陜北黃土塬區(qū)找水方法探討

侯龍君，李法軍

(西北有色勘測工程有限責任公司，陜西 西安 710038)

黃陵縣地處陜北黃土高塬中南部，全縣東西長85 km，南北寬53 km，總面積2 292 km2，總人口約13萬人，由于自然環(huán)境比較惡劣，造成黃土高塬區(qū)普遍缺水，水資源的缺乏已經(jīng)嚴重制約了當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展，人民群眾生活水平得不到有效提高，亟待解決當?shù)厝诵箫嬎畣栴}及水資源缺乏對社會經(jīng)濟發(fā)展的制約。如何在黃土塬區(qū)開采地下水，從根本上解決人畜飲水的困難局面意義重大。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

黃陵縣位于陜北黃土高塬中南部。地貌類型為黃土地貌、河谷地貌及山地地貌，地勢西北高東南低，略呈傾斜，最高點海拔1 762.2 m，最低點海拔740 m，東西高差1 022.2 m。其中黃土溝谷、梁峁區(qū)地形切割較深，黃土塬區(qū)地形較平坦，西部山地區(qū)地形起伏較大。

1.2 氣象及水文

黃陵縣屬中溫帶大陸性氣候，總的氣候特點是：四季分明，光照充足，氣候溫和，雨量偏少。黃陵縣年平均氣溫9.4℃，年極端最高氣溫39.4℃，極端最低氣溫零下21.4℃ ，最熱月7月平均氣溫21.7℃，最冷月元月平均氣溫零下4.5℃；年平均降水量596.3 mm，最多年降水量1 037.2 mm，最少年降水量306.0 mm，5-10月的降水量占全年降水量的84%，7、8兩個月的降水量占全年降水量的42%，暴雨出現(xiàn)在5-9月份；年平均風速3 m/s，盛行風向為西北和東南風；年平均日照時數(shù)2 528.4 h，最多年日照時數(shù)2 688 h，最少年日照時數(shù)1 791 h；年平均無霜期172 d。

黃陵境內地表徑流屬北洛河水系，全縣河網(wǎng)密度差異明顯。系半干旱、半濕潤氣候的水文地質區(qū)。懸移質年輸沙量模數(shù)東部塬面溝壑大、西部林區(qū)小，平均含沙量每立方米大于10 kg，是全國水土流失重點地區(qū)之一。黃陵縣主要河流有沮河、葫蘆河、淤泥河及與洛川縣為自然分界的北洛河。

1.3 地層巖性

縣區(qū)內廣布中生界和新生界。中生界有三疊系、侏羅系、白堊系陸相碎屑巖；新生界有新近系和第四系，新近系主要為紅粘土巖，第四系主要為風積黃土和河流沖積的松散堆積物，其不同程度的覆蓋在基巖頂面上。

1.4 地質構造

黃陵縣地處鄂爾多斯臺拗南部子午嶺次級向斜以東，地質構造活動微弱，形跡少而簡單，無大的褶皺與斷裂發(fā)生。巖層產(chǎn)狀平緩，總體為一微傾西北，傾角1°～4°的單斜構造，僅局部有兩處走向北西的小背斜褶皺，構造節(jié)理及風化裂隙較為發(fā)育。自第四紀以來，地臺上升幅度遠大于沉降幅度，青壯年期的沖溝非常發(fā)育，地形破壞強烈，對本區(qū)城鄉(xiāng)建設及地質災害的發(fā)生具有極大影響。區(qū)內無5級以上地震發(fā)生，地震基本烈度為Ⅵ度。

2 區(qū)域水文地質條件

區(qū)內主要分布有第四系松散巖類孔隙水及中生界碎屑巖類孔隙裂隙水，大氣降水為主要的補給來源。其中松散巖類孔隙水可進一步劃分為第四系沖積砂礫石層孔隙水和第四系黃土孔隙裂隙水；碎屑巖類孔隙裂隙水可進一步劃分為白堊系孔隙裂隙水、侏羅系裂隙水和三疊系裂隙水。各含水巖組的富水性和水質在空間分布有很大差異。

