

根据在贵州省内多年的水文地质勘探工作经验，在岩溶区找水工作中，合理的组合使用传统的电法物探手段均能取得具有较好的效果。因此，勘探手段采用地质调查与电法物探相结合。

对地层岩性参数测试结果，区内白云岩ρs＞1000Ω·m，泥质白云岩ρs多在500～800Ω·m，含水白云岩ρs＜600Ω·m，粘土层ρs＜50Ω·m。为查明断裂带的空间位置、产状及含水性，勘探线垂直于构造线方向布置，勘探方法采用式电阻率联合剖面或式电阻率对称四级剖面法、激电测深法。勘探成果对断裂的反应明显，如杨柳冲断裂（F1），联合剖面曲线反应，断裂带呈高阻显示，北西盘（上盘）呈低阻显示（图3），反映了断裂带本身具阻水性能、而北西盘含水性则较好。通过实地调查，该断裂带岩石胶结紧密，断裂带北西盘（上盘）岩石破碎，沿该断裂带上盘，泉点呈串珠状分布。

图3 芩巩水尾镇白岩塘供水物探工作成果图

1—对称四级ρs曲线；2—测深点及编号；3—泉水充电点；4—推测断层

以查明谷地中地下水集中径流带的物探工作采用充电电位和梯度测量、视电阻率联合剖面（或式电阻率对称四级剖面）、激电测深等手段组合勘探。

（1）选择地表出露地下水井（泉）为充电点并布置勘探剖面，根据各剖面“零值点”连线初步确定地下水流向。

（2）垂直地下水流向布设联合剖面（或对称四级剖面）。根据勘探成果ρs平面图分析，从平面上圈出地下水主径流带。

（3）垂直地下水主径流带布设激电测深剖面，查明布井区垂向上岩体的电性特征，推断岩体含水性空间分布情况，为机井设计提供依据。

地下水主径流带勘探工作及成果以河塘地区为代表（图4～6），图4反映了该地段物探解译地下水主径流带平面分布，图5反映了垂直地下水主径流带的垂向断面岩体含水性特征，图6反映出布井点垂向岩层含水性特点。

图4 河塘块段电探等ρs平面成果图

1—高阻区；2—低阻区；3—测点及编号；4—ρs等值线；5—山地分界线

图5 28线电探综合断面图

1—测点及编号；2—四级ρs曲线；3—测深点及编号；4—ρs等值线

综合全区勘探结果：

（1）北东向压扭性断裂带具较好的阻水性，其上盘地下水径流受阻形成富集带，下盘则由于补给有限，地下水贫乏。

（2）南北向张性断裂具较好导水性，在地表多形成谷地，沿断裂及破碎带多形成地下水集中径流的地带。

（3）北东向断裂与南北向断裂交汇地带常成为地下水富集的富水地带。

（4）含水层有效厚度一般在地表以下150m范围内。

图6 28线、206点测深曲线

5 勘探成果应用及效果

图7 兴隆—朱家场地下水开采工程布置图

1—开采井，左为编号，右为降深（m）；2—设计开采井，左为编号，右为降深（m）；3—计算节点，数字为降深（m）；4—上升泉及编号；5—阻水断裂及编号；6—等水位线数字为降深（m）；7—地下水流向；8—地表分水岭；9—县界

根据勘探成果，结合缺水分布及地表水利工程的布局，进行了机井井群开采方案设计。机井主要布设在北东向断裂的上盘，沿南北向断裂的地下水集中径流带以及北东向和南北向断裂的交汇地带（图7），机井设计井深120～150m。整个灌区共设计机井12口，设计总开采量万m3/a。工程建设于1998年6月动工，1999年10月成井施工结束，各单井工程竣工后立即实施了地面配套管网、渠系，使当地立即受益。井群实际开采量16414m3/d（见下表）。

