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黄河下游影响带地下水库的基本特征

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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

4569m

100m

130~140m

封丘县 

长垣县 

濮阳县

74101m

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(19991 6000118)、河南省发展计划科技攻关项目(2000)2号001190109项联合资

作者简介:赵云章(1957-),男,河南获加人,教授级高工,研究方向:地下水资源评价及 地质环境保护。

发布:2007-07-28 11:48    编辑:泛普软件 · xiaona    [打印此页]    [关闭]
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