石羊河流域武威盆地地下水系統(tǒng)特征及控制因素研究

［摘要］以地下水系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，選擇石羊河流域中上游武威盆地，應(yīng)用高密度電阻率法、直流電測(cè)深法、EH-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)和地震等多種技術(shù)方法與手段，分析研究了含水層結(jié)構(gòu)及其分布、包氣帶巖性特征等。在此基礎(chǔ)上，探索減緩地下水系統(tǒng)劣變的主要控制要素。

［關(guān)鍵詞］石羊河流域；地下水系統(tǒng)；空間結(jié)構(gòu)；地球物理勘探

武威盆地隨著城市的擴(kuò)大、工業(yè)的建設(shè)、人口的增加和土地開(kāi)墾，地下水的開(kāi)采量不斷增大，再加上各種水利工程的劇烈擾動(dòng)，產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1]。地下水系統(tǒng)的特征及控制因素研究對(duì)于區(qū)域水資源可持續(xù)利用具有重要意義[2]。本文旨在通過(guò)對(duì)石羊河流域武威盆地地下水系統(tǒng)的深入研究，揭示其水文地質(zhì)條件和地下水系統(tǒng)特征，同時(shí)分析氣候變化、人類活動(dòng)等因素對(duì)地下水系統(tǒng)的影響，為制定合理的地下水管理與保護(hù)策略提供科學(xué)依據(jù)[3-5]。本研究不僅有助于深化對(duì)干旱區(qū)地下水系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，也為類似地區(qū)的水資源管理提供有益的參考。

1 研究區(qū)概況

武威盆地以內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟蘇海圖為地理中心，邊界由西北的雅布賴山、西南的祁連山東部的陰山余脈和賀蘭山組成，主要行政范圍包括武威市、永昌鎮(zhèn)、金羊鎮(zhèn)和雙城鎮(zhèn)等。該區(qū)是典型的大陸型干旱、半干旱氣候。區(qū)內(nèi)降雨多集中在6～9月，年均氣溫是5～10℃，平均年降水量150 mm左右，年均蒸發(fā)量大于2000 mm。該區(qū)水文網(wǎng)比較發(fā)育，祁連山是大部分河流的發(fā)育地（圖1）。研究區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水，其分布廣，水量豐富，水質(zhì)較好，主要分布于走廊坳陷過(guò)渡帶，含水層主要為中、上更新統(tǒng)礫卵石、砂礫石、中粗砂和中細(xì)砂層（圖2）。

2 地下水系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)特征探測(cè)

2.1 綜合剖面

綜合剖面采用的物探方法有高密度電阻率法、直流電測(cè)深法、EH-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)和地震勘探法4種方法。分析如下：

2.1.1高密度電阻率法勘測(cè)結(jié)果

從圖3可以看出，縱向上，深度5 m以上視電阻率小于40 Ω·m，反映了表層亞砂土的電性特征；中間段的高阻層推測(cè)為水位之上干砂礫石層；往下視阻率降低，趨于正常。從視電阻率橫向變化來(lái)看，局部高阻異常為古河道之反映。

2.1.2電測(cè)深勘測(cè)結(jié)果

單點(diǎn)曲線分析：曲線呈HK型（圖4），反映了地層巖性的四層結(jié)構(gòu)。

第一層曲線首支，呈高阻，為表層干砂礫石之反映。反演電阻率值97 Ω·m，地層厚度1.3 m；第二層曲線中間低阻段，為水位以上亞砂土之反映。反演視電阻率29 Ω·m，地層厚度5.3 m；第三層曲線中間高阻段，為Q2+Q3砂卵礫石之反映。反演視電阻率168 Ω·m，地層厚度180 m；第四層，視電阻率呈下降趨勢(shì)，反映Q1泥礫的電性特征。由于最大極距AB/2=1000 m的限制，單點(diǎn)曲線形態(tài)沒(méi)有反映出高阻基底。事實(shí)上，當(dāng)最大極距AB/2大于3倍目的層埋深時(shí)，曲線尾枝能夠表現(xiàn)基底的反映。

