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黃河下游影響帶地下水庫的基本特征
黃河下游影響帶地下水庫的基本特征 摘要:本文論述了黃河下游影響帶(河南段)的水文地質特征,根據(jù)含水層的結構劃分為淺層和深層含水層組,并給出了研究區(qū)地下水補給資源量和可開采資源量。黃河影響帶含水層具有巨大的儲水空間和良好的調節(jié)能力,是一巨大的地下水庫。本文將地下水庫劃分為灘地型、背河洼地型、沖積扇型和復合型4種類型,并分別論述了各類地下水庫的分布、補給特點和調蓄能力,提出了12處地下調蓄水庫的有利地段,初步計算地下水庫總庫容為139.54億m3,調節(jié)庫容51.23億m3,最后論述了地下水庫開發(fā)和保護措施。
關鍵詞:黃河影響帶 地下水庫 庫容 調節(jié)庫容
黃河是中國西北、華北地區(qū)的主要水資源,是北方地區(qū)最大的供水水源。對促進該地區(qū)社會可持續(xù)發(fā)展起著重要的作用。20世紀70年代以來,黃河下游不斷出現(xiàn)斷流。直接威脅河南省的濮陽、開封、新鄉(xiāng)、鄭州等城市和黃灌區(qū)的供水安全[1]。與此同時,由于黃河中上游礦業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活廢污水的大量排入,使黃河干支流的水質污染日益嚴重,生態(tài)環(huán)境惡化,加劇了華北地區(qū)水資源的危機。20世紀70年代末,年排入黃河廢污水約185億t,到20世紀90年代初增至32.6億t,1998年干流三門峽以上河段為Ⅴ類水質,以下為Ⅳ類[2]。近年來,黃河下游突發(fā)性水污染事件頻頻發(fā)生,使得本來就十分嚴重的水資源形勢更是雪上加霜。黃河從鄭州的桃花峪進入下游,至山東的利津入�？�,主河道長768km,其中河南省段長345km。下游堆積了巨厚的松散沉積物,形成黃河沖積扇。從黃河沖積扇頂部的漂石、卵礫石與砂混雜堆積逐漸過度為中砂、細砂與粉土互層堆積,構成了巨大的地下水庫。河床、灘區(qū)及兩岸影響帶,均為近代黃河堆積的多孔介質地層,地表水與地下水庫水力聯(lián)系密切,同時,黃河下游為著名的地上懸河,黃河水位高出兩岸平原區(qū)地下水水位3~8m,在其影響帶開發(fā)地下水有利于地表水的補給,同時避開了水質污染,水源工程處理費用將大大降低。
基于上述思考,本文系統(tǒng)研究了黃河影響帶水文地質條件和地下水資源,對地下水庫的調蓄條件、類型、各庫的總庫容、調節(jié)庫容進行了初步探討。
1 黃河影響帶地下水系統(tǒng)特征及資源概況
根據(jù)地下水埋藏條件、水動力特征和開采條件,將研究區(qū)內(nèi)松散巖類孔隙水分為2個含水層組;淺層含水層組(Q4、Q3),深層含水層(Q2、Q1和N2上部)。
1.1 淺層含水層特征及其富水性 淺層含水層的底板埋深從西向東,呈現(xiàn)淺到深再到淺的變化趨勢(表1)。
表1 淺層含水層底板埋深
地區(qū)
底板埋深
地區(qū)
底板埋深
武陟縣
原陽縣
開封縣
45~69m
約100m
130~140m
封丘縣
長垣縣
濮陽縣
74~101m
110m
80~120
