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【资料】生态脆弱区水文地质调查——078 西南红层地区地下水调查报告

地下水环境网2020-01-13 12:44:46

一、工作概况及总体进展

红层,是侏罗纪、白垩纪、第三纪沉积的以砂岩、泥岩为主的一套地层,因地层颜色为红色而得名(图1)。西南红层主要分布在四川、重庆、云南三省、市(图2),面积为26.38万平方千米。由于红色砂、泥岩地层对水资源的涵养能力较差,降水难于渗入,迅速汇入江河而流失,往往出现春旱、夏旱严重连旱现象,造成西南红层地区约1300万人饮水困难,缺水区共涉及169个县(市)。红层丘陵山区相当一部分人直接饮用田水、塘水,水既浑浊又肮脏,卫生和环境条件极差,肝炎、痢疾等水情疾病发病率较高,严重影响了当地群众的身心健康。


四川资阳侏罗系上统遂宁组(J3s)剖面图


西南四川、重庆、云南红层分布区示意图

20世纪7080年代开展的120万水文地质普查工作中,水文地质工作者认为红层丘陵山区地下水贫乏,在地层岩性、地形地貌、地质构造有利的局部地段富水性稍好。其后相当长一段时间,按照“贫中找富”的思路,在红层丘陵山区开展了大量集中供水勘探试验及富水规律研究。受地下水开发利用技术经济条件限制,出水量小于50立方米/天的红层地区被视为没有供水意义的贫水区而不予考虑,分散在丘陵山区的广大农户人畜饮水困难问题因此一直未能得到解决。

为解决西南红层地区人畜饮水困难,促进当地经济社会发展,2001〜2003年中国地质调查局组织实施了四川省、重庆市和云南省红层地区地下水勘查示范工程,突破传统观念束缚,建立了“小口径浅井”“分散式”开采供水新模式,形成了“红层风化裂隙水资源化”的新认识、新技术和新方法,示范效果十分显著。通过部省合作推广示范经验,在四川省红层丘陵区实施供水井213.5万眼,基本解决了800万群众饮水困难。该示范经验在重庆市红层地区也得到了进一步应用和推广,对云南省2010年春季抗旱找水打井工作也起到了积极的指导作用。

通过在四川省、重庆市和云南省的应用和推广,累积实施供水井240余万眼,解决了近1000万人的饮水困难,因此所产生的经济效益,仅四川省就达13.7亿元/年,社会经济效益十分显著。

二、主要成果和认识

(一)重新划分了四川盆地和云南高原红层丘陵区地下水类型,总结了地下水富集规律,为寻找地下水提供了依据

西南红层区可分为四川盆地和云南高原两大地貌单元,其中四川盆地以侏罗系、白垩系泥质和粉砂质岩石为主。云南高原除侏罗系、白垩系地层外,尚有少量的上三叠统和古近系地层。其水文地质特点差异较大,地下水类型、赋存规律及其开发利用方式各异,在实践中遵循“因地制宜”原则,进行了示范和总结。

1.四川盆地红层丘陵区浅层地下水类型及其富集规律

根据红层丘陵浅层地下水赋存条件和埋深可分为风化带裂隙水、溶蚀孔洞裂隙水、浅埋藏层间承压水、桌状台阶状低山深丘上层滞水4类,其中以前两种类型为主。

1)风化带裂隙水赋存于红层砂、泥岩风化带裂隙中,主要埋藏在侏罗系遂宁组、蓬莱镇组的泥质岩类风化带中,沙溪庙组厚层泥岩也有埋藏,出水量小于10立方米/天。在区内具有分布普遍、量小、易开采的特点(图3)。


四川红层地区典型小流域红层风化带裂隙水示意图

2)溶蚀孔洞裂隙水赋存于富含膏盐、钙质或其他可溶性盐类的泥岩、砂岩或砾岩中的溶蚀孔洞含水层,主要埋藏在侏罗系沙溪庙组、蓬莱镇组及白垩系厚层砂岩风化带,出水量小于10立方米/天,且大多数小于5立方米/天。水量稳定,易开采。

