陜西省富平縣石川河河道滲透性能分析

郭志奇

(陜西省地下水保護(hù)與監(jiān)測(cè)中心，陜西 西安 710003)

石川河發(fā)源于銅川市焦坪北山的漆水和耀州區(qū)柳林瑤曲北山的沮水,二水南來(lái)經(jīng)耀州區(qū)城南,于富平西北隅洪水鄉(xiāng)之岔口合流入境。該河以河床為砂卵石沖積而成得名。石川河由縣境西北向東南斜經(jīng)洪水、梅家坪、莊里、覓子、淡村、南社、杜村、呂村、東上官等10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),至淡村鎮(zhèn)交口城村有趙氏河匯入,再至呂村鄉(xiāng)姚村入閻良界,最終匯入渭河。富平縣境內(nèi)流長(zhǎng)33 km，流域面積132.31 km2，地理坐標(biāo)位于東經(jīng)108°57′～109°19′，北緯34°41′～34°55′之間，是富平縣重要城鎮(zhèn)分布的地區(qū)。上游有莊里鎮(zhèn)、覓子工業(yè)園，中游南社鄉(xiāng)，下游為富平縣、東上官鄉(xiāng)，均為人口密集、工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地帶，石川河沿岸農(nóng)田廣布。

1 研究目的

受水資源條件限制， 富平縣石川河河谷階地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民生活的供水水源以地下水為主，長(zhǎng)期以來(lái)，持續(xù)大量開(kāi)采地下水，造成區(qū)域地下水位普遍下降，近30多年來(lái)，區(qū)域地下水位平均下降超過(guò)了18 m，出現(xiàn)了四個(gè)明顯的地下水下降漏斗區(qū)，漏斗中心區(qū)地下水位平均下降達(dá)到50 m，區(qū)域潛水含水層大部分被疏干，形成了較大的地下水疏干空間。為了有效利用疏干含水層建設(shè)地下水庫(kù)進(jìn)行地下水調(diào)蓄，實(shí)現(xiàn)以豐補(bǔ)歉，豐枯調(diào)節(jié)，有效涵養(yǎng)地下水資源，保護(hù)地下水生態(tài)環(huán)境保護(hù)，解決水資源供需矛盾。早在上世紀(jì)70年代，一些大專院校、科研機(jī)構(gòu)行了大量科學(xué)研究，包括長(zhǎng)安大學(xué)李佩成院士、李云峰教授等，進(jìn)行的不同目的、不同區(qū)域的調(diào)查等工作，但由于上次試驗(yàn)工作距今已38 a，水文及水文地質(zhì)條件發(fā)生巨大變化。因此，提出開(kāi)展了陜西省富平石川河河道滲透性能分析，為開(kāi)展石川河地下水庫(kù)建設(shè)提供基礎(chǔ)依據(jù)資料。

2 河谷區(qū)地層特征

2.1 河谷區(qū)地層結(jié)構(gòu)

為了勘探原始地層的結(jié)構(gòu)與特征，在前人已有資料基礎(chǔ)上進(jìn)行的補(bǔ)充勘探工作。選擇在石川河上、中、下游三個(gè)具有代表性的斷面進(jìn)行試驗(yàn)，布設(shè)地質(zhì)勘探孔8處。共繪制四條地質(zhì)剖面(利用前人勘探資料一條)，勘探孔及剖面線位置見(jiàn)圖1。

圖1 勘探孔及剖面線位置

剖面線繪制依據(jù)本次地質(zhì)勘探孔并結(jié)合收集的前人勘探孔地層資料，根據(jù)各剖面線上地形情況分別在石川河右岸一級(jí)階地、河漫灘、左岸一級(jí)階地進(jìn)行布設(shè)，見(jiàn)表1。

表1 各剖面線勘探孔位置及編號(hào)

