淺析延安黃土丘陵溝壑區(qū)水文地質(zhì)特征

蔡懷恩 張繼文 鄭建國 張瑞松 梁小龍

(機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710043)

0 引言

延安市城區(qū)位于黃土丘陵溝壑區(qū)的河谷區(qū)域，地勢平坦而狹長的河谷地帶已不能滿足城市發(fā)展的需要，城市建設(shè)不得不向周邊的黃土丘陵溝壑區(qū)擴展。在黃土丘陵溝壑區(qū)進行工程建設(shè)必然會進行“削坡填溝”或“削峁填溝”造地，而該區(qū)水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，前人對陜北黃土高原或鄂爾多斯盆地等進行了區(qū)域的、小比例尺的水文地質(zhì)調(diào)查、分析及研究[1～7]，已有的成果對認識、了解延安黃土丘陵溝壑區(qū)水文地質(zhì)特征提供了基礎(chǔ)資料，但不能滿足大規(guī)模的“削坡填溝”或“削峁填溝”造地工程建設(shè)的需要。

本文在分析已有成果資料的基礎(chǔ)上，通過對延安市區(qū)及周邊60 km2區(qū)域進行了1∶1 000的水文地質(zhì)調(diào)查、鉆探及試驗，總結(jié)了延安黃土丘陵溝壑區(qū)的地下水類型、地層的滲透特征、各地貌特征下的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水的含水系統(tǒng)、補給徑流與排泄特征，構(gòu)建了延安黃土丘陵溝壑區(qū)的水文地質(zhì)概念模型，其成果可為延安黃土丘陵溝壑區(qū)及類似地質(zhì)條件下的“削坡填溝”或“削峁填溝”造地工程提供參考。

1 地下水類型及特征

對工程建設(shè)有影響的地下水類型為潛水，潛水類型主要為第四系潛水及基巖孔隙、裂隙潛水。

1.1 第四系潛水

第四系潛水類型主要有淤積層孔隙水、沖洪積層孔隙水、黃土層孔隙潛水。

(1)淤積層孔隙水

主要分布于溝谷上游的淤積壩內(nèi)，含水介質(zhì)為厚度不到2.0 m的淤泥質(zhì)土，含水接近飽和，無統(tǒng)一潛水面，沿淤積壩呈舌狀或帶狀分布，富水性弱。

(2)沖洪積層孔隙水

主要分布于各支溝下游的漫灘、高漫灘及延河高漫灘(一級階地)中。支溝下游的漫灘及高漫灘含水介質(zhì)為沖洪積的粉土、粉質(zhì)黏土或卵石層，厚度約2～3 m，呈片狀分布，富水性弱。延河高漫灘(高漫灘)含水介質(zhì)為沖洪積的圓礫卵石層，厚度約6～9 m，沿延河兩岸呈帶狀分布，富水性中等。

(3)黃土層孔隙水

主要分布于溝谷上游梁峁及各支溝溝頭附近，含水介質(zhì)為中更新統(tǒng)黃土，呈不連續(xù)、不規(guī)則的片狀分布，無穩(wěn)定的潛水面，含水厚度差異大。水量較少，大部分泉的流量小于0.10 L/s，少數(shù)泉流量達到0.20 L/s，富水性弱。

1.2 基巖孔隙裂隙潛水

基巖裂隙潛水廣泛分布于基巖風化殼的裂隙性及各組巖層中。

(1)基巖風化殼裂隙水

分布于整個區(qū)域基巖頂面的強風化巖層中。含水介質(zhì)為強風化的砂巖、泥巖及頁巖。一般厚度3～4 m，最大厚度約5～6 m?；鶐r風化殼雖分布連續(xù)，但起伏大、空間變化大，補給來源有限，厚度小，泉流量一般小于0.03 L/s，少量達到0.10 L/s以上，單井涌水量一般小于3 m3/d，富水性弱。

(2)延安組孔隙裂隙水含水巖層

大部分區(qū)域均有該層，受河流下切剝蝕影響，其分布不連續(xù)。主要含水介質(zhì)為延安組底部厚層含礫粗砂巖及礫巖，延安組巖層厚度最大可達110 m，含礫粗砂巖及礫巖厚度約15 m，窩狀孔隙、節(jié)理裂隙發(fā)育，含水厚度約6 m，為該區(qū)的主要含水層。該組巖層與下伏的瓦窯堡組接觸面上出露較多的懸掛泉，出露點均高于谷底，少則3～5 m，多則達17～18 m，最大達28 m，多處泉的流量大于0.5 L/s，部分泉群流量大于1.0 L/s，單井涌水量一般大于40 m3/d，最大者超過100 m3/d，富水性中等。

