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黑方台水文地质条件及地下水资源分析

时间:2016-07-01来源: 作者: 点击: 130次



 

[摘要] 黑方台近年来经常发生滑坡、崩塌灾害,其主要原因是从黄河提水灌溉农业,人为改变了原有的水文地质条件。通过研究地下水补给方式、排泄关系、地下水埋藏条件、地下水资源储存情况等内容,为崩滑灾害的形成机制提供一定参考。

[关键词] 黑方台;水文地质条件;地下水资源

[中图号]:P345

 

Hydrogeological conditions and groundwater resources analysis of Heifangtai

ZHANG Jian-wen1,ZHANG Lei1,2

(1.School of Civil Engineering and Mechanics , Lanzhou University , Lanzhou , Gansu 730000 , China 2.Gansu Institute for environmental geology , Lanzhou , Gansu )

Abstract:In recent years, Heifangtai frequent take place landslides, collapse hazard, mainly due to lift water from the Yellow River irrigated agriculture, artificially changed the original hydrogeological conditions.The relationship between the content of excretion, groundwater burial conditions, storage conditions provide a reference for the slump disaster formation mechanism.

Keyword:Heifangtai;Hydrogeological conditions;Groundwater resources

 

自黑方台提水灌溉以来崩滑灾害频发,绝大部分学者认为,水是诱发黑方台滑坡的主要原因[123]。分析黑方台地下水条件对了解该地区滑坡灾害的形成具有重要意义。黑方台为黄土台塬,属于黄河Ⅳ级阶地,台塬高出现代河床120—150多米[4]。由于黑方台为一向偏东方向突出的半岛形台地,尤其是黑台,加上西边虎狼沟和北侧的磨石沟的切割,台地高出周围地形,基本上杜绝了周围地表水和地下水的补给。因此天然条件下大气降水是本区地下(云南师范大学旅游与地理科学学院 昆明 650500)水的唯一补给来源。由于气候干燥,降水稀少,黑方台上部平均约40m厚的黄土层长期处于干燥状态,天然含水量一般小于10%。尽管黄土具有较强的渗透性能,但由于干燥的包气带黄土对水的大量吸收和大气蒸发,有限的降水很难通过巨厚的黄土包气带大面积入渗形成地下水。据西北水土保持研究所的观测资料表明,类似的这种条件下,大气降水在黄土层中的入渗深度仅为1.5—2.6m,只有通过垂直裂缝,落水洞等局部地段的通道,才有少量的大气降水入渗到黄土层底部或卵石层中形成地下潜水。因此,天然条件下黑方台地区的地下水非常贪乏,在台缘一带仅有少量泉水分布。

1、提水灌溉工程供水量

60年代中期,为了安置刘家峡与盐锅峡库区移民,在黑方台建成了提水灌溉工程。该工程1966年7月开工建设,1969年6月30日竣工;设计提水量1.22m3/秒,实际提不量为2.115m3/秒。根据81年到99年的灌溉资料计算年平均提水量是645×104m3,其中80年代(81年到89年9年间)的年平均提水量是722×104m3,82年的提水量最大,为858.2×104m3,87年的提水量最小,为599×104m3;90年代(90—99年)的年平均提水量是576×104m3,91年的提水量最大,为682.5×104m3,95年最小,为503×104m3。由于长期大面积大水漫灌,致使大量灌溉水渗入到地下,增大了地下水的补给量,破坏了黑方台的地下水均衡,改变了天然状态下的水文地质条件。

大面积长期灌溉后,各含水层得到了大量灌溉水的充分补给,地下水的活动明显加强。根据调查统计,黑台的泉水总流量是21.5l/s,如果算上无法测流的泉水流量,则可达25l/s,即黑台每年的泉水总流量为78.84×104m3(表1)。方台的泉水总流量为4l/s,每年的总流量为12.62×104m3,不计渗入基岩中的地下水量,黑方台泉水的年排泄总量是91.46×104m3,而天然条件下黑方台每年的泉水总流量为3.2×104m3,前者是后者的28.6倍。

表1 黑方台泉水流量调查表

地点

泉号

位置

含水层岩性

流量(l/s)

黑台

S1

虎狼沟支沟东侧(103°17′06″,36°05′54″)

