西峰區(qū)巴家咀白堊系地下水水源地水質(zhì)與可開采水資源量評價

許 泰，蔣興波 ，張 卓，朱秀蘭，張巨峰，楊峰峰

(1.隴東學(xué)院 能源工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000；2.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院/青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室，青海 西寧 810008；3.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，甘肅 蘭州 730050)

巴家咀白堊系地下水水源地位于西峰區(qū)以西16 km蒲河河谷巴家咀段。其范圍北起巴家咀水庫庫壩，南至頁家河灘，東西分別達(dá)塬邊線，呈一條沿蒲河河谷分布的東西寬300～400 m，南北長2 000 m的帶狀開采區(qū)，水源地范圍內(nèi)共有開采井8眼，正常使用7眼，總面積約1 km2(圖1)。西峰區(qū)2020年供水報告顯示：總需水量為33 600.0 m3/d，其中生活需水量為8 600.0 m3/d，工業(yè)需水量為15 000.0 m3/d，其它需水量為10 000.0 m3/d。隨著城市需用水量的增加，具有最大供水能力的巴家咀水庫在汛期不能保證城市正常用水，做為后備水源地的巴家咀地下水水源地將會發(fā)揮出巨大的功能。因此，對巴家咀水源地地下水水源地水質(zhì)與可開采資源量評價具有重要意義。

圖1 巴家咀地下水水源地位置及供水井分布圖

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

研究區(qū)地勢西北高，東南低，海拔1 040～1 291 m，相對高差240 m，分為黃土殘塬溝壑和蒲河河谷兩種地貌類型。黃土殘塬溝壑分布在蒲河河谷兩側(cè)，黃土沖蝕地貌發(fā)育，黃土塬面寬闊平坦，塬邊受溝谷地表水側(cè)向侵蝕，呈不規(guī)則狀，溝深坡陡，“V”型溝縱橫交錯。蒲河河谷由河流侵蝕堆積作用形成，區(qū)內(nèi)呈南北向展布，河谷寬300～500 m，地勢北高南低，僅發(fā)育一級基座階地，且呈不對稱分布，前緣高出河床1～2 m，以4‰的坡降向河床傾斜。

1.2 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

巴家咀水源地地層較為簡單，主要有第四系(Q)和下白堊系保安群(K1)。水源地第四系沉積齊全，從全新統(tǒng)至下更新統(tǒng)均有分布，成因上以風(fēng)積為主，次為沖積、沖洪積。下白堊系在區(qū)內(nèi)分布最為廣泛，其厚度大、產(chǎn)狀平緩、展布范圍廣，前人將隴東地區(qū)保安群分為宜君、洛河、華池、環(huán)河、羅漢洞、涇川六個巖組，其中涇川組在水源地范圍內(nèi)缺失，對本次研究有意義的是環(huán)河組和羅漢洞組[1]。

巴家咀水源地在構(gòu)造上位于鄂爾多斯地臺西南部，處于天環(huán)向斜東翼，屬中生代內(nèi)陸拗陷盆地，呈近南北向矩形輪廓，盆地內(nèi)因基底相對穩(wěn)定，構(gòu)造活動不是十分強烈[2]。

2 水文地質(zhì)條件

巴家咀水源地地下水劃分為第四系松散巖類孔隙水和下白堊系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水。第四系松散巖類孔隙水賦存在蒲河河谷一級階地，河漫灘及黃土中，含水層厚度薄、不連續(xù)、水量貧乏、易污染，做為水源地供水無實際意義。下白堊系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水是主要的開采目的層，是本次評價的對象(圖2)。

圖2 巴家咀水源地蒲河河谷地質(zhì)地貌及水文地質(zhì)剖面圖

2.1 含水層埋藏與分布特征

(1)羅漢洞組承壓含水層：含水層巖性主要以中粗、中細(xì)砂巖為主，呈面狀分布，頂部夾薄層泥巖、泥質(zhì)砂巖組成隔水頂板，水源地范圍內(nèi)厚度為40～60 m；其頂板埋深20 m，水頭標(biāo)高1 058～1 061 m，下部為含細(xì)礫中粗砂巖，砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)砂巖互層[3]。砂巖以石英、長石為主，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，孔隙性較好，具大型水平層理和斜交層理。泥質(zhì)砂巖較致密堅硬，具水平層理。蒲河河谷區(qū)，裸露厚度不等，表部分布不均勻的風(fēng)化帶，出露厚度10～20 m，總厚度70～100 m。Ⅰ級階地及漫灘等部位呈自流狀態(tài)，含水層富水性較強，單位涌水量30～80 m3/d·m。