(3)富縣組及瓦窯堡組孔隙裂隙水含水巖層

大部分區(qū)域均有該層，分布較為連續(xù)。含水介質(zhì)為這兩組巖層中的砂巖。單井涌水量一般小于10 m3/d，富水性弱。

2 地層的滲透性特征

2.1 淤積層的滲透特征

淤積層現(xiàn)場滲水試驗滲透系數(shù)0.14～0.47 m/d，平均值0.32 m/d，室內(nèi)土樣滲透試驗取得的滲透系數(shù)0.10～0.78 m/d，平均值0.27 m/d，滲透性較差。

2.2 馬蘭黃土的滲透特征

馬蘭黃土整體滲透性較差，淺部的滲透性略高于深部的滲透性?，F(xiàn)場滲水試驗，淺部滲透系數(shù)1.44～2.32 m/d，平均值1.88 m/d，深部的滲透系數(shù)0.33～1.27 m/d，平均值0.74 m/d。室內(nèi)試驗的垂直滲透系數(shù)0.11～0.73 m/d，平均值0.22 m/d。

2.3 離石黃土的滲透特征

離石黃土均勻性相對較差，滲透性差異較大，有裂隙部位滲透性好，其余部位滲透性差，古土壤層相對隔水。

2.4 新近系紅(黏)土的滲透特征

新近系的紅(黏)土層致密，滲透性較差，屬于其相對隔水層。

2.5 巖石層的滲透性特征

延安組底部含礫粗砂巖及礫巖的透水率7.50～36.19 Lu，以中等透水為主，部分鉆孔在鉆進過程中沖洗液滲漏嚴重，達到極強透水。延安組、富縣組及瓦窯堡組泥巖的透水率0.56～3.79 Lu，以微-弱透水為主。富縣組及瓦窯堡組中的砂巖以弱透水為主。巖體和土體接觸面及基巖風化殼沖洗液滲漏較為嚴重，達到強透水或極強透水。

3 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

3.1 溝谷上游水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

(1)梁峁區(qū)黃土孔隙水—風化殼基巖裂隙水—基巖孔隙裂隙水

地層自上由下依次為第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土—中更新統(tǒng)離石黃土—新近系紅黏土—侏羅系延安組、富縣組—三疊系瓦窯堡組。含水層結(jié)構(gòu)為馬蘭黃土不含水，離石黃土底部微含水，新近系泥巖相對隔水，基巖風化殼微含水，延安組底部的含礫粗砂巖及礫巖含水，富縣組與瓦窯堡組中的砂巖含水(見圖1a)。

(2)淤積壩溝谷區(qū)淤積層孔隙水—風化殼基巖裂隙水—基巖孔隙裂隙水

地層自上由下依次為第四系全新統(tǒng)淤積層(黃土狀土)—離石黃土—新近系紅黏土—延安組、富縣組—瓦窯堡組。含水層結(jié)構(gòu)為淤積層(黃土狀土)微含水，離石黃土中的古土壤和新近系紅黏土相對隔水，基巖風化殼微含水，延安組底部的含礫粗砂巖及礫巖含水，富縣組與瓦窯堡組中的砂巖含水(見圖1b)。

(3)溝谷區(qū)風化殼基巖裂隙水—基巖孔隙裂隙水

地層自上由下依次為離石黃土—新近系紅(黏)土—延安組、富縣組—瓦窯堡組。含水層結(jié)構(gòu)為離石黃土中的古土壤和新近系紅黏土相對隔水，基巖頂部的風化殼微含水，延安組底部的含礫粗砂巖及礫巖含水，富縣組與瓦窯堡組中的砂巖含水(見圖1c)。

3.2 溝谷中下游水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

(1)梁峁區(qū)部基巖孔隙裂隙水

地層與上游梁峁區(qū)一致，而溝谷兩側(cè)的梁窄，溝谷寬。在臨溝谷地段，溝谷深切基巖形成基巖陡坎，側(cè)壁黃土層全部出露。含水層結(jié)構(gòu)為馬蘭黃土、離石黃土、基巖風化殼基本呈疏干狀態(tài)，延安組底部的含礫粗砂巖及礫巖含水，富縣組與瓦窯堡組中的砂巖含水(見圖1d)。

(2)河谷漫灘及高漫灘沖洪積層孔隙水—風化殼基巖裂隙水—基巖孔隙裂隙水

延河高漫灘(一級階地)與各支溝的漫灘及高漫灘的地質(zhì)結(jié)構(gòu)類似，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類似。地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)沖洪積層(延河高漫灘及一級階地為黃土狀粉土、圓礫卵石層，各支溝的漫灘及高漫灘為粉土、粉質(zhì)黏土)—富縣組—瓦窯堡組。含水層結(jié)構(gòu)為沖洪積層頂部不含水、下部含水，基巖風化殼含水、富縣組及瓦窯堡中的砂巖含水(見圖1e)。

