云應(yīng)盆地東北部含水層結(jié)構(gòu)特征及地下水轉(zhuǎn)化模式

常 威，黃 琨，胡 成，王 清，王寧濤

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430223)

含水系統(tǒng)是地下水流系統(tǒng)的骨架，查明含水層結(jié)構(gòu)是分析不同含水層之間的水力聯(lián)系、地下水補(bǔ)徑排條件以及開展地下水資源評價工作的基礎(chǔ)[1-9]。孝感市肖港鎮(zhèn)地區(qū)，地處大別山—云應(yīng)盆地的過渡帶，屬鄂北貧水地區(qū)[10-12]。區(qū)內(nèi)北部為大別山變質(zhì)巖山區(qū)，地下水賦存于地表淺層風(fēng)化裂隙帶內(nèi)，地下水量貧乏；南部為云應(yīng)盆地，地下水賦存于白堊系—古近系紅層與第四系松散堆積物中，是區(qū)內(nèi)地下水主要開采層位[13-14]。然而，由于勘察精度限制，盆地內(nèi)含水層的結(jié)構(gòu)及空間分布規(guī)律掌握不足，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件以及不同時代含水層之間水力聯(lián)系的認(rèn)識尚不夠明確，限制了地下水資源量評價的精度，難以滿足區(qū)域地下水合理開發(fā)利用的需要，局部地區(qū)因地下水超采已形成常年性的降落漏斗[15-16]。此外，研究區(qū)地下水中鐵、錳含量普遍超過地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并且自補(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū)地下水中鐵、錳的含量具有沿途增大的趨勢，查明研究區(qū)區(qū)域含水層空間分布特征及含水層之間的地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系有助于加深對高鐵錳地下水成因的認(rèn)識。

本研究依托湖北1∶5萬肖家港幅水文地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，針對性地開展鉆探和地下水動態(tài)觀測工作，查明區(qū)內(nèi)含水層結(jié)構(gòu)及含水層之間的補(bǔ)排關(guān)系，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)徑排模式，為地下水資源量的評價、地下水合理開發(fā)利用方案的制定以及高鐵錳地下水成因的研究提供水文地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

研究區(qū)第四系分布廣泛，地勢起伏較小，整體上北高南低，東西高中間低，府河一級支流澴水由南向北縱穿而過，北部低丘、垅崗狀平原與溪流河谷互為穿插，南部以澴水堆積平原為主，地勢平坦，澴水Ⅰ級、Ⅱ級階地自東、西兩側(cè)往河床方向微微傾斜(圖1)。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)圖Fig.1 Hydrogeological map of the study area

2 鉆孔布置與地下水動態(tài)監(jiān)測方案

研究區(qū)第四系覆蓋層下分布多個含水層，為了查明含水層的分布、空間疊置關(guān)系及其之間的水力聯(lián)系，本研究在水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，布設(shè)了13個水文地質(zhì)鉆孔。鉆孔布設(shè)原則為：①探明從山前到平原區(qū)第四系地層厚度的變化及第四系下覆基底地層；②探明不同的水文地質(zhì)單元地質(zhì)結(jié)構(gòu)，如澴水Ⅰ、Ⅱ級階地；③探明澴水東、西兩側(cè)地層結(jié)構(gòu)是否一致。研究區(qū)鉆孔分布見圖1，所有鉆孔均穿過第四系地層揭露到基巖，鉆孔地層揭露情況見表1。

表1 鉆孔基本特征Table 1 Basic information of drilling holes

為了查明含水層之間的水力聯(lián)系，本次設(shè)置了5口地下水動態(tài)監(jiān)測井(圖1)，采用Leveloggersolinst水位探頭對地下水水位進(jìn)行自動監(jiān)測，監(jiān)測時間步長6 h/次。針對含水層垂向多層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用聯(lián)合動態(tài)監(jiān)測的方法分別對不同深度的含水層進(jìn)行監(jiān)測，即在同一地方布設(shè)一深一淺兩個鉆孔。淺孔監(jiān)測第四系孔隙含水層水位動態(tài)特征，深孔成井時在上部第四系孔隙含水層處止水，監(jiān)測下部含水層水文動態(tài)特征。本次同時收集了澴水位動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，澴水位的數(shù)據(jù)來源于湖北省水文水資源局水文情報處澴水孝感站。

