湖北省地下水流系統(tǒng)劃分研究

范 威，于 瑤，江越瀟，陳 暢，?？?qiáng)，胡 成

(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034；2.中國電建集團(tuán) 中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長沙 410014； 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430074)

地下水流系統(tǒng)的劃分對(duì)于深入分析地下水的形成條件,揭示地下水的循環(huán)演化規(guī)律,進(jìn)行區(qū)域地下水資源評(píng)價(jià)和規(guī)劃具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[1]。隨著系統(tǒng)工程方法成功解決許多復(fù)雜的問題,系統(tǒng)思想與方法也逐漸向水文地質(zhì)學(xué)滲透,在此過程中,歐美出現(xiàn)了一些新的術(shù)語,主要包括含水系統(tǒng)、地下水流系統(tǒng)。長期以來,一直將含水層視為地下水的基本功能單元,隨著對(duì)越流的認(rèn)識(shí),便出現(xiàn)了含水系統(tǒng)的概念。1963年,托特提出了流域盆地發(fā)育多級(jí)次地下水流系統(tǒng)的理論。含水系統(tǒng)與地下水流系統(tǒng)是兩類內(nèi)涵不同的與地下水有關(guān)的系統(tǒng),含水系統(tǒng)體現(xiàn)于統(tǒng)一的水力聯(lián)系,水流系統(tǒng)體現(xiàn)于統(tǒng)一有序的水流。20世紀(jì)80年代初期,國際水文地質(zhì)界提出地下水流系統(tǒng)的概念,并由陳夢(mèng)熊引入中國,這一概念從提出開始就存在爭(zhēng)議,缺乏公認(rèn)的統(tǒng)一含義,有的含義與“含水系統(tǒng)相當(dāng)”,有的指的就是“地下水流系統(tǒng)”。目前中國使用“地下水流系統(tǒng)”術(shù)語相當(dāng)普遍,但是賦予的內(nèi)涵不盡相同,絕大多數(shù)的討論都將“地下水流系統(tǒng)”等同于“含水系統(tǒng)”。鑒于國內(nèi)有關(guān)術(shù)語的理解及應(yīng)用相當(dāng)混亂,張人權(quán)、梁杏等人認(rèn)為應(yīng)盡可能使用定義明確的“地下含水系統(tǒng)”及“地下水流系統(tǒng)”這兩個(gè)術(shù)語[2-3]。

目前區(qū)域地下水系統(tǒng)劃分在盆地區(qū)[4]研究程度較高,如西北黑河額濟(jì)納盆地[5-6]、鄂爾多斯盆地[7-8]、河北平原[9]、哈密盆地[10]、塔里木盆地[11]、關(guān)中盆地[12]等,主要集中在北方,南方開展區(qū)域地下水系統(tǒng)研究較少,更鮮有開展全省區(qū)域性的地下水系統(tǒng)研究工作。

本文在綜合以往研究成果的基礎(chǔ)上,明確以地下水流系統(tǒng)為基礎(chǔ),歸納了不同級(jí)別地下水流系統(tǒng)劃分的原則和依據(jù),提出了劃分湖北省地下水流系統(tǒng)的一套方案。

1 研究區(qū)概況

湖北省出露著元古界—新生界的12個(gè)系、19個(gè)相當(dāng)于系或統(tǒng)的巖群,共劃分為205個(gè)組級(jí)地層單元。除缺失上志留統(tǒng)上部與下泥盆統(tǒng)下部外,其余地層發(fā)育良好、層序完整、沉積類型眾多。湖北省地跨秦嶺褶皺系、揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)兩個(gè)一級(jí)大地構(gòu)造單元。秦嶺褶皺系主要分布變質(zhì)巖、巖漿巖；揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)主要分布沉積巖。省內(nèi)地下水基本可歸結(jié)為松散巖類孔隙水、碎屑巖裂隙孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水和碎屑巖裂隙水、變質(zhì)巖裂隙水、巖漿巖裂隙水等6大類。

