黃河與淺層地下水水力聯(lián)系研究

景兆凱

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450003）

黃河與淺層地下水水力聯(lián)系研究

景兆凱

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450003）

通過(guò)研究黃河與淺層地下水的水力聯(lián)系，目的為黃河下游城市建立傍河供水水源地提供技術(shù)依據(jù)。根據(jù)黃河下游地下水動(dòng)態(tài)、水文地質(zhì)條件、淺層地下水年齡測(cè)定、可更新能力評(píng)價(jià)、再生能力評(píng)價(jià)等方法，證實(shí)黃河下游黃河與淺層地下水的水力聯(lián)系密切。

淺層地下水；可更新能力；水力聯(lián)系；黃河下游

1 淺層地下水動(dòng)態(tài)研究

淺層地下水動(dòng)態(tài)在天然條件下主要受水文、氣象因素的制約，其補(bǔ)給以黃河側(cè)滲和大氣降水入滲為主。為研究黃河水與沿岸淺層地下水的水力聯(lián)系，對(duì)黃河水位和淺層地下水位進(jìn)行了長(zhǎng)期同步觀(guān)測(cè)。數(shù)據(jù)表明，黃河水位在7～11月水位較高，此時(shí)段淺層地下水位相應(yīng)較高；12月到下年的1～3月份，黃河水位處于平水期，此時(shí)段淺層地下水位相對(duì)下降；4～6月黃河水處于低谷期，此時(shí)段地下水位下降較大（圖1）。研究表明影響淺層地下水水位變化主要因素是黃河水位的波動(dòng)，據(jù)此確定淺層地下水動(dòng)態(tài)為水文型。水文型地下水動(dòng)態(tài)清楚表明，淺層地下水與黃河水聯(lián)系密切。

圖1 黃河水位與地下水監(jiān)測(cè)井水位變化曲線(xiàn)圖

2 地下水系統(tǒng)的開(kāi)放性

黃河攜帶的大量泥沙在黃河下游沉積，形成巨厚的松散巖層。受人工大堤的約束，泥沙長(zhǎng)期淤積使河床高出大堤以外地面平均5～10 m。黃河是世界著名的“地上懸河”，河水位高于兩岸地下水水位，河水側(cè)滲徑流補(bǔ)給地下水。河床下是黃河沖積的粉細(xì)砂、中粗砂層，且與灘地淺層含水層組直接相連（圖2）。從水文地質(zhì)剖面可以看出，黃河水位相對(duì)地下水位高出很多，形成水頭差，在水力作用下，黃河水源源不斷地補(bǔ)給地下水。黃河沉積形成的松散巖層以砂層居多，相互疊加，粘性土多以透鏡體存在于砂層之中。松散的砂層具有巨大的孔隙空間，受黃河水的補(bǔ)給賦存豐富的地下水。

圖2 黃河底部水文地質(zhì)剖面圖

儲(chǔ)存地下水的介質(zhì)由全新統(tǒng)粉土、粉砂和上更新統(tǒng)中砂、細(xì)砂、中粗砂、含礫粗砂等組成，含水類(lèi)型為孔隙水。垂向表現(xiàn)為下粗上細(xì)的多個(gè)沉積韻律；平面上自沖積扇軸部向下游和兩翼，含水層由粗變細(xì)，由厚變薄[1]。北部及東部含水層厚度較大，夾有1～2層粉土，部分地段粉土層缺失，含水砂層厚度在30～50 m左右，自北而南變薄。淺層微承壓水含水砂層顆粒粗、分選好、透水性強(qiáng)。該含水層為水源地及農(nóng)業(yè)、漁業(yè)的主要開(kāi)采層。

淺層含水層系統(tǒng)沒(méi)有穩(wěn)定的隔水層，主要接受大氣降水和黃河測(cè)滲補(bǔ)給，排泄以蒸發(fā)和開(kāi)采為主。是一個(gè)相對(duì)開(kāi)放的循環(huán)系統(tǒng)。

3 淺層地下水可更新能力評(píng)價(jià)

地下水可更新能力定義為單位時(shí)間內(nèi)地下水系統(tǒng)中補(bǔ)給水體與地下水系統(tǒng)可利用儲(chǔ)存水體之比，即更新速率。地下水更新能力根據(jù)更新速率指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)（表1），按下式計(jì)算：