砾卵石

0.01

S2

虎狼沟(103°17′08″,36°05′33″)

砾卵石

0.1

S6

磨石沟黑台侧(103°18′49″,36°06′56″)

砾卵石

1.961

S7

磨石沟黑台侧(103°18′57″,36°06′51″)

砾卵石

1.296

S8

黑台北缘磨石沟支沟(103°19′15″,36°06′52″)

砾卵石

0.114

S9

黑台北缘磨石沟支沟(103°19′23″,36°06′53″)

砾卵石

0.610

S10

黑台陈家北无名沟(103°19′35″,36°06′41″)

砾卵石

0.039

S11

焦家村北黑台南坡

 

0.325

S12

野狐沟中部西侧边坡

砾卵石

4.459

S13

野狐沟沟头边坡

砾卵石

S14

党川北黑台边坡

泥岩、砂岩

0.01

S15

陈家北黑台边坡

砾卵石

0.454

S16

陈家北黑台边坡小沟谷内

砾卵石

0.01

S20

黑台陈家北无名沟

砾卵石

0.01

S21

陈家东北角无名沟(103°19′47″,36°06′54″)

砾卵石

4.539

S22

陈家东北角无名沟

砾卵石

0.039

S23

陈家东北角无名沟

砾卵石

0.454

S24

陈家东北角无名沟

砾卵石

0.454

S25

焦家北黑台东冲沟内(103°20′37″,36°07′00″)

砾卵石

0.02

S27

焦家村东北黑台边坡JH4号滑坡

砾卵石

1.00

S28

焦家村北黑台边缘JH5号滑坡

黄土, 砾卵石

0.714

S29

焦家村北黑台边坡JH7号滑坡东缘

砾卵石

0.14

S30

焦家村北黑台边坡JH7JH8号滑坡之间

砾卵石

0.68

S31

焦家村北黑台边坡JH8号、JH9号上

砾卵石

0.186

S32

焦家村西北JH9号滑坡西缘

砾卵石

0.717

S33

焦家村西北黑台边缘JH10号滑坡西缘

黄土砾卵石

0.080

S34

焦家村西北JH11滑坡后壁底

 

0.01

S35

焦家村西北JH11滑坡西侧

黄土,砾卵石风化泥岩,砂岩

0.610

S36

黄河桥西头西南约250米黑台边坡上

砾卵石,泥岩,砂岩

1.828

S37

黄河桥西桥头JH13号滑坡东缘

砾卵石,泥岩,砂岩

0.054

S38

焦家崖头中部

砾卵石

0.14

S39

焦家崖头西部

砾卵石

0.108

S40

黄茨北HH2号滑坡西缘

砾卵石

0.349

方台

S3

虎狼沟西侧沟坡(103°17′07″,36°05′18″)

砾卵石

0.427

S4

虎狼沟方台侧(103°16′57″,36°05′13″)

砾卵石

0.795

S5

虎狼沟沟头西侧方台边坡(103°16′41″,36°05′30″)

风化泥岩,砂岩

0.01

S17

方台东南缘边坡

泥岩, 砂岩

0.454

S18

虎狼沟方台侧

砾卵石

0.795

S19

虎狼沟方台侧

砾卵石

0.375

 

2、地下水类型

研究区的地下水按赋存条件可划分为黄土层潜水,砂砾卵石孔隙水和基岩裂隙水三种类型。

2.1黄土层潜水

大面积分布于黑台台塬上部的上更新统(Q32eol)黄土,其厚度在22—43.60m之间 ,东厚西薄,主要为粉土,其垂直节理发育,且多大孔隙和大量的落水洞。大气降水在本区小于400mm,多以集中暴雨形成出现,降水中相当大一部分消耗于厚度很大的黄土包气带中,补给下部潜水的部分大为减少,因此黄土地下水的主要补给来源为灌溉水。由于黄土下部是相对隔水的粉质粘土,灌溉水回渗到该层后受到阻隔,使得该层之上的黄土层自21m以下均形成饱水的可塑软塑层。在10—20m以下的黄土,其垂直和水平渗透系数近似相等,黄土中的一部分地下水沿粘土层顶面在水平方向上向台塬南、东、北流动,最终在台缘边坡地带黄土与粘土层的接触面上成线状排泄,另一部分地下水沿粉质粘土层的节理、裂隙和孔隙继续下渗,排入卵石层中。黄土层潜水类型为Cl—Na型水,矿化度可达52g/l,总硬度可达631.9德国度,PH值7.58,氯离子(Cl-)含量24.86g/l,硫酸根离子(SO42-)含量9.02g/l,钠离子(Na+)含量可达15.30g/l(表2)。