武陟縣淺層含水層底板埋深45~69m,原陽縣100m左右,封丘縣74~101m,長垣縣95~110m,濮陽80~120m,鄭州65~80m,開封縣最深達130~140m;巖性顆粒由小到大再到小的趨勢,在原陽縣一帶,顆粒最粗,砂層滲透系數(shù)最大。沉積物的特點:上部除地表黃河故道顆粒較粗以外,其它均為弱透水的粉土、粉土、粉質粘土互層及粉砂層等。下部砂、中粗砂、中細砂、細砂層,構成了上細下粗典型的“二元結構”和粗、細相間的“多元結構”。由于受黃河擺動時間長短的影響,使主流帶和泛流帶相間分布。主流帶含水砂層粒度粗、厚度大,泛流帶粒度稍細、厚度也較小�？v向變化,自上游至下游(自西向東)厚度逐漸變薄、層數(shù)由少逐漸變多、粒度逐漸由粗變細。橫向變化,由主流帶向兩側至泛流帶,厚度由厚略有變薄,顆粒由粗略有變細。由于含水砂層的厚薄和粒度粗細的不同,顯示出富水性也各有差異。根據(jù)研究區(qū)的具體情況,采用降深5m時的單井出水量作為富水性分區(qū)的依據(jù),可將研究區(qū)劃分為強富水、富水、中等富水3個區(qū)(圖1)。(1)強富水區(qū)(單井涌水量3000~5000m3/d):分布于黃河沖積主 流帶(主要為原陽縣境內(nèi)),含水層巖性以細砂、中砂、中細砂、粗砂為主,多夾小礫石,滲透系數(shù)20~50m/d;分布于濮陽縣境內(nèi)沿金堤河一帶(岳新莊-東八里莊-東巴河-柳屯),為黃河古河道,滲透系數(shù)15~25m/d。(2)富水區(qū)(單井涌水量1000~3000m3/d):分布于研究區(qū)內(nèi)的廣大地區(qū),含水層主要由細砂、粉砂組成,局部有中砂分布,滲透系數(shù)8~15m/d。(3)中等富水區(qū)(單井涌水量500~1000m3/d):多呈條帶狀分列于黃河南北兩側,黃河北為東北向排列,黃河南為東南向排列。含水層巖性主要以細砂、粉砂為主,滲透系數(shù)5~8m/d。
1.2 深層含水層特征及其富水性 深層含水層組由中更新統(tǒng)下段沖積、下更新統(tǒng)和上第三系上部湖積砂層組成,含水層巖性以細砂、粉砂為主,砂層與粉質粘土、粘土呈互層狀。因其成因類型不同,砂層厚度有較大的差異,武陟縣境內(nèi)含水層底板埋深300m左右,砂層厚度100~170m,巖性為中細砂、粉細砂,滲透系數(shù)8~15m/d, 強富水,單井涌水量>3000m3/d。原陽縣境內(nèi),含水層的分布和黃河故道變遷有著密切的關系,黃河故道主流帶上,砂層厚,巖性粗,富水性較好,以細砂為主,泛流帶砂層薄,巖性較主流帶細,變?yōu)橹械雀凰?單井涌水量1000~3000m3/d。封丘縣境內(nèi),含水層底板 埋深340~412m,巖性以細砂、粉砂為主,總厚度50~110m,滲透系數(shù)2~10m/d,區(qū)域上富水性有由西向東變差的趨勢。長垣縣境內(nèi)底板埋深500m左右,總厚度大于60m。在濮陽境內(nèi),含水層底板埋深在260~450m,巖性為中細砂、粉細砂,厚度60m,單井涌水量1500~2500m3/d。鄭州境內(nèi),深層含水層頂板埋深50~100m,底板埋深300~380m。單井涌水量1000~2000m3/d;含水層巖性主要為中砂、中細砂、中粗砂,局部為砂礫石層,厚度一般為50~100m。開封境內(nèi)含水層底板埋深200~450m,中牟以北至開封一帶,砂層厚度40m,單井涌水量大于2500m3/d。由中牟大孟至開封半坡店,砂層厚度25~35m,單井涌水量1500~2500m3/d,滲透系數(shù)4~7m/d。
1.3 地下水資源概況 黃河影響寬度在黃河南岸20km以內(nèi),在黃河北岸為13~26km,循環(huán)深度小于350m。黃河下游河南段天然狀態(tài)下總側滲量枯水年份約2.5億m3,平水年3.3億m3,豐水年4.5~5.1億m3。淺層含水層多年平均地下水資源補給量28.35億m3/年,平均補給模數(shù)為29.20萬m3/km2·年。在75% 保證率下,淺層地下水補給資源量為26.08億m3/年,平均補給模數(shù)為26.86萬m 3/km2·年,分別比多年平均值減少了2.63億m3/年,2.41萬m3/km2年。在現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用條件不發(fā)生很大變化的前提下,淺層地下水可開采資源量為19.41億m3/年,占多年平均補給資源量的62.30%,平均可開采資源模數(shù)為19.99萬m3/km2。淺層水儲存量為522.41億m3,深層彈性釋水量為7.07億m3,允許開采量24.64億m3/年,平均允許開采資源模數(shù)為25.35萬m3/km2·年。