湖北省處于中國地勢(shì)第二級(jí)階梯向第三級(jí)階梯過渡地帶,西、北、東三面被武陵山、巫山、大巴山、武當(dāng)山、桐柏山、大別山、幕阜山等山地環(huán)繞,山前丘陵崗地廣布,中南部為江漢—洞庭湖平原,呈三面高陡，中間低平，向南敞開，北有缺口的不完整盆地。山地、丘陵崗地和平原分別占全省面積的55.5%、24.5%和20%。東北部桐柏—大別山和東南部的幕埠山分水嶺基本與省界相重合。

湖北省絕大部分屬于長江流域,僅北部局部地區(qū)屬于淮河流域。長江自西向東,橫貫全省,漢江自西北入境后,呈東南流向在武漢市匯入長江,中小河流或南或北順地勢(shì)匯入長江、漢江,形成以長江、漢江為軸向的向心水系。湖北省中部及沿江地帶地勢(shì)較低平開闊,河網(wǎng)交錯(cuò),大小湖泊星羅棋布。

2 地下水流系統(tǒng)劃分原則與依據(jù)

2.1 地下水流系統(tǒng)劃分原則

地下水流系統(tǒng)劃分應(yīng)遵循以下基本原則：

(1) 具有系統(tǒng)特性。地下水流系統(tǒng)的劃分要符合系統(tǒng)的集合性、關(guān)聯(lián)性、目的性和整體性等特性,系統(tǒng)之間的水力聯(lián)系是劃分系統(tǒng)的關(guān)鍵因素,能把不同含水層的地下水納入到一個(gè)整體的系統(tǒng)之中[13],從而建立地下水化學(xué)場(chǎng)、溫度場(chǎng)。因此,在地下水流系統(tǒng)劃分時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮地下水分水嶺、隔水的構(gòu)造、隔水層以及地表水系等零通量邊界。

(2) 系統(tǒng)邊界類型簡(jiǎn)單、相對(duì)固定。地下水流系統(tǒng)劃分的目的是為長期的區(qū)域性的地下水資源和環(huán)境管理服務(wù)的,因此就要求地下水流系統(tǒng)邊界簡(jiǎn)單且相對(duì)固定。

(3) 在垂向上著重考慮主要開采目的層。地下水開采目的層是對(duì)人們生活和生產(chǎn)活動(dòng)最有開發(fā)利用價(jià)值的含水層,富水性好、補(bǔ)給條件好,也最容易受到人類活動(dòng)的影響。因此,在地下水流系統(tǒng)劃分時(shí)應(yīng)著重考慮開采目的層的空間分布。

2.2 地下水流系統(tǒng)劃分依據(jù)

地下水流系統(tǒng)的劃分重點(diǎn)考慮宏觀構(gòu)造單元、地貌格局和中國范圍內(nèi)區(qū)域性的一級(jí)水系流域。對(duì)大型流域而言,流域的地表分水嶺和地下分水嶺是基本一致的[14]。

(1) 一級(jí)系統(tǒng)的劃分主要依據(jù)是區(qū)域地下水流系統(tǒng)和區(qū)域地下水流向進(jìn)行劃分,考慮長江干流以及漢江水系、烏江水系、洞庭湖水系等長江一級(jí)支流流域。以流域范圍內(nèi)四周山地向長江干流和各一級(jí)支流排泄基準(zhǔn)的區(qū)域水流系統(tǒng)和區(qū)域地下水流向劃分。有各自獨(dú)立完整的地下水循環(huán)體系,與相鄰流域之間沒有物質(zhì)和能量交換,流域分水嶺是主要的邊界類型。

(2) 二級(jí)系統(tǒng)的劃分主要是在一級(jí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,考慮二級(jí)支流流域以及長江干流的分段,以區(qū)域地下水流系統(tǒng)和地下水流向進(jìn)行劃分。具有相對(duì)獨(dú)立和完整的區(qū)域地下水循環(huán)體系,與鄰近的地下水流系統(tǒng)沒有或只有少量的物質(zhì)和能量交換,流域分水嶺和長江、漢江干流是主要的邊界類型。

(3) 三級(jí)系統(tǒng)的劃分主要考慮二級(jí)支流上下游分段以及長江干流各分段內(nèi)的區(qū)域地下水流系統(tǒng)。與鄰近的地下水流系統(tǒng)有少量的物質(zhì)和能量交換,地下水循環(huán)相對(duì)獨(dú)立,分水嶺和長江干流是主要的邊界類型。