2.1 第四系全新統(tǒng)沖積砂礫石層孔隙水

主要分布于沮河及其支流的河谷階地和漫灘中，含水層由粉、細砂夾礫石及粉土組成。潛水沿河谷呈帶狀分布，地下水的賦存條件主要取決于階地、漫灘的結構類型、河流下切的深度以及含水介質的巖性、厚度等。店頭以西的沮河上游地下水單井涌水量一般在500 m3/d，水質較好，一般溶解性總固體小于0.5 g/L；沮河中游店頭鎮(zhèn)一帶，單井涌水量一般大于300 m3/d，水質為溶解性總固體<2 g/L的淡水和微咸水。沮河下游地下水單井涌水量一般大于200 m3/d，水質為溶解性總固體小于2 g/L的淡水和微成水。

2.2 中下更新統(tǒng)黃土孔隙裂隙水

黃土水主要分布于黃土塬區(qū)，至于殘塬和梁峁區(qū)，呈局部和零星分布，其水量較小，僅夠人畜用。塬區(qū)主要含水層為中下更新統(tǒng)黃土，由多層砂質含量較高的黃土夾數(shù)層古土壤與鈣質結核構成。黃土發(fā)育垂直節(jié)理且多大孔隙，故兼有孔隙與裂隙雙重介質的特征。

黃土孔隙裂隙水的形成條件及分布規(guī)律取決于地貌和巖性結構。黃土水主要賦存于中下更新統(tǒng)黃土的孔隙裂隙中，巨厚的黃土覆于新近系或三疊系之上。周邊溝谷深達150～200 m，塬面開闊而平坦，下伏有相對的隔水底板，利于降水入滲與儲存，形成較穩(wěn)定的黃土含水層。塬中心部位含水層厚度大，水位埋深淺，水量相對較富易開發(fā)。個別塬塊由于底部缺少隔水層，不利于地下水儲存，黃土透水而不含水。黃土梁峁區(qū)由于水系發(fā)育，溝谷深切到基巖中，地形破碎，含水層不連續(xù)，一般只在隔水層(新近系泥巖)存在時才零星微弱含水。黃土梁崗由于地勢低平，沖溝不發(fā)育，切割程度不甚嚴重，黃土含水層連續(xù)，局部低洼處水量較豐。

2.3 白堊系基巖裂隙水

主要分布在黃陵縣的西部廣大地區(qū)，主要分為洛河組和環(huán)河組潛水—承壓水含水巖組。

2.3.1 潛水

白堊系風化裂隙潛水主要分布于沮河河谷及兩側支溝中，白堊系上部普遍發(fā)育風化裂隙，除裸露區(qū)外，其上多覆有第四系松散層，當兩者間缺少隔水層時與上覆松散層構成統(tǒng)一潛水含水層。含水層巖性為砂巖與泥巖。砂巖結構較疏松，砂巖與泥巖風化裂隙發(fā)育，多與河谷沖積砂礫石層潛水溝通，呈帶狀分布。由于裂隙發(fā)育與分布的不均勻，白堊系碎屑巖在溝谷中的潛水含水層厚度、富水性等差異很大，風化裂隙帶一般厚20～60 m，水質良好，多為淡水。

2.3.2 承壓水

白堊系志丹群地下水儲存于厚層砂巖的孔隙裂隙介質中，空間容量較大，下部普遍分布侏羅系安定組，其透水性微弱；構成白堊系底部相對穩(wěn)定的隔水底板，形成良好的儲水條件。與地層巖組一致，將其劃分為三個含水巖組。區(qū)內出露洛河組、環(huán)河組，缺失羅漢洞組。含水層以砂巖為主與泥巖互層，在空間分布雖呈層狀，但相變較大，結構復雜，各巖組之間無統(tǒng)一而穩(wěn)定的隔水層，致使?jié)撍c承壓水水力聯(lián)系密切，存在互補關系。

2.3.3 侏羅系基巖裂隙水

主要分布于店頭以東的黃土丘陵區(qū)，僅出露于溝谷中上游，被第四系黃土覆蓋。巖性以砂巖、泥巖、砂泥巖互層為主。厚度20～90 m，透水性差，成為區(qū)域性隔水層。但其風化裂隙帶與上覆黃土構成統(tǒng)一的孔隙裂隙含水層，接受降水的滲入補給，向溝谷方向徑流以泉的形式泄出。一般流量較小(小于0.1 L/s)，水質較好。