在電測(cè)深斷面圖中（圖5），縱向上視電阻等值變化特征反映出三層電性結(jié)構(gòu)。表層Q4砂土層巖性的橫向變化及其底界反映明顯。往下高阻層對(duì)應(yīng)的巖性為Q2+3砂礫卵石層。當(dāng)AB/3大于150 m時(shí)，視電阻減小，為Q1泥礫之反映，但其底界沒(méi)有反映。

2.1.3 EH-4勘測(cè)結(jié)果

單點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。自上而下為視電阻率―頻率曲線、相位―頻率曲線、相關(guān)度―頻率曲線、Bostick一維反演電阻率―深度曲線。從圖6可以看出，（視）電阻率曲線呈KH型，反映地下主要4層巖性特征，對(duì)應(yīng)巖性自上而下為砂礫石層、砂卵礫石層、泥礫（Q1）和高阻基底。該曲線較為典型，完整地反映了區(qū)內(nèi)不同巖性的電性變化特征。

視電阻率斷面圖見(jiàn)圖7?？v向上三層結(jié)構(gòu)反映明顯，但表層Q4砂土層不明顯，主要受高頻截止頻率的限制。在深度150 m左右視電阻率漸增至300 Ω·m，推測(cè)其巖性為Q2+3砂礫卵石層。深度200～500 m段，視電阻率漸減小，為Q1泥砂或泥礫之反映。深度大于500 m時(shí)，視電阻率呈漸增趨勢(shì)，為高阻基底之反映。

2.1.4 地震勘探結(jié)果

從圖8 中地震反射波時(shí)間剖面可以看出，有3 組反射波同向軸，第1 組反射波同向軸時(shí)間（雙程）在100 ms，延續(xù)2 個(gè)相位，對(duì)應(yīng)的深度在80 m，第2 組反射波同向軸時(shí)間（雙程）在200 ms，延續(xù)2個(gè)相位，取地層平均速度1800 m/s，對(duì)應(yīng)的深度在180 m，第3 組反射波時(shí)間（雙程）在430 ms，對(duì)應(yīng)的深度在470 m（表1）。

2.2 EH-4 與電測(cè)深聯(lián)合勘測(cè)剖面

從8條詳查EH-4勘測(cè)剖面結(jié)果表現(xiàn)出的視電阻率總體變化特征來(lái)看，從南向北視電阻率逐漸變低，反映巖性顆粒逐漸變細(xì)。在東西方向上，似有視電阻率從中間向兩側(cè)增大之趨勢(shì)，說(shuō)明巖性顆粒兩側(cè)粗、中間細(xì)。

在XW5線附近增加了電測(cè)深勘測(cè)工作，根據(jù)勘測(cè)結(jié)果對(duì)比分析特征如下：

2.2.1剖面特征

電測(cè)深勘測(cè)結(jié)果對(duì)表層Q4巖性變化特征及其底界起伏形態(tài)反映明顯，最大厚度25 m，最小厚度小于2 m。Q2與Q1間界面也有明顯的反映，推測(cè)其埋深170 m左右。但Q1底界沒(méi)有探測(cè)到。

EH-4勘測(cè)結(jié)果對(duì)表層Q4巖性特征沒(méi)有反映，但對(duì)Q2+3巖性變化特征反映明顯，底界最大埋深約200 m，在剖面末端埋深約100 m。其中的高阻圈閉異常為古河道之反映?；鶐r起伏形態(tài)有明顯的反映，剖面中間段最大埋深約550 m，在剖面末端變淺，埋深300 m左右。

