渤海灣西岸淺埋古河道分布及水文工程地質(zhì)特征研究

摘 要：以渤海灣西岸黃驊市大量地質(zhì)鉆孔資料為基礎(chǔ)，利用電測(cè)深、野外調(diào)查、地形圖判別、鉆探等手段，通過鉆孔剖面、地層分析，研究了區(qū)域內(nèi)全新世古河道的分布及工程水文地質(zhì)特征；統(tǒng)計(jì)分析古河道巖土體物理力學(xué)參數(shù)，提出地基承載力特征值和樁基處理建議。結(jié)果表明：區(qū)域古河道分布呈SW-NE 走向的梳狀河網(wǎng)，其分布與海進(jìn)海退密切相關(guān)，并影響著咸水頂板埋藏深度；古河道的形成受氣候和海平面作用影響，巖性以粉土、粉砂為主，淺層淡水、微咸水富水性中等，是區(qū)域淺層微咸水利用的重點(diǎn)區(qū)域。區(qū)域內(nèi)古河道較好地反映出了渤海西海岸濱海平原的古地質(zhì)史，有必要持續(xù)開展水文地質(zhì)、第四紀(jì)地質(zhì)和地質(zhì)資源研究，為資源環(huán)境的合理開發(fā)利用及工程建設(shè)選址提供重要的基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：渤海灣西岸；淺埋古河道；分布特征；水文地質(zhì)；工程地質(zhì)；古地質(zhì)史

中圖分類號(hào)：P641；P642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1329（2023）02-0102-05

古河道是水系變遷、河流改道和河床演變而遺留下來(lái)的地質(zhì)- 地貌體，其形成與古水文、地理環(huán)境演變、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征等密切相關(guān)[1-2]。古河道中往往儲(chǔ)藏著豐富的地下水，既是淺層淡水的富集區(qū)[3-4]，又易發(fā)生施工安全、質(zhì)量事故[5-7]，是工程建設(shè)需重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，古河道對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的作用愈發(fā)突出，開展古河道分布研究及水文工程地質(zhì)研究對(duì)河流地貌演變、古地理環(huán)境、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地質(zhì)資源等研究具有重要意義，也對(duì)工程建設(shè)規(guī)劃、地下水資源保護(hù)與利用具有重要指導(dǎo)作用。

國(guó)外關(guān)于古河道的研究集中于密西西比河、多塞河、萊茵河、尼羅河、拉克蘭河等一些較大的河流[8-13]。我國(guó)自20 世紀(jì)50 年代水文地質(zhì)研究中開始涉及古河道以來(lái)，到現(xiàn)在已有近70 年歷史，研究手段主要包括鉆探、物探和測(cè)年等。我國(guó)以末次盛冰期（LGM）至早全新世古河道最為發(fā)育，近年來(lái)國(guó)內(nèi)的古河道研究工作取得了很大進(jìn)展，在古河道分布特征、水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件等方面較為深入。吳忱等從區(qū)域角度對(duì)華北平原黃河古三角洲的古河道粒度特征進(jìn)行分析研究，揭示了古黃河水系的沉積結(jié)構(gòu)與古河道形成的關(guān)系；開展了古河道與地下水的開發(fā)利用與水資源調(diào)蓄關(guān)系研究，古河道與古河型、古水文，古河道與地理環(huán)境演變、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征等研究[14]。河北省科學(xué)院地理研究所對(duì)河北平原的古河道進(jìn)行了持續(xù)研究，對(duì)黃、清、漳河古河道帶，古大陸澤，滹沱河洪、沖積扇，孟村黃河古三角洲進(jìn)行了比較詳細(xì)的解剖研究，對(duì)古河道的分期與斷代、古河道的形成、古河型與古水文、水系變遷規(guī)律與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征等作了比較深入的探討。趙艷霞等對(duì)我國(guó)近20 年來(lái)古河道的研究進(jìn)行了總結(jié)，提出中國(guó)各外流大河均有末次盛冰期埋藏古河道，古河道研究成果已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域[15]。金永念等利用點(diǎn)電測(cè)深技術(shù)對(duì)第四紀(jì)古河道進(jìn)行了推譯[16]。南京大學(xué)地理系結(jié)合尋找淺層地下水，對(duì)河北省鹽山縣的古河道進(jìn)行了復(fù)原，計(jì)算了古河道淺層淡水儲(chǔ)量。韓美等利用大量鉆孔資料、航片、碳測(cè)年、巖相分析等技術(shù)對(duì)萊州灣南岸平原地區(qū)古河道的形態(tài)特征進(jìn)行了研究，揭示了古河道沉積物的垂向、橫向結(jié)構(gòu)與形成歷史[17]。樊航宇等通過鉆孔聯(lián)合剖面和砂體厚度統(tǒng)計(jì)，研究天津沿海全新世古河道分布和演化的特征[18]。張艷國(guó)等利用綜合物探方法對(duì)淺埋古河道進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)[19]。劉強(qiáng)等利用海上風(fēng)電場(chǎng)淺地層剖面勘察資料和鉆孔數(shù)據(jù)，根據(jù)聲學(xué)脈沖特征識(shí)別出多條古河道[20]。郭龍鳳等采用電測(cè)深法，結(jié)合水文地質(zhì)鉆探對(duì)古河道進(jìn)行探測(cè)[21]。