2.3.4 三疊系基巖裂隙水

分布于雙龍鎮(zhèn)至店頭之間，以中統(tǒng)直羅組砂巖為主要含水層。直羅組砂巖以中、細砂巖為主，鈣質與泥質膠結，致密，較堅硬。透水性較差，因此地下水主要賦存于風化裂隙中。沿沮河河谷一帶基巖裸露，含水層厚度一般為40～60 m，水位埋深一般小于20 m，其富水性較貧乏，單井涌水量小于100 m3/d，水質南、北好，中部差。

黃土塬區(qū)第四系松散巖類潛水，水量相對豐富，水質好，但分布面積較局限，儲量有限。黃土層潛水除在黃土塬區(qū)分布外，廣大梁峁區(qū)的含水層多被溝谷切割，基本不含水。基巖潛水水文地質條件復雜，富水性及水質相差懸殊，在條件具備的情況下，可形成相對的富水巖層和富水地段。

3 黃土塬缺水問題分析

3.1 地下水補給

主要接受大氣降水補給，降水(入滲)量的多少直接決定了黃土塬地下水的富水性。黃陵縣多年平均降雨量為596.3 mm，與同緯度的沿海城市相比，降雨量偏小。受大陸季風氣候影響，降雨量年內分布不均，主要集中在7-9月份，占全年的50%～80%，且具有強度大，降水面積小的特點。黃土雖有較好的入滲條件，但因降水量較為集中，大部分雨水還沒有來得及下滲就沿著溝谷形成徑流排泄，真正能補給地下水的僅是其中的少部分。這種降水特點決定了地下水補給來源不足，也是造成黃土塬區(qū)地下水資源匱乏的根本原因。

3.2 黃土塬地形地貌

黃陵縣黃土塬主要分布于黃陵縣東部，屬洛川塬的一部分。黃土塬被沮河河谷劃分南北二塬，受侵蝕作用，黃土塬已失去塬來寬闊平坦之面貌，被溝谷分隔的多條塬塊，形成黃土殘塬、黃土梁、黃土卯等地貌。這種地貌峰谷相連，溝谷坡陡，平川和緩坡面積較小，不利于大氣降水的入滲補給。梁峁區(qū)的溝谷大多深切黃土，深入基巖風化帶，使得黃土和基巖風化裂隙的地下水直接沿切割面以泉的形式排泄，深入深部的地下水極少，故梁峁區(qū)的黃土及下伏基巖含水層幾乎不含水或水量貧乏。使得黃土塬區(qū)不能形成連續(xù)穩(wěn)定的地下含水層，這也是造成黃土塬地下水貧乏的主要原因。

3.3 地層巖性和地質構造

黃陵縣黃土塬下伏地層主要為三疊系砂巖泥巖，根據(jù)以往鉆探資料顯示，三疊系砂巖含量較高，一般在70%左右，巖石裂隙不發(fā)育，加之區(qū)域二、三級構造不發(fā)育，大面積基巖分布區(qū)很少有規(guī)模較大的斷裂、褶皺等地質構造，造成風化裂隙發(fā)育深度、強度和密度都十分有限。這種巖性結構和構造極大限制了地下水的儲存和運移，這也是造成黃土塬區(qū)基巖地下水匱乏的重要原因。

綜上分析，氣象、地貌、地層巖性和地質構造等因素都是造成黃土塬缺水的重要原因，此外黃陵縣煤炭資源較豐富，大量的煤礦開采形成的采空區(qū)也在破壞地下水環(huán)境。

4 黃土塬區(qū)找水方法

以上所說的黃土塬區(qū)缺水是指一般規(guī)律，由于含水巖層的地質及水文地質特征在空間分布的差異性，大量實踐工作證明，只要深入細致的開展工作，做好水文地質調查研究，在黃土塬區(qū)及基巖風化帶中找到水量相對豐富、水質優(yōu)良的地下水是可行的。

4.1 黃土水找水途徑

黃土塬由于溝谷發(fā)育并深切，將其分割成大小不等的塬塊，黃土含水層富水性的變化受到一系列因素的控制和影響。在橫向上受制于地形切割程度所決定的黃土塬面的寬度，黃土塬面越寬，降水滲入量越大，富水性亦越強。黃土含水層的厚度是控制其富水性的又一重要因素，一般下部有隔水底板，塬面愈大，含水層厚度越大，水位埋深越淺，單井涌水量就大。塬區(qū)潛水位的另一特點是由塬中心向周邊地下水埋深增大。區(qū)內黃土塬水位埋深80～130 m，含水層厚度40～60 m，單井涌水量50～200 m3/d，水質好，溶解性總固體一般<1 g/L，水化學類型多為HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca·Na·Mg。