(2)環(huán)河組承壓含水層：以泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖互層為主，地層厚度在橫向上極不穩(wěn)定，相差懸殊，從20～400 m不等[3]。該含水巖組特點是砂巖層次多，單層厚度薄，總厚度較小，泥巖與砂質(zhì)泥巖分布不穩(wěn)定，總厚度較大，這決定了含水層的富水性普遍較差。從區(qū)域地質(zhì)資料推測研究區(qū)厚度為300～350 m。地層巖相復(fù)雜且變化大，砂巖與泥質(zhì)砂巖不等厚互層。橫向上砂巖與泥質(zhì)砂巖層厚度不穩(wěn)定，近距離相變很快，因此地下水在該層的分布規(guī)律也較為復(fù)雜，在巴家咀一帶，上部40～50 m環(huán)河組以砂巖、礫巖為主，呈面狀分布。40～50 m下有1～2 m的薄含水層存在，但含水層富水性相對較弱，構(gòu)成一個弱含水介質(zhì)，即可看作一隔水底板。該承壓含水層水頭較高，區(qū)內(nèi)多自流，富水性較弱，單位涌水量10～50 m3/d·m。溶解性總固體為1～3 g/L,水化學(xué)類型為HCO3--Ca2+-Mg2+-Na+型和HCO3--Ca2+型[4-5]。

2.2 地下水補、徑、排條件及動態(tài)變化規(guī)律

區(qū)內(nèi)承壓水主要接受六盤山前遠(yuǎn)距離徑流補給，以3‰～6‰的水力坡度自西北向東南徑流，除了水平方向上的徑流補給外，在其徑流途中，羅漢洞組承壓水局部地段與地表水、上層潛水之間在垂直方向上也存在一定的水力聯(lián)系。而排泄主要以徑流形式流出，當(dāng)承壓含水層頂板被溝谷切割后，則以滲流形式向溝(河)谷中排泄。人工開采也是承壓水排泄方式之一。

承壓水水位動態(tài)呈季節(jié)性變化，主要受氣候因素、埋藏深度和徑流的控制，同時受人工開采、地貌、地層巖性等因素的影響，動態(tài)類型為徑流-開采型。高水位一般出現(xiàn)4、5、6月，低水位出現(xiàn)在7、8、11、12及次年1、2月份，其它為平水期，總年變幅為2.5 m。4、5、6月補給區(qū)降雨增加，水頭抬升，7、8月雖然為汛期，但也是水源地開始集中供水開采時段，水頭降低，11、12月及次年1、2月為枯水期，補給減少，水頭降低。

3 水源地地下水水質(zhì)與可開采資源量評價

3.1 水源地概況及開發(fā)利用現(xiàn)狀

巴家咀水源地內(nèi)共有開采機井7眼(表1)，均分布在蒲河兩岸Ⅰ級、Ⅱ級階地上，占地面積約1 km2，間距300～500 m，井深120 m左右。蒲河右岸正常使用機井為2#、5#、6#、7#，左岸正常使用機井為3#、4#、8#，原有的1#機井已廢棄。下白堊系羅漢洞組和環(huán)河組頂部孔隙裂隙承壓水是主要的開采目的層，含水層厚度平均達(dá)80 m，富水性較強，單井涌水量1 100～1 200 m3/d，最大達(dá)1 500 m3/d。

表1 巴家嘴水源地開采井開發(fā)利用前基本情況

巴家咀水源地于2003年底建成使用至今,水源地每年供水2個月，主要在汛期巴家嘴水庫水渾濁不能使用時開采，開采季節(jié)7口井交替開采，每日3～4口井抽水，每日供水最高4 000 m3，平均3 500 m3，其余時期主要利用水庫水,開采量較小,以輔助用水進(jìn)行供水(表2，表3)。

表2 巴家嘴水源地開采井基本情況

表3 巴家嘴水源地開采量基本情況

3.2 地下水水質(zhì)評價

采用單項組分和綜合指數(shù)兩種方法評價巴家咀水源地地下水水質(zhì)。

3.2.1 單項組分評價

選取巴家咀水源地范圍內(nèi)的2#鉆孔地下水進(jìn)行水質(zhì)分析，將各組分值與地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)逐項對比，確定級別并進(jìn)行評價[6-7]。本文是將地下水水質(zhì)監(jiān)測井中選取的每個監(jiān)測項目的實測值與《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)中各項目的水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，最后選擇最差類別作為該監(jiān)測井的水質(zhì)類別。由表4可以看出，2008年和2001年水質(zhì)評價結(jié)果近似，說明水源地水質(zhì)變化很小。水源地內(nèi)羅漢洞組、環(huán)河組頂部地下水的感官性狀良好，已檢項目中除SO4、氟化物略高外，其余各項指標(biāo)均符合地下水標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水水質(zhì)要求，滿足國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

表4 巴家咀水源地2#鉆孔地下水水質(zhì)分析與評價

3.2.2 綜合指數(shù)評價

綜合指數(shù)評價是根據(jù)單項組分評價劃分的結(jié)果，確定各組分的評價分值Fi，標(biāo)準(zhǔn)如表5。

表5 綜合評價打分標(biāo)準(zhǔn)

然后根據(jù)公式計算水質(zhì)綜合分值F：

(1)

