本次研究工作基于中国地质调查局“十二五”重点勘查项目—黑龙江完达山严重缺水地区地下水勘查与供水安全示范(项目编号：12120113103000)开展的深入研究,根据区域地质条件描述了全区的地质背景和水文地质概况,借助示范工程完成的物探和测井资料,补充开展了抽水试验、地下水动态监测、分析测试等相关工作,进一步系统分析总结了临近桃山水库区的水文地质条件,明确了富水裂隙带的分布特征,获取了水文地质参数,计算了地表水流场体系和地下水体系的补-排量,探讨了地表水与裂隙地下水的补偿平衡和机制。(1)地质背景及水文地质条件概述综合分析得知,临库区所属的地貌单元为倭肯河河谷平原及两侧的低山丘陵,河谷平原第四系沉积厚度一般10m左右,最厚可达20m以上,具有明显的二元结构。第四系下伏白垩系猴石沟组砂岩、砂砾岩,沉积厚度一般在40-60m,与下伏的城子河组呈不整合接触关系,厚层砂砾岩的沉积和煤线的广泛分布是本次地层划分的主要依据。通过对盆地地层层序,沉积演化、构造特征、发育史的综合分析,将盆地形成与演化共分为2个时期,即发育期和改造期,其中发育期包括5个发育阶段,改造期包括6个改造阶段：盆地发育期大致经历以下5个期,自下至上为初裂期、扩张期、最大扩张期、收缩期和萎缩期；盆地改造主要指猴石沟组沉积以后,受地壳运动影响发生的一系列地质事件,主要包括3个时期6个阶段：第一个时期是晚白垩世末期,猴石沟组小型褶皱；第二个时期是古—新近纪末期,复背斜形成,猴石沟组的褶皱轴部形成张性断裂或张裂隙；第三个时期是新近纪以来改造时期,再经过两次拉张扩张裂陷和挤压抬升作用,形成猴石沟组底部的砂砾岩和城子河上部的砂岩破碎带。断裂的发育有大体上呈五个方向的断裂构造(体系)：东西向、北东向、北西向、北北东向、北北西向。断裂产生时间一般南北向、东西向较早,北东向次之,北东东向、北西西向最晚；根据物探解译资料,显示倭肯河河谷内发育有10条断裂破碎带,一般均切穿白垩系猴石沟组砂砾岩；结合水文地质钻探、测井资料分析了断裂带的垂向分带性,发现断裂与裂隙带及洞穴通道在地下10—50m深度以内强烈发育,而在40—60m、120—130m、130—150m深处又见断裂与裂隙带。在摸清区域地质、构造地质条件的基础上,系统归纳了了临库区的地下水类型,对其富水性进行了详细分区,总结出地下水的补给、径流、排泄规律。临库区地下水类型主要包括第四系松散岩类孔隙水、白垩系砂岩裂隙水和新近系玄武岩孔洞裂隙水三种类型,其中白垩系砂岩裂隙水又分为低山丘陵区的风化裂隙水和隐伏于倭肯河河谷下部的构造裂隙水。第四系松散岩类孔隙水主要分布在倭肯河河谷及其支谷中,其中临近水库上游地段,第四系松散岩类沉积厚度大,含水层岩性主要为中粗砂、砂砾石、砾卵石,砂、砾石粒径大,连通性好,地下水径流通畅,富水性较强,单井涌水量可达100—1000m3/d倭肯河支流及干流河谷平原上游的河谷平原,第四系沉积厚度相对要小,含水层主要为中粗砂,富水性相对要弱,单井涌水量一般小于100m3/d。含水层由全新统松散的粗砂、砾砾石和碎石夹粉质粘土以及粉质粘土夹粗砂组成,厚度变化较大,一般1—2m,水位埋深一般4-5m。新近系玄武岩呈致密块状、隐晶质结构,具气孔状或杏仁状构造,风化裂隙和柱状节理较发育,富水不含水,透水性极好,泉水流量较小,一般均小于1Om3/d。隐伏于大金沙河汇入口下游的倭肯河河谷下部的构造裂隙水,富水带主要为猴石沟组、城子河组砂岩、砂砾岩的构造破碎带。区内北西向张性断裂带和北东向压扭性构造带边缘张性断裂中,岩石破碎严重,裂隙发育,连通性好,地下水径流畅通,富水性较好,且断裂带具有一定规模,单井涌水量可达1000—3000m3/d,水化学类型以HCO3—Ca、 HCO3—Ca·Mg型为主,水质良好。风化裂隙水主要为外围的白垩系砂岩风化裂隙水,水量较贫乏,泉流量10-100m3/d。地下水的补给来源主要是大气降水,其次是山区侧向补给(山区侧向径流和河谷潜流)、农田灌溉补给(地表水灌溉和地下水灌溉)、河水入渗补给。其中,白垩系裂隙地下水径流通道为断裂破碎带与裂隙发育而成的洞穴与通道及溶隙等。接受前第四系基岩风化裂隙水、第四系孔隙水的侧向补给通过断裂破碎带与裂隙发育而成的导水洞穴与通道及溶隙而向下游低洼处流动。(2)地下水计算参数的选取及资源量计算运用多种抽水试验方法计算公式,最终确定第四系松散岩类孔隙水含水层渗透系数选取平均值为22.5m/d,白垩系砂岩构造裂隙水渗透系数选取平均值为71.7m/d,白垩系猴石沟组底部的砂砾岩破碎带的导水系数达1833 m2/d。根据经验参数,河谷平原降水入渗系数取0.1,丘陵计算分区降水入渗系数取0.12,含水层厚度主沟谷取25m,支沟中取5m,经计算临库区120km2范围内地下水补给量以白垩系计算分区补给量为主,总补给量为2098.10×104m3/a,即5.74×104m3/d。其中大气降水入渗补给量为562.44×104m3/a,占总补给量的26.80%；地下水侧向径流补给量为1024.44×104m3/a,占总补给量的48.97%;河水入渗补给量为508.23×104m3/a,占总补给量的24.22%。