江漢平原第四紀含水層系統特征

張 陵, 胡祥勝, 關義濤, 向進洋

((1.湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州 434020; 2.湖北省水文地質工程地質勘察院,湖北 武漢 430051)

江漢平原第四紀含水層系統特征

張 陵1, 胡祥勝2, 關義濤2, 向進洋2

((1.湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州 434020; 2.湖北省水文地質工程地質勘察院,湖北 武漢 430051)

第四紀沖積、沖洪積與冰水沉積的砂層和砂礫石層中貯藏了大量的地下水資源,是開采利用條件較好的地下水開采層位。江漢平原第四紀地下水資源豐富,含水層、含水層結構和含水層系統受沉積環境、古地理、古氣候等因素影響分布發育特征各異但又統一,含水層多層、含水層結構多變、水文地質特征相對一致是江漢平原第四紀含水層系統的特點,江漢平原第四紀含水層系統是多層的,又是連續、統一、非均質的大的綜合三維地下水含水層系統。

第四紀地層;含水層;含水層結構;含水層系統

江漢平原第四紀地層埋藏發育了多個含水層(組)和含水層系統,在分布范圍上以孔隙水含水層分布最為廣泛,厚度最大,儲存了大量的地下水資源,是江漢平原的主要地下水開采層。

受沉積環境、古地理、古氣候等因素影響,江漢平原的含水層系統具有多層性和統一性,各含水層在垂向上的分布和含水層結構特征存在著差異,致使其水力性質、水化學條件、富水性及地下水動態等水文地質條件特征各異。對于區域水文地質條件的分析研究,從含水層的沉積環境入手,進行含水層結構格架、特征的分析研究和含水層系統劃分是建立地質結構模型和第四紀三維含水層模型的重要手段,也是正確劃分地下水系統和地下水資源分析計算評價的重要步驟。

1 第四紀地層與含水層結構特征

第四紀以來江漢盆地在晚第三紀構造基礎上繼承性發展,繼續呈差異性掀斜式下降,周邊山地與江漢盆地間歇性的升降運動仍在持續進行,新構造運動控制了區域內第四紀沉積(厚度)與河湖演變。此間長江、漢江流域貫通,盆地內廣泛發育了一套內陸河湖相堆積,盆地中心第四紀堆積厚度達280 m[1]。

1.1 早更新世地層與含水層結構

早更新世早—中期斷塊活動比較顯著,八嶺山—太湖背斜以西呈掀升拗褶為主,以東以斷陷沉降為主。西部“長江”來水量不大,未能越過八嶺山—太湖背斜高地,水流進入洞庭湖。早更新世早期江漢平原底部主要為一層磨拉石建造和冰礫層堆積。江漢平原的沉積主要表現為四面逐步向盆地中心堆填,物源多種,巖性多樣,含礫砂、卵石中多充填泥質,具密實成層特性與半膠結狀,西部主要為粘性土組成,東部主要為含礫砂、砂層。受第四紀冰川氣候影響,早更新世發育兩次大的沉積旋回,沉積了東荊河組上、下兩段地層,分布多不連續呈透鏡狀,盆地邊緣區域沉積厚度變化較大,平原區水平和垂直方向都較穩定,一般分布厚度80～150 m,平原沉積中心位于陳沱口凹陷的監利新溝、周老一帶,底界最大深度280 m。

1.2 中更新世地層與含水層結構

中更新世時期,長江流域貫通,氣候轉暖,江河來水量增大,形成泛濫相堆積,是江漢平原沉積極盛時期,沉積范圍已擴大到平原腹地。中更新世江漢盆地主要表現為長江物源的堆積,其次是周邊河流特別是北部水系的泛濫堆填。此時江漢平原沉積了以粗碎屑砂礫石為主的江漢組,江漢組具西部顆粒粗、東部顆粒細(監利以東主要分布為砂層)的特點,物源主要來自長江上游。含水層主要為砂礫石與砂互層,砂層中多夾薄層亞粘土、粉砂。含水層埋深一般在50 m左右,厚度50～80 m,具平原區邊緣薄、中心厚的特點。