(3)河床基巖裸露區(qū)風化殼基巖裂隙水—基巖孔隙裂隙水

地層自上而下依次為侏羅系延安組(部分區(qū)域被剝蝕)、富縣組—瓦窯堡組。含水層結(jié)構(gòu)為基巖風化殼含水(部分區(qū)域不含水)，延安組底部的含礫粗砂巖及礫巖含水，富縣組、瓦窯堡組中的砂巖含水(見圖1f)。

圖1 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖

4 地下水補給、徑流與排泄特征

4.1 沖洪積層孔隙水

沖洪積層孔隙水以大氣降水、地表水的滲入補給為主，其徑流方向由上游流向下游，由支流匯入主干河道。

4.2 淤積層孔隙水

淤積層孔隙水以大氣降水、壩區(qū)上游方向的降水形成的地表徑流匯集入滲補給，大多數(shù)壩基及壩區(qū)接觸地層為新近系紅黏土或離石黃土中的古土壤層，地下水基本呈滯流狀態(tài)，僅有少量地下水沿新近系紅黏土或離石黃土中的古土壤層中的裂隙向下部的基巖風化殼滲透或沿壩基向下游區(qū)域滲透，在壩基底部或壩基下游以滲水方式排泄。

4.3 黃土孔隙水

黃土孔隙水以大氣降水入滲補給為主，徑流方向由地勢高處向低處流動即由黃土梁峁區(qū)向周邊溝谷中徑流或下伏地層中滲透，在地勢較低的溝谷底部遇相對隔水的古土壤時或新近系紅黏土時，以泉形式排泄。

4.4 風化殼基巖裂隙水

溝谷上游梁峁區(qū)基巖風化殼裂隙水以大氣降水下滲補給為主，即降水沿馬蘭黃土、離石黃土及新近系紅黏土中的孔隙裂隙滲入基巖風化殼中儲存，基巖風化殼裂隙水的徑流與中等風化基巖面的起伏基本一致，由較高部位向較低部位徑流，在基巖出露區(qū)域則以泉形式排泄。

溝谷上游淤積壩區(qū)基巖風化殼裂隙水以上層淤積層滯水沿離石黃土、新近系紅黏土向下滲入補給及梁峁區(qū)基巖風化殼中的裂隙水補給為主，徑流與中等風化基巖面的起伏基本一致，由較高部位向較低部位徑流，在基巖出露區(qū)以泉形式排泄。

溝谷下游及主河谷區(qū)基巖風化殼裂隙水以大氣降水、地表水的滲入補給為主，其徑流方向由上游流向下游，由支流匯入主干河道。

4.5 基巖孔隙裂隙水

基巖孔隙裂隙水含水層主要有延安組、富縣組及瓦窯堡組，補給來源主要有大氣降水、地表水及上部含水層的越流或經(jīng)裂隙是滲透補給，徑流受控于巖層的單斜構(gòu)造，以順層流動為主，由東南向西北方向徑流。

延安組底部的含礫粗砂巖及礫巖孔隙裂隙水在溝谷下游剝蝕區(qū)以泉形式排泄。富縣組及瓦窯堡組中的孔隙裂隙水排泄方式主要為人工鑿井汲取。

5 地下水含水系統(tǒng)初步分析

5.1 淤積壩淤積層含水系統(tǒng)

各淤積壩壩基為人工夯實而成，壩體及淤積層下的地基土為新近系紅黏土或離世黃土中的古土壤層，無論是壩基還是壩體及淤積層下的地基土，其滲透性均較小，淤積壩內(nèi)的淤積層中的水無法向外圍徑流，因此每個淤積壩內(nèi)淤積層中的水為一個相對獨立的含水系統(tǒng)。

5.2 延河高漫灘(一級階地)沖洪積層與基巖風化殼含水系統(tǒng)

延河高漫灘淺部含水系統(tǒng)主要為松散層孔隙水與風化殼基巖裂隙水，為一個較為獨立的沿延河呈條帶分布的含水系統(tǒng)。

5.3 由梁峁向溝谷徑流含水系統(tǒng)

該含水系統(tǒng)由兩個相對獨立的含水層組成，即梁峁區(qū)的黃土孔隙水、風化殼基巖裂隙水。受地形地貌及剝蝕的影響，呈片狀分布。

5.4 由溝谷上游向溝谷下游徑流含水系統(tǒng)

主要在溝谷中下游的漫灘及高漫灘區(qū)域，由沖洪積層孔隙水與風化殼基巖裂隙水構(gòu)成，呈樹枝狀分布。

5.5 沿單斜構(gòu)造層面徑流含水系統(tǒng)