2 黃河影響帶系統(tǒng)地下水庫類型及其特征
根據(jù)研究區(qū)地下水環(huán)境地質條件,地下水庫劃分為灘地型、背河洼地型、決口扇型及復合型4類(見表2)。
表2 各類地下水調蓄庫
分類
調蓄庫位置
調節(jié)方式
面積/km2
總庫容/萬m3
調節(jié)庫容/萬m
灘地型
原陽縣官廠-包廠
長垣縣總管-蘆崗
中牟縣東漳
開封袁坊-劉店
滎陽市王村灘
溫縣黃河灘
黃河水入滲
降水入滲
100
50
120
200
40
50
170950
65475
129900
175000
43600
63000
40950
20475
45900
75000
15600
23000
背河洼地型
原陽縣祝樓-原武
封丘縣荊隆宮
濮陽李子園
濮陽習城-徐鎮(zhèn)
渠滲補給
黃河水入滲
降水入滲
100
50
80
80
170950
&nbs 黃河下游影響帶地下水庫的基本特征p; 65475
91200
79200
40950
20475
25200
25200
決口扇型
中牟縣趙口-東吳
引黃渠滲
退水回滲
降水入滲
100
109000
39000
復合型
鄭州市北郊
黃河水入滲
降水入滲
灌溉回滲
357
294646
140551
2.1 灘地型 黃河桃花峪之下,左右兩岸大堤間距一般大于10km,在大堤與河體間分布有寬1.5~6.5km的河漫灘,地表巖性以粉土為主。在有利地段含水層厚度大、顆粒粗,可作為地下水調蓄庫。其含水層由上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)中砂、中細砂,局部為中粗砂含礫組成。含水層厚度在原陽灘地最大,達80m;其它地段最薄處也有50m,滲透系數(shù)一般在10~25m/d,單井涌水量大于3000m3/d,地下水化學類別為HCO3型,礦化度為0.5~1.0g/l。灘地段調蓄庫,具有地下水庫容大,對農(nóng)業(yè)、漁業(yè)和生態(tài)環(huán)境影響小,有利于黃河水轉化和大氣降水入滲補給,水交替速度快等特點。是最為理想的調蓄庫。
2.2 背河洼地型 背河洼地分布于大堤背河側,呈條帶沿大堤分布,為筑堤取土和黃河背堤側滲所致,表現(xiàn)為微凹的負地形,部分積水,在古河道經(jīng)過的地段,含水層厚度大、顆粒粗,可作為良好的地下水調蓄庫。該類型主要分布于黃河北岸,原陽、封丘一帶,含水層巖性為上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)中砂、中細砂,滲透系數(shù)10~25m/d,單井涌水量3000m3/d左右;濮陽一帶含水層巖性為上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)細砂、粉砂,單井涌水量1500~2000m3/d。地下水補給除大氣降水外,引黃灌溉回滲和黃河“居高臨下”的側滲也是重要的補給來源。補給源豐富,水位埋藏淺、徑流不暢,地下水主要以蒸發(fā)形式排泄。運用此類地下水庫進行調蓄,地下水位的適當降低,可以減輕或消除土壤鹽漬化對農(nóng)業(yè)的危害,減輕黃河大堤地震液化災害,對大堤安全有利。