1.3 晚更新世地層與含水層結構

晚更新世,華容斷隆相對上升,漢江貫通,長江、漢江主流同時進入江漢平原腹地,此時長江逐漸分為3條支流(南支沿南漳—荊門—石首斷裂流進洞庭湖,北支沿太湖—荊州—草市流進盆地,中支與現長江主流相當但發育較弱)與漢江共同作用向盆地中心擴散堆積,江漢盆地出現第二次大規模沉積時期。此時江漢平原河網濕地遍布,沉積了以粗碎屑砂礫石為主的沙湖組,沙湖組具西部、北部顆粒粗,東部、南部顆粒細的特點,并具條帶狀分布的特征,物源主要來自長江和漢江,其次是周邊荊北地區各支流(瑪瑙河、沮漳河、內荊河)和漢北地區各支流(天門河、錢場河、皂市河、富水、府河)的沖洪堆積。沙湖組在低平原區頂界埋藏深度為15～25 m左右,沉積厚度30 m左右,向邊緣逐漸變淺變薄,但在西部厚度基本保持不變,甚至更厚。整體自成一個完善的沉積旋回,二元或三元結構清楚,下部為砂礫層,東部地區為砂層,上部以粘土、亞粘土為主,夾粉砂,含較多鐵錳質結核,為沖湖積相。

1.4 全新世地層與含水層結構

進入全新世后,冰期結束,氣候變暖,“夏日消溶,江河橫溢”,江漢盆地來水量增大,隨著海平面的快速上升和黃海面的逐漸形成與穩定,長江3條支流格局結束,長江、漢江呈漫流和三角分流形式進入江漢平原,早期的江漢平原為多湖時期,即大“云夢澤”發展時期。此后,隨著南北差異性升降運動——北升南降和漢江逐漸向南分流(東荊河、通順河),長江荊北分流的河道逐漸南移歸槽,統一的長江荊江河道形成(早期為單一彎曲),河湖分離。晚期江漢平原伴隨著長江、漢江大量的泥沙堆積,“云夢澤”逐漸解體,江河湖垸港汊現代地貌格局形成。全新統巖性以粘土、亞粘土、粉土及粉砂為主,局部地段有砂礫石層,主要分布于長江、漢江及其支流的一級階地及長江與漢江挾持的中間地帶。長江一帶主要巖性為粉質粘土、粉土、粉砂,局部地段有薄層砂礫石層。長江與漢江挾持的平原區巖性為粉土、粉質粘土、粉砂、淤泥質粉質粘土與淤泥質粘土互層,一般厚度3～10 m[2]。

2 第四系含水層系統劃分

江漢平原第四紀含水層系統在垂向上主要為松散巖類孔隙含水層系統,其中松散巖類孔隙含水層系統又可劃分為淺層全新統孔隙潛水含水層系統、中層中上更新統孔隙承壓水含水層系統和深層下更新統裂隙孔隙承壓水含水層系統三個亞系統(表1)。

表1 含水層系統結構劃分表

3 第四系含水層系統特征

3.1 松散巖類孔隙含水層系統特征

3.1.1 淺層全新統孔隙潛水含水層亞系統

淺層全新統孔隙潛水含水層系統主要由第四系全新統(Qh)含水巖組組成。含水介質主要為粉土、粉砂,局部地段有砂礫石層,主要分布于長江、漢江及其支流的一級階地及長江與漢江挾持的中間地帶。其中長江一級階地的孔隙潛水富水性比漢江一帶要好,單位涌水量2.47～13.48 m3/d·m,漢江一帶單位涌水量僅為2.47 m3/d·m左右。長江與漢江挾持地帶水量更小,其持水性好,釋水性較差,單位涌水量一般只有1～1.5 m3/d·m。

江漢平原淺層全新統孔隙潛水含水層系統主要特征是:①缺乏良好含水層或含水層厚度小;②含水層導水性差,側向補給相對較小,水井出水量小;③淺層水水質較差,易受地表水體污染。

3.1.2 中層中上更新統孔隙承壓水含水層亞系統

中層中上更新統孔隙承壓水含水層系統主要由中上更新統(Qp2+3)含水巖組組成。巖性主要為砂、砂礫石、淤泥質粉砂,普遍含有淤泥。含水層巖性在水平和垂直方向上變化較大,其富水性規律是江漢平原腹地的富水性較邊緣區好。其中在枝江、荊州、江陵、張金河、通海口、沙湖、長淌口等地為極豐富級(q>1 000 m3/d·m或T>1 000 m2/d);向南北富水性逐漸減弱,在沙道觀、公安、普濟、監利及漢江流域的潛江、岳口、沔陽、漢川等地水量豐富(q=400～1 000 m3/d·m或T=400～1 000 m2/d);在松滋、石首、朱河、洪湖、馬山、棗林鋪、觀音擋等為水量中等(q=100～400 m3/d·m或T=100～400 m2/d);在平原邊緣的安福寺、石首以南,尺八、白螺、蘆市及漢江流域的石河、黃潭以北為水量貧乏(q<100 m3/d·m或T<100 m2/d)。富水性的這種分帶性與含水層厚度變化是長江漢江共同作用地帶,即與河間地塊大、向南向北逐漸變薄有關。