本文以區(qū)域內(nèi)古河道為研究對(duì)象，在收集整理地質(zhì)、水文、地形數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)域257 個(gè)地質(zhì)鉆孔資料的基礎(chǔ)上，對(duì)古河道空間分布特點(diǎn)和水文工程地質(zhì)特征進(jìn)行分析，為渤海西海岸濱海平原的古地質(zhì)史研究、資源環(huán)境合理開發(fā)利用、建設(shè)方案科學(xué)規(guī)劃及工程建設(shè)選址提供數(shù)據(jù)及技術(shù)參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于華北平原東部、渤海灣西岸的黃驊市，該區(qū)地形平坦、地勢(shì)平緩，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。四季分明，降雨多集中在7—8 月，多年平均降雨量為594.6 mm，平均蒸發(fā)量1869.4 mm，蒸發(fā)量顯著大于降水量。本區(qū)地處海河流域南運(yùn)河水系，水資源分區(qū)屬海河南系運(yùn)東平原。發(fā)源和過境的河道有10 余條。源于該市直接入海的主要排瀝河有老石碑河、黃南排干和六十六排干等。過境的行洪河流有子牙新河、捷地減河等，排瀝河道有南排水河、北排水河、滄浪渠等。受氣候、古地理環(huán)境、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及海陸變遷的影響，晚更新世以來(lái)發(fā)育有各種規(guī)模的古河道，一般埋藏在上更新統(tǒng)至全新統(tǒng)的廢棄河道上。

2 古河道的分布及特征分析

2.1 古河道分布規(guī)律

根據(jù)研究區(qū)第四紀(jì)地質(zhì)、鉆孔資料驗(yàn)證及以往相關(guān)成果，分析全新世古河道分布和演化特征。區(qū)域內(nèi)古河道枝杈狀分布，總體呈SW-NE 走向的梳狀古河道網(wǎng)，均為晚更新世末期至全新世中期古河流沖切作用的結(jié)果。古河道常見寬度為1000～4000 m，埋深20～30 m，常見厚度8.0～15.0 m。面積最大的古河道帶為舊城—羊二莊一線，該區(qū)淺層淡水發(fā)育，適合農(nóng)作物種植。從鉆孔資料復(fù)原出的淺埋古河道帶來(lái)看，部分古河道仍具有沖積平原的性質(zhì)，以順直條帶狀的形式一直延伸到海岸，可知其已延伸至渤海海域（圖1）。

2.2 古河道地層特征

古河道內(nèi)沉積物以灰黃色粉土、粉砂為主，局部分布有細(xì)砂和中砂，灰色，中密- 密實(shí)狀態(tài)，無(wú)層理，多含蚌殼，砂體粒度較細(xì)，厚度較小。上覆第一海相層黏性土及淤泥質(zhì)土，下臥第三陸相層黏性土或粉土，局部地區(qū)與第二海相層粉土、粉砂相互連通（圖2）。

研究區(qū)埋藏古河道多形成于獻(xiàn)縣海侵后，玉木冰期時(shí)，渤海灣地區(qū)氣候寒冷干燥、海平面急劇下降，在海水退卻后陸續(xù)沉積了上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)早期的沉積物，濱海地區(qū)河流侵蝕基準(zhǔn)面隨之下降，從而形成了數(shù)條埋藏古河道。隨著玉木冰期的結(jié)束，這些古河道逐漸被充填，并埋藏至今。縱向上，古河道砂從上游到下游的沙粒逐漸變細(xì)；橫向上，順直河段自中心向兩側(cè)的沙粒變細(xì)；彎曲河段，從凹岸向凸岸沙粒變細(xì)；汊流河段，粗細(xì)反復(fù)出現(xiàn)；垂直方向上，河道沙底部常有沖刷面和河床滯留沉積，由下至上沙粒逐漸變細(xì)，此現(xiàn)象反映了河口沉積的正旋回。