(4) 四級(jí)系統(tǒng)的劃分是將三級(jí)系統(tǒng)內(nèi)長江、漢江干流上的小支流進(jìn)一步劃分,同時(shí)考慮在盆山結(jié)合地帶區(qū)域非含水層等隔水邊界的作用,分水嶺、隔水層是主要的邊界類型。

3 湖北省地下水流系統(tǒng)劃分

根據(jù)地下水流系統(tǒng)劃分原則和依據(jù),綜合考慮大地構(gòu)造、宏觀地貌單元、地表水系等影響因素,重點(diǎn)分析地下水補(bǔ)徑排條件、含水層空間結(jié)構(gòu),對(duì)湖北省地下水流系統(tǒng)進(jìn)行劃分。

以桐柏山—大別山山脈線為分區(qū)界限,劃分為黃河—淮河—海河地下水流系統(tǒng)區(qū)(B)、長江流域地下水流系統(tǒng)區(qū)(E)兩個(gè)地下水流系統(tǒng)區(qū)。各個(gè)區(qū)內(nèi)再進(jìn)一步劃分為四級(jí)地下水流系統(tǒng)：4個(gè)一級(jí)系統(tǒng)、7個(gè)二級(jí)系統(tǒng)、14個(gè)三級(jí)系統(tǒng)、70個(gè)四級(jí)系統(tǒng),系統(tǒng)劃分情況詳見表1和圖1。

圖1 湖北省地下水流系統(tǒng)劃分圖Fig.1 Division of groundwater flow systems in Hubei province1.一級(jí)系統(tǒng)邊界；2.二級(jí)系統(tǒng)邊界；3.三級(jí)系統(tǒng)邊界；4.四級(jí)系統(tǒng)邊界；5.河流；6.面狀水系、湖泊。

表1 湖北省地下水流系統(tǒng)劃分一覽表Table 1 Schedule of groundwater flow systems in Hubei province

3.1 淮河一級(jí)地下水流系統(tǒng)(B01)

根據(jù)淮河流域范圍,系統(tǒng)南界為桐柏山—大別山地表分水嶺,湖北省內(nèi)僅分布一小部分,為淮河上游小支流。二、三級(jí)系統(tǒng)不再細(xì)分,根據(jù)小支流分布劃分為3個(gè)四級(jí)系統(tǒng)：竹竿河四級(jí)地下水流系統(tǒng)(B01A01A)、浉河四級(jí)地下水流系統(tǒng)(B01A01B)、淮河源頭四級(jí)地下水流系統(tǒng)(B01A01C)。系統(tǒng)內(nèi)地下水類型主要為巖漿巖、變質(zhì)巖風(fēng)化裂隙水,接受大氣降水補(bǔ)給,通常就地補(bǔ)給和排泄匯入地表水系中,水力聯(lián)系較弱。

3.2 秦嶺—漢水一級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03)

根據(jù)漢江流域范圍并充分考慮地形地貌及行政邊界等因素劃定,系統(tǒng)東界北段為大別山地表分水嶺,中段為長江,南段為幕阜山地表分水嶺,基本與省界重合,其東為鄱陽湖流域；西界主要為省界,局部地段為長江和漢江小流域的地表分水嶺；南界東段為長江干流,西段為清江流域與洞庭湖流域地表分水嶺；北界東段為桐柏山—大別山山脈地表分水嶺,西段為省界。根據(jù)次級(jí)支流發(fā)育及長江干流分段,進(jìn)一步分為長江中下游二級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03A)、漢江二級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03B)、長江中游二級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03C),系統(tǒng)邊界主要為地下水分水嶺。