江漢平原中層中上更新統孔隙承壓水含水層系統主要特征是:①含水層厚度大,相對較為均質;②含水層導水性能好,水井出水量大;③水質較好,一般不易受到污染。

3.1.3 深層下更新統裂隙孔隙承壓水含水層亞系統

深層下更新統裂隙孔隙承壓水含水層系統主要由下更新統(Qp1)含水巖組組成,富水性遠比孔隙承壓含水層差,且變化較大。該含水層水量一般—中等,鉆孔單位涌水量一般為144～600 m3/d·m。其中在天門干驛、仙桃沔陽、沙湖、藕池、石首一帶,水量極豐富,含水層厚度50 m左右,最大厚度76 m,最薄40 m,含水介質為砂巖、砂礫巖;在沙洋、后港、浩口等地為水量豐富,含水層厚度35 m左右,最大厚度80 m左右,含水介質為砂巖、砂礫巖。在公安、江陵、新溝、曹市、通海口、十里鋪等地水量中等,分布面積最大,含水層厚度25～30 m,含水介質為泥質砂巖、砂礫巖,含泥質較高。在江漢平原北部邊緣即半月山、五里鋪、曾集、天門以北的石河一帶,水量貧乏,含水層厚度僅數米,含水介質為泥砂巖。

3.2 第四系地下水補徑排特征

3.2.1 孔隙潛水的補徑排特征

孔隙潛水的補給來源主要為大氣降水、地表水(河水、湖水、田水等)的入滲補給,諸項補給因素中以大氣降水入滲補給為主,臨近河流的起主導作用的乃是河水,當河水位上漲時接受補給。蒸發排泄、人工開采、向鄰區排泄是孔隙潛水的主要排泄方式,其中以蒸發排泄量最大。此外,由于孔隙潛水的水位普遍高于下伏的上、中更新統孔隙承壓水位,因而天然條件下也向其進行越流排泄。孔隙潛水的徑流途徑較短,由于孔隙潛水的含水介質的粒度較細,其含水介質持水性好,所以徑流條件極差,徑流速度相當緩慢。

3.2.2 孔隙承壓水的補徑排特征

孔隙承壓水的補給來源主要為淺層孔隙潛水的越流補給、下更新統裂隙孔隙承壓水的頂托補給和周邊側向滲流補給,長江、漢江切穿或切割了其隔水頂板直接相通,或者縮短了滲入補給的途徑,也是其重要補給來源。由于江漢平原地勢較平坦,地形高差較小,隔水層頂板基本水平,水位埋深相差較小,因而水力坡度一般較小,在江陵以西、多寶以北地段的水力坡度相對較陡。天然條件下孔隙承壓水的徑流相當緩慢,平原腹地的地下水基本為停滯狀態,在開采條件下,局部水力坡度成倍增大,徑流速度加快。孔隙承壓水的排泄主要有以下幾種方式:①向地表水體的排泄;②向鄰區的排泄;③向下伏的裂隙孔隙承壓含水層排泄以及局部地段的人工排泄等。在天然狀態下補給與排泄基本處于一種動態的平衡狀態。

3.2.3 裂隙孔隙承壓水的補徑排特征

裂隙孔隙承壓水主要分布于江漢平原腹地,其補給量的變化主要受以下因素所控制:上、中更新統孔隙承壓水的水位高低;大氣降水的入滲補給量;周邊的側向徑流補給量以及局部地段河流的側向滲透補給量。地下水位的變化明顯受江水制約,當長江漲水時,地下水水位抬高。下更新統裂隙孔隙承壓水總體流向是自西北向東南流,地下水徑流的速度相當緩慢或基本處于靜止狀態。地下水水力坡度以沙市、潛江、天門一線以東比較平緩,一般為0.7/10 000,盆地邊緣崗波狀平原地帶為1/10 000～3/10 000,可知崗波狀平原區的徑流條件較平原區好。地下水的排泄方式主要有向鄰區的徑流排泄、向相鄰含水巖組的排泄、局部地段的人工排泄等[3]。