第四系松散岩类孔隙水计算分区补给量约为837.60×104m3/a,占总补给量的39.92%；白垩系砂岩裂隙水计算分区补给量为1260.50×104m3/a,占总补给量的60.07%。临库区蒸发量1206.2×104m3/a,地下水侧向径流排泄量为1030.43×104ma/a,人工开采量9.51×104m3/a,临库区地下水总排泄量2246.14×104m3/a。运用干扰井群法来进行计算和评价研究区地下水开采资源量5.29×104m3/d,运用开采系数法来进行计算和评价研究区地下水开采资源量5.00×104m3/d,取二者平均值,确定水源地可开采资源量为5.14×104 m3/d。运用下降系数比拟法计算,水源地水位下降至40m时的开采量为14.94×104m3/d,水源地水位下降至50m时的开采量为18.30×104ma/d。(3)地表水与裂隙地下水补偿平衡和机制讨论根据多年大气降水资料、一个水文年的地下水动态监测资料和水库的监测资料,详细计算了地表水流场体系和地下水体系的月度补排泄量,初步探讨了天然状态下和开采状态下地表水与地下水的补偿平衡和机制。该“地下水域”内自然环境仍为原始自然状态,基本未受到人类干扰,属于天然优良水资源功能区。由于下有水库拦截,裂隙水丰水期处于饱和状态,桃山水库对地下水起到一定的调蓄作用,不但加强了地表水对地下水垂向和侧向补给强度,而且无论是丰水年还是平水年或枯水年,均能有效缓解该水源地地下水位下降趋势,对水源地的可持续开采有一定作用。天然状态下,受地面高程影响,新建水源地的地下水水位始终高于水库水位,全年均是裂隙地下水补给桃山水库。极端干旱年份水库水位为死库容水位即171.57m,当开采动水位低于该水位时,开始接受水库水位补给,此时,仍以来自上游的风化裂隙水的侧向径流补给量为主；水位急剧下降,第四系水被疏干,且上游风化水补给能力减弱,水库水位与水源地动水位差逐渐增大,由于第一层破碎带导水能力极强,水库对水源地的补给能力逐渐增强,直至水位下降50m左右时,即第一层破碎带的净储量被疏干；当水源地水位降至50m以下时,水库补给衰退,开始动用下部的净储量和补给量,直至水库干涸,失去补给能力。(4)地下水数值模拟及预测本研究在深入分析黑龙江完达山严重缺水地区应急水源地临库区七台河倭肯河河谷桃山水库上游区地质及水文地质的基础上,利用GMS软件建立了临库区多层富水带结构的地下水流数值模拟模型,对研究区白垩系砂岩构造裂隙水、第四系松散岩类孔隙潜水进行了数值模拟,利用实测资料对模型进行识别和验证,识别和验证效果良好,表明所建立的水流模型达到了较高的精度,因此可以作为地下水流预报模型。通过识别和验证后,提出两种不同方案对未来长期开采及应急开采条件下,地下水的变化趋势进行了预测。从该地区地下水的长期可持续利用要求出发,该区日开采量以不超过5.2×104m3为宜,在该开采条件下,地下水位的下降深度较小,全区水位降深均维持在4.0m以内,对水库周边环境不会造成不良影响；连续开采5年后最大水位降深3.26m,水位标高在177.35m左右；10年后最大水位下降3.64m左右,水位标高在176.35m左右；20年后水位最大下降3.77m左右,水位标高降到176.30m左右。可见水源地正常开采是有保障的,可以解决生活用水5.5-6×104m3/d的需求。从应急开采的角度考虑,在极枯年份、大气降水P=97%保证率下,应急开采维持1年,水位下降至50m(即接近第一层破碎带的底板)时的合理开采量为18.2×104m3/d；9个月后水库对地下水的补给量为8.5×104 m3/d,12个月后水库对地下水的补给量为12.2×104m3/d；9个月水库对地下水的累计补给量为1213.6×104m3,12个月水库对地下水的累计补给量为1930×104m3。如果应急开采20×104m3/d,理论上6个月后水库对地下水的补给量为6.69×104 m3/d,9个月后水库对地下水的补给量为13.62×104 m3/d；6个月水库对地下水的累计补给量为806.6×104m3,9个月水库对地下水的累计补给量为1930×104m3,水库干涸,失去补给能力。因此,合理的开采的时间不超过4个月,应急开采时间可达8个月。如果开采15×104 m3/d,9个月后水库对地下水的补给量为6.60x 104m3/d,12个月后水库对地下水的补给量为9.1×104 m3/d；9个月水库对地下水的累计补给量为833.1×104m3,12个月水库对地下水的累计补给量为1751.9×104m3,因此,合理的开采时间不宜超过8个月,应急开采时间可达1年以上。若采用上述方案来进行开采,对当地地下水资源和桃山水库的库容虽然有很大的影响,但水源的应急能力大大提高。由于地下水以刚性岩石中的裂隙水为主,富水带不易被破坏,在第二年春季桃花水补充后仍可以恢复水源地水量和水位。因此建议只在应急时开采,应急开采量18.2×104m3/d,时间不宜大于12个月。