2.2 河谷區(qū)砂礫石層變化特征

2.2.1 河漫灘寬度和砂礫石層厚度的變化規(guī)律

在綜合分析上述4條地質(zhì)剖面和鉆孔資料，在上游莊里鎮(zhèn)的1號(hào)勘探線，河漫灘寬約95 m，河道中的FP2鉆孔揭露，該處砂礫卵石層總厚度為29 m。第四系全新統(tǒng)晚期沖積層(Q42al)厚度3.0 m，早期沖積層(Q41al)厚度5.2 m，上更新統(tǒng)晚期沖積層(Q32al)厚度20.8 m，其中在18.8～22.6 m處夾一層3.8 m厚的粉質(zhì)粘土。中游2號(hào)勘探線，河漫灘寬約78 m，根據(jù)河道中間的FP5鉆孔資料，該處砂礫卵石層總厚度為15.3 m。第四系全新統(tǒng)晚期沖積層(Q42al)厚度4.3 m，底部有0.7 m厚的粗砂層和0.4 m厚的粉質(zhì)粘土層，早期沖積層(Q41al)厚度10.6 m，上更新統(tǒng)晚期沖積層(Q32al)在此缺失。下游3號(hào)勘探線處河漫灘寬約30 m，河道中FP7鉆孔揭露的砂礫卵石層總厚度為5.3 m，其中第四系全新統(tǒng)晚期沖積層(Q42al)厚度3.5 m，早期沖積層(Q41al)厚度1.8 m，上更新統(tǒng)晚期沖積層(Q32al)在此缺失。因此。石川河總體上從上游莊里鎮(zhèn)到下游東上官鄉(xiāng)，河谷區(qū)一級(jí)階地、河漫灘呈現(xiàn)平面上逐漸變窄、垂向上厚度逐漸減小的趨勢(shì)。

2.2.2 河漫灘表層砂礫石顆粒級(jí)配的變化規(guī)律

根據(jù)野外工作從石川河上游至下游所取的土樣顆粒級(jí)配分析結(jié)果來(lái)看，在天然狀態(tài)下，原始河道表層呈現(xiàn)從上游至下游逐漸變細(xì)的規(guī)律。通過(guò)從上游至下游34個(gè)探井所取土樣顆粒級(jí)配分析資料，將原始河道表層顆粒對(duì)比分析繪制曲線圖2，可見(jiàn)上游莊里水泥廠旁河道T-3土樣顆粒大于2 mm的顆粒占70.8%；中游南索村T-8土樣顆粒大于2 mm的占到55.2%，中游西賈村T-13、下游余灣村T-33土樣顆粒均小于2 mm，但T-13粒徑介于0.5～2 mm的占到16.9%，其余均小于0.5 mm； T-33粒徑介于0.5～2 mm的占6%，其余均小于0.5 mm。從曲線圖上可以看出，在不受人為擾動(dòng)的情況下，石川河從上游至下游天然河床表層的顆粒是逐漸變細(xì)的。

圖2 石川河河道原始表層顆粒級(jí)配曲線

2.3 河谷區(qū)地層顆粒級(jí)配變化特征

勘探孔揭露石川河河谷階地地層主要有卵礫石層、土層，地層巖性顆粒級(jí)配變化整體上存在一定的規(guī)律。

2.3.1 卵礫石層

根據(jù)三條剖面線8個(gè)勘探孔卵礫石層顆粒分析結(jié)果，以2-2′剖面線FP6勘探孔為例(圖3)，該孔深度16～16.2 m處顆粒大于2 mm的占82.1%；深度22～22.2 m處顆粒大于2 mm的占到74.8%；深度40～40.2 m顆粒大于2 mm的占62%，可見(jiàn)該剖面卵石層的顆粒級(jí)配垂向上是從上至下整體是逐漸變細(xì)的。以河道內(nèi)勘探孔FP2、FP5、FP7為例，這三孔分別位于石川河上、中、下游，以第四系全新統(tǒng)早期沖積層顆粒分析，該層顆粒級(jí)配沿石川河從上游至下是逐漸變細(xì)的。

