賀蘭山東麓洪積扇含水系統(tǒng)特征研究

方 磊，吳 瑞，金 亮，韓強(qiáng)強(qiáng)

（寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)勘察院，寧夏銀川 750021）

寧夏賀蘭山東麓是重要的生態(tài)移民安置區(qū)、賀蘭山東麓葡萄長廊的所在地，是寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要區(qū)域。同時(shí)，賀蘭山東麓洪積扇賦存寶貴的地下水資源，對(duì)區(qū)域內(nèi)人們的生活、生產(chǎn)以及生態(tài)都具有重要的意義[1-2]。目前，研究人員對(duì)賀蘭山東麓洪積扇地下水系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)主要基于物探和理論推斷。物探揭示該系統(tǒng)砂卵石含水層厚度可大于400 m，理論推斷為單一潛水系統(tǒng)（根據(jù)寧夏地質(zhì)工程勘察院2007 年《銀川平原地下水資源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境綜合效應(yīng)研究》報(bào)告），然而已有水文地質(zhì)勘探孔不超過150 m，缺少深部鉆探資料及分層測試監(jiān)測資料對(duì)地下水系統(tǒng)進(jìn)行揭示。本文通過分析一眼綜合水文地質(zhì)鉆探孔（孔深250 m）數(shù)據(jù)，探討山前洪積扇含水系統(tǒng)的分層特征，為研究寧夏賀蘭山東麓洪積扇地下水系統(tǒng)的發(fā)育及其與銀川盆地地下水系統(tǒng)關(guān)系提供直接依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

研究區(qū)位于賀蘭山東麓洪積扇的中部，南北長約37 km，寬約10 km，是賀蘭山東麓洪積扇分布最寬，面積最大的區(qū)域（圖1），海拔高程1 140～1 460 m，向東傾斜，由西向東地形變平緩，一般坡度1°～3°。研究區(qū)地貌歸屬銀川平原西部的洪積傾斜平原，其西部與高聳的賀蘭山相連，之間為賀蘭山東麓大斷裂（圖1），其東部為低平的沖湖積平原。研究區(qū)總體處于東西向拉張狀態(tài)[3]。這種地質(zhì)地貌格局控制著研究區(qū)的沉積相和水文地質(zhì)條件。

1.2 氣象條件

研究區(qū)地處我國干旱與半干旱分界地帶，干旱少雨，所在的銀川平原年均降水量為176.1 mm，且降水多集中在7—9 月份，年均蒸發(fā)量為1 730.1 mm，年均氣溫為9.8 ℃。

1.3 含水系統(tǒng)特征

研究區(qū)地下水類型為第四系松散巖類孔隙水，含水巖組主要為洪積砂卵石等粗粒沉積物（圖1），根據(jù)物探結(jié)果推測含水巖組厚度300～400 m（數(shù)據(jù)來源于寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院2015 年《寧夏沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)物探專題報(bào)告》），滲透系數(shù)一般在10 m/d 左右，富水性強(qiáng)，單井涌水量一般大于3 000 m3/d，地下水埋深由西向東變淺，西部洪積扇頂部位埋深可大于100 m，中部一帶埋深40～50 m，東部洪積扇前緣可小于10 m。地下水受賀蘭山基巖裂隙水、大氣降水和洪水入滲補(bǔ)給（根據(jù)寧夏地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)2003 年《銀川平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地地下水資源及環(huán)境地質(zhì)綜合勘查評(píng)價(jià)報(bào)告》），總體向東徑流，排泄方式有人工開采和向東徑流排泄。地下水類型為重碳酸鈣型水，溶解性總固體（TDS）一般小于0.5 g/L，水質(zhì)優(yōu)良，是理想的后備水源地。

2 洪積扇綜合水文地質(zhì)鉆探

LS01 綜合水文地質(zhì)鉆孔由寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)綜合地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目組部署，位于研究區(qū)東南部（圖1），于2016 年部署，孔深252.1 m，成井深度250.0 m，井徑219 mm，擴(kuò)孔480 mm（圖2）。

圖1 研究區(qū)交通位置及水文地質(zhì)剖面圖

圖2 LS01 綜合柱狀圖

LS01 鉆孔采用鉆探全孔取芯，并進(jìn)行視電阻率、自然伽馬和自然電位測井；在鉆孔150 m 處分層進(jìn)行止水和抽水試驗(yàn)，并對(duì)不同層位進(jìn)行水位監(jiān)測和取樣測試，測試項(xiàng)包括水質(zhì)全分析、氫氧穩(wěn)定同位素豐度和14C 測年等。

3 結(jié)果與分析

本文通過綜合水文地質(zhì)鉆探，從地層巖性、測井特性、水位動(dòng)態(tài)、水質(zhì)組分和同位素豐度等方面揭示賀蘭山東麓洪積扇含水系統(tǒng)的分層特征。

3.1 山前洪積扇含水巖組的分層特征

根據(jù)鉆探結(jié)果可知，LS01 勘探孔地層主要為卵礫石和砂礫石，但也發(fā)現(xiàn)了5 層1.0～1.8 m 厚的黏砂土（圖2）。其中，第一層分布在52.0～53.8 m，第二、三、四層在116～150 m，第五層分布在245.0～246.1 m。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)分析，這5 層黏砂土層的滲透系數(shù)在0.071 6～0.171 9 m/d，滲透性差，與含水巖組的滲透性有數(shù)量級(jí)的差異，詳見表1。這5 層黏砂土的存在，顯示出該區(qū)有弱透水巖組存在，從結(jié)構(gòu)上為分層提供了直接的證據(jù)。

表1 LS01 鉆孔弱透水層和含水層的滲透系數(shù)