繼在天津港燈塔鉆孔見9 ka 余下切河谷深30 m 后，在天津海河—臨港一線、黃驊—海興地區(qū)相繼發(fā)現(xiàn)了LGM 時(shí)期下切河谷，從而突破了人們對(duì)于渤海灣西岸鉆孔地層“平坦”沉積的傳統(tǒng)見解，證實(shí)了低海面時(shí)期北方也有入海大河流的存在。海平面變化已經(jīng)經(jīng)大河流影響到地層結(jié)構(gòu)，其中DZ1 孔下切河谷最深達(dá)35 m，南排河幅NP3 孔下切河谷29 m，其底部所見鈣質(zhì)結(jié)核系典型的河床砂體底部滯留沉積；下臥具水平潴育化的灰色粉砂質(zhì)黏土層，符合高潮坪沉積特征，也符合MIS3 海侵區(qū)域埋深。

2.3 古河道地電特征

研究區(qū)第四紀(jì)古河道較為發(fā)育，埋深多位于50 m 以下。受濱海地區(qū)海侵咸水作用影響，區(qū)域古河道帶電阻率普遍偏低，一般為7～20 Ω·m。

物探電測(cè)深勘探1 號(hào)線位于羊二莊西南17 km，從其視電阻率等值線剖面可知：電阻率值整體呈中高阻特征，視電阻率等值線波浪狀起伏，局部出現(xiàn)高阻閉合圈，推測(cè)淺部地層為粉土夾粉細(xì)砂，礦化度較低；中部電阻率較低，推測(cè)為粉砂、粉土層，礦化度較高；下部電阻率逐漸升高，顆粒變粗，主要為細(xì)砂。測(cè)點(diǎn)14～20 段間表層視電阻率相對(duì)較高，推測(cè)該段礦化度相對(duì)較低，淡水層為地表下15 m 以淺[ 圖3（a）]。

物探電測(cè)深勘探2 號(hào)線位于官莊西南1.5 km，測(cè)線附近地表出露粉土，地形較為平緩。測(cè)量結(jié)果顯示：淺部視電阻率值整體呈中高阻特征，視電阻率等值線波浪狀起伏，局部出現(xiàn)高阻閉合圈，推測(cè)淺部地層為粉土夾粉細(xì)砂；中部電阻率較低，礦化度較高；下部電阻率逐漸升高，顆粒變粗。測(cè)點(diǎn)15～17 段間地表下15 m 以淺電阻率相對(duì)較高，礦化度相對(duì)較低，推測(cè)淡水相對(duì)較豐富；測(cè)點(diǎn)20～23 段間地表下35 m 以淺電阻率相對(duì)較高，礦化度相對(duì)較低，推測(cè)地下水礦化度相對(duì)較低，從而判斷測(cè)點(diǎn)11～23 區(qū)間段為古河道帶[ 圖3（b）]。

3 古河道水文工程地質(zhì)特征

3.1 水文地質(zhì)特征

古河道含水層底界深度一般小于40 m，厚度一般為8.0～12.0 m，富水性較好，賦存于全新統(tǒng)地層中。含水層以粉砂、細(xì)砂為主，發(fā)育微咸水，局部地段有淺層淡水，是重要的農(nóng)業(yè)分布區(qū)。含水層之上和含水層之間，多為黏土與粉質(zhì)黏土層，地下水多具明顯的承壓性，地下水補(bǔ)給條件差，淺層地下水水位埋深1.0～4.0 m?？傮w趨勢(shì)為：向海一側(cè)的地下水水位呈上升趨勢(shì)，地下水徑流較差，除河道帶有微弱徑流補(bǔ)給外，其余部位地下水的運(yùn)動(dòng)基本處于停滯狀態(tài)；地下水動(dòng)態(tài)類型屬?gòu)?qiáng)入滲補(bǔ)給- 蒸發(fā)、開采型，水化學(xué)類型多為氯化物- 鈉型水。