3)浅埋藏层间承压水赋存于埋藏深度小于30米的砂泥岩互层区蓄水构造。分布在泥岩中的砂岩层,有上、下隔水层分隔,岩层倾角9°〜21°时,易形成微具承压性的含水层。水量稳定,水量相对较大,分布较广(图4)。


四川红层地区典型小流域红层溶蚀孔洞水示意图

-泥岩;-砂岩;-粉质黏土;-风化带界线;-示范井:上为出水量(m/d),中为静止水位,下为井深;-地下水水位线

4)桌状、台阶状低山深丘上层滞水赋存于低山高丘区一般宽度大于50米的桌状、台阶状地带风化带和松散堆积层中。上层滞水带主要储存在砂泥岩风化带中,风化带厚度一般在10米左右,地下水主要储存在包气带内,水量小,不稳定,分布局限。

2.云南红层地区地下水类型及其赋存模式

以泥质岩为主,间夹厚度不等的砂岩、粉砂岩层,隔水、含水层频繁相间,是云南红层缺水区共同的水文地质特征。按地下水储水空间形态并考虑含水层分布特点及其对水质的影响,将云南红层地下水划分为风化带裂隙水、纯层型砂岩层间裂隙水、夹层型砂岩层间裂隙水、泥灰岩层间溶隙孔隙水、钙质泥岩层间溶孔水和含盐层裂隙溶孔水共6类。见表1、图5

1  云南红层地下水类型划分表


钙质泥岩中溶孔

云南红层区总体以褶皱构造为主,在分布区边缘和盆地边缘多有断裂发育,主要蓄水构造有向斜盆地、向斜谷地、背斜谷地、单斜谷地、断陷盆地、阻水断裂、背斜山和向斜山等8种类型(图6)。勘查示范主要在向斜盆地和背斜谷地区进行,宽缓向斜、倒转向斜、紧密向斜和背斜倾没端的地下水富集各有特点,总体上都属富水地段,是打井开发地下水解决农村饮用水困难的有利区域。


云南红层地区蓄水构造模式图

(二)建立了西南红层区浅层地下水“分散式”开发利用新模式,形成了非常规水资源开发利用典范,解决了季节性缺水的历史性难题

据调查统计,四川盆地红层丘陵区多年平均降水量大于800毫米,风化带裂隙水储存资源和降雨入渗补给资源量大致相等。农户需水量一般为0.29〜0.47立方米/天,每次抽水时间为10分钟,抽水间隔时间为15.6〜19.4小时,地下水位下降6〜15米,恢复时间通常要1.5〜6小时,平均2.5小时。

将红层丘陵区风化带裂隙水具有分布广泛、埋藏浅、因降水量大而补给条件好、更新速度快的优势,与红层区农户居住分散、季节性缺水、日需水量小且间歇性取水的特点相结合,以农村普及用电、价格低廉的家用微型水泵和新开发的微型钻机为支撑,创造出了“一户一井”或“几户一井”的“小口径浅井”“分散式”开采新模式,使原来无法开发利用的浅层风化裂隙水资源化,有效解决了四川盆地红层区人畜饮用水季节性短缺的历史难题。

根据云南高原红层地下水富水性较好、地下咸淡水界面埋深大的特点,结合不同地层与构造,因地制宜地形成了以分散式开采为主,分散式与小型集中式开采相结合的开发利用模式,共实施浅井197口、中深井70口、深井3口,成井263口,成井率达97.4%,单孔出水量为1.2〜243.4立方米/天,总涌水量为7537立方米/天,满足了不同规模村寨的用水需求。