表2                               黑方台地下水水化学特征一览表

编号

含水层岩性

地下水类型

矿化度(g/l

PH

水化学类型

S2

卵砾石

潜水

78.29

7.38

Cl—Na

S3

卵砾石

潜水

52.59

7.80

Cl—SO4—Na

S5

卵砾石

潜水

55.52

7.76

Cl—Na

S6

卵砾石

潜水

71.79

7.36

Cl—Na

S7

卵砾石

潜水

67.24

7.22

Cl—Na

S11

卵砾石+黄土

潜水

52.39

7.58

Cl—Na

S12

卵砾石

潜水

51.29

7.68

Cl—Na

S13

卵砾石

潜水

37.11

8.06

Cl—Na

JH12

卵砾石+黄土

潜水

46.78

7.76

Cl—SO4—Na

HH2

卵砾石

潜水

44.86

7.78

Cl—SO4—Na

P11

卵砾石+黄土

潜水

70.28

7.54

Cl—Na

ZK1

卵砾石

潜水

49.26

7.46

Cl—Na

2.2第四纪松散卵石层孔隙水

黑台的卵砾石孔隙水,其补给来源为上部黄土层中的地下水通过粉质粘土层的节理裂隙的向下渗透。卵砾石层并不完全饱水,其中的地下水位距上部的粉质粘土层底部尚有1—4m,因此,虽然卵砾石层顶部有厚度大的黄土与粉质粘土层,但其中的地下水并无承压性质,仍属于潜水。含水层的厚度自台塬的中心武警农场一带向台塬的边缘逐渐变薄,在农场一带含水层厚度在5m左右,在塬边一带不足两米。卵石层中的地下水在武警农场以西主要由西向东迳流,农场以东呈扇形向东、南、北三个方向流动,最终在塬边卵石层与基岩接触面上以泉的形式排泄,同时在台塬内部有少部分卵石层中的地下水沿基岩表面的风化裂隙带向基岩排泄。卵石层的渗透系数由塬中心向塬边逐渐增大,主要原因是塬中心的卵石层泥质胶结程度较好,到塬边卵石层泥质胶结程度逐渐降低。渗透系数由塬中心到塬边由15m/d,增大到70m/d,地下水类型仍以Cl—Na型为主,其次是Cl—SO4—Na型水,矿化度37g/l—78g/l,PH值7.22—8.06,氯离子(Cl-)含量18.79g/l—43.07g/l,硫酸根离子(SO42-)含量7.18g/l—10.85g/l,钠离子(Na+)含量10.68g/l—22.96g/l,总硬度427.3—1025.4德国度。

方台的黄土层潜水与卵砾石层潜水,其补给、迳流、排泄条件与黑台类似,不同的是方台两种类型的地下水的迳流途经短,仍以泉的形式排泄,地下水矿化度51—55g/l,水化学类型为Cl—Na型水,PH值7.76—7.68。

2.3基岩裂隙水

分布于黑方台下白垩统河口群上段地层的风化裂隙带中,主要补给来源为上部卵石层中的潜水,沿基岩顶面的风化裂隙,原生的一些节理、裂隙下渗所致,无统一的地下水位。根据钻孔揭露,基岩风化带的厚度一般不超过4m,在4m以下的砂泥岩中,主要发育结构裂隙和原生节理,边坡地段基岩出露部位风化裂隙发育程度高,基岩都成了碎块状,有少量地下水在塬边沿基岩裂隙渗出。地下水类型仍为Cl—Na型水,矿化度50g/l左右。部分地下水沿砂泥岩层面或泥岩中某一软弱面缓慢入渗,最后排泄补给二级阶地。