4.2 基巖風化帶裂隙水找水途徑

裂隙是基巖風化帶含水巖層中地下水儲存和運移的空間，在相同構造應力和風化強度條件下，巖性是控制裂隙、孔隙發(fā)育的重要因素。深入分析含水層巖性特征成為黃土塬尋找基巖風化裂隙、孔隙潛水的關鍵。

4.3 綜合水文物探方法在找水中的應用

地下水勘查中我們主要采用α卡法和激發(fā)極化測深法兩種物探工作手段。

α卡法是一種通過測量氡及其衰變子體產(chǎn)生的α粒子數(shù)量來尋找地下水及解決地質問題的一類放射性方法。當?shù)刭|構造及巖石破碎發(fā)育時，深層的氡氣沿構造薄弱帶發(fā)生了滲濾，聚集在裂隙頂端黃土覆蓋層之中，將這些復雜的傳導離子信息接收過來，并通過接收機顯示在儀器終端，用來評價找水信息和有關地質問題?？梢韵壤梅派湫驭量⊕呙?，尋找可能存在的地下風化裂隙帶，初步查明工作區(qū)內的區(qū)域地質構造展布特征以及次級斷裂、基巖破碎帶分布范圍和走向。

激電測深是根據(jù)巖性導電性的不同所產(chǎn)生的地球物理場強，用來研究地下地層的變化情況和查證有關地質構造及含水地層等問題。顯而易見，電測深的畸形變化測深曲線就是電性在地質斷面上的垂向縱反映，用來研究巖性變化的重要參數(shù)。它之所以能有較好的勘查效果，主要是具備巖性的電性差異。如：黃土與完整基巖的電性值成數(shù)量級的差異，破碎帶的巖性與完整的基巖差異明顯，含水蓄水層與干燥層的差異等。

4.4 水井施工工藝的選擇

根據(jù)實地調查，黃陵縣黃土塬區(qū)的有機井大多修建于上世紀70年代，井徑多為Φ450 mm，下入Φ219 mm鑄鐵管或水泥管，井深一般在150 m左右，均未穿透黃土層。原有的水井井徑較小，井深較淺均影響水井的涌水量，因此，我們采用加大供水井井徑，加深供水井深度的方法，首先，第四系松散層井徑為Φ550～Φ600 mm，下入Φ377 mm鋼管，基巖段裸孔，孔徑為Φ311 mm，加大孔徑通過增加過水斷面的面積來增大涌水量，井深應進入基巖風化裂隙帶，除了采取黃土水外，還要采取一定的基巖裂隙水，即混合開采兩層水，從而也達到了增加涌水量的目的。

5 工程實例

2010-2013年期間，我公司在陜西省地質勘查基金項目工作中綜合應用了地質地貌調查、水文地質調查、綜合水文地質物探等多種方法，并在隆坊、侯莊實施了3眼探采結合示范井，井徑為Φ550 mm，井深均在200 m左右，主要采取第四系黃土水及三疊系基巖風化裂隙水，通過抽水試驗，3眼供水井涌水量在150～240 m3/d，明顯高于周邊塬有供水井的水量，一定程度上緩解了黃土塬區(qū)的用水困難，解決了區(qū)域人畜用水困難的問題，也為黃土塬區(qū)地下水開發(fā)利用提供了技術依據(jù)。

6 結語

通過分析陜北黃陵縣地形地貌、地質巖性、地質構造和水文地質條件，可以得出黃陵縣西部白堊系地下水富水性好，東部黃土塬區(qū)地下水較貧乏，針對較缺水的東部黃土塬區(qū)，通過對黃土塬地形地貌、巖性構造、降水量、水文地質條件等研究分析，并采用多種水文物探方法和優(yōu)化的施工工藝，同時，結合工程實踐，證明在陜北黃土塬區(qū)第四系松散層和下伏基巖裂隙風化帶中可以尋找到富水性較好的地下水資源，能夠解決區(qū)域人畜用水困難的問題。