孔隙含水系统实例

不同成因类型沉积物中的孔隙水可以在一个含水系统中同时出现，它是在同一时期同一水流系统，随着沉积环境递变，在不同部位形成不同成因类型的沉积物。由于其中组成含水层的粗粒物质连续分布，使赋存于其中的地下水之间也具有密切的联系，构成了统一的孔隙含水系统。下面以河西走廊和河北平原为例加以说明。

甘肃河西走廊石羊河流域属内陆河流域，上游河流来自南部祁连山的北麓，其中有古浪、黄羊等较大支流8条，向北流出山口，河水大部分渗入洪积扇中，并进入武威盆地。在武威以北为洪积扇群边缘，在扇群的溢出带出现了一系列泉群，这些泉群汇集后成为石羊河，向北流至现在的红崖山水库中。再向北流，又进入民勤盆地，山前也是洪积扇堆积，河水复渗入扇中，但由于水量较武威盆地小，因此，在扇缘仅形成不多的泉水，大部分水以地下水的形式，从洪积物中进入冲积物向北运移，到达以北的湖泊沼泽地带，一部分水以泉的形式进入湖泊中，绝大部分地下水消耗于蒸发。石羊河全长超过100km，流域面积约3000km2(图9－22、图9－23)。

图9－22 武威盆地水系图

石羊河流域的沉积物是由两个系列沉积物组成。第一个系列是武威盆地中的沉积，其南部为单层厚度巨大的卵砾石，最厚可达400m，属于洪积物。这一地段，地表不存在常年性河流，只在洪水季节出现暂时性水流。溢出带的泉群在地表汇流成为石羊河，但是其真正的源头是来自祁连山的河流，只是经过渗入洪积扇变为地下水，再以泉的形式出露汇集成为地表水流的复杂过程而已。这一转化过程中，有相当一部分水流在地下由洪积物进入冲积物中。这就是武威盆地其他地段地下水的来源。第二个系列是民勤盆地中的沉积。第四纪以来，河道切穿红崖山丘陵进入民勤盆地，所以冲积物的分布也大体与石羊河一致，只有部分冲积物伸入腾格里沙漠，此处，在盆地的低洼部位也出现湖泊沉积。石羊河河道切穿红崖山之后，进入民勤盆地。沉积物成因类型的变化仍然和武威盆地一样，先是洪积，再为冲积，最后为湖泊沼泽沉积，只是其规模较小，这是水量较小的结果。总之，影响沉积物成因类型不同的直接原因是地形和地表水流速及流量的变化。一般地说，除山地之外，无论平原或山间盆地，地形和水流的变化，都属渐变，所以不同成因类型的沉积物也是连续渐变的。了解沉积物的连续性对了解地下水的补给和运动有实际意义，武威和民勤盆地提供了很好的例子。

图9－23 祁连山―武威盆地地表－地下水转化剖面示意图

两个盆地中第四纪堆积物厚达100～400m，是地下水主要储存场所。盆地的年降水量约160mm，大部分集中于5～9月，由于此期间蒸发强烈，故盆地中的降水对地下水补给作用微弱。南部祁连山顶部平均海拔4000m以上，终年积雪，冰川发育。向北高度降低，山地年降水量平均700～800mm，至北麓地带减少到300mm左右，由于水文网切割强烈，在出山前汇集了区内绝大部分的地表和地下水，仅石羊河流域出山的8条河流，多年平均总流量达14.4×108m3/a，这就是从祁连山进入武威盆地的总水量。通过山前的洪积扇群带时，渗入地下的水量约6.5×108m3/a，占河水总流量的45%。到盆地中部，从扇群中部开始，地下水沿浅切的河槽大量溢出成泉，泉水总流量为3.2×108m3/a，最后汇流成石羊河。据香家湾流量站对1965年和1978年径流的分析，石羊河中下游的径流组成中，地下水占94.5%和95.7%，洪水仅占5.5%和2.37%。这些水进入民勤盆地后，主要由引水渠进入田间，最后排入北部的湖泊沼泽中，消耗于蒸发。

目前，由于多年超采地下水，导致石羊河流域地下水位持续下降。近20年实测资料表明:武威盆地地下水位平均下降6～7m，下降速度为0.31m/a。民勤盆地地下水位平均下降10～12m，下降速度0.57m/a，最大下降幅度15～16m。由于向北排泄的水量逐渐减少，因而这些地区湖泊萎缩、干涸，植被枯萎死亡，土地沙漠化、盐渍化进程加快，地下水位下降，矿化度升高。

