地下水库基本特征管理论文

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黄河是中国西北、华北地区的主要水资源，是北方地区最大的供水水源。对促进该地区社会可持续发展起着重要的作用。20世纪70年代以来，黄河下游不断出现断流。直接威胁河南省的濮阳、开封、新乡、郑州等城市和黄灌区的供水安全[1]。与此同时，由于黄河中上游矿业、工业、农业和生活废污水的大量排入，使黄河干支流的水质污染日益严重，生态环境恶化，加剧了华北地区水资源的危机。20世纪70年代末，年排入黄河废污水约185亿t，到20世纪90年代初增至32.6亿t，1998年干流三门峡以上河段为Ⅴ类水质，以下为Ⅳ类[2]。近年来，黄河下游突发性水污染事件频频发生，使得本来就十分严重的水资源形势更是雪上加霜。黄河从郑州的桃花峪进入下游，至山东的利津入海口，主河道长768km，其中河南省段长345km。下游堆积了巨厚的松散沉积物，形成黄河冲积扇。从黄河冲积扇顶部的漂石、卵砾石与砂混杂堆积逐渐过度为中砂、细砂与粉土互层堆积，构成了巨大的地下水库。河床、滩区及两岸影响带，均为近代黄河堆积的多孔介质地层，地表水与地下水库水力联系密切，同时，黄河下游为著名的地上悬河，黄河水位高出两岸平原区地下水水位3～8m，在其影响带开发地下水有利于地表水的补给，同时避开了水质污染，水源工程处理费用将大大降低。

基于上述思考，本文系统研究了黄河影响带水文地质条件和地下水资源，对地下水库的调蓄条件、类型、各库的总库容、调节库容进行了初步探讨。

1黄河影响带地下水系统特征及资源概况

根据地下水埋藏条件、水动力特征和开采条件，将研究区内松散岩类孔隙水分为2个含水层组；浅层含水层组（Q4、Q3），深层含水层（Q2、Q1和N2上部）。

1.1浅层含水层特征及其富水性浅层含水层的底板埋深从西向东，呈现浅到深再到浅的变化趋势（表1）。

表1浅层含水层底板埋深

地区

底板埋深

地区

底板埋深

武陟县

原阳县

开封县

45～69m

约100m

130～140m

封丘县

长垣县

濮阳县

74～101m

110m

80～120

武陟县浅层含水层底板埋深45～69m，原阳县100m左右，封丘县74～101m，长垣县95～110m，濮阳80～120m，郑州65～80m，开封县最深达130～140m；岩性颗粒由小到大再到小的趋势，在原阳县一带，颗粒最粗，砂层渗透系数最大。沉积物的特点：上部除地表黄河故道颗粒较粗以外，其它均为弱透水的粉土、粉土、粉质粘土互层及粉砂层等。下部砂、中粗砂、中细砂、细砂层，构成了上细下粗典型的“二元结构”和粗、细相间的“多元结构”。由于受黄河摆动时间长短的影响，使主流带和泛流带相间分布。主流带含水砂层粒度粗、厚度大，泛流带粒度稍细、厚度也较小。纵向变化，自上游至下游（自西向东）厚度逐渐变薄、层数由少逐渐变多、粒度逐渐由粗变细。横向变化，由主流带向两侧至泛流带，厚度由厚略有变薄，颗粒由粗略有变细。由于含水砂层的厚薄和粒度粗细的不同，显示出富水性也各有差异。根据研究区的具体情况，采用降深5m时的单井出水量作为富水性分区的依据，可将研究区划分为强富水、富水、中等富水3个区（图1）。(1)强富水区（单井涌水量3000～5000m3/d）：分布于黄河冲积主流带（主要为原阳县境内），含水层岩性以细砂、中砂、中细砂、粗砂为主，多夹小砾石，渗透系数20～50m/d；分布于濮阳县境内沿金堤河一带（岳新庄-东八里庄-东巴河-柳屯），为黄河古河道，渗透系数15～25m/d。（2）富水区（单井涌水量1000～3000m3/d）：分布于研究区内的广大地区，含水层主要由细砂、粉砂组成，局部有中砂分布，渗透系数8～15m/d。（3）中等富水区（单井涌水量500～1000m3/d）：多呈条带状分列于黄河南北两侧，黄河北为东北向排列，黄河南为东南向排列。含水层岩性主要以细砂、粉砂为主，渗透系数5～8m/d。