表6 地下水評價等級分類標(biāo)準(zhǔn)

由表4可以看出，綜合指數(shù)F值2008年為4.29，2001年為4.30，地下水評價等級類別為Ⅳ(較差)水。符合一般工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)，地下水水質(zhì)較差。超標(biāo)項目主要為SO4、氟化物，2008年分別高出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)30.84%、11%。如果將SO4經(jīng)過處理達(dá)到250 mg/L，則地下水可達(dá)Ⅲ(較好)類水，適用于集中式生活飲用水及工農(nóng)業(yè)用水。

3.3 水源地可開采資源量的計算與評價

3.3.1 確定計算參數(shù)

根據(jù)《甘肅省西峰市巴家咀白堊系地下水水源地勘查報告》，確定的參數(shù)為：滲透系數(shù)K值為1.60 m/d；含水層厚度M為80 m；水力坡度I為6‰；導(dǎo)水系數(shù)T為128 m2/d；彈性釋水系數(shù)Ue為6.577×10-4。

3.3.2 水源地天然補給量計算

采用《地下水資源及分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB15218-94)指定的斷面法Q=KIBM進(jìn)行計算，式中B為計算斷面寬度，取1 600 m。

計算出水源地開采層下白堊系承壓水天然徑流補給量為443.84萬 m3/a(1.216×104m3/d)。由于該承壓水有較完整的隔水頂板，蒲河、雨洪地表水河谷淺層地下水轉(zhuǎn)化滲入量極其微弱，無深部越流補給，可忽略不計，因此將該量作為水源地現(xiàn)狀條件下的天然補給量是合理的。

3.3.3 地下水允許開采量計算

巴家咀水源地設(shè)計日開采量1.0萬 m3，占天然補給資源量83%。水源地有開采機井8眼，井深110～120 m，井徑0.3 m，單井涌水量可達(dá)1 100～1 200 m3/d。

3.3.4 地下水允許開采量保證程度分析

巴家咀水源地承壓水在開采狀態(tài)下含水層將形成開采性降落漏斗，有效奪取天然地下徑流量，在水源地開采期達(dá)3年后處于完全穩(wěn)定，此時西北補給邊界平均水力坡度可達(dá)到8‰～12‰，相應(yīng)開采狀態(tài)下的補給量1.946～2.018萬 m3/d，補給大于開采，故水源地設(shè)計允許開采量1.0萬 m3是有充分保證的，且保證程度較高，已建巴家咀水源地的17 a運行的經(jīng)驗也可以證實這一點。

3.3.5 開采地下水對環(huán)境的評價

下白堊系羅漢洞組和環(huán)河組頂部孔隙裂隙承壓水的含水層巖性以中粗、中細(xì)砂巖為主，含水層厚度80 m，表層覆蓋厚度為3～11.5 m的第四系粉質(zhì)粘土，水頭高度-7.0～1.07 m(高出地面為正，反之為負(fù))，水頭絕對海拔約1 060 m，根據(jù)水源地允許開采量計算出目前開采方案井中最大水位降深為44.8 m，這說明開采地下水不會引發(fā)地面沉降和地裂縫等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害問題，并且已建巴家咀水源地多年運行經(jīng)驗也是最好的證明。目前開采狀態(tài)下水源地最大動水位為19.74 m，最大水位降深入值為11.34 m(按靜止水頭8.4 m計)，相應(yīng)條件下的開采量為1 274.4 m3/d；水源井施工時期的最大動水位為40.86 m，最大水頭降深入值為40.86 m(按靜止水頭0.85 m計)，相應(yīng)條件下的開采量為1 248 m3/d。由此可以看出，當(dāng)前狀態(tài)下水源地地下水的滲透系數(shù)比2001年水源地地下水的滲透系數(shù)大，在相同動水位下目前開采狀態(tài)比勘探時出水量大。測得的地下水靜止水頭比勘探時的靜止水頭低，是因為目前水源地處于開采狀態(tài)。

目前，水源地范圍內(nèi)無明顯污染源，而承壓水主要接受六盤山山前遠(yuǎn)距離徑流補給，補給來源途徑較長，近年來石油開發(fā)規(guī)模不斷增大[1,8-9]，對羅漢洞組構(gòu)成污染隱患，所以石油開采要按環(huán)保要求達(dá)標(biāo)后方可實施，否則會造成水源地的污染。

4 結(jié)語

巴家咀水源地內(nèi)羅漢洞組、環(huán)河組頂部地下水的感官性狀良好，除SO4、氟化物略高外，其余各項指標(biāo)均符合地下水標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水水質(zhì)要求，可做為城市生活及工農(nóng)業(yè)用水水源。水源地開采層下白堊系承壓水天然地下徑流補給量為1.216×104m3/d，大于設(shè)計開采量1.0萬 m3/d，且保證程度較高。水源地不會因開采地下水而引發(fā)地面沉降和地裂縫等環(huán)境問題，但要注意防范石油開采對水源地污染的隱患。