陜北毛烏素沙漠區(qū)潛水含水層富水性及動態(tài)變化特征

賀曉浪 段中會 苗霖田 張建軍

摘 要：針對沙漠區(qū)潛水含水層富水性評價問題，基于野外調查和理論研究，總結認為毛烏素沙漠區(qū)內潛水含水層富水性主要由3層次5個因素綜合控制，結合層次分析法、模糊聚類，提出了該區(qū)內潛水含水層富水性評價模型，并分析了各影響因素在一個水文年內的變化特征，綜合評價了區(qū)內薩拉烏蘇組潛水含水層的富水性分區(qū)特征及其動態(tài)變化規(guī)律。結果表明：區(qū)內潛水含水層以富水性弱區(qū)分布最廣，且明顯大于其他區(qū)域，同時該區(qū)的面積、形態(tài)也最容易受到枯水期和豐水期變化的影響。而較弱富水區(qū)的面積對季節(jié)變化不敏感，但其分布的區(qū)域發(fā)生了較大變化。相比之下，較強和強富水含水區(qū)則受到的影響較小。

關鍵詞：地質資源與地質工程;潛水含水層;富水性評價;保水采煤

中圖分類號：TD 742.3?文獻標志碼：ADOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0113文章編號：1672-9315（2019）01-0088-08

Unconfined aquifer water?richness and dynamic change

features of Mu Us Desert Area in northern Shaanxi

HE Xiao?lang，DUAN Zhong?hui3，MIAO Lin?tian1，3，ZHANG Jian?jun3

（1.College of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.China Coal Energy Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710054，China;

3.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization，Ministry of Land and Resources，Xi’an 710021，China）

Abstract：Based on the field investigation and theoretical research，it is summarized that the water richness of phreatic aquifer in Mu Us desert area is mainly controlled by 5 factors which can be formed of 3 hierarchies，AHP（analytic hierarchy process）and fuzzy clustering method were adopted to build the water richness evaluation model of unconfined aquifer in the district，and the characteristics of each index in one hydrological year were analyzed.Partition characteristics and the dynamic change features ofSalawusu phreatic aquifer were comprehensively evaluated.The results show that the area with weakest water yield is most widely distributed and significantly greater than other areas，its area and shape are also the most vulnerable to the wet and dry season change，while the area of weaker water?richness district would be less influenced by this

change，but significant changes have taken place in its distribution shape.Stronger and strongest water richness zones，in contrast，were less affected.

Key words：geological resources and geological engineering;unconfined aquifer;water?richness evaluation;coal mining with water protection

0?引?言

陜北榆神府礦區(qū)屬毛烏素沙漠區(qū)，薩拉烏蘇組潛水含水層分布范圍廣闊，其存在不僅為煤炭、能源化工基地提供了直接水源，也是陜北毛烏素沙漠地區(qū)水泉的直接補給來源和維系區(qū)內生態(tài)環(huán)境的重要物質基礎[1-3]，是區(qū)內最重要的含水層，因而分析研究區(qū)內潛水的富集規(guī)律，進行潛水含水層的富水性評價，為該含水層的合理開發(fā)利用及保護提供依據(jù)則顯得尤為重要。

當前國內外富水性研究主要包含現(xiàn)場抽（放）水試驗[4]、物探定性研究[5-6]、武強、邱士利等人研究的[7-9]多因素綜合分析預測法等。但多從礦井防治水角度來研究含水層的富水性，進而使得研究目標主要集中在靠近煤層的承壓含水層，而對于潛水含水層的研究較少。近年來保水開采理論及相關技術研究快速發(fā)展[10]，但研究的方向卻主要集中在討論煤水間距與“兩帶”發(fā)育高度間的位置關系及其控制方面，對于保水開采的目標含水層—潛水含水層的富水性研究卻并未隨之明顯增多和深入?？紤]到潛水含水層與承壓含水層在補徑排及賦存條件的巨大差異以及毛烏素沙漠區(qū)干旱少水的水文地質特征，開展該區(qū)域內的富水性動態(tài)綜合評價，為加強生態(tài)潛水含水層的保護、合理開發(fā)以及區(qū)內煤礦的水害防治提供指導等方面都具有重要的現(xiàn)實意義。

文中意在以小保當井田為例，選取多個指標并分析其變化特征，再結合層次分析、模糊聚類法構建潛水含水層富水性綜合評價模型，綜合分析井田薩拉烏蘇組潛水含水層的富水性分區(qū)特征及其動態(tài)變化規(guī)律。