續(xù)表1

(1) 長江中下游二級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03A)。以長江為系統(tǒng)邊界,進(jìn)一步劃分三級(jí)地下水流系統(tǒng)。桐柏—大別山三級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03A01)地下水類型主要為巖漿巖、變質(zhì)巖裂隙水,南部及西部局部地區(qū)分布孔隙水。幕埠山三級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03A02)地下水類型為巖溶水及沿江地帶的孔隙水,地下水總體由幕埠山、九宮山向長江徑流。大巴山—江漢平原三級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03A03)地下水總體由西部山區(qū)向南東方向盆地徑流,向排泄長江。盆地邊緣,山區(qū)基巖裂隙水與盆地孔隙水水力聯(lián)系相對(duì)較弱,垂向上發(fā)育多級(jí)次的地下水流系統(tǒng)。清江三級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03A04)地下水類型主要為巖溶水,清江在利川有16.8 km為地下河,地下水流系統(tǒng)十分復(fù)雜。

(2) 漢江二級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03B)。根據(jù)漢江上中下游分段,進(jìn)一步劃分次級(jí)系統(tǒng),系統(tǒng)邊界主要為地下水分水嶺。漢江下游三級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03B01)地下水接受大氣降水補(bǔ)給,由大洪山向南徑流。盆地邊緣第四系隔水層發(fā)育,含水巖組的富水性差異大,水力聯(lián)系相對(duì)較差。漢江中游三級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03B02)地下水接受大氣降水補(bǔ)給,由漢江兩側(cè)基巖山區(qū)向漢江匯流,地下水類型主要為碳酸鹽巖巖溶水、碎屑巖裂隙水和漢江階地的孔隙水。漢江上游三級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03B03)地下水接受大氣降水補(bǔ)給,由漢江兩側(cè)基巖山區(qū)向漢江及丹江口水庫匯流。

(3) 長江中游二級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03C)。以長江為界進(jìn)一步劃分為長江北三級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03C01)、長江南三級(jí)地下水流系統(tǒng)(E03C02)。省內(nèi)分布面積較小,主要為基巖山區(qū)長江干流上的小支流。

3.3 洞庭湖一級(jí)地下水流系統(tǒng)(E04)

系統(tǒng)北界東段為長江干流,西段為洞庭湖流域與清江流域地表分水嶺；其余為省界控制。根據(jù)次級(jí)支流發(fā)育情況,進(jìn)一步劃分為澧水二級(jí)地下水流系統(tǒng)(E04A)、沅江二級(jí)地下水流系統(tǒng)(E04B)。

(1) 澧水二級(jí)地下水流系統(tǒng)(E04A)。根據(jù)次級(jí)支流發(fā)育情況劃分為長江—澧水三級(jí)地下水流系統(tǒng)(E04A01)和溇水三級(jí)地下水流系統(tǒng)(E04A02)。長江—澧水三級(jí)地下水流系統(tǒng)(E04A01)碳酸鹽巖巖溶水與平原地區(qū)孔隙水整體上水力聯(lián)系較小。

(2) 沅江二級(jí)地下水流系統(tǒng)(E04B)。僅發(fā)育其支流酉水的上游部分,故不再細(xì)分,直接定為酉水三級(jí)地下水流系統(tǒng)(E04B01)和酉水上游四級(jí)地下水流系統(tǒng)(E04B01A)。地下水類型為碳酸鹽巖巖溶水,含水巖組為寒武系、奧陶系、二疊系、中下三疊系碳酸鹽巖。地下水接受大氣降水補(bǔ)給,徑流條件良好,以泉和地下徑流形式向酉水排泄。

3.4 烏江一級(jí)地下水流系統(tǒng)(E06)

系統(tǒng)東界為烏江與清江流域地表分水嶺,其余為省界控制。省內(nèi)僅發(fā)育烏江下游支流濯河、郁江的上游部分,因此二、三級(jí)系統(tǒng)不再細(xì)分,只分為2個(gè)四級(jí)系統(tǒng)。地下水類型主要為碎屑巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水,系統(tǒng)東部為志留系隔水層,地下水接受大氣降水補(bǔ)給,向濯河、郁江等地表水系排泄。

4 典型地下水流系統(tǒng)分析

以監(jiān)利—廣水一線作為典型剖面(圖2),包含各一級(jí)系統(tǒng)和省內(nèi)重要的地下水系統(tǒng),進(jìn)一步分析各級(jí)次地下水流系統(tǒng)劃分的主要依據(jù)和系統(tǒng)特征。

圖2 典型剖面地下水流系統(tǒng)劃分Fig.2 Division of groundwater flow systems of typical section