(三)建立了四川盆地和云南高原与分散式开采供水模式相适应的地下水富水性等级,为进一步开展地下水勘查提供了水文地质依据

1.四川盆地红层浅层地下水开发利用模式及其富水性等级划分

1)四川盆地红层地区浅层地下水开发利用模式

根据红层地区区域地质、水文地质条件、结合广大农村农户分散居住为主的特点,划分为“一户一井型”“相对集中型”开发利用模式。前者主要是单井出水量为0.5〜20立方米/天的广大地区;后者为大于20立方米/天的地区。

“一户一井型”是四川红层地区较为适宜的地下水开采模式,技术条件成熟,一般用30型回转钻机钻探成井,井深15〜25米(过深为咸水),井距一般应大于30米,用保护管深入基岩2〜3米作永久性止水,主要含水层部位要下入圆孔过滤器(或PVC管),井底要下入5米同径沉砂管。取水设备采用螺杆潜水泵(0.3〜1立方米/小时),放置深度一般10〜20米。相对集中型按照供水管井技术要求进行布置和施工。

2)红层区地下水富水性等级

以解决红层区缺水农户人畜饮用水为主要目标,兼顾发展庭院经济用水等需求,建立了四川盆地红层丘陵区含水层富水性评价指标体系(表2)。

2  四川盆地红层地区浅层地下水富水性等级划分标准

2.云南红层区地下水开发利用模式及富水性等级划分

1)云南红层地区地下水开发利用模式

根据云南红层地下水富水性好、咸淡水界面埋藏深的赋存特点,确定了适合不同地层的开发利用模式。江底河组地层适宜采取多井取水统一调配村落式供水为主、分散单井联户供水为辅的供水模式;在向斜核部、人口集中、具备使用条件的地方可采用深井统一联村集中供水。妥甸组、普昌河组下段地层宜采取多井取水统一调配供水和分散单井联户供水的模式。云南红层浅层地下水开发取水工程可分为浅井、中深井、深井三类。

浅井:一般井深20〜40米,可用轻型钻机造孔,施工难度小、速度快。主要用于地下水量较小、农户相对分散的村庄或村落周边地区,一般适合分散庭院单户或联户供水,当水文地质条件较好、浅井水量较大时也可作多井取水、分片供水。

中深井:一般井深40〜70米,可用轻型钻机造孔,施工有一定难度、速度较慢。主要用于地下水位较浅、水量适中、缺水人口集中的村落、单位,一般适合于单点或单片供水。

深井:井深70米以上,一般需用150型以上钻机造孔,施工难度较大,尤其是80米以上的孔需用钢管成井,费用较高。主要用于地下水量丰富、需水量大的厂矿企业、单位和村落集中的地段大水量集中供水。

2)云南红层地区地下水开发利用模式及富水性等级划分(表3

3  云南红层含水层富水性级别划分标准

(四)总结出适宜西南红层地区水文地质特点的遥感、地球物理勘探和水文地质钻探技术方法,为高效勘查红层地下水提供了技术支撑

1.遥感解译快速确定宜井区

在四川省105个红层分布县区,首次建立了四川省红层区地下水调查区划空间信息系统,并开创性地运用遥感技术圈定宜井区,极大地提高了工作效率和准确性。

建立了宜井区标准,即红层丘陵区浅层地下水能满足“一户一井”规划布井要求,单井出水量>0.3立方米/天;井深一般不超过25米;水质控制分析满足农村人畜饮用水标准。

宜井区确定是实现“规划到村,布井到户”目标,确保成井率的关键环节。宜井区分布在风化带裂隙水补给径流区的中下部及埋藏区,地形切割使红层丘陵区小流域细小分支众多,路线调查工作量大。根据遥感影像与丘陵区风化带裂隙水埋藏区有较好的解译特征,采用遥感解译形成埋藏区图层,控制15万测绘精度。通过典型区及路线调查、示范井勘查确定宜井区边界外延宽度,综合确定宜井区边界和图层,作为适宜规划布井的区域。对桌状、台阶状低山深丘上层滞水带宜井区解译,也取得了较好效果。