2.2.2平面特征

測(cè)區(qū)北部及西北側(cè)基底較為平緩，以埋深小于450 m為主要特征；測(cè)區(qū)中南部基底起伏較大，埋深最淺小于300 m，局部段最大埋深大于600 m。Q2底界埋深與基底起伏有一致的正相關(guān)特征，但起伏相對(duì)較為平緩，僅局部段埋深最淺小于100 m，最大埋深大于300 m。

2.3 瞬變電磁與地震聯(lián)合勘探剖面

由于KW5線（飛機(jī)場(chǎng)西）補(bǔ)充了瞬變電磁測(cè)深工作，現(xiàn)以該剖面為例進(jìn)行對(duì)比分析。從地震反射波時(shí)間剖面可以看出，有2組反射波同向軸，第1組反射波T1同向軸時(shí)間（雙程）125 ms，反射波界面深度120 m，推測(cè)為Q2 底界面。第2 組反射波T2 同向軸時(shí)間（雙程）在225 ms，地層平均速度1000 m/s，反射波界面深度在225 m，推測(cè)為Q1層內(nèi)一個(gè)彈性界（表2）。

從瞬變電磁測(cè)深斷面視電阻率變化特征來(lái)看，縱向上反映出探測(cè)深度范圍內(nèi)三層地層結(jié)構(gòu)，深度200 m界面推測(cè)為Q2底界面，基巖頂界埋深400 m。

3 空間結(jié)構(gòu)特征

通過(guò)EH-4、淺層地震、瞬變電磁、高密度電法、視電阻率測(cè)深等物探工作詳細(xì)勘查了研究區(qū)內(nèi)第四系結(jié)構(gòu)。西南部山前地帶第四厚度400～500 m，研究區(qū)南部和寨―羊下壩為武北凸起，第四系厚度較小，350 m左右；研究區(qū)東部洪水河附近為坳陷帶，第四系厚度大約在600～700 m；研究區(qū)西北為凹陷帶，第四系厚度500～600 m；研究區(qū)中部第四系400～450 m，從南西向北東，第四系厚度逐漸變小。水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)主體由單一潛水向微承壓―承壓含水層組過(guò)渡，以微承壓―承壓含水層組為主，巖性在山前和研究區(qū)西北部主要為礫卵石、砂質(zhì)礫卵石，研究區(qū)中部主要是砂礫石、粗砂，東北部主要是含礫粗中砂；Q2+Q3底界在山前一般250～300 m，研究區(qū)中部一般160～230 m，東北部一般在100～150 m；Q1厚度300～500 m，在山前和東部凹陷帶厚度較大。

研究區(qū)主要開(kāi)發(fā)利用淺層地下水（120 m以上），淺層含水層在山前主要為砂卵礫石，厚度100 m左右，向研究區(qū)中部、東北部方向含水層粒徑減小，向砂礫石和粗砂過(guò)渡，并且砂礫石層厚度變小，到東北部過(guò)渡為中粗砂、中細(xì)砂。水文地質(zhì)立體結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖9。

4 地下水系統(tǒng)演變的主要控制因素的討論

4.1 地下水系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)

武威盆地南部沖洪積扇帶分布大厚度的第四紀(jì)松散沉積物，這種物理結(jié)構(gòu)特征控制了地下水流動(dòng)系統(tǒng)的空間展布規(guī)律，也同時(shí)控制了地下水系統(tǒng)動(dòng)力場(chǎng)的演變格局[6]。

武威盆地主要的地下水補(bǔ)給來(lái)源是山前洪積扇地表水的入滲；盆地沖洪積扇緣帶地勢(shì)變緩，透水性由強(qiáng)變?nèi)?、地下水流受阻水位升高，地下水以泉的形式排泄；在盆地北端基巖出露，構(gòu)成盆地阻水邊界。這一水資源循環(huán)規(guī)律也是由含水層系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)決定的。

總之，地下水系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)特征決定了整個(gè)地下水系統(tǒng)自然演變過(guò)程和基本規(guī)律，是其他要素發(fā)生作用的基本前提。