該含水系統(tǒng)由三個含水巖組組成，即延安組、富縣組與瓦窯堡組，這些地層以單斜構(gòu)造為主，地下水沿單斜層面徑流，延安組受剝蝕影響分布不連續(xù)、富縣組與瓦窯堡組呈連續(xù)分布。

6 水文地質(zhì)概念模型及結(jié)論

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)鉆探、水位地質(zhì)試驗測試數(shù)據(jù)，構(gòu)建其延安黃土丘陵溝壑區(qū)水文地質(zhì)概念模型(見圖2)。

(1)地下水類型有淤積層孔隙水、沖洪積層孔隙水、黃土層孔隙潛水，基巖風化殼裂隙水，延安組、富縣組、瓦窯堡組基巖孔隙裂隙水。

(2)富縣組與瓦窯堡組孔隙裂隙含水層分布基本連續(xù)，其余含水層空間上分布不連續(xù)。

(3)黃土孔隙水，各支溝沖洪積層孔隙水、淤積層孔隙水，風化殼基巖裂隙水，瓦窯堡組、富縣組含水層富水性弱。延安組底部的含礫粗砂巖及礫巖含水層、延河高漫灘(一級階地)的沖洪積含水層富水性中等。

(4)馬蘭黃土、離石黃土、淤積層滲透性差、新近系紅黏土、離石黃土中的古土壤層相對隔水，延安組底部的含礫粗砂巖及礫巖中等透水—極強透水，延安組、富縣組、瓦窯堡組中的砂巖弱透水、泥巖微—弱透水，土體與巖體接觸面及基巖風化殼強透水—極強透水。

(5)除延河高漫灘(一級階地)、淤積壩淤積層含水系統(tǒng)外，主要含水系統(tǒng)為由梁峁向溝谷徑流含水系統(tǒng)、由溝谷上游向溝谷下游徑流的含水系統(tǒng)、沿單斜構(gòu)造層面徑流含水系統(tǒng)。

(6)地下水補給、徑流、排泄特征

1)地下水補給來源主要為大氣降水及地表水的滲透補給。

2)黃土孔隙水、松散層孔隙水、基巖風化殼裂隙水的徑流受地貌形態(tài)控制，由地勢較高區(qū)域向地勢較低的區(qū)域徑流，地下水的分水嶺與現(xiàn)狀地形分水嶺一致；淤積層孔隙水呈滯流狀態(tài)；延安組、富縣組及瓦窯堡組含水層地下水徑流受控于巖層的單斜構(gòu)造，以順層流動為主。

圖2 水文地質(zhì)概念模型

3)地下水的排泄方式主要以泉及人類工程汲取為主。

7 水文地質(zhì)概念模型對工程建設(shè)的指導(dǎo)性分析

黃土丘陵溝壑區(qū)的造地工程，大部分為填埋或截斷溝谷，溝谷的不同部位，地下水與“削坡填溝”或“削峁填溝”造地工程的相互影響如下：

(1)溝谷上游

溝谷上游，部分區(qū)域有黃土孔隙水泉水出露點或隱藏的黃土孔隙水泉水出露點，填筑后泉水出露點繼續(xù)向外滲水，在泉水出露點附近形成水或飽和土體，填筑黃土在受水浸濕作用下會發(fā)生濕化變形，影響地基的穩(wěn)定。

(2)溝谷中下游

溝谷中下游，填筑體(壓實填土)直接接觸強風化層和延安組砂礫巖富含水層、強風化層為強透水或極強透水，延安組底部的砂礫巖泉水出露點多，延安組砂礫巖含水層中的水向填筑區(qū)徑流，而填筑體與強風化層接觸，地下水經(jīng)溝谷中的強風化層向溝谷下游方向徑流，當?shù)叵滤荒芗皶r向溝谷下游徑流而使水位抬升時，地下水沿砂礫巖單斜構(gòu)造的下傾方向向填筑區(qū)外徑流。地下水向填筑體外徑流時會影響外圍邊坡的穩(wěn)定性，地下水徑流不暢在填筑體內(nèi)形成飽和土體時，會使填筑黃土發(fā)生濕化變形，影響地基的穩(wěn)定。

綜上所述，“削坡填溝”或“削峁填溝”造地工程對地下水處理不當會使填筑體土體飽和，土體發(fā)生變形，改變地下水的徑流模式，影響填筑體外圍邊坡的穩(wěn)定性。在“削坡填溝”或“削峁填溝”造地工程建設(shè)時，應(yīng)對地下水進行疏排，在溝谷上游區(qū)域主要關(guān)注黃土孔隙水，在溝谷中下游區(qū)域主要關(guān)注基巖風化殼裂隙水和受控于單斜構(gòu)造的基巖裂隙水。