1.2深层含水层特征及其富水性深层含水层组由中更新统下段冲积、下更新统和上第三系上部湖积砂层组成，含水层岩性以细砂、粉砂为主，砂层与粉质粘土、粘土呈互层状。因其成因类型不同，砂层厚度有较大的差异，武陟县境内含水层底板埋深300m左右，砂层厚度100～170m，岩性为中细砂、粉细砂，渗透系数8～15m/d，强富水，单井涌水量>3000m3/d。原阳县境内，含水层的分布和黄河故道变迁有着密切的关系，黄河故道主流带上，砂层厚，岩性粗，富水性较好，以细砂为主，泛流带砂层薄，岩性较主流带细，变为中等富水；单井涌水量1000～3000m3/d。封丘县境内，含水层底板埋深340～412m，岩性以细砂、粉砂为主，总厚度50～110m，渗透系数2～10m/d，区域上富水性有由西向东变差的趋势。长垣县境内底板埋深500m左右，总厚度大于60m。在濮阳境内，含水层底板埋深在260～450m，岩性为中细砂、粉细砂，厚度60m，单井涌水量1500～2500m3/d。郑州境内，深层含水层顶板埋深50～100m，底板埋深300～380m。单井涌水量1000～2000m3/d;含水层岩性主要为中砂、中细砂、中粗砂，局部为砂砾石层，厚度一般为50～100m。开封境内含水层底板埋深200～450m，中牟以北至开封一带，砂层厚度40m，单井涌水量大于2500m3/d。由中牟大孟至开封半坡店，砂层厚度25～35m，单井涌水量1500～2500m3/d，渗透系数4～7m/d。

1.3地下水资源概况黄河影响宽度在黄河南岸20km以内，在黄河北岸为13～26km，循环深度小于350m。黄河下游河南段天然状态下总侧渗量枯水年份约2.5亿m3，平水年3.3亿m3，丰水年4.5～5.1亿m3。浅层含水层多年平均地下水资源补给量28.35亿m3/年，平均补给模数为29.20万m3/km2·年。在75%保证率下，浅层地下水补给资源量为26.08亿m3/年，平均补给模数为26.86万m3/km2·年，分别比多年平均值减少了2.63亿m3/年，2.41万m3/km2年。在现状水资源开发利用条件不发生很大变化的前提下，浅层地下水可开采资源量为19.41亿m3/年，占多年平均补给资源量的62.30%，平均可开采资源模数为19.99万m3/km2。浅层水储存量为522.41亿m3，深层弹性释水量为7.07亿m3，允许开采量24.64亿m3/年，平均允许开采资源模数为25.35万m3/km2·年。

2黄河影响带系统地下水库类型及其特征

根据研究区地下水环境地质条件，地下水库划分为滩地型、背河洼地型、决口扇型及复合型4类（见表2）。

表2各类地下水调蓄库

分类

调蓄库位置

调节方式

面积/km2

总库容/万m3

调节库容/万m

滩地型

原阳县官厂-包厂

长垣县总管-芦岗

中牟县东漳

开封袁坊-刘店

荥阳市王村滩

温县黄河滩

黄河水入渗

降水入渗

100

50

120

200

40

50

170950

65475

129900

175000

43600

63000

40950

20475

45900

75000

15600

23000

背河洼地型

原阳县祝楼-原武

封丘县荆隆宫

濮阳李子园

濮阳习城-徐镇

渠渗补给

黄河水入渗

降水入渗

100

50

80

80

170950

65475

91200

79200

40950

20475

25200

25200

决口扇型

中牟县赵口-东吴

引黄渠渗

退水回渗

降水入渗

100

109000

39000

复合型

郑州市北郊

黄河水入渗

降水入渗

灌溉回渗

357

294646

140551

2.1滩地型黄河桃花峪之下，左右两岸大堤间距一般大于10km，在大堤与河体间分布有宽1.5～6.5km的河漫滩，地表岩性以粉土为主。在有利地段含水层厚度大、颗粒粗，可作为地下水调蓄库。其含水层由上更新统、全新统中砂、中细砂，局部为中粗砂含砾组成。含水层厚度在原阳滩地最大，达80m；其它地段最薄处也有50m，渗透系数一般在10～25m/d，单井涌水量大于3000m3/d，地下水化学类别为HCO3型，矿化度为0.5～1.0g/l。滩地段调蓄库，具有地下水库容大，对农业、渔业和生态环境影响小，有利于黄河水转化和大气降水入渗补给，水交替速度快等特点。是最为理想的调蓄库。