圖3 FP6勘探孔不同深度卵礫石層顆粒級(jí)配對(duì)比曲線

如圖4，F(xiàn)P2孔7～7.2 m深度顆粒大于2 mm的占91.6%；FP5孔9～9.2 m處顆粒大于2 mm的占到90.4%；FP7勘探孔4.3～4.5 m深度粒徑大于2 mm的占81.1%，可見(jiàn)，隨著石川河上下游卵石層厚度變薄，其顆粒粒徑也逐漸變細(xì)，這也是符合河流搬運(yùn)規(guī)律的。

圖4 石川河河道上中下游勘探孔全新

2.3.2 土層

根據(jù)三條剖面線8個(gè)勘探孔土樣顆粒分析結(jié)果，以FP8勘探孔為例，顆粒級(jí)配垂向上是從上至下整體是逐漸變細(xì)的。從橫向上看，各勘探孔同一層位巖層的顆粒級(jí)配差別不大。

從圖5可以看出，垂向上，該孔土層粒徑小于0.005 mm的粘粒含量隨深度增加，其中1.9～2.1 m處占20.1%；10～10.2 m處占到28%；30～30.2 m處占到29.3%；50～50.2 m深度占31.5%；70～70.2 m深度占到32.7%。以粒徑小于0.075 mm的粉粒、粘粒含量對(duì)比，1.9～2.1 m處占75.8%；10～10.2 m處占到94.3%；30～30.2 m、50～50.2 m、70～70.2 m深度均占到100%，幾條曲線幾乎是重合的直線，說(shuō)明該處下部土層顆粒更細(xì)、且質(zhì)地均一。

圖5 FP8土樣顆粒級(jí)配曲線圖

2.4 河谷區(qū)入滲系數(shù)分區(qū)

綜合研究野外工作所獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)，初步劃分了富平縣石川河河谷區(qū)河床入滲系數(shù)分區(qū)。石川河因河道整治及人工開(kāi)挖采砂礫卵石活動(dòng)，對(duì)河道表層滲透性影響較大。入滲分區(qū)劃分依據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，并根據(jù)地表巖性受影響程度結(jié)合地貌、測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分。

2.4.1 滲透性能平面分布特征

河漫灘表層砂礫石的滲透系數(shù)分布特征，依據(jù)野外雙環(huán)滲水試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)，分析整理各試驗(yàn)點(diǎn)地層巖性及滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在河床未受擾動(dòng)地段，上游HS-3垂向滲透系數(shù)35.32 m/d，中游HS-13垂向滲透系數(shù)7.11 m/d，下游HS-33垂向滲透系數(shù)1.03 m/d。由此可見(jiàn)，從上游至下游，隨著河道表層的顆粒變細(xì)，滲透系數(shù)也是逐級(jí)減弱的。根據(jù)本次野外調(diào)查、雙環(huán)滲水試驗(yàn)數(shù)據(jù)和顆分?jǐn)?shù)據(jù)綜合分析其原因：(1)部分地段的河道上部12～18 m以淺的砂礫卵石層因人為影響被挖走，底部可見(jiàn)粉質(zhì)粘土層，其滲透性差；(2)部分地段河道卵礫石層雖未被挖完，但受到開(kāi)挖時(shí)大型機(jī)械的不斷碾壓，底部地層更加密實(shí)，其滲透性能較原始地層變差；再者，部分地段開(kāi)挖后卵石隨意堆放，經(jīng)過(guò)二次平整，已與原始地層的顆粒級(jí)配、密實(shí)度差別較大，滲透系數(shù)不能代表原始河床的滲透性能。總體來(lái)看，受人為擾動(dòng)影響，大部分地段河道表層的滲透能力弱于原始地層。