地下水开发利用工程基本状况表

6 地下水开发效益

根据玉屏县水电局提供的资料，工程实施后，保证了区内耕地灌溉，粮食稳产，加上科学种植，水稻产量从平均4500kg/hm2的基础上翻番，人畜饮水情况得到了根本好转，社会秩序得到了稳定，同时推进了区内多种经营的发展。目前，区内发展了经济果林、养殖业，并招商引资建成了水泥、电解铝等生产厂家。地下水的开发利用对区内社会和经济的发展起到了积极的作用。

由于该项工程取得了良好的社会和经济效益，1999年该阶段工程结束后，玉屏县继续实施了地下水开发工程，至2003年，全县从农田灌溉和“渴望工程”的角度已经施工机井23口，总供水能力万m3/d，使万人受益，可灌耕地面积达400hm2。

7 结语

西南岩溶石山寒武系白云岩分布区发育了众多的山间盆地和谷地，形成地下水富集的蓄水构造系统，适合于机井开采地下水。尽管由于地质构造和岩溶发育的不均匀性，不同盆地中水文地质条件存在一定的差异，但总体上地下水的赋存、富集的基本特征和开发方式具有普遍的相似性。玉屏县朱家场地区地下水勘查和开发的成功经验说明，地质和物探工作的紧密结合，勘探手段的合理使用，传统的电法物探在该类地区地下水勘查中仍可取得良好的效果。该项目地下水勘查和开发利用的方法，对白云岩山间盆地地下水勘查和开发有一定借鉴意义。

参考文献

贵州省地质矿产局第二工程勘察院.1997.贵州省玉屏县区域水文地质调查报告

中国人民解放军00932部队.1983.贵州省玉屏县朱家场农田供水水文地质报告

贵州省地矿局第二工程勘察院.1999.贵州省玉屏县兴隆—朱家场5181工程地下水勘查开发报告

一、内容概述

1.成果简介

通过对我国西南和华北地区岩溶分布区岩性特征、岩溶发育成因条件、发育强度等的分析对比，认为华北地区岩溶地下水含水条件相对比较稳定，含水介质以构造裂隙为主，较大的溶洞及地下河较少，分布较为均匀，具有统一的地下水位；而在西南地区岩溶地下水主要储藏在溶洞和地下河中，地下水位随当地水文、水文地质条件及地形地貌变化较大，分布极不均匀。根据上述特点，提出了在水文地质调查的基础上，选用适当的物探方法确定井位的工作方法。

2.技术特点

岩溶区勘查找水主要包括水文地质靶区调查和水文地质物探两个方面，水文地质靶区调查的主要内容包括：

（1）收集1∶20万区域水文地质普查资料，特别是1∶5万原始资料，作为工作的基础依据。

（2）水文地质观测线路的布置。根据初步掌握的勘查区水文地质条件，合理地布置观测路线。观测路线采用穿越和追踪法相结合，原则上，观测路线应垂直于构造线方向、穿越地貌变化最大方向。对重要构造形迹、特殊非岩溶夹层等采用追索法布置线路。

（3）对地方政府提出的缺水集中村寨和集镇所在地，调查干旱缺水情况，并重点调查地下水的赋存条件、补给面积、环境水文地质条件及其开发利用条件，初步确定供水水源。

（4）野外调查，对各种调查点进行观测描述，包括以下主要内容：出露的地层及岩性；出露的地质构造及所处构造形迹的部位，岩层产状及其力学性质、水理性质，地质构造与岩溶发育的关系；所处地貌单元位置及地貌特征；水点地面标高；水位、埋深、水深，并访问其变化幅度及观测洪水痕迹；水温，同时观测气温、水的物理性质、测量流量动态变化。对控制性水点都要实测流量；绘制水文地质剖面草图或示意图。对有特殊意义的水点，应绘制水文地质剖面图或洞穴水文地质图，并素描或摄影；调查水点附近的环境地质问题对水点的影响。