1?井田水文地質特征及概況

1.1?井田概況

小保當井田處于陜西省神木縣境內，位于榆神礦區(qū)腹地。井田地貌主要為第四系風積半固定沙丘和固定沙丘，屬毛烏素沙漠丘陵地貌（圖1）。區(qū)內降雨集中，6～9月份降水量占了全年的70%.全年蒸發(fā)量為1 668.0 mm，超過了降雨量的4倍。作為第四代現(xiàn)代化煤礦示范項目，小保當井田地質構造簡單，開采條件好，其中一號煤礦年產(chǎn)1 500萬t，二號煤礦年產(chǎn)1 300萬t，屬特大型建設煤礦。但本地區(qū)地下水資源匱乏，生態(tài)地質環(huán)境脆弱，對潛水的依賴性強。

1.2?潛水含水層水文地質特征

作為區(qū)內最重要的含水層，潛水含水層由薩拉烏蘇組與風積沙構成，其主要特征如下：①巖性特征。從平面分布上來看，全區(qū)以細沙為主，中沙次之，僅在個別地方有粉沙分布（圖2）;②水文地質參數(shù)。該含水層出露3個下降泉，單泉流量6.60～6.92 L/s.據(jù)該層鉆孔抽水資料，統(tǒng)降統(tǒng)徑單位涌水量q=

0.011 04～0.4524 L/s·m，平均滲透系數(shù)K=0.094 67～4.037 9 m/d，礦化度M=0.271～0.467 g/L（表1）;③含水層厚度。風積沙與薩拉烏蘇組累計厚度20.0～75.3 m，沙層幾乎覆蓋全區(qū)，表現(xiàn)為低洼區(qū)厚，梁峁區(qū)薄，即井田邊界附近厚，中部薄（圖3）。④潛水含水層水位埋深。潛水含水層水位埋深0～30.50 m，整體埋藏較淺，大部分在5 m以下（圖4），灘地區(qū)內更甚。

潛水含水層下伏保德組相對隔水層，區(qū)內有零星出露，一般結構致密，為半堅硬狀。在風沙灘地附近薄，甚至缺失。該隔水層的頂面形態(tài)對上覆沙層的厚度的控制作用明顯：頂面標高高則上覆沙層薄，反之則較厚。

1.3?潛水含水層補徑排條件

潛水含水層的補給源主要為大氣降雨，井田地表沙層廣泛分布，其入滲系數(shù)為0.30～0.60，平均滲透系數(shù)K=1.805 4 m/d，極有利于降雨的下滲與運移?？紤]地形地貌和補徑排條件的差別，將井田以地面分水嶺為界，劃分為東、西2個水文單元（圖5）。分水嶺東部潛水總體向東北或東南方向徑流，部分潛水經(jīng)保德組紅土“天窗”補給下伏含水層，也有部分潛水在地勢較低處出露，形成海子或泉;分水嶺西部潛水總體向西南或者西北方向徑流，在低洼地帶匯聚。補給區(qū)與排泄區(qū)之間的地形高差大，因此兩地內水力坡度有一定差距：補給區(qū)水力坡度較大，而排泄區(qū)水力坡度變小。區(qū)內地表和地下水分水嶺的水文地質邊界基本一致，因而潛水的補徑排條件分區(qū)特性明顯。

2?潛水含水層富水性綜合分區(qū)

2.1?評價指標體系的建立

潛水含水層富水性的影響因素和評價指標眾多，各個相關因素關系復雜。單個指標因素難以準確描述富水性這種受控于多因素的含水層水文性質。筆者認為毛烏素沙漠區(qū)內潛水含水層的富水性指標體系可由3層次，5個指標構成。包含有：單位涌水量、滲透系數(shù)、補給模數(shù)和含水層厚度和巖性粒度[11-16]（圖6）。

其中單位涌水量、滲透系數(shù)和含水層厚度可以直接測定，而巖性粒度指數(shù)可以通過以下方式確定（補給模數(shù)的確定方法見后文）：依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021?2001）可將含水層的巖性粒度分成礫砂、粗砂等5個等級?？紤]到對于潛水來說，粒度越大則越有利于潛水的存儲和滲流[17]，因而以礫砂為最高級賦予其粒度指數(shù)為9，其他依次類推見表2.

2.2?評價指標權重的確定

采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP法）計算指標權重值，計算各指標參數(shù)對于總目標的權重值見表5.