2.2背河洼地型背河洼地分布于大堤背河侧，呈条带沿大堤分布，为筑堤取土和黄河背堤侧渗所致，表现为微凹的负地形，部分积水，在古河道经过的地段，含水层厚度大、颗粒粗，可作为良好的地下水调蓄库。该类型主要分布于黄河北岸，原阳、封丘一带，含水层岩性为上更新统、全新统中砂、中细砂，渗透系数10～25m/d，单井涌水量3000m3/d左右；濮阳一带含水层岩性为上更新统、全新统细砂、粉砂，单井涌水量1500～2000m3/d。地下水补给除大气降水外，引黄灌溉回渗和黄河“居高临下”的侧渗也是重要的补给来源。补给源丰富，水位埋藏浅、径流不畅，地下水主要以蒸发形式排泄。运用此类地下水库进行调蓄，地下水位的适当降低，可以减轻或消除土壤盐渍化对农业的危害，减轻黄河大堤地震液化灾害，对大堤安全有利。

2.3决口扇型中牟县赵口-东吴之间，为黄河多次决口扇区，地表沙丘起伏、农业开采量小，北部有赵口引黄渠及原运粮河，地势低洼，积水严重，有利于地下水的入渗。引黄灌溉期，灌溉退水多汇集于此，补给水源充沛。含水层岩性为上更新统、全新统的中砂，厚度50m，是有较大调蓄空间，是建立地下水调蓄库的理想场所。此区域降低地下水位对农业影响较小，但对中牟县人工湿地有影响。可作为季节性地下水调蓄库。

2.4复合型郑州北郊位于黄河漫滩和背河洼地带、同时此段也存在多期决口扇，底板埋深80m以上的浅层含水层，由上更新统、全新统中砂、细砂、中粗砂组成，厚度30～50m，空间展布稳定，透水性好，水量丰富，近河地带单井涌水量大于3000m3/d，与黄河水力联系密切，补给强烈，同时还接收大气降水和引黄灌溉回渗的补给，属复合型地下水库。有计划的利用调节库容，可以扩大水源地开采规模，不会造成地下水资源枯竭，黄河滩地中抽水淤堤形成的坑塘、低洼带较多，可以用来人工补源，增加地下水资源量。该地下水库距郑州市区不足20km，具有良好的开发利用前景。

3地下水库保护

黄河影响带岸边地下水开发利用有许多优点，但对地质环境的影响不容忽略。如黄河两岸地下水埋藏浅，种植业、渔业发达，地下水开采可能造成沿黄地带湿地萎缩，土地沙化、渔塘水渗漏加剧，从而对生态环境和农、渔业产生影响等。地下水库的兴建，可以缓解和避免以上主要环境地质问题的发生，但拟建水库区实施过程中可能发生一些新的负面环境效应，尤其是地下水库区的污染源及产生污染的潜在危险[3]。因此，需对地下水库实施保护：(1)在黄河影响带拟建地下水库时，要特别注意水环境状况，应坚持与水源地开发保护相结合，与湿地保护相结合，与悬河治理相结合；(2)建立水源地和地下水库保护区，在保护区内禁止向地表水体排放任何超标污水，保护区内的污染企业应搬迁至区外，不得设置粪坑、垃圾堆等污染源，不得破坏深层土体，消除一切可能导致地下水受到污染的因素；(3)黄河大堤之下及其两侧、浅层分布有全新世粉土、淤泥质土、粉细砂以及决口口门等、地下水开采、水位下降可能会造成地面沉降，从而危胁大堤的安全。实践证明，水源地开采井距黄河大堤的距离应大于1000m；(4)应加强水库补给水源的监测，建立环境质量监测系统，对沿黄地段及地下水库周边的环境进行监测，及时了解黄河水质的变化情况，制定预防和解决补给水源污染的方法和措施。

参考文献：

［1］刘昌明，等.黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理研究和进展［M］.郑州：黄河水利出版社，2001.

［2］王留荣.黄河是中国心腹之患［A］.安芷生.黄土黄河黄河文化［M］.郑州.黄河水利出版社，1998.

［3］楮恒晔，等.吉林省地下水开发的另一途径——地下水库的开发利用［J］.吉林地质，2000，19(3)：65-70.收稿日期：2002-04-17

基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(G19990436)、中国地调局Ⅰ类项目(199916000118)、河南省发展计划科技攻关项目(2000)2号001190109项联合资