（5）水文地质单元的补、径、排条件调查：掌握各类水文地质单元岩溶地下水的补给、径流与排泄条件。补给地段，一般应了解大气降水与地表河水渗入地下的方式与通道，补给地段的范围与面积及地层、岩性、地质构造条件和地貌特征。径流地段，主要了解集中岩溶水流的埋藏深度、分布情况、运动方向及水动力特征，为整个水文地质单元地下水资源的初步评价提供重要依据。

（6）调查储水构造（富水块段），储水构造在地貌上一般表现为山间盆地或规模较大的谷地，盆地周边为基岩裸露的山区，为地下水的主要补给区。盆地内被第四系土层覆盖，为地下水汇集的区域，在一定构造控制下，一般均能形成地下水富集、适宜机井开采的水源地。

（7）通过地面调查，结合物探等技术，查明含水层的结构、边界条件、分布规律、动态特征、开发现状和利用条件。

（8）调查水资源开发利用现状：包括人畜饮用水情况，农田水利化程度及灌溉用水情况，地下水开发利用引起的地质环境问题等。

水文地质物探方法的工作要点是：

（1）物探方法选择。根据近几年实施物探找水经验，主要采用高密度电阻率法、视电阻率联合剖面法、视电阻率对称四极法、音频自然大地电场法等，寻找地下河和裂隙溶洞含水构造，查明裂隙溶洞含水层的分布情况，确定岩溶发育的主导方向和深度及圈定富水地段等；探测储水构造，查明具有一定规模的断层、裂隙带的分布情况，确定井位。

（2）物探剖面要垂直于暗河、断裂构造及地层走向布设，每个靶区布设测线2～3条，采用2～3种探测方法，线距控制在50～100m，点距原则上按10～20m控制，激发极化法点间距按10m进行控制。在测试对象可能通过的断面内，应加密间距，控制在10m内，以便确定钻探井位。

（3）物探工作的布置、参数的确定、检查点的数量和重复测量的误差，其检查数应控制为5%；重复测量误差应满足《直流电法工作规范》具体要求。

（4）勘探线及测点应标明在较大比例尺图上，对勘探点应采用专门手薄认真记录，并及时绘制测量草图。

（5）野外工作结束并经主管部门验收后，应及时提交物探工作报告和相应的图件（包括实际材料图、平面图、剖面图及地质推断解译成果图）、原始记录手薄等。

二、应用范围及应用实例

该技术对我国广大岩溶分布区地下水勘查与找水打井具有指导作用。部分成果已撰写形成学术论文（《严重缺水地区地下水勘查论文集》第3、4集），包括“岩溶地区地下水成井机制探讨”、“不同储水结构的地球物理组合方法选择”、“黔西南岩溶石山区电测探法异常类型及其成因探讨”、“AMT电磁成像系统在贵州抗旱找水中的应用效果”等。

在国土资源部组织的2010年西南三省区（云南、贵州、广西）应急抗旱找水打井和2011年北方四省（山东、河北、河南、山西）应急抗旱找水打井行动中，中国地质科学院岩溶地质研究所分别承担了贵州和山东岩溶区的找水任务。在山东共完成水文地质地面调查1200km2，地球物理勘探剖面71条，侧线总长，总测点4099个，探点27个，定点23个，确定井位38处，施工30处钻孔，成井28处，成井率超过93%，单井最大涌水量达2400m3/d。在贵州共完成靶区物探100 处，测线总长81380m，测点5648个，确定井位59个，施工钻孔24个，成井22个，成井率达，单井最大涌水量孔达3700m3/d以上。

三、推广转化方式

会议交流、项目合作、技术培训、技术咨询服务等。

四、技术依托单位

技术依托单位名称：中国地质科学院岩溶地质研究所

技术依托单位名称：中国地质科学院岩溶地质研究所

联系人：王珽唐建生李兆林

通讯地址：广西省桂林市七星路50号

邮政编码：541004

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