3 含水層空間結(jié)構(gòu)

研究區(qū)澴水東、西兩側(cè)含水層空間結(jié)構(gòu)不一致。澴水以東含水層空間結(jié)構(gòu)剖面圖見圖2(a)，北部壟崗區(qū)中元古界青白口系武當(dāng)群變質(zhì)巖出露，由北往南，第四系上更新統(tǒng)Qp3al地層逐漸覆蓋，地層厚度逐漸增大，Qp3al地層結(jié)構(gòu)由單層的黏土層結(jié)構(gòu)變化為上部為黏土層、下部含礫石層的“二元結(jié)構(gòu)”，砂礫石層逐漸變厚且形成一套穩(wěn)定的含水層，基底地層由青白口系武當(dāng)群變質(zhì)巖變化為古近系云臺山組半膠結(jié)砂巖、砂礫巖，古近系地層未出露地表。

第四系全新統(tǒng)與上更新統(tǒng)為內(nèi)疊階地，即澴水Ⅰ級階地與Ⅱ級階地為內(nèi)疊接觸關(guān)系，垂直澴水方向，含水層空間結(jié)構(gòu)剖面圖見圖2(c)，含水層結(jié)構(gòu)為上層為孔隙含水層，下層為孔隙-裂隙含水層，垂向上表現(xiàn)為上下疊置關(guān)系，含水層之間沒有穩(wěn)定的隔水層。

表2 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)Table 2 Hydrogeological structural zoning

圖2 澴水東側(cè)和西側(cè)和垂直澴水方向含水層空間結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 Spatial structure profile of the aquifer to the east and west of Huangshui and in the vertical direction of Huangshui

4 地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系

4.1 地下水監(jiān)測

圖3 不同含水層水位動態(tài)圖Fig.3 Dynamic curves of groundwater levels of different aquifers

4.2 含水層水位動態(tài)特征

風(fēng)化裂隙含水層(Qbw2)水位動態(tài)變化見圖3(a)。風(fēng)化裂隙含水層地下水位整體變幅不大，地下水位變化受大氣降雨影響，水位響應(yīng)迅速，水位變化較大且不穩(wěn)定，風(fēng)化裂隙含水層地下水位變化主要受大氣降雨控制。監(jiān)測期間，受降雨影響，5—11月地下水位受降雨影響呈現(xiàn)波動式上升和下降，11月—次年1月無降雨情況下地下水位逐漸下降，1—3月有降雨情況下地下水位呈現(xiàn)波動式上升，風(fēng)化裂隙含水層接受大氣降雨入滲補(bǔ)給，該含水層空間分布面積小，含水層厚度薄，地下水接受大氣降雨的補(bǔ)給有限，含水層調(diào)蓄能力較差。

鉆孔ZK10-1和ZK10-2位于澴水Ⅱ級階地，ZK10-2孔監(jiān)測第四系上更新統(tǒng)孔隙承壓含水層水位動態(tài)變化，ZK10-1孔監(jiān)測古近系孔隙-裂隙含水層水位動態(tài)變化，該組聯(lián)合動態(tài)監(jiān)測孔的監(jiān)測結(jié)果表明：孔隙承壓含水層和下覆孔隙-裂隙含水層水力聯(lián)系密切，兩層含水層地下水位動態(tài)變化規(guī)律一致(圖3b)?？紫冻袎汉畬铀灰恢备哂诳紫?裂隙含水層水位，表明兩者水力聯(lián)系密切。第四系孔隙承壓含水層向下補(bǔ)給古近系孔隙-裂隙含水層?？紫冻袎汉畬雍拖赂部紫?裂隙含水層地下水位對大氣降雨的響應(yīng)較靈敏，呈明顯的季節(jié)性動態(tài)變化，具體表現(xiàn)為：5—10月的多雨期間，地下水位波動明顯。5—6月隨著區(qū)內(nèi)降雨量增加，地下水位受降雨的影響呈波動式上升。6—7月區(qū)內(nèi)降雨較少，地下水位呈現(xiàn)快速下降的趨勢，并維持在低水位。8—9月地下水位表現(xiàn)為振蕩式的波動、水位緩慢恢復(fù)。9—10月地下水位快速回升至最高水位。10—12月，區(qū)內(nèi)進(jìn)入枯水期，降水很少，地下水位持續(xù)下降至最低水位。1—2月，地下水位在較低的范圍內(nèi)波動。3月之后隨著雨量增多，地下水位逐漸回升。