4.2 氣候變化

4.2.1降水量的變化

降水量的變化，影響了石羊河的徑流量，從而直接影響對(duì)地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給[7，8]。

30年來(lái)武威盆地降水經(jīng)歷了多—少—多的變化過(guò)程。20世紀(jì)70年代和90年代的降水量分別比平均降水量增加4.2%和1.5%。其中，1977年和1979年降水量分別達(dá)到462.4 mm和462.6 mm，偏多28%，也是整個(gè)流域降水最多的年份。20世紀(jì)80年代的10年中有7年降水偏少。從總體趨勢(shì)看，石羊河流域30年來(lái)表現(xiàn)出降水量減少、蒸發(fā)量增加、氣溫升高的特征。

上述氣候變化過(guò)程，直接影響了石羊河的徑流量。20世紀(jì)50年代石羊河徑流量為6.1×108 m3，到2001年入境只有0.728×108 m3。

武威盆地地下水系統(tǒng)的主要補(bǔ)給來(lái)源是地表水的入滲補(bǔ)給。從歷年觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)可以看出，由于地表水流量的持續(xù)減少和降水量的遞減，近30年來(lái)地下水位下降近20 m，地下水資源危機(jī)越來(lái)越大。

4.2.2氣候變化

氣候變化直接對(duì)地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)條件產(chǎn)生影響，進(jìn)而通過(guò)影響人類水資源利用活動(dòng)改變相關(guān)環(huán)境。

（1）改變了地下水系統(tǒng)的動(dòng)力條件。對(duì)于內(nèi)陸地區(qū)，地下水主要排泄是河流、湖泊濕地和泉，氣候變化導(dǎo)致地表水補(bǔ)排關(guān)系改變。

（2）含水層系統(tǒng)儲(chǔ)存的變化。由于相對(duì)短的時(shí)間尺度，氣候變化將很大程度上影響淺部含水層，相反，深含水層增加了對(duì)氣候變化影響的緩沖，但是對(duì)地下水儲(chǔ)存則產(chǎn)生很大影響。

（3）地下水系統(tǒng)水質(zhì)變化。人類造成的污染物質(zhì)（尤其是農(nóng)業(yè)污染）滯留于地表或土壤中，在下雨的時(shí)候，大量的污染物質(zhì)隨降水入滲到地下水，致使地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)增大。

（4）地質(zhì)環(huán)境惡化。氣候和地下水之間關(guān)聯(lián)的最重要環(huán)節(jié)是對(duì)地表水和土地的影響。干旱期間加大抽取地下水引起的水位下降會(huì)導(dǎo)致含水層介質(zhì)的壓實(shí)效應(yīng)，最終導(dǎo)致地面下沉、土地荒漠化、綠洲退縮等。

4.3 人類活動(dòng)

（1）研究區(qū)地下水位除受山區(qū)河流來(lái)水量周期性影響而有所波動(dòng)外，主要受人為活動(dòng)的影響。

（2）水資源需求增大，地下水開(kāi)采量逐年增大。加上水資源利用不合理，管理不到位，地下水超采嚴(yán)重等，即使通過(guò)節(jié)約挖潛和繼續(xù)超采地下水仍不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)用水要求。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)開(kāi)展一系列物探工作，探測(cè)了第四系地層結(jié)構(gòu)、基巖埋藏深度、基底起伏及Q1、Q2底界埋深等問(wèn)題，勾畫了地下水系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)展布特征。

（2）揭示了地下水系統(tǒng)演變的主要控制因素是水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、氣候變化和人類活動(dòng)。

（3）減緩地下水系統(tǒng)劣變主要應(yīng)遵循自然規(guī)律，以涵養(yǎng)地下水為主，同時(shí)加強(qiáng)水資源的科學(xué)管理，加強(qiáng)節(jié)水工程的實(shí)施。

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