2.3?評價指標的融合及評價模型的建立

將層次分析法所確定的權重系數(shù)與各個主控因素相結合，建立小保當井田內薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層富水性評價的綜合指標——富水性指數(shù)[18]。

D=nk=1Wk·fk（x，y）

=0.036 4f1（x，y）+0.579 8f2（x，y）+0.139 4f3（x，y）+0.172 2f4（x，y）+0.072 2f5（x，y）（1）

式中D為富水性指數(shù);Wk為影響因素的權重值;fk（x，y）為單因素影響值函數(shù);x，y為坐標;n為影響因素的個數(shù)。

為使不同評價參數(shù)具有可比性，需進行數(shù)據(jù)量綱統(tǒng)一化處理（文中采用極大值法），以消除各個相關參數(shù)不同量綱數(shù)據(jù)對評價結果的影響，并使數(shù)據(jù)相對化[19]，并針對數(shù)據(jù)模型開展了一致性性檢驗[20]，滿足要求。

2.4?綜合評價指標分級標準的確定

對小保當井田內薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層富水性評價綜合指標D進行模糊聚類，從而確定分區(qū)閾值為0.143，0.310，0.561，根據(jù)分區(qū)閾值將研究區(qū)劃分為弱、較弱、較強和強4個不同等級的區(qū)域（表6）。

3?富水性指標的變化分析

3.1?變化時間段的劃分

通過對區(qū)內及周邊井田水文長觀井、長觀鉆孔的調查發(fā)現(xiàn)：潛水位的變化與區(qū)內降雨量的變化情況相類似，亦有豐水期與枯水期之分，雖兩者變化略有差別，但時間差值較小。因而綜合降雨和井田潛水水位變化情況，將7～10月份定義為井田豐水期，一個水文內11月份至次年6月份定義為枯水期。

3.2?豐水期與枯水期內含水層水文參數(shù)

在評價指標中，部分指標在一個水文年內發(fā)生的變化幾乎可以忽略不計，如巖性粒度和滲透系數(shù)（滲透系數(shù)大小主要受巖性顆粒影響。在一個水文年內巖性特征基本不會發(fā)生變化的情況下，該參數(shù)也不會發(fā)生明顯變化）。也有部分指標可能會發(fā)生較大的變化，如含水層厚度，補給模數(shù)和單位涌水量。

3.2.1?含水層厚度

潛水含水層的厚度是指潛水面到隔水底板間的垂直距離。據(jù)小保當和相鄰小壕兔井田內水文長觀資料，兩處長觀井水位變化的平均值均在10.6 cm左右，即得：7～10月的水位值相較于一個水文年內得其他月份整體上漲10.6 cm，此外還可以降雨入滲量來驗證該水位變化值（含水層厚度變化值）的準確性。

3.2.2?含水層單位涌水量q

裘布衣公式推導出的單位涌水量的計算式形式復雜，涉及的參數(shù)眾多，利用該公式難以直接判定豐水期與枯水期變化對單位涌水量的影響。因此引入導水系數(shù)，將單位涌水量的計算簡化以方便判斷。而據(jù)蘭太權[21-22]等人的研究，單位涌水量q與導水系數(shù)T在數(shù)值上存在線性關系，即

q=aT（2）

式中?q為單位涌水量，m3/（d·m）;a為比例系數(shù);T為導水系數(shù)，m3/（d·m）;而導水系數(shù)一般用來表征含水層導水能力的大小，在數(shù)值上等于滲透系數(shù)（K）與含水層厚度（H）的乘積，即T=KH.為比較出一個水文年內7～10月份潛水含水層的單位涌水量q′和其余月份的單位涌水量q的變化情況，文中采用比值法（作商法）進行分析對比。

q′q

=aK′H′aKH（3）

式中?H′，H為同一水文年內7～10月份和其他月份的含水層厚度，m;K′，K分別為同一水文年內7～10月和其他月份的含水層滲透系數(shù)，m/d.已知滲透系數(shù)在該時間段內基本不發(fā)生變化，即K=K′. 而H′=H+0.106.將其帶入式（3）化簡可得

q′q

=1+0.106H（4）

區(qū)內潛水含水層厚度平均約21 m.此時q′與q兩者間的比值約為1.005.考慮到潛水含水層的實測單位涌水量q=0.059 6～1.971 0 L/s·m，因而在一個水文年內，單位涌水量的變化非常有限。文中研究時將單位涌水量以不變處理。

3.2.3?含水層補給模數(shù)

在以降雨為主要補給來源的情況下，本次研究將降雨的入滲補給量作為補給模數(shù)[23-25]式（5），即

M=αPF（5）

式中?M為補給模數(shù)，m3;α為降雨入滲系數(shù)，無量綱;P為降雨量，mm;F為補給區(qū)面積，km2.

考慮到區(qū)內沙層厚度變化大，包氣帶條件不同，而分別計算分水嶺兩側的補給模數(shù)值[26]：分水嶺西側的豐水期補給模數(shù)：分水嶺西側井田面積F1=78 232 448.90 m2，入滲補給系數(shù)α1=

0.535，7～10月份的豐水期內的降雨量為284.605 mm，將以上數(shù)據(jù)帶入式（5），得出：豐水嶺西側在豐水期的總補給模數(shù)M總=1 191.20 m3，月補給模數(shù)為M=297.80×104 m3/mo.分水嶺西側的枯水期補給量和分水嶺東側在不同時期的補給模數(shù)計算方法同上，計算結果見表7.