综上所述，有如下几点认识:

1)含孔隙水的沉积物成因类型的变化是地形和水流状态改变的结果。由于地下水是连续的，所以不同成因类型沉积物的变化也是连续的。

2)石羊河流域包括两个盆地，全长达100km以上，处于干旱地区，祁连山的地表水流为其主要补给来源。在流动过程中，地表水和地下水之间不断相互转化，地表引用的水量多，则地下水的补给量减小，说明二者是一个统一的整体，两个盆地是上下游关系，水的来源只有一个，上游盆地的取水量会影响下游的应用。由此看出，这种条件下的地表水和地下水、上游和下游的水，属同一个系统，用水时会相互影响，上游对下游的影响尤其大。因此，研究地下水、地表水在各种沉积物中的相互补排关系，使一定数量的水在经济上能发挥最大作用，对于合理开发并利用水资源和环境保护具有重要意义。

再以河北平原为例，分析从天津以南至太行山以东地区的孔隙水系统。该区面积约8000km2，绝大部分在河北省境内。地表水流系统包括海河南部的大清河、子牙河两流域和南运河在河北省的部分，以及南运河以东的一些独立入海的小河流。在地形上，自西向东分为太行山山前的冲洪积扇群带，宽约20km左右;中部平原及滨海平原，是河北平原的主体部分(图9－24)，平原地表坡度平缓，仅为万分之一左右。平原区和太行山为断层接触。自古近纪开始，平原开始沉降，幅度最大达7000m以上，最小也为3000m左右。第四纪继续沉积，沉降幅度最大达600m以上，一般为300～400m。目前开发利用的孔隙水主要为第四系潜水，部分为深层承压水。沉积物在山前以卵石为主，混以砂和黏性土，形成规模不等的冲－洪积扇。在厚度巨大、岩性单一的冲洪积的潜水含水层中，渐向平原过渡，地形坡度变缓，沉积物的分选程度提高，形成以反复迁移的河道为主要含水层的冲积层。在低洼地区则形成湖泊和沼泽，沉积物颗粒粗者一般不超过中砂，黏性土可以达到沉积物总厚度的60%～70%。进入滨海平原，则以三角洲及海相地层交互沉积为主，颗粒更细，一般最粗为粉细砂。

图9－24 河北平原水文地质剖面图据王大纯等，1986)

从上述一系列沉积物的分布可以看出，沉积物成因类型的变化是连续的，从山前的洪积到平原中的冲积和湖积，最后在沿海地带形成三角洲堆积。在沉积物中，只有在山前地带和较大的湖泊中，粗粒沉积才有较广的分布范围，构成比较广阔的含水层。在蜿蜒曲折的古河道中，粗粒冲积物呈带状分布，成为储水地带，并构成输水通道。含水层通过这种通道在水平方向发生联系。在垂向上，由于不同时代粗粒沉积物的相互重叠，构成所谓“天窗”，各含水层间发生水力联系。

不同成因类型沉积物的透水性有所不同;同一成因类型沉积物在不同部位，透水性有时也有较大差异。河北平原冲洪积扇主要为卵石堆积，向下游渐变为各种粒径的砂夹黏性土透镜体，其边缘部分以黏性土为主。因此，在一个扇的近山处水流运移速度较快，向下游渐趋缓慢，向四周则逐渐停滞。离扇以后，则为河道沉积，其近扇部分为粗粒沉积，渐远粒度也渐细。河北平原沉积物粗者为中砂，一般以细砂为主，每昼夜渗流途径通常为数米;到河流下游粒度更细，一般为细到粉砂，透水性更弱，各种湖泊沉积也以细砂为主。

根据河北平原地下水含水系统特征，将第四系深度内的含水岩组划分为浅层、深层两个含水系统。浅层地下水系统底界一般在40～60m。在山前平原，由于人为作用，浅层水延伸到120～150m。深层地下水系统顶界深度由西向东由80m增加到120～150m，底界为第四系底板，深度一般为140～220m。

浅层地下水补给来源主要是大气降水和地表水体的入渗，这两项补给量约占总补给量的80%以上，其中降水补给占补给总量的70%左右。

河北平原浅层地下水径流方向基本与含水系统的结构、地貌变化方向相一致。一般由山前平原至滨海平原，由河道带上游至下游，径流强度逐渐减弱。山前平原的水力坡度为1.8‰～0.5‰;中部平原水力坡度为0.5‰～0.25‰;滨海平原水力坡度为0.25‰～0.10‰。

