內(nèi)蒙古呼和浩特市表層沉積物包氣帶垂向滲透特征淺析

［摘要］野外滲水試驗較室內(nèi)試驗精度高，更接近實際情況，簡便易行和經(jīng)濟成本低而在包氣帶巖層參數(shù)的求取中占有重要地位，也是野外測定包氣帶巖性滲透系數(shù)的簡易方法，本次采用雙環(huán)滲水試驗法，對研究區(qū)內(nèi)82處不同地貌，不同地層的沉積物進行試驗，計算滲透系數(shù)，確定沉積物巖性，分析包氣帶垂向滲透特征，合理區(qū)劃，為呼和浩特市城市功能劃分提供依據(jù)。

［關(guān)鍵詞］呼和浩特市；表層沉積物；包氣帶垂向滲透；滲透系數(shù)；雙環(huán)滲水試驗

滲水實驗是還原野外降水入滲補給地下水過程，由大氣水→土壤水→地下水相互轉(zhuǎn)換關(guān)系中最重要、最基本的環(huán)節(jié)之一[1]，降水入滲補給系數(shù)是淺層地下水資源評價的基本參數(shù)，降水入滲補給是整個水資源調(diào)查研究工作中的基礎(chǔ)工作，不僅具有理論上的意義，而且更貼合實際，還原野外實際地質(zhì)情況，本次采用雙環(huán)滲水試驗法，通過試驗，計算滲透系數(shù)，地層巖性比對滲透特征，依據(jù)滲透系數(shù)進行詳細區(qū)劃，對呼和浩特市的表層沉積物包氣帶垂向滲透特征進行分析。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于呼和浩特市南，調(diào)查面積約1207.42 km2，區(qū)內(nèi)交通便利，金盛快速路與209國道平行經(jīng)過研究區(qū)，與和林格爾新區(qū)連接，呼包鄂城市綜合地質(zhì)調(diào)查項目為落實呼包鄂榆城市群主體功能定位，推進要素聚集，按照城鄉(xiāng)融合的空間布局，通過本次調(diào)查，為呼和浩特市城市的發(fā)展功能劃分提供依據(jù)。

2 地形、地貌特征

2.1 地形

研究區(qū)位于大青山前坡，東部被蠻汗山環(huán)抱，南部與和林格爾臺地相接，盆地三面環(huán)山，呈簸箕狀向西南敞開，地勢東北高、西南低，坡度介于3‰～5‰，山區(qū)最高山峰海拔2246 m，盆地平均海拔約1052 m。

2.2 地貌

呼和浩特市北部為大青山山前沖洪積扇，東部為丘陵，南部為臺地，中西部為沖洪積平原，本區(qū)地貌按成因類型可分為侵蝕堆積地形和堆積地形（圖1）。

2.2.1 丘陵（I1）

a.基巖丘陵（I1a）

基巖丘陵位于黃合少鎮(zhèn)西北部，主要為新近系紅、磚紅色砂質(zhì)泥巖、砂礫巖，局部為太古代深變質(zhì)巖；最高海拔約1203 m。

b.黃土坡狀丘陵（I2b）

黃土坡狀丘陵廣泛分布于榆林鎮(zhèn)、保合少鄉(xiāng)、黃合少鎮(zhèn)之間低山-基巖丘陵的外緣，為晚更新世風成砂黃土和黃土狀土，偶夾坡洪積砂碎石薄層楔形體，構(gòu)成了低山-基巖丘陵外圍的坡地，坡角2°～10°，海拔高程1120～1200 m，溝谷較多，以黃土梁峁為地貌主體。

2.2.2 湖積臺地（I2）

湖積臺地分布于大黑河平原東南部與南部，臺緣大致沿二道凹—代州夭—氈匠營—托克托縣城北一線斷續(xù)出現(xiàn)，臺面侵蝕破壞嚴重，極不完整，由中晚更新世黃綠色較致密粉細砂和砂粘土，粘砂土交互而成，臺面多沖溝和干谷，臺面海拔高程由東向西分別為1050～1140 m、1025～1140 m、1000～1140 m，一般高出平原3～10m，臺面微起伏，略向北傾斜，坡降3‰～7‰。

2.2.3 山前傾斜平原（II1）

山前傾斜平原分布于平原區(qū)北部大青山山前，呈帶狀，又分為沖積洪積扇裙帶和沖積湖積扇洼地帶。

a.沖積洪積扇裙帶（II1a）

沖積洪積扇裙帶呈帶狀分布于大青山山前，由各溝谷的近代沖積，洪積扇相連成裙，由晚更新世以來的沖積洪積砂，砂礫石，砂礫卵石組成，中夾薄層砂粘土、粘砂土，具上粗下細韻律。海拔1100～1180 m，扇體規(guī)模大小不一。

b.沖積湖積扇洼地帶（II1b）

沖積湖積扇洼地帶呈帶狀，東西分布于沖積、洪積扇裙帶南側(cè)，前端與大黑河沖湖積平原銜接，由于地處兩大平原之交接帶，沉積物多為上更新世至全新世深色細粒粉砂、砂粘土、黏砂土及淤泥質(zhì)土，局部地段夾湖沼相泥炭層，地勢低平，海拔900～1000 m.