式中：V為更新速率；R為年平均補(bǔ)給量m3/a；S為可利用儲(chǔ)存量m3/a。

表1 地下水更新性評(píng)價(jià)表

根據(jù)《鄭州北郊水源地供水水文地質(zhì)勘探報(bào)告》研究成果，開(kāi)采條件下總補(bǔ)給量為17629.5×104m3/a?？?cè)莘e儲(chǔ)存量為353575.55×104m3，根據(jù)地下水降落漏斗發(fā)展預(yù)測(cè)，可利用的儲(chǔ)存量為66295.42×104m3。則淺層地下水更新速率為26.59%；含水層更新期為3.76年。按照開(kāi)采階段地下水資源勘察規(guī)范，黃河下游傍河地下水可更新性級(jí)別為強(qiáng)。

通過(guò)地下水可更新能力評(píng)價(jià)，黃河下游地下水可更新性級(jí)別為強(qiáng)。由于地下水補(bǔ)給主要來(lái)源于黃河地表水，說(shuō)明黃河與淺層地下水聯(lián)系密切。

4 地下水年齡測(cè)定

黃河側(cè)滲補(bǔ)給地下水試驗(yàn)研究項(xiàng)目[3]，作了13個(gè)同位素氚樣測(cè)定（表2），判釋了“二元結(jié)構(gòu)”多孔介質(zhì)含水層中水的補(bǔ)給、儲(chǔ)存、運(yùn)移及生成的相對(duì)時(shí)期。然后按照氚的含量進(jìn)行地下水同位素測(cè)年（表3）。

表2 地下水環(huán)境氚分析結(jié)果表

表3 地下水環(huán)境同位素測(cè)年

按地下水環(huán)境同位素測(cè)年標(biāo)準(zhǔn)，北郊水源地13個(gè)同位素氚樣測(cè)定，TU含量大于20%，地下水的年齡小于5年。說(shuō)明研究區(qū)地下水更新能力級(jí)別為強(qiáng)。地下水補(bǔ)給、徑流、排泄循環(huán)周期短，黃河水與地下水轉(zhuǎn)換快，二者聯(lián)系密切。

5 淺層地下水再生能力評(píng)價(jià)

水資源可再生能力為水資源消耗后通過(guò)天然作用或人工經(jīng)營(yíng)能恢復(fù)的能力。按下式計(jì)算：

式中：T為再生率；Vi為單位時(shí)間補(bǔ)給量，m3/a；Vt為單位時(shí)間消耗量，m3/a。

根據(jù)2014年10月中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）《鄭州沿黃區(qū)環(huán)境水文地質(zhì)研究與供水示范工程工作報(bào)告》研究成果[2]。研究區(qū)1995年1月至2013年12月，多年平均總補(bǔ)給量為11292.22×104m3，多年平均消耗量為 11478.51×104m3。再生率為98.3%。根據(jù)再生率進(jìn)行地下水再生能力評(píng)價(jià)（表4）

表4 地下水再生能力評(píng)價(jià)

計(jì)算結(jié)果表明，研究區(qū)淺層地下水再生能力極強(qiáng)，在開(kāi)采條件下，增加的開(kāi)采量主要是激發(fā)黃河補(bǔ)給量。也充分說(shuō)明淺層地下水與黃河水聯(lián)系密切。

6 結(jié)論

通過(guò)研究黃河下游地下水動(dòng)態(tài)、水文地質(zhì)條件、淺層地下水年齡測(cè)定、可更新能力評(píng)價(jià)、再生能力評(píng)價(jià)，證實(shí)黃河下游地表水與淺層地下水的水力聯(lián)系密切，在開(kāi)采條件下可激發(fā)黃河對(duì)地下水的補(bǔ)給。地表水為常水頭補(bǔ)給源，使沿黃地下水非常豐富。鄭州北郊特大型水源地的建立，是多泥沙河流建設(shè)傍河水源地的成功典范，為鄭州市及航空港區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了豐富的地下水資源，作出了極大貢獻(xiàn)。黃河水與地下水聯(lián)系密切研究成果，可指導(dǎo)在黃河下游建立多個(gè)大中型傍河城市供水水源地，為下游沿黃城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供水資源保障。

[1]鄧曉穎等.鄭州市北郊水源地地下水動(dòng)態(tài)及環(huán)境地質(zhì)監(jiān)測(cè)總體報(bào)告[R].鄭州:河南省鄭州地質(zhì)工程勘察院，2005.

[2]邵景力，崔亞莉，李星宇等.鄭州沿黃區(qū)環(huán)境水文地質(zhì)研究與供水示范工程工作報(bào)告[R].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2014.

[3]石欽周，楊偉斌，閆震鵬等.河南省鄭州北郊水源地供水水文地質(zhì)勘探報(bào)告[R].鄭州:河南省鄭州地質(zhì)工程勘察院，1995.

P641.8

B

1673-9000（2017）05-0021-02

2017-04-13

景兆凱(1979－)，男，河南魯山人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)等相關(guān)工作。