黃河下游影響帶地下水庫的基本特征

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　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(zhì)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(zhì)，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?？冢骱拥篱L768km，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(gòu)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(zhì)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(zhì)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(zhì)條件和地下水資源，對地下水庫的調(diào)蓄條件、類型、各庫的總庫容、調(diào)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(zhì)粘土互層及粉砂層等。下部砂、中粗砂、中細砂、細砂層，構(gòu)成了上細下粗典型的“二元結(jié)構(gòu)”和粗、細相間的“多元結(jié)構(gòu)”。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(cè)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(cè)，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(zhì)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(guān)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?000～3000m³/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(cè)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(zhì)條件，地下水庫劃分為灘地型、背河洼地型、決口扇型及復(fù)合型4類（見表2）。

表2 各類地下水調(diào)蓄庫

分類

調(diào)蓄庫位置

調(diào)節(jié)方式

面積/km²

總庫容/萬m³

調(diào)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

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(fù)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(diào)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3000m?³/d，地下水化學類別為HCO₃型，礦化度為0.5～1.0g/l。灘地段調(diào)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(zhuǎn)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(diào)蓄庫。

　2.2 背河洼地型 　背河洼地分布于大堤背河側(cè)，呈條帶沿大堤分布，為筑堤取土和黃河背堤側(cè)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(diào)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(cè)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(diào)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(zāi)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(diào)蓄空間，是建立地下水調(diào)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。可作為季節(jié)性地下水調(diào)蓄庫。

　2.4 復(fù)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(fù)合型地下水庫。有計劃的利用調(diào)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(zhì)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(zhì)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(yīng)，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(yīng)堅持與水源地開發(fā)保護相結(jié)合，與濕地保護相結(jié)合，與懸河治理相結(jié)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(yīng)搬遷至區(qū)外，不得設(shè)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(dǎo)致地下水受到污染的因素；(3)黃河大堤之下及其兩側(cè)、淺層分布有全新世粉土、淤泥質(zhì)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(yīng)大于1000m；(4)應(yīng)加強水庫補給水源的監(jiān)測，建立環(huán)境質(zhì)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(zhì)的變化情況，制定預(yù)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(zhì)，2000，19(3)：65-70. 收稿日期：2002-04-17

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目(G19990436)、中國地調(diào)局Ⅰ類項目(19991 6000118)、河南省發(fā)展計劃科技攻關(guān)項目(2000)2號001190109項聯(lián)合資

作者簡介：趙云章(1957-)，男，河南獲加人，教授級高工，研究方向：地下水資源評價及 地質(zhì)環(huán)境保護。