鉆孔ZK04-1和ZK04-2位于澴水Ⅰ級階地，ZK04-2孔監(jiān)測第四系全新統(tǒng)孔隙潛水含水層地下水位動態(tài)變化，ZK04-1孔監(jiān)測古近系孔隙-裂隙含水層地下水位動態(tài)變化，該組聯(lián)合動態(tài)監(jiān)測孔的監(jiān)測結(jié)果表明：孔隙潛水含水層和下覆孔隙-裂隙含水層水力聯(lián)系密切，兩層含水層地下水位動態(tài)變化規(guī)律整體一致，如圖3(c)，不同季節(jié)兩者之間的補(bǔ)排關(guān)系會發(fā)生變化。6月1日—8月15日孔隙-裂隙含水層水位高于孔隙潛水含水層水位，孔隙-裂隙含水層地下水向上補(bǔ)給到孔隙潛水含水層。8月15日—11月15日上下兩含水層間水位基本上一致。11月15日—次年4月1日孔隙潛水含水層地下水位高于下覆孔隙-裂隙含水層地下水位，孔隙潛水含水層向下補(bǔ)給到孔隙-裂隙含水層。

4.3 地下水動態(tài)變化影響因素

孔隙潛水含水層和下覆孔隙-裂隙含水層地下水位的動態(tài)變化特征為：6月1日—10月15日的雨期，地下水位表現(xiàn)為緩慢持續(xù)下降的趨勢，之后維持在較低的水位波動，期間區(qū)內(nèi)降雨量豐富，地下水位不升反降，表明孔隙潛水含水層和下覆孔隙-裂隙含水層地下水位變化除了受到大氣降雨影響，還受到人為開采的影響。且6—10月人為開采地下水是導(dǎo)致水位變化的主要因素。這與研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)律一致，研究區(qū)為國家級香蔥種植出產(chǎn)基地，主要在澴水Ⅰ級階地上種植。6—10月是香蔥種植的主要季節(jié)，農(nóng)業(yè)灌溉及香蔥清洗用水均采用地下水，開采量大、持續(xù)時間長，導(dǎo)致地下水位持續(xù)降低。10—11月，農(nóng)業(yè)活動逐漸減弱，地下水位快速回升至最高水位。11—3月進(jìn)入枯水期，地下水水位波動式下降。3—4月以后受降雨影響地下水位又逐漸波動式上升，總體表現(xiàn)為受降雨影響的動態(tài)特征。

通過對研究區(qū)含水層空間結(jié)構(gòu)以及含水層間水力聯(lián)系的識別，構(gòu)建研究區(qū)地下水補(bǔ)、徑、排模式如圖4所示。區(qū)域整體地勢表現(xiàn)為北高南低，東西高中間低，澴水兩側(cè)往河床微微傾斜，受地形地貌及含水層結(jié)構(gòu)特征的影響，含水層接受大氣降水補(bǔ)給后，總體上由北往南、由東西兩側(cè)向中部澴水方向徑流排泄。