2.4.2 滲透性能垂向分布特征

本次工作根據(jù)鉆孔揭露巖性分別采集不同深度的土樣，送至實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，并進(jìn)行了室內(nèi)物理模擬滲水試驗(yàn)，根據(jù)土樣測(cè)試結(jié)果和室內(nèi)模擬滲水試驗(yàn)資料，將3條剖面線上各個(gè)鉆孔不同深度對(duì)應(yīng)的地層巖性，及其水平、垂向滲透性能進(jìn)行比對(duì)，垂向上，卵石層的滲透系數(shù)一般在13.8～19.9 m/d之間，粗砂的滲透系數(shù)11.4 m/d，粉細(xì)砂的滲透系數(shù)1.1～1.2 m/d，粉質(zhì)粘土、粉土的滲透系數(shù)介于6.9×10-4～1.2×10-1m/d之間；水平方向，卵石層的滲透系數(shù)一般在13.0～19.0 m/d之間，粉細(xì)砂的滲透系數(shù)1.0～1.1 m/d，粉質(zhì)粘土、粉土的滲透系數(shù)介于5.0×10-4～7.9×10-2m/d之間?？梢?jiàn)，巖性相同時(shí)，其垂向滲透系數(shù)Kv大于水平滲透系數(shù)KH。

結(jié)合以上各種客觀原因，從三條剖面整體來(lái)看，第一條剖面有效入滲地層有四層，第一層為兩側(cè)一級(jí)階地表層有3.8～4.4 m厚的粉質(zhì)粘土層，滲透系數(shù)0.77～0.93 m/d；第二層為9.6～21.5 m的卵石層，滲透系數(shù)45.41～46.6 m/d，滲透系數(shù)大；第三層為3.3～4.3 m厚的粉質(zhì)粘土層，滲透系數(shù)0.92～0.95 m/d；第四層為圓礫層，厚5.2～11.7 m，滲透系數(shù)31.01～45.6 m/d。從組合測(cè)試結(jié)果來(lái)看，剖面中部16.7～30.2 m之間不均勻連續(xù)分布著的粉質(zhì)粘土層，其滲透系數(shù)較小，從而影響了整體的入滲能力。第二條剖面有效入滲地層有四至六層，第一層為兩側(cè)一級(jí)階地表層有3.0～13.4 m厚的粉質(zhì)粘土層，滲透系數(shù)0.8～0.96 m/d；第二層為3～5 m厚的圓礫，滲透系數(shù)30.5～46.2 m/d，滲透系數(shù)大；第三層為1.3～2.9 m厚的粉質(zhì)粘土層，滲透系數(shù)0.81～0.94 m/d；第四層為圓礫層，厚8～14.2 m，滲透系數(shù)30.57～30.7 m/d；第五層為粉質(zhì)粘土層，厚4.5～55.4 m，滲透系數(shù)0.91～0.93 m/d；第六層為粉細(xì)砂，厚度2.5～3.5 m，滲透系數(shù)5.72～5.79 m/d。整條剖面中部15.3～47.7 m之間不均勻連續(xù)分布多層粉質(zhì)粘土，其滲透系數(shù)較小，導(dǎo)致組合地層的入滲系數(shù)較小。第三條剖面有效入滲地層有兩層，第一層為一級(jí)階地表層的粉質(zhì)粘土層， 厚度4 m，滲透系數(shù)0.95 m/d；第二層為4.2～5.3 m的圓礫，滲透系數(shù)30.73～30.84 m/d，滲透系數(shù)大；其下連續(xù)分布的粉質(zhì)粘土層，其滲透系數(shù)小，組合地層的滲透系數(shù)也較小。

3 河谷區(qū)滲透性能分布特征

(1)區(qū)內(nèi)地層垂向上不同巖性顆粒均呈現(xiàn)從上至下逐漸變細(xì)的規(guī)律，其垂向、水平的滲透性能隨顆粒變細(xì)而減小(見(jiàn)圖6和圖7)。