2.2.4 大黑河沖湖積平原（II2）

大黑河沖湖積平原是區(qū)內(nèi)主要地貌類型，分為沖洪積河谷帶和大黑河沖積湖積平原。

a.大黑河沖洪積河谷帶（II2a）

沖洪積河谷帶分布于大黑河沖湖積平原中部的大小黑河、什拉烏素河與和林格爾河等河流、溝谷地帶，由寬0.1～1.6 km的河床及漫灘組成；屬現(xiàn)代季節(jié)性河流沖積層，巖性自上而下由砂礫卵石、砂礫石漸變?yōu)樯?、黏砂土，具上粗下細的二元結(jié)構(gòu)，厚約5～8 m，最大厚度20 m，河谷較平坦，有零星出落的心灘，多蛇曲河床坡降1‰～3‰。

b.大黑河沖積湖積平原（II2b）

大黑河沖積湖積平原位于哈素海退水渠以東，扇前洼地以南，湖積臺地以北，由上更新世至全新世的古大黑河沖積和河湖交混沉積層組成，巖性為砂、砂礫石、粘砂土、砂粘土與淤泥質(zhì)土互層，厚度30～150 m，東薄西厚，下部為中更新世薄積淤泥質(zhì)土、中夾砂、礫砂和砂礫石，地形較平坦，略向西南傾斜，坡降1‰～4‰，海拔990～1130 m，西部部分地段較低。

3 水文地質(zhì)條件

3.1 含水層分布特征

區(qū)內(nèi)地下水賦存介質(zhì)分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水、基巖裂隙水三大類，受地形、地貌、巖性和構(gòu)造特征的控制，各含水巖組的富水性、水化學成分、水動力特征和埋藏條件有所不同。

3.1.1 松散巖類孔隙水

a.第四系上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)含水組

上更新統(tǒng)至全新統(tǒng)含水組分布廣泛而穩(wěn)定，總的規(guī)律受地形影響，由邊緣的沖洪積、沖積砂礫卵石、砂礫石至湖盆內(nèi)漸變?yōu)闆_湖積礫砂、中粗砂、中細砂、細粉砂，山前扇裙帶沖洪積砂礫卵石由上部至中前緣，由扇軸至扇間逐漸變細，且粘性土夾層增多，平原內(nèi)部由湖濱帶—淺湖帶，含水組成因均可歸屬沖湖積的混合類型，總體分布為湖盆邊緣的徑流良好，粗粒厚層含水組水量豐富，湖盆內(nèi)至湖心帶，水量不大，主要因素受沉積粒序影響，沉積物粒細，導(dǎo)致徑流不暢，大青山前地帶，屬于水量豐富和較豐富地段，東部河谷地帶也是平原內(nèi)的富水區(qū)，沉積粒序為礫砂、中粗砂漸變?yōu)榧氈猩啊屑毶爸练奂毶啊毞凵啊凵?，多含半承壓—承壓水，僅在局部古河道附近零星可見潛水—微承壓水，在湖盆內(nèi)部以薄層狀和透鏡體出現(xiàn)，該含水組水量與厚度、巖性、徑流強弱有關(guān)。

b.第四系中更新統(tǒng)下段含水組

第四系中更新統(tǒng)下段含水組在呼包平原內(nèi)分布普遍，北部大青山山前近濱帶地層巖性以砂、礫、卵石為主，遠濱帶含水層中含淤泥質(zhì)、粘土互層，東部格此老大黑河古湖濱三角洲淺湖帶為礫卵石、砂礫石、礫砂和中粗砂，由淺湖帶至湖心帶、沉積物粒度逐漸變細，中砂、中細砂、細砂、粉細砂、粉砂，呈薄層狀夾于巨厚的淤泥質(zhì)土層中。