分布于台塬坡下的滑坡堆积体、崩积物,因其结构松散,渗水性强,从黄土层与粘土岩接触面渗出的泉水,以及砂砾卵石层底面出露的泉水大部分渗入这些崩滑堆积物中。由于这些泉水的冲蚀、滑坡体表面地形切割强烈,小冲沟发育。该层也无统一的水面,为透水不含水层。

3、地下水资源

由于黑方台基本上是一个孤立的台塬,外围侧向迳流对台塬地下水的补给量很小,可忽略不计,同时地下水位埋深较大,潜水的蒸发、蒸腾量非常微弱,也忽略不计;研究区没有人工开采量,只有泉水溢出量能够实测。在长期稳定的大水漫灌条件下,地下水的补给量即等于地下水的溢出量。

3.1黑台的地下水资源

A.补给量和排泄量(黄土含水层与卵石层含水层统一考虑)

补给量=排泄量=泉水溢出量=78.84×104m3(未考虑渗入基岩中的地下水量)

B.储存量

黄土含水层的储存量

Q1 =F·M·n ……………………(1)

其中:Q1为黄土含水层的储存量(m3

F  为黄土含水层的分布面积(m2

M 为黄土含水层的平均厚度(m)

n  为黄土含水层的给水度(无因次)

取:F为10849亩(724×104m2);M取18m;n取经验数据0.12,代入公式,得:Q1 =F·M·n = 724×104×18×0.12 = 1564×104m3

卵石含水层的储存量

Q2 =F·M·n ……………………(2)

其中:Q2为卵石含水层的储存量(m3

F   为卵石含水层的分布面积(m2

M  为卵石含水层的平均厚度(m)

n   为卵石含水层的给水度(无因次).

取:F = 724×104m2;M = 2.5m;n = 0.30,代入公式,

得:Q2 =F·M·n = 724×104×2.5×0.30 = 543×104m3

因此,黑台含水层总的储存量:Q黑台 = Q1+ Q2 =1564×104+543×104

                                =2107×104m3

3.2方台的地下水资源

A.补给量和排泄量(黄土含水层和卵石层含水层统一考虑)

补给量 = 排泄量 = 泉水溢出量 = 12.62×104m3(不考虑渗入基岩中的地

下水量)

B.储存量

黄土含水层的储存量

Q1 =F·M·n ……………………(3)

取:F=181×104m2;M=18m;n=0.12;代入上式

得:Q1 =F·M·n = 181×104×18×0.12 = 391×104m3

2.2卵石含水层的储存量

Q2 =F·M·n ……………………(4)

取:F=181×104m2;M=2.50m;n=0.30;代入上式

得:Q2 =F·M·n = 181×104×2.50×0.30 = 136×104m3

故方台含水层总的储存量为:

Q方台 = Q1+ Q2 =391×104+136×104

                           =527×104m3

3.3黑方台总的地下水资源

A.黑方台地下水多年平均补给量 = 排泄量 = 泉水溢出量

                                  = 78.84×104+12.62×104

=91.46×104m3

B.黑方台地下水的储存量       = Q黑台 + Q方台

                                  = 2107×104+527×104

=2634×104m

4、结语

1)研究区在天然条件下,地下水补给条件差,岩层含水性弱,无论在旱季和雨季,地下水的活动非常微弱;

2)黑方台地下水的补给途径依靠农业灌溉回渗,排泄途径主要是通过泉水溢出的方式进行。

3)在没有侧向迳流补给和降水量无明显变化的条件下,大量灌溉水的回渗是泉流量大量增大的根本原因;

参考文献

[1]贾俊,朱立峰,胡炜.甘肃黑方台地区灌溉型黄土滑坡形成机理与运动学特征[J].地质通报,2013,32(12):1968-1975.

[2]董英,贾俊,张茂省.甘肃永靖黑方台地区灌溉诱发作用与黄土滑坡响应[J].地质通报,2013,32(6):893-898.

[3]王家鼎,惠泱河.黑方台台缘灌溉水诱发黄土滑坡群的系统分析[J].水土保持通报,2001,21(3):10-13.

[4]许领,戴福初,闵宏等.黑方台黄土滑坡类型与发育规律[J].山地学报,2008,26(3):364-731.

 

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