圖6 不同巖性顆粒級(jí)配曲線圖

圖7 不同巖性地層滲透性能對(duì)比圖

(2)垂向上土層顆粒隨深度增加逐漸變細(xì)，滲透性試驗(yàn)結(jié)果顯示，其滲透性能也呈現(xiàn)隨深度增加逐漸減小的趨勢(shì)(圖8和圖9)。

圖8 同一鉆孔粉質(zhì)粘土顆粒級(jí)配隨深度變化曲線

圖9 同一鉆孔粉質(zhì)粘土層滲透性能隨深度變化曲線

4 石川河河谷區(qū)入滲能力分析

(1)石川河現(xiàn)代河道中的卵礫石層呈現(xiàn)從上游至下游逐漸變薄的趨勢(shì)，上游莊里鎮(zhèn)別家堡段河道卵礫石厚29 m，中游灣渡村河道卵礫石厚15.3 m，下游東上官鄉(xiāng)廟口村河道僅5.3 m。土樣顆粒級(jí)配分析結(jié)果顯示，未受擾動(dòng)的原始河道表層巖性粒徑呈現(xiàn)從上游至下游逐漸變細(xì)的趨勢(shì)。根據(jù)雙環(huán)滲水試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，河床未受擾動(dòng)地段，上游HS-3地層巖性為圓礫，滲透系數(shù)35.32 m/d；中游HS-13地層巖性為粉質(zhì)粘土，滲透系數(shù)7.11 m/d；下游HS-33地層巖性為粉質(zhì)粘土，滲透系數(shù)1.03 m/d。由此可見(jiàn)，在無(wú)擾動(dòng)的情況下，從河流上游到下游，與顆粒變化的規(guī)律一致，隨著顆粒粒徑的變小，河床表層巖性的滲透系數(shù)也逐漸減少。

因此，考慮含水層厚度、顆粒粒度及雙環(huán)滲水試驗(yàn)結(jié)果，從入滲設(shè)施布置的位置來(lái)看，應(yīng)考慮布置在中上游地區(qū)，可獲得較大的調(diào)蓄量。但根據(jù)地下水動(dòng)態(tài)分析，形成的下降漏斗在下游亦有分布，因此應(yīng)結(jié)合水源設(shè)施情況，綜合確定布置位置。由于.石川河河道內(nèi)采石活動(dòng)對(duì)原始地層造成了較大的破壞，導(dǎo)致河道地形、景觀、走向、比降等也發(fā)生了較大改變，河道表層的巖性分布、密實(shí)度等也發(fā)生了一定的變化。受這些綜合因素的影響，河道表層巖性的滲透系數(shù)減小，采石坑底被壓密的HS-6點(diǎn)滲透系數(shù)為0.58 m/d，遠(yuǎn)小于天然河床HS-3地層的滲透系數(shù)35.32 m/d。由于滲透能力降低，使河道總體滲透能力弱于原始地層。因此，進(jìn)行入滲工程布置，還應(yīng)避開(kāi)這些受擾動(dòng)的不利地段。

(2)由于現(xiàn)場(chǎng)物理模擬試驗(yàn)的尺度效應(yīng)原因，現(xiàn)場(chǎng)物理模擬試驗(yàn)的滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果大于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，從保守角度出發(fā)，采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果做為河道不同巖性的滲透性能參數(shù)，分析石川河階地區(qū)不同地層巖性的入滲能力。垂直方向，卵礫石層的滲透系數(shù)一般在13.8～19.9 m/d之間，粗砂的滲透系數(shù)11.4 m/d，粉細(xì)砂的滲透系數(shù)1.1～1.2 m/d，粉質(zhì)粘土、粉土的滲透系數(shù)介于6.9×10-4～1.8×10-1m/d之間；水平方向，卵礫石層的滲透系數(shù)一般在13.0～19.0 m/d之間，粗砂的滲透系數(shù)10.6 m/d，粉細(xì)砂的滲透系數(shù)1.0～1.1 m/d，粉質(zhì)粘土、粉土的滲透系數(shù)介于4.7×10-4～1.5×10-1m/d之間。各地層的垂向滲透系數(shù)Kv略大于水平滲透系數(shù)KH，可用垂向滲透系數(shù)Kv做為不同地層入滲能力分析計(jì)算。石川河階地區(qū)分布一定厚度的粗顆粒含水層，其滲透系數(shù)較大，顯示出具有較強(qiáng)的入滲能力。根據(jù)巖性滲透能力試驗(yàn)分析，研究區(qū)具備開(kāi)展地下水調(diào)蓄的條件。