3.1.2 碎屑巖類裂隙孔隙水（孔隙裂隙水）

a.新近系中上新統(tǒng)裂隙孔隙、孔隙裂隙含水組

分布于呼包平原東南部、東北部和南部湖積臺地地區(qū)，含水組巖性多為砂礫巖，屬裂隙孔隙水，受泥質(zhì)成分控制，含水層厚度變化較大，東南部在該層下部見1-3層玄武巖，屬孔隙裂隙水，均屬承壓水，該含水組厚度不穩(wěn)定，主要因素為該含水層多被泥質(zhì)充填，受泥質(zhì)成分影響，由于上覆泥巖的厚度和致密性不一，導(dǎo)致承壓性強弱不同，東北部承壓性弱，東南部和南部較強，水量與其相關(guān)。

b.白堊系下統(tǒng)裂隙孔隙水含水組

該含水組位于南部湖積臺地中后緣，含水層巖性為砂礫巖、中粗砂巖、中細砂巖和細砂巖，工程揭露厚度404 m內(nèi)斷續(xù)分布砂礫巖、砂巖，但含水層主要賦存于200 m內(nèi)，含裂隙孔隙承壓水，含水組厚一般在32.11～112.01 m，水位3.41～41.00 m。

c.侏羅系上統(tǒng)裂隙孔隙含水組

僅在東北部揭露，含水組巖性均為被高嶺土充填的砂礫巖，頂板由東北向西南傾斜，埋深80.13～288.89 m，含微弱的裂隙孔隙水。

3.1.3 太古界集寧群基巖裂隙含水組

廣泛分布于東部丘陵區(qū)，巖性為灰色花崗片麻巖及黑色角閃片麻巖，富水性不穩(wěn)定，地下水埋藏較深，水質(zhì)好，礦化度小于1g/L。

3.2 地下水補給、排泄

地下水補給主要接受山區(qū)地下水的側(cè)向徑流補給，主要以河谷和溝谷潛流補給平原區(qū)，在呼和浩特盆地周邊存在有規(guī)模不等的數(shù)十條溝谷，溝谷內(nèi)第四系砂卵礫石，厚度幾米到十幾米不等，山區(qū)地下水匯集到溝谷第四系砂礫石層后通過潛流補給盆地，形成潛水含水層，溝谷中潛流地下水水位高于盆地中地下水水位，溝谷潛流以“跌水”形式補給盆地地下水，區(qū)內(nèi)三面環(huán)山，潛水從山前向平原區(qū)徑流，在淤泥質(zhì)粘土層形成隔水層，然后以側(cè)向徑流形式分別補給淺層地下水和深層承壓地下水。

地下水主要排泄除方式為側(cè)向徑流排泄和人工開采。

3.3 地下水動態(tài)

呼和浩特市位于大青山山前沖洪積傾斜平原，地下水開采強度大，城區(qū)集中供水水源地呈東西向分布，共148眼井。至2017年，區(qū)內(nèi)深層承壓地下水動態(tài)類型為開采型；淺層地下水大部分區(qū)域疏干，唯一的補給源是局部地區(qū)的大氣降水，整個研究區(qū)地下水動態(tài)受人類經(jīng)濟活動的增強而有著較大的變化，區(qū)內(nèi)二十世紀六十年代以前，地下水屬于天然動態(tài)類型，影響地下水動態(tài)的因素為降水和蒸發(fā)，近幾年來，影響地下水動態(tài)的主要因素為人工開采。

4 包氣帶垂向滲透分布特征

4.1 試驗方法

本次試驗采用雙環(huán)滲水試驗法，通過保持固定水頭高度向試坑注水，量測滲入土層的水量，在野外現(xiàn)場測定包氣帶非飽和巖層滲透系數(shù)[1]，具體試驗步驟為：先除去表土，在坑底嵌入兩個高25 cm，直徑分別為0.50 m 和0.25 m 的鐵環(huán)，且鐵環(huán)須壓入土層5 cm以上，試驗時同時往內(nèi)、外鐵環(huán)內(nèi)注水，并保持內(nèi)外環(huán)的水柱都保持在同一高度[2]，控制在10 cm以內(nèi)，水面高度包括環(huán)底鋪礫厚度在內(nèi)，注水以秒表計時，人工量杯定量加注的方式，試驗開始，按第1、3、5、10、20、30 min進行觀測，以后每隔30 min觀測記錄一次注水量讀數(shù)，并描繪滲水量-時間（v-t）曲線，連續(xù)兩次觀測流量之差不大于5%時，結(jié)束試驗，最后按穩(wěn)定時的水量計算表土的垂向滲透系數(shù)，滲透系數(shù)計算公式為：K=QL／F（H'k+Z+L）。

4.2 試驗結(jié)果

通過按不同地貌，不同地層[3]、對表層沉積物巖性測試取得包氣帶垂向滲透系數(shù)82處，按數(shù)值分區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，即Ⅰ=0.11～0.5 m／d，試驗21處，圈閉5處，Ⅱ=0.51～1.0 m／d，試驗25處，圈閉1處，Ⅲ=1.01～2.0 m／d，試驗36處，圈閉2處（圖2）。