天然情況下，澴水以東地下水在Qbw2變質(zhì)巖風(fēng)化裂隙含水層分布區(qū)接受大氣降水補(bǔ)給后，總體沿西南方向往澴水運(yùn)移。進(jìn)入第四系平原區(qū)后，地下水由無壓轉(zhuǎn)為承壓，并通過側(cè)向徑流的方式補(bǔ)給Qp3al孔隙承壓含水層或Ey孔隙-裂隙含水層。之后地下水以水平徑流形式繼續(xù)緩慢地向澴水方向徑流，運(yùn)移至Qhal孔隙潛水含水層分布區(qū)時，地下水再由承壓轉(zhuǎn)無壓?？紫稘撍畬雍蜐姿诓煌竟?jié)補(bǔ)排關(guān)系發(fā)生變化，豐水期澴水水位高于地下水水位，地表水補(bǔ)給地下水，地下水繼續(xù)向南(澴水下游)徑流出測區(qū)；枯水期地下水水位高于澴水水位，地下水一部分以側(cè)向或垂向補(bǔ)給的方式進(jìn)入Qhal孔隙潛水含水層后排泄于澴水，一部分地下水繼續(xù)向南(澴水下游)方向徑流出測區(qū)；研究區(qū)內(nèi)居民生產(chǎn)生活用水及農(nóng)業(yè)灌溉用水主要來源于地下水，人工開采是地下水一種重要的排泄方式，地下水位除了受大氣降雨影響，人工開采是影響地下水水位動態(tài)變化的一個重要因素。

圖4 研究區(qū)含水層之間的補(bǔ)、徑、排關(guān)系模式圖Fig.4 Relationship patterns of recharge, runoff and discharge between aquifers in the study area

5 結(jié)論

(1)根據(jù)鉆探揭示的含水層結(jié)構(gòu)特征，將研究區(qū)劃分為2個亞區(qū)6個小區(qū)的水文地質(zhì)單元。孔隙-裂隙含水層與上部的第四系孔隙含水層之間的水力聯(lián)系密切，位于澴水Ⅰ級階地(排泄區(qū))Qhal孔隙潛水含水層與下覆Ey孔隙-裂隙含水層之間互為補(bǔ)給和排泄，位于澴水Ⅱ級階地(徑流區(qū))Qp3al孔隙承壓含水層地下水持續(xù)向下補(bǔ)給到Ey孔隙-裂隙含水層。

(2)研究區(qū)地下水水位動態(tài)變化受大氣降雨和人工開采雙重影響。風(fēng)化裂隙含水層地下水位動態(tài)主要受大氣降雨控制；孔隙含水層和孔隙-裂隙含水層在豐水期地下水位變化受到大氣降雨與地下水開采活動的雙重影響，人為開采是控制地下水位動態(tài)變化的主導(dǎo)因素。澴水與地下水間補(bǔ)排關(guān)系在不同季節(jié)是變化的，降雨集中的6—10月，澴水水位高于孔隙潛水含水層地下水位，澴水補(bǔ)給地下水；10月—次年3月澴水水位低于孔隙潛水含水層地下水位，地下水向澴水排泄。

(3)研究區(qū)地下水在山前接受降雨入滲及風(fēng)化裂隙水側(cè)向徑流補(bǔ)給為主，以水平徑流的形式經(jīng)古近系孔隙-裂隙含水層及第四系孔隙承壓含水層往澴水方向運(yùn)移，孔隙承壓含水層水沿途向下補(bǔ)給孔隙-裂隙含水層，在枯水期，Qhal孔隙潛水含水層作為地下水排泄通道進(jìn)入澴水，古近系孔隙-裂隙水與上覆第四系孔隙水聯(lián)系密切、互為補(bǔ)給，共同構(gòu)成具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的垂向多層結(jié)構(gòu)的含水系統(tǒng)。

綜上所述，云應(yīng)盆地東北部獨(dú)特的含水層結(jié)構(gòu)決定了第四系孔隙含水層以及紅層裂隙-孔隙含水層接受降水補(bǔ)給的條件較差，地下水可開采資源量總體較貧乏，應(yīng)根據(jù)水資源空間分布特點(diǎn)確定城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)模，嚴(yán)格限制耗水型的生產(chǎn)或服務(wù)型的企業(yè)。重點(diǎn)利用區(qū)域地表水資源，適度開發(fā)地下水資源是水資源規(guī)劃的基本原則，應(yīng)增加小型微型水利工程，同時與地下水資源的分布條件相結(jié)合，統(tǒng)籌配置水資源，推進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。