如果將這5 層弱透水黏砂土的垂向分布與東部銀川平原的含水巖組劃分進(jìn)一步對(duì)比，就能發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：第一層埋深與東部平原第一含水巖組（潛水）底板埋深（25～60 m）基本一致；第二、三、四層埋深與東部平原的第二含水巖組（第一承壓水）底板埋深（140～160 m）基本一致；第五層與東部平原的第三含水巖組（第二承壓水）底板埋深（240～260 m）基本一致（資料來源于寧夏地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)2003 年《銀川平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地地下水資源及環(huán)境地質(zhì)綜合勘查評(píng)價(jià)報(bào)告》）。

3.2 物探測井的物性分層差異

由視電阻率測井曲線（圖2）可清晰地發(fā)現(xiàn)，該孔具有明顯的分層現(xiàn)象，可分為3 層。第一層分布在0～44.55 m，層底與地下水位重合，為包氣帶，視電阻率中值為290.0 Ω·m；第二層分布在44.55～151.60 m，層底與第四層黏砂土分布重合，視電阻率中值為151.1 Ω·m；第三層分布在151.1～251.0 m，視電阻率中值為76.65 Ω·m。這3 層的視電阻率差異十分明顯，有著十分顯著的統(tǒng)計(jì)差異（圖3），存在著明顯的突變部位，而且突變部位與鉆探揭露的地下水水位、第四層黏砂土層的分布十分吻合。視電阻率測井曲線與鉆探的相互印證有力地說明分層現(xiàn)象客觀存在。造成視電阻率測井曲線第一層與第二層分界的原因是地下水的存在致使電阻率出現(xiàn)突變；造成第二層與第三層分界的原因很可能是地下水分層，水質(zhì)發(fā)生突變[4]。

圖3 視電阻率測井?dāng)?shù)據(jù)箱形統(tǒng)計(jì)圖

3.3 不同深度地下水水位動(dòng)態(tài)的差異

為了進(jìn)一步驗(yàn)證LS01 鉆孔150 m 處地下水是否分為上下兩層，以及更準(zhǔn)確地說明2 個(gè)地下水流系統(tǒng)分界，本次研究對(duì)LS01 鉆孔分層止水，分為兩層，止水部位在136～156 m（圖2），然后進(jìn)行分層抽水。通過上下2 個(gè)試段的3 個(gè)落程抽水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上層水水位埋深為45.68 m，水位標(biāo)高為1 128.39 m，下層水水位埋深為44.82，水位標(biāo)高為1 129.25 m，下層水水頭高出上層水0.86 m，直接揭示出地下水的分層現(xiàn)象。

3.4 常規(guī)水質(zhì)分析的分層指示

在抽水試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)取得的水樣進(jìn)行了常規(guī)的水質(zhì)分析（表2、圖4）。由表2、圖4 可知：上層水TDS 為268.21 mg/L，下層水為309.10 mg/L，下層水TDS 比上層水高出40.89 mg/L，高出15.25%；同時(shí)上下兩層水的Na+，Cl-，SO42-，NO3-，NO2-，F(xiàn)-等水質(zhì)指標(biāo)也有明顯的差異。這些水質(zhì)分析結(jié)果進(jìn)一步揭示出地下水分層現(xiàn)象。

表2 LS01 上下兩層水主要常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)一覽表

圖4 上下兩層水主要離子水質(zhì)分析雷達(dá)圖

3.5 地下水年齡差異

本文對(duì)同位素進(jìn)行分析，從地下水循環(huán)年齡的角度進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。通過氚（T）測年分析顯示，上下兩層水中氚的濃度均小于1.0 TU（表3），與現(xiàn)代補(bǔ)給地下水特征不符[5]；進(jìn)一步通過14C 同位素測年數(shù)據(jù)顯示，上層水年齡為（14 310±370）a，下層水年齡為（16 780±510）a（表3），下層水比上層水年齡老2 570 a。同位素分析不僅揭示了分層現(xiàn)象，還說明該系統(tǒng)的地下水循環(huán)速度較慢。

表3 LS01 上下兩層水同位素指標(biāo)一覽表

綜上，地層巖性分析、物探測井、抽水試驗(yàn)地下水位觀測、地下水水質(zhì)分析和同位素測試結(jié)果，都表明LS01 鉆孔在地表以下150 m 處的上下兩層水具有明顯的差異，揭示出了明顯的地下水分層現(xiàn)象。而前人一直認(rèn)為該含水系統(tǒng)含水巖組為卵礫石，顆粒粗，地下水徑流快，地下水更新快，地下水水力聯(lián)系密切，無分層現(xiàn)象，是單一潛水，稱之為“賀蘭山洪積傾斜平原單一潛水區(qū)”。本次研究結(jié)果更新了研究人員對(duì)賀蘭山東麓洪積扇地下水系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)論

（1）賀蘭山東麓洪積扇LS01 綜合水文地質(zhì)鉆孔的地層巖性分析、物探測井、抽水試驗(yàn)及水質(zhì)分析結(jié)果，均揭示了賀蘭山東麓洪積扇地下水系統(tǒng)在150 m 處存在地下水分層現(xiàn)象，而非單一潛水含水系統(tǒng)。

（2）根據(jù)14C 測年結(jié)果可知，賀蘭山東麓洪積扇深部地下水的年齡超過1 萬年，顯示出賀蘭山東麓洪積扇地下水系統(tǒng)深部循環(huán)緩慢，地下水更替慢，是地質(zhì)歷史時(shí)期形成的寶貴水資源。建議優(yōu)先開發(fā)賀蘭山東麓洪積扇淺層地下水，保護(hù)深部地下水資源。