江漢平原地下水儲存運移于底部相對隔水或不透水的白堊系、新近系、古近系及局部元古界基巖地層之上的各含水(亞)系統之中,總體來說,各含水(亞)系統的地下水自西向東徑流,各含水(亞)系統地下水既獨立又統一,具有順層徑流與越層徑流的特點,具承壓與無壓相互轉化、水力聯系又密切的特性。

3.3 第四系含水層系統水文地質結構特征

江漢平原第四紀含水系統的水文地質結構特征主要表現在它的統一性與多層性、承壓性與無壓性和順層徑流與越流流動特性。

3.3.1 含水層系統的統一性與多層性

含水層系統的統一性:江漢平原地下水是一個開放型系統,缺乏均一穩定的區域性隔水層,是連續、統一、非均質的綜合含水系統。

含水層系統的多層性:江漢平原4大沉積旋回和次級沉積韻律,形成粘土、粉土、粉砂、砂、砂礫石頻繁交替、重復疊置的多層結構,宏觀上各含水層系統具各向異性,是多層結構的地下水系統。

3.3.2 地下水的承壓性與無壓性

江漢平原地下水的承壓性是多層結構地下水系統的特征之一,是由區內含水層系統的多層性所決定的,并且具有多層承壓性。淺層全新統含水層系統的孔隙潛水多具無壓性,在無連續隔水層區域承壓與無壓相互轉化,水力聯系密切,潛水、承壓水呈水文豐、枯互補[4]。

3.3.3 地下水的順層徑流與越層徑流

江漢平原地下水具有三維流特性,在隔水層延伸性和連續性較好的地段,地下水主要表現為總體自西向東順層徑流;平原周邊和腹地無隔水層地段則分別以越層的垂向向下和垂向向上越流為主。

4 結語

江漢平原第四紀含水層系統主要為松散巖類孔隙水含水層系統,為垂向上含三個亞系統的多層含水層系統,是由它的古地理、古氣候和沉積環境所決定的。

江漢平原多層含水層系統具有順層徑流與越層徑流的特點,具承壓與無壓相互轉化、水力聯系又密切的特性。單層含水層系統雖非均質、各向異性,但連續、統一,具有相對的封閉性。

江漢平原第四系整體上是一個具有統一水力聯系的綜合大系統,一個三維的地下水系統。

[1] 劉廣潤,殷鴻福,陳國金,等.長江中游荊江及江漢平原水患區環境地質調查評價報告[R].荊州:湖北省水文地質工程地質大隊,2003.

[2] 張陵,關義濤,向進洋,等.江漢—洞庭平原地下水資源及其環境問題調查評價報告(湖北)[R].荊州:湖北省地質局水文地質工程地質大隊,2015.

[3] 蔡德宏,丁錦惠,楊紅,等.湖北省地下水資源評價[R].荊州:湖北省水文地質工程地質大隊,1988.

[4] 李云峰,馮建國,王瑋,等.鄂爾多斯盆地白堊系含水層系統分析[J].西北地質,2004,37(2):90-96.

(責任編輯：于繼紅)

System Characteristics of Quaternary Aquifer in Jianghan Plain

ZHANG Ling1, HU Xiangsheng2, GUAN Yitao2, XIANG Jinyang2

(1.HubeiInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeology,Jingzhou,Hubei434020;2.Hydrogeological&EngineeringGeologicalReconnaissanceofHubeiProvince,Wuhan,Hubei430051)

Quaternary alluvial,alluvial-diluvial and fluvioglacial sand and gravel storage of abundant groundwater resources,is exploited horizon of groundwater exploitation conditions.The Quaternary groundwater resources are abundant in Jianghan Plain.The aquifer,the aquifer structure and the aquifer system are influenced by the sedimentary environment and the ancient geography and climate.The characteristics of Quaternary aquifer system in Jianghan Plain are the multi aquifer,variable aquifer structure and the relative consistency of hydrological and geological characteristics.The Quaternary aquifer system in Jianghan Plain is a multi layer,and it is a continuous,unified,and heterogeneous three-dimensional groundwater aquifer system.

Quaternary Strata; aquifer; aquifer structure; aquifer system

2016-08-29;改回日期:2016-10-09

張陵(1961-),男,高級工程師,水工環專業,從事水工環地質調查、評價與研究工作。E-mail:Whzhangling@126.com

P641.7

A

1671-1211(2016)06-0895-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.017

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161026.0907.008.html 數字出版日期:2016-10-26 09:07