(3)不同地層組合的現(xiàn)場(chǎng)物理模擬試驗(yàn)表明，整體地層的滲透系數(shù)接近于滲透系數(shù)最小的粉質(zhì)粘土層的滲透性能，并且隨著粉質(zhì)粘土層厚度的增大、層數(shù)的增多，滲透性能進(jìn)一步變差。也就是說(shuō)，對(duì)某一地段而言，整體地層的入滲能力取決于粉質(zhì)粘土層的滲透性能，粉質(zhì)粘土層分布的位置、厚度及層數(shù)，成為影響入滲能力的主要因素。當(dāng)粉質(zhì)粘土層位于目標(biāo)蓄水層的上部時(shí)，為提高入滲能力，在厚度不大的情況下，可使入滲設(shè)施穿透該層位，方能獲得較大的入滲補(bǔ)給量。在厚度較大的情況下，打穿該層位不經(jīng)濟(jì)或者不能取得好的入滲效果時(shí)，在入滲工程的平面布置上，應(yīng)盡量避開(kāi)。當(dāng)粉質(zhì)粘土層位于目標(biāo)蓄水層的下部時(shí)，布置入滲工程實(shí)施地下水人工調(diào)蓄，不僅經(jīng)濟(jì)，而且能夠取得好的入滲效果。因此，通過(guò)查明地層巖性的分布位置、厚度，掌握地層巖型構(gòu)造與分布，較為準(zhǔn)確的分析入滲能力，據(jù)此進(jìn)行入滲補(bǔ)給位置、入滲補(bǔ)給形式、入滲方案的設(shè)計(jì)，做到有的放矢。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)陜西省富平縣石川河河道滲透性能研究成果，石川河現(xiàn)代河道中的卵礫石層呈現(xiàn)從上游至下游逐漸變薄的趨勢(shì)，上游莊里鎮(zhèn)別家堡段河道卵礫石厚29 m，中游灣渡村河道卵礫石厚15.3 m，下游東上官鄉(xiāng)廟口村河道僅5.3 m；土樣顆粒級(jí)配分析結(jié)果顯示，原始河道表層呈現(xiàn)從上游至下游逐漸變細(xì)的趨勢(shì)。在無(wú)擾動(dòng)的情況下，從河流上游到下游，與顆粒變化的規(guī)律一致，隨著顆粒粒徑的變小，河床表層巖性的滲透系數(shù)也逐漸減少。采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的石川河河谷區(qū)不同巖性垂直方向的滲透性能參數(shù)，做為分析石川河階地區(qū)不同地層巖性入滲能力的依據(jù)。卵礫石層的滲透系數(shù)一般在13.8～19.9 m/d之間，粗砂的滲透系數(shù)11.4 m/d，粉細(xì)砂的滲透系數(shù)1.1～1.2 m/d，粉質(zhì)粘土、粉土的滲透系數(shù)介于6.9×10-4～1.8×10-1m/d之間。石川河階地區(qū)分布一定厚度的粗顆粒含水層，其滲透系數(shù)較大，顯示出具有較強(qiáng)的入滲能力，可以有效入滲回補(bǔ)地下水。