浅层地下水排泄有人工开采、蒸发消耗。浅层地下水水位动态属于降水入渗－开采排泄型。年最低水位一般出现在6月底7月初，进入降水补给期，水位上升，至次年开采期前2月底3月初出现最高水位。

浅层地下水的矿化度随着地貌及地下水补、径、排条件的变化呈现有规律的分布。全淡水区分布于山前地带，面积33657.4km2。咸水区分布于中东部平原，面积39471.6km2，其中矿化度小于2g/L的浅层淡水区面积15829.2km2;矿化度为2～3g/L的区域面积14118.1km2;矿化度为3～5g/L的区域面积5153.7km2;矿化度大于5g/L的区域面积4370.6km2。

河北平原深层地下水属于承压水，其在西部与扇缘相接。在冲洪积扇顶部，深层地下水与浅层地下水以弱透水层相隔，有时二者在某些部位相互叠置，形成所谓的“天窗”。这种情形下，当二者有水位差时，地下水会从高水位的含水层向低水位的含水层运移。其余大部分地区二者之间以黏土相隔，而且越往东部及东北部相隔厚度不断增加，深层地下水与浅层地下水水力联系较差。总体上深层地下水可认为是独立的封闭系统。

深层地下水的补给来源主要为地下水的侧向补给和浅层地下水的垂直越流补给，其径流方向基本与浅层地下水一致。越是远离补给区，径流速度越缓慢。深层地下水的排泄途径，主要是径流排泄、局部地区的人工开采以及向上部含水层的顶托排泄。由于大量开采地下水，人工开采则成为深层地下水的主要排泄途径。

河北平原地下水的开发引起的地下水水位下降，使地下水的包气带厚度增加，改变了地下水的入渗条件。在山前平原的大部分地区，地下水水位已下降到8m以下，局部已达40m，因此降雨入渗系数显著减小，导致地下水的主要补给源减少;在中东部平原地区，地下水水位的下降使原来水位埋深小于4m的地带，增加到4～8m。

由于超量开采地下水，已改变了河北平原渗流场的形态。目前，平原区已形成8个浅层水水位下降漏斗和7个深层水水位下降漏斗。超量开采地下水也引起了区域水位下降和含水层疏干，造成水资源紧缺的严峻现实。中部平原由于浅层水位下降，水头低于咸水，从而引起了咸水入侵，浅层淡水和深层淡水水质日趋恶化。

随着经济的快速发展，河北平原水资源的需求量迅速增大。特别是近20年来，由于地下水开发利用的不合理和缺乏统一的规划与科学管理，造成地下水水位大幅度下降、含水层疏干、水质污染、水质恶化、地面沉降、地裂缝、地面塌陷等环境地质问题，严重影响了河北平原社会经济的可持续发展。

归纳起来，河北平原的地下水有如下规律:

1)从地质和地貌条件来看，平原可分为两个部分，即山前倾斜平原和平原地区，它们分别为不同类型的含水层分布区。

2)从地下水的主要补给和排泄条件看，平原又分为三部分，它们各自构成独立的补给和排泄系统，即:①山前洪积扇;②广大平原上部的潜水和与其联系密切的浅层承压水;③与上部基本隔绝的深层承压水。其中③是封闭系统，其他两部分各自成为相对独立的补给排泄系统。

从河西走廊和河北平原这两个例子可以看出，形成含水层的沉积物的成因类型取决于其所处的地貌部位。但是从一种到另一种成因类型之间，并无绝对的界线，是连续的沉积，逐渐变化。至于其中的水力联系，则须看条件而定，有时联系较密切，有时候很微弱。

从补给区到排泄区，在含水层中构成一个地下水的循环系统。打井取水，增加了新的排泄点，必然对这个系统产生影响，所以计算任何取水设施的水量时，都应该从一个系统的整体来考虑，才能取得良好的效果。

有时一种成因类型的沉积物自己构成一个地下水系统，有时若干不同成因类型的沉积物共同构成一个地下水系统，这完全视水文地质条件而定。因此，对水文地质条件的研究是至关重要的，只有查明水文地质条件，以系统的思想和方法来分析问题，才能把握研究区地下水的运动规律，对地下水资源作出正确评价。

复习思考题

1.孔隙水具有哪些特征?

2.孔隙水可分为哪几种成因类型?

3.洪积扇上部、中部、下部中的地下水有哪些水文地质特征?

4.河流上、中、下游冲积物中的地下水有什么特征?如何寻找冲积层中的地下水?

5.黄土地区地下水有何特点?如何寻找黄土地区地下水?