4.3 滲透系數(shù)區(qū)劃特征

研究區(qū)垂向滲透受地形，地貌，巖性嚴格控制，地形總體呈北東高，西南低的山前傾斜平原，地貌類型由北東的湖積臺地向沖洪積河谷帶、沖積湖積扇洼地帶過渡，不同地貌沉積不同沉積物；沖湖積平原，湖積臺地，沉積物以粉質(zhì)粘土為主，滲透性差；滲透系數(shù)區(qū)為Ⅰ型，大黑河沖積湖積平原，沖洪積河谷帶，沉積物受地形控制由粉質(zhì)粘土向粉土過渡，滲透性中等，滲透系數(shù)區(qū)為Ⅱ型，沖積湖積扇洼地帶，沉積物受地形控制，由粉土向粉砂過渡，滲透性較好，滲透系數(shù)為Ⅲ型，見（圖3），詳細特征如下：

（1）Ⅰ區(qū)圈閉5處，即Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5，圈閉面積148.84 km2，表層沉積物巖性以粉質(zhì)粘土為主，較致密，稍干，透水性差，見（圖4）。

Ⅰ-1，分布于添密灣北西，呈帶狀，試驗點2處，控制面積6.43 km2，地貌類型為大黑河沖湖積平原（II）、大黑河沖積湖積平原（II2b），表層沉積物為黃褐色粉質(zhì)粘土，滲透系數(shù)0.384。

Ⅰ-2，分布于討爾號村北西，呈透鏡狀，試驗點2處，控制面積7.68 km2，地貌類型為大黑河沖積湖積平原（II），沖洪積河谷帶（II2a），表層沉積物為灰褐色粉質(zhì)粘土，最大滲透系數(shù)0.096，最小滲透系數(shù)0.01。

Ⅰ-3，分布于西達賴營，呈湖島狀，試驗點8處，控制面積96 km2，地貌類型為大黑河沖湖積平原（II）、大黑河沖積湖積平原（II2b），表層沉積物以灰色粉質(zhì)粘土為主夾土黃色粉土，最大滲透系數(shù)0.48，最小滲透系數(shù)0.048。

Ⅰ-4，分布于沙爾營，透鏡狀，試驗點3處，控制面積9.93 km2，地貌類型為大黑河沖積湖積平原（II），沖洪積河谷帶（II2a），表層沉積物為黃褐色粉質(zhì)粘土夾黃褐色粉砂，最大滲透系數(shù)0.288，最小滲透系數(shù)0.048。

Ⅰ-5，分布于巧爾什營南，呈湖島狀，試驗點6處，控制面積28.8 km2，地貌類型為湖積臺地（I2），表層沉積物以黃褐色粉質(zhì)粘土為主，夾灰色粉砂土，最大滲透系數(shù)0.346，最小滲透系數(shù)0.048。

（2）Ⅱ區(qū)圈閉1處，試驗點25處，研究區(qū)大面積分布，圈閉面積535.68 km2，地貌類型為大黑河沖湖積平原（II）、大黑河沖積湖積平原（II2b），表層沉積物以黃褐色粉砂為主，夾少量黃褐色粉土，稍干，較松散，最大滲透系數(shù)0.95，最小滲透系數(shù)0.576，見（圖5）。

Ⅰ區(qū)滲透速度歷時曲線

（3）Ⅲ區(qū)2處，Ⅲ-1、Ⅲ-2，試驗點36處，圈閉面積522.9 km2，表層沉積物巖性以粉砂為主，稍干，松散，透水性較好，見（圖6）。

Ⅲ-1，分布于研究區(qū)北部，呈湖積扇分布，試驗點19處，圈定面積362 km2，地貌類型為山前傾斜平原（II），沖積湖積扇洼地帶（II1），表層沉積物為土黃色、黃褐色粉砂、粉土為主，最大滲透系數(shù)2.928，最小滲透系數(shù)1.104。

Ⅲ-2，分布于研究區(qū)東南部，呈湖島狀，試驗點17處，控制面積160.9 km2，地貌類型為湖積臺地（I2），大黑河沖積湖積平原（II），沖洪積河谷帶（II2a），表層沉積物為土黃色、淺黃色粉砂，最大滲透系數(shù)2.016，最小滲透系數(shù)1.056。

5 結(jié)論

（1）對呼和浩特市包氣帶垂向滲透系數(shù)進行詳細分區(qū)，進一步為呼和浩特市城市功能劃分提供依據(jù)。

（2）呼和浩特市包氣帶垂向滲透系數(shù)區(qū)劃受地貌、巖性控制，不同地貌沉積的不同沉積物與滲透性有直接關(guān)系，沉積物顆粒越細，滲透系數(shù)越小[4]，孔隙度越小。

（3）研究垂向滲透特征，為區(qū)內(nèi)建設(shè)水源地提供依據(jù)。

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