(1) 一級(jí)地下水流系統(tǒng)劃分主要依據(jù)區(qū)域地下水流系統(tǒng),邊界類型包括地下水分水嶺和地表水體邊界。地下水從周邊桐柏—大別山、大洪山獲得降水入滲補(bǔ)給,經(jīng)江漢平原徑流,向長江排泄,形成典型山區(qū)補(bǔ)給—平原區(qū)徑流—主要地下水體排泄的區(qū)域地下水流系統(tǒng)?；春?B01)、秦嶺—漢水(E03)一級(jí)地下水流系統(tǒng)以桐柏—大別山地下水分水嶺為界,是零通量邊界；秦嶺—漢水(E03)、洞庭湖(E04)一級(jí)地下水流系統(tǒng)以長江為界,區(qū)域地下水向此邊界匯流,形成零通量邊界。

(2) 二級(jí)地下水流系統(tǒng)劃分主要依據(jù)中間地下水流系統(tǒng),邊界類型包括地下水分水嶺和地表水體邊界。秦嶺—漢水(E03)一級(jí)地下水流系統(tǒng),大富水以北的隨州府河流域,主要是變質(zhì)巖地區(qū),地下水主要賦存于淺部的風(fēng)化裂隙網(wǎng)絡(luò)中,其次為深部的斷裂帶及構(gòu)造裂隙中,以地下分水嶺為界。大富水以南至漢江,主要為大洪山巖溶山區(qū)和江漢平原邊緣,地下水在大洪山山區(qū)接受大氣降水補(bǔ)給,經(jīng)盆地邊緣徑流,向漢江、大富水排泄,形成中間地下水流系統(tǒng),以地下分水嶺和地表水體為界。漢江與長江之間為江漢平原核心區(qū),是典型的河間地塊,地下水流向不顯著,隨季節(jié)而變化,以地表水體為界。劃分為長江中下游(E03A)、漢江(E03B)、長江中游(E03C)二級(jí)地下水流系統(tǒng)。

(3) 三、四級(jí)地下水流系統(tǒng)劃分主要依據(jù)局部地下水流系統(tǒng),邊界類型包括巖性邊界和地表水體邊界。大洪山區(qū)以碳酸鹽巖巖溶水為主,地下水補(bǔ)徑排以巖溶水系統(tǒng)為主,在淺部以泉水的形式排泄,在深部向盆地深埋的巖溶含水層徑流,直接向盆地第四系孔隙含水層徑流的水量相對(duì)很?。慌璧貎?nèi)的第四系孔隙含水層主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給。以大洪山山區(qū)基巖與平原松散巖為界,劃分為大富水—漢北河孔隙水(E03B01A)、大富水—漢北河裂隙水(E03B01B)四級(jí)地下水流系統(tǒng)。

5 結(jié)論與討論

(1) 湖北省地層巖性分布復(fù)雜、地貌類型多樣,不同地質(zhì)背景下的地下水補(bǔ)徑排條件差異較大。本次全省地下水流系統(tǒng)劃分脫離以往的“含水層”思維,強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一有序的地下水流。以地下水流系統(tǒng)理論為指導(dǎo),提出了劃分湖北省地下水流系統(tǒng)的一套方案。

(2) 根據(jù)地下水補(bǔ)徑排條件,將湖北省劃分為2個(gè)地下水流系統(tǒng)區(qū),并進(jìn)一步劃分為4個(gè)一級(jí)地下水流系統(tǒng)、7個(gè)二級(jí)地下水流系統(tǒng)、14個(gè)三級(jí)地下水流系統(tǒng)、70個(gè)四級(jí)地下水流系統(tǒng)。為今后湖北省的地下水資源、地下水監(jiān)測(cè)、地下水生態(tài)環(huán)境的研究、管理和區(qū)域性工作部署提供了依據(jù)。

(3) 本次研究只考慮了監(jiān)測(cè)深度或開采目的層深度范圍內(nèi)的地下水流系統(tǒng)劃分,對(duì)多級(jí)次的區(qū)域、中間、局部水流系統(tǒng)劃分研究相對(duì)不足,后期可根據(jù)研究需要進(jìn)一步劃分。