古咸水頂板埋深與古河道的發(fā)育程度有關(guān)，咸水體底板埋深受基底構(gòu)造與海相層的多寡制約，一般在海相層多的部位，底板變深。所以咸水體底板埋深由西向東并非呈斜線直下，而是呈階梯狀逐步加深。咸水礦化度在垂向上也表現(xiàn)出一定的規(guī)律，礦化度最高值一般位于深度為50～70 m 處，隨后礦化度逐漸降低。古河道分布區(qū)咸水頂板埋深受淡水影響大，反之則小。

3.2 物理力學(xué)指標(biāo)特征

黃驊市古河道沉積物類型多為粉土、粉砂，局部分布有中砂、細(xì)砂。砂層多呈灰黃色，局部為褐黃色；中密-密實(shí)狀態(tài)，低、中壓縮性；無(wú)層理，多含蚌殼，多上覆淺灰色海相層黏性土及淤泥質(zhì)土層，下伏陸相或海相黏性土層。通過對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)的整理與分析（表1），陸相層粉土粉砂層的各項(xiàng)物理指標(biāo)多好于古河道區(qū)，以孔隙比、壓縮性、黏聚力、內(nèi)摩擦角較為明顯。

3.3 地基承載力特征

古河道內(nèi)厚層粉土粉砂自穩(wěn)能力差且含水量大，從而在工程建設(shè)中對(duì)樁墻施工、基坑支護(hù)及降水設(shè)計(jì)等影響較大。古河道地基土承載力特征值fk 為97.4～258.5 kPa，雖然研究區(qū)古河道層物理力學(xué)性質(zhì)較周邊地區(qū)同類型巖土體差，但同樣可作為復(fù)合地基、多層建筑的樁基持力層。

在工程建設(shè)中，當(dāng)天然地基不能滿足擬建物強(qiáng)度和變形要求時(shí)，需要采用樁基進(jìn)行地基處理。樁基的長(zhǎng)短和單樁強(qiáng)度直接影響工程造價(jià)，因此地基土中埋藏最淺的樁基持力層可選擇⑥ 1 工程地質(zhì)亞層。該層層底埋深31.8～42.0 m，層厚0.8～7.2 m，平均厚度6.6 m，呈灰黃、灰褐、灰色；可塑，局部硬塑，含鈣質(zhì)結(jié)核，液性指數(shù)IL 為0.12～0.90，天然孔隙比0.6～1.2；低、中壓縮性，壓縮系數(shù)a1-2 為0.1～0.9 kPa，承載力特征值fk 為108～300 kPa，剪切波速值246～263 m/s。該層無(wú)軟弱下臥層，工程地質(zhì)特性良好。

4 結(jié)論

研究區(qū)地處海積及沖海積平原，古河道呈枝杈狀分布，均為晚更新世末期至全新世中期古河流沖切作用的結(jié)果。古河道常見寬度1000～4000 m，部分古河道已延伸入渤海海域。古河道帶電阻率普遍偏低，一般小于30 Ω·m，地下水礦化度對(duì)比周邊地區(qū)小，富水性條件較好。古河道分布區(qū)多為農(nóng)業(yè)作物主產(chǎn)區(qū)。

古河道沉積物多以粉土、粉砂為主，砂體粒度較細(xì)，含水層底界深度一般小于40 m，厚度一般為8.0～12.0 m。地下水多具明顯的承壓性，地下水補(bǔ)給條件差，淺層地下水水位埋深1.0～4.0 m，水化學(xué)類型多為氯化物- 鈉型水，可作為微咸水利用的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。古咸水頂板埋深與古河道的發(fā)育程度有關(guān)。

古河道工程地質(zhì)巖體多為低、中壓縮性土，水位高，上覆淺灰色海相層黏性土及淤泥質(zhì)土層，下臥陸相或海相黏性土層，承載力特征值較低，其物理力學(xué)性質(zhì)較陸相沉積粉土粉砂差，但可作為復(fù)合地基、多層建筑的樁基持力層。

古河道內(nèi)厚層粉土粉砂自穩(wěn)能力差且含水量大，工程建設(shè)中對(duì)基坑支護(hù)及降水設(shè)計(jì)等影響較大。當(dāng)同一構(gòu)筑物建設(shè)跨越兩區(qū)時(shí)，選取的樁端持力層不同，導(dǎo)致后期差異變形量過大，造成建筑物開裂等問題，所以需要進(jìn)行必要的地基處理。

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