2.地球物理勘探

在云南高原红层区,地下水类型从地球物理勘探的角度在宏观上可分为浅层风化裂隙水和构造裂隙水。在地下水勘查中,前者需要确定风化壳底界埋深及其富水性,了解咸淡水界面;后者需要解决构造带空间分布特征及其富水性,了解咸淡水界面。

浅层风化裂隙水地球物理勘查模式:高密度电阻率法(或地质雷达法)与激发极化法(或核磁共振法)组合。工作程序是高密度电阻率法(或地质雷达法)精细查明风化壳的厚度、埋深、裂隙发育程度,以及了解咸淡水界面;激发极化法(或地质雷达法)用于判断含水体的富水性。

构造裂隙水地球物理勘查模式:该模式为音频大地电场法(或放射性法、甚低频法)、音频大地电磁测深法(或瞬变电磁测深法、直流电测深法)与激发极化法(或核磁共振法、频谱激电法)组合。工作程序是音频大地电场法(或放射性法、甚低频法)用于快速查明构造水平分布位置,音频大地电磁测深法(或瞬变电磁测深法、直流电测深法)与激发极化法用于查明构造空间分布特征,了解咸淡水界面,激发极化法(或核磁共振法、频谱激电法)用于了解含水构造的富水性。

3.水文地质钻探和成井工艺

1)针对四川红层丘陵地区找水钻进井浅的特点,研制了简易钻机“板凳钻机”,在满足钻进高效率的基础上,实现了成本低、搬迁简便和操作简单、安全。

2)钻井结构根据地层情况、地下水埋深、咸淡水界面及钻井工艺设计。钻进揭穿覆盖层后,宜进入含水层5〜10米,但不能进入咸淡水界面以下,一般井深不大于25米。开孔口径不小于Φ172毫米,终孔口径不小于Φ130

一般下入内径Φ120的井管,以满足抽水采用QGD单相螺杆泵,泵外径Φ96毫米,分散农户供水井的井管材料使用无毒、耐腐蚀、强度较高的UPVCPE管(由农户自行购买),分段下入井管时,管段之间牢固连接。

(五)创新建立红层丘陵区天然资源保证率、宜井区储存资源更新率和可采资源利用率评价系统,填补了评价小流量断续疏干型浅层地下水资源保证程度这一空白

结合105个县、区小流域调查中地下水资源条件变化情况,对120万区域水文地质普查资源计算中的相关参数进行了校核,综合选取计算参数。

按村宜井区面积计算可开采资源,累计县域可采资源量,按降雨量P50P75P95发生频率分别计算天然资源保证率。

按村宜井区面积计算可开采资源量,按村规划井拟开采量计算其可采资源利用率,评价可采资源对规划开采量的保证程度和规划布井是否出现超采情况,对规划井数进行调整。

按村宜井区面积计算可储存资源量,按村规划井拟开采量计算其储存资源更新率,评价分析储存资源对规划开采量的调节程度和规划布井在连续干旱条件下(无降雨补给时)可以使用的时间。

通过天然资源保证率、宜井区可采资源利用率和储存资源更新率构成的评价体系,对规划开采浅层地下水的保障程度进行综合评价,作为本次大面积、大规模开采浅层风化带裂隙水规划的资源保证依据。

2006年特大干旱和2010年持续干旱中,95%的水井能够正常供水,经受住了干旱的考验,创造了国内乃至国际的找水奇迹,说明红层丘陵找水打井工程地下水资源的保证程度较高,也证明了上述评价方法的科学性。

(六)创造了“地调示范引领,地方工程跟进”的部省合作“红层模式”,极大促进了缺水问题的解决

为解决四川红层丘陵区群众饱受干旱缺水的困难,在成功取得“小口径浅井”“分散式”取水示范经验基础上,2004年国土资源部与四川省人民政府签署协议,合作开展四川省红层地下水调查与开发利用。中国地质调查局投入1800万元、四川省政府投入3900万元联合开展基础性调查评价与示范,后四川省政府又筹集7.2亿元实施了两期供水打井工程。通过5年努力,在105个县完成213.5万眼“小口径浅井”勘查施工与供水配套,解决了800多万人饮水困难。