2.3 決口扇型 中牟縣趙口-東吳之間,為黃河多次決口扇區(qū),地表沙丘起伏、農(nóng)業(yè)開采量小,北部有趙口引黃渠及原運糧河,地勢低洼,積水嚴重,有利于地下水的入滲。引黃灌溉期,灌溉退水多匯集于此,補給水源充沛。含水層巖性為上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)的中砂,厚度50m,是有較大調蓄空間,是建立地下水調蓄庫的理想場所。此區(qū)域降低地下水位對農(nóng)業(yè)影響較小,但對中牟縣人工濕地有影響�？勺鳛榧竟�(jié)性地下水調蓄庫。
2.4 復合型 鄭州北郊位于黃河漫灘和背河洼地帶、同時此段也存在多期決口扇,底板埋深80m以上的淺層含水層,由上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)中砂、細砂、中粗砂組成,厚度30~50m,空間展布穩(wěn)定,透水性好,水量豐富,近河地帶單井涌水量大于3000m3/d,與黃河水力聯(lián)系密切,補給強烈,同時還接收大氣降水和引黃灌溉回滲的補給,屬復合型地下水庫。有計劃的利用調節(jié)庫容,可以擴大水源地開采規(guī)模,不會造成地下水資源枯竭,黃河灘地中抽水淤堤形成的坑塘、低洼帶較多,可以用來人工補源,增加地下水資源量。該地下水庫距鄭州市區(qū)不足20km,具有良好的開發(fā)利用前景。
3 地下水庫保護
黃河影響帶岸邊地下水開發(fā)利用有許多優(yōu)點,但對地質環(huán)境的影響不容忽略。如黃河兩岸地下水埋藏淺,種植業(yè)、漁業(yè)發(fā)達,地下水開采可能造成沿黃地帶濕地萎縮,土地沙化、漁塘水滲漏加劇,從而對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)、漁業(yè)產(chǎn)生影響等。地下水庫的興建,可以緩解和避免以上主要環(huán)境地質問題的發(fā)生,但擬建水庫區(qū)實施過程中可能發(fā)生一些新的負面環(huán)境效應,尤其是地下水庫區(qū)的污染源及產(chǎn)生污染的潛在危險[3]。因此,需對地下水庫實施保護:(1)在黃河影響帶擬建地下水庫時,要特別注意水環(huán)境狀況,應堅持與水源地開發(fā)保護相結合,與濕地保護相結合,與懸河治理相結合;(2)建立水源地和地下水庫保護區(qū),在保護區(qū)內(nèi)禁止向地表水體排放任何超標污水,保護區(qū)內(nèi)的污染企業(yè)應搬遷至區(qū)外,不得設置糞坑、垃圾堆等污染源,不得破壞深層土體,消除一切可能導致地下水受到污染的因素;(3)黃河大堤之下及其兩側、淺層分布有全新世粉土、淤泥質土、粉細砂以及決口口門等、地下水開采、水位下降可能會造成地面沉降,從而危脅大堤的安全。實踐證明,水源地開采井距黃河大堤的距離應大于1000m;(4)應加強水庫補給水源的監(jiān)測,建立環(huán)境質量監(jiān)測系統(tǒng),對沿黃地段及地下水庫周邊的環(huán)境進行監(jiān)測,及時了解黃河水質的變化情況,制定預防和解決補給水源污染的方法和措施。
參 考 文 獻:
[1]劉昌明,等.黃河流域水資源演化規(guī)律與可再生性維持機理研究和進展[M].鄭州:黃河水利出版社,2001.
[2]王留榮.黃河是中國心腹之患[A].安芷生.黃土黃河黃河文化[M].鄭州.黃河水利出版社,1998.
[3]楮恒曄,等.吉林省地下水開發(fā)的另一途徑——地下水庫的開發(fā)利用[J].吉林地質,2000,19(3):65-70. 收稿日期:2002-04-17
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