4?富水性動態(tài)綜合評價

按照上文毛烏素沙漠區(qū)潛水含水層富水性指數(shù)的構建方法，將小保當井田豐水期和枯水期內潛水含水層的各水文地質參數(shù)代入模型運算，即可得到豐水期、枯水期和全年期內小保當井田薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層的富水性指數(shù)，在此基礎之上利用GIS強大的空間處理能力按照分區(qū)標準繪制分區(qū)評價圖（圖8）。

4.1?不同時期內潛水含水層富水性分區(qū)特征

整體來看，井田內以弱富水區(qū)分布最廣，其次為強富水區(qū)，較弱和較強區(qū)介于兩者之間。各區(qū)的面積、形態(tài)在不同時期各不相同。

分布面積方面，對季節(jié)變化最敏感的區(qū)域為弱富水區(qū)，由豐水期到枯水期沿分水嶺兩側向外擴張，面積增加了井田總面積的19.0%，其次為較強富水區(qū)，減少14.3%，;再為強富水區(qū)，減少5.3%;而對于較弱富水區(qū)的影響很小，僅僅增加了0.6%（圖9）。

分布形態(tài)方面，較強富水區(qū)的整體形態(tài)變化不大，主要為在一號井田內向東部收縮;強富水區(qū)在井田的北部和東部區(qū)域有不同程度的收縮，但變化也都不大;對于較弱富水區(qū)域來說，雖面積變化小，但其分布的區(qū)域卻發(fā)生了較大的變化：分布區(qū)域更分散，由原來相互連接的弓形區(qū)域變?yōu)楸灰?、二號井田分界線所截斷的長條帶狀分布區(qū)。

綜上所述，小保當井田潛水含水層從豐水期到枯水期，面積和形態(tài)變化最容易受到影響的是弱富水區(qū)，究其原因主要在于毛烏素沙漠區(qū)內潛水含水層的滲透系大，弱富水區(qū)內的含水層厚度、補給模數(shù)等指標，更易受到豐、枯水季變化的影響。而較弱富水區(qū)雖然整體面積變化不大，但是其分布的范圍發(fā)生了較大變化。造成這種現(xiàn)象的主要原因在于較弱富水區(qū)屬于弱-強富水區(qū)的過渡區(qū)域，隨著豐、枯水季的轉換，區(qū)內含水層厚度和補給模數(shù)也迅速變化，導致了較弱富水區(qū)的分布區(qū)域發(fā)生了較大變化，而受到分區(qū)閾值的控制，較弱富水區(qū)主要與弱富水區(qū)進行轉化，這也導致了較弱富水區(qū)的面積變化較小[27-29]。

4.2?潛水含水層富水性綜合分區(qū)特征分析

通過對比井田富水性的分區(qū)特征和分水嶺的展布形態(tài)，不難發(fā)現(xiàn)井田內分水嶺的展布形態(tài)對富水性分區(qū)具有明顯的控制作用：分水嶺附近區(qū)域的含水層富水性要明顯弱于遠離分水嶺分布的區(qū)域。而由于分水嶺自身亦非處在一個平面上，即分水嶺本身也存在較大的高差（尤其是保德組頂面高差），這也決定了沿著分水嶺會出現(xiàn)不同富水性區(qū)域。

保德組的頂板起伏，決定了分水嶺的位置以及分水嶺本身的起伏特征，這也就進一步使得弱富水性區(qū)域在在接受降雨補給后，主要通過地下徑流的方式補給了水位標高相對較低的富水區(qū)域，甚至在這些區(qū)域形成小型湖泊或海子，進而使得弱富水區(qū)域與相對強富水區(qū)域內的富水性差距進一步擴大。

5?結?論

1）通過對毛烏素沙漠區(qū)水文地質條件分析，得出潛水含水層的富水性評價體系可有由3層次，5個指標構建，并采用層次分析、模糊聚類等方法來綜合評價該區(qū)內潛水含水層的富水性;

2）一個水文年內，潛水含水層的滲透系數(shù)、巖性粒度和單位涌水量值基本不發(fā)生變化;豐水期相比枯水期，補給模數(shù)的變化值較大，而含水層厚度也增加0.106 m;

3）小保當井田內潛水含水層以富水性弱區(qū)分布最廣，且明顯大于其他區(qū)域。從豐水期到枯水期，面積和形態(tài)變化最容易受到影響的是弱富水區(qū)，而較弱富水區(qū)雖然面積變化不大，但是其分布的區(qū)域發(fā)生了較大變化。相比之下，較強和強富水含水區(qū)則受到豐水期和枯水期變化的影響較小。且分水嶺以及保德組頂面形態(tài)對富水性分區(qū)有明顯的控制作用。

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