实施过程中,采用国家、地方政府、农户“三位一体”式经费分担模式,每眼井包括施工和抽、供水设施总经费1000元,政府出资800元,个人出资200元,对于特别困难的农户由政府全部出资。供水系统竣工后由农户自己使用、管理和维护,保证了可持续利用。

三、成果转化效益与未来工作建议

(一)成果转化效益

1.在四川红层区,建立了“庭院自来水”供水模式,提高了群众生活质量,每年增加收入13.7亿元,社会经济效益显著,成为地质工作精准扶贫的范例

红层区水源的解决,提高了农户生活质量,农户用上了“庭院自来水”,即使在旱季也有水源保障。饮用清洁的地下水,不仅有益于身体健康,而且也促进了洗衣机、太阳能热水器、冲水厕所的使用,改善了生活条件。富余水源用于种植、养殖等“庭院经济”发展,增加了家庭收入。据四川省测算资料,解决了红层丘陵区800万人的饮水困难,不仅保障了群众的身体健康、改善了群众的生活质量,而且促进了经济的发展和社会和谐(图7〜10)。从减少疾病节省医药费、扩大种植养殖和解放劳动力外出务工增加收入等方面进行测算,每年增加经济收入超过13.7亿元。


千人签名感谢信


甘泉滋润祖国花朵


笼头一开水自来


10 有水才有洗衣机

2.示范经验在重庆红层区进一步应用推广,造福百万人

作为示范经验的进一步应用推广,2007年开始,重庆市人民政府正式启动大规模的渝西“红层找水”工程,至2015年底,全市已打井超过27.6万口,解决了138万缺水群众的饮用水困难。

3.示范经验指导云南抗旱找水打井工作,解决数十万人的干旱缺水困难

2010年云南抗旱找水打井应急行动中,红层区地下水勘查技术和经验得到进一步应用,实施浅井约2000眼,解决了数十万人的饮水困难,为实现应急抗旱行动目标提供了借鉴和指导。

(二)未来工作建议

本项目创造出的“小口径浅井”“分散式”开采新模式,提出的“浅层风化裂隙水资源化”新认识,不仅有效解决了西南红层区人畜饮用水季节性短缺的历史难题,对中国南方降水量充足的其他红层地区也可因地制宜地进行推广,具有重要的应用价值。

建议进一步总结红层地区地下水富集规律,探索增水技术,结合国家扶贫攻坚计划,重点在乌蒙山、罗霄山和大别山集中连片特殊困难区红层地区和其他碎屑岩、火成岩、变质岩分布区,结合社会经济发展、特别是人畜饮水需要,借鉴西南红层地下水勘查示范技术成果,有针对性地开展地下水勘查工作,促进群众饮水困难的解决,为全面建成小康社会目标做出贡献。

主要执笔人:张福存、王璜

主要依托成果:四川省红层地区地下水调查与开发利用(部省合作)、云南省红层严重缺水地区地下水勘查示范工程、西部严重缺水地区地下水勘查新技术应用与综合研究

主要完成单位:中国地质调查局,四川省国土资源厅,四川省地矿局,四川省地质调查院,四川省地矿局成都水文队、成都水文中心、909队、915队,四川省环境地质监测总站,四川省广汉地质工程勘查院,成都理工大学,中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,云南省地质调查院

主要完成人:王平、徐志文、岳昌桐、葛文彬、文冬光、李前银、鄢毅、钱江澎、李云、许向宁、李晓、毛郁、杨敏、刘忠祥、陈倩、朱春林、饶春富、杨广珠、念文祥、李燕、段嘉寿、郭建强、张福存、武毅、杨进生、叶成明等


来源:中国地质调查成果快讯微信公众号

编辑:言五

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