张 陵, 胡祥胜, 关义涛, 向进洋

((1.湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州 434020; 2.湖北省水文地质工程地质勘察院,湖北 武汉 430051)

江汉平原第四纪含水层系统特征

张 陵1, 胡祥胜2, 关义涛2, 向进洋2

((1.湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州 434020; 2.湖北省水文地质工程地质勘察院,湖北 武汉 430051)

第四纪冲积、冲洪积与冰水沉积的砂层和砂砾石层中贮藏了大量的地下水资源,是开采利用条件较好的地下水开采层位。江汉平原第四纪地下水资源丰富,含水层、含水层结构和含水层系统受沉积环境、古地理、古气候等因素影响分布发育特征各异但又统一,含水层多层、含水层结构多变、水文地质特征相对一致是江汉平原第四纪含水层系统的特点,江汉平原第四纪含水层系统是多层的,又是连续、统一、非均质的大的综合三维地下水含水层系统。

第四纪地层;含水层;含水层结构;含水层系统

江汉平原第四纪地层埋藏发育了多个含水层(组)和含水层系统,在分布范围上以孔隙水含水层分布最为广泛,厚度最大,储存了大量的地下水资源,是江汉平原的主要地下水开采层。

受沉积环境、古地理、古气候等因素影响,江汉平原的含水层系统具有多层性和统一性,各含水层在垂向上的分布和含水层结构特征存在着差异,致使其水力性质、水化学条件、富水性及地下水动态等水文地质条件特征各异。对于区域水文地质条件的分析研究,从含水层的沉积环境入手,进行含水层结构格架、特征的分析研究和含水层系统划分是建立地质结构模型和第四纪三维含水层模型的重要手段,也是正确划分地下水系统和地下水资源分析计算评价的重要步骤。

1 第四纪地层与含水层结构特征

第四纪以来江汉盆地在晚第三纪构造基础上继承性发展,继续呈差异性掀斜式下降,周边山地与江汉盆地间歇性的升降运动仍在持续进行,新构造运动控制了区域内第四纪沉积(厚度)与河湖演变。此间长江、汉江流域贯通,盆地内广泛发育了一套内陆河湖相堆积,盆地中心第四纪堆积厚度达280 m[1]。

1.1 早更新世地层与含水层结构

早更新世早—中期断块活动比较显著,八岭山—太湖背斜以西呈掀升拗褶为主,以东以断陷沉降为主。西部“长江”来水量不大,未能越过八岭山—太湖背斜高地,水流进入洞庭湖。早更新世早期江汉平原底部主要为一层磨拉石建造和冰砾层堆积。江汉平原的沉积主要表现为四面逐步向盆地中心堆填,物源多种,岩性多样,含砾砂、卵石中多充填泥质,具密实成层特性与半胶结状,西部主要为粘性土组成,东部主要为含砾砂、砂层。受第四纪冰川气候影响,早更新世发育两次大的沉积旋回,沉积了东荆河组上、下两段地层,分布多不连续呈透镜状,盆地边缘区域沉积厚度变化较大,平原区水平和垂直方向都较稳定,一般分布厚度80～150 m,平原沉积中心位于陈沱口凹陷的监利新沟、周老一带,底界最大深度280 m。

1.2 中更新世地层与含水层结构

中更新世时期,长江流域贯通,气候转暖,江河来水量增大,形成泛滥相堆积,是江汉平原沉积极盛时期,沉积范围已扩大到平原腹地。中更新世江汉盆地主要表现为长江物源的堆积,其次是周边河流特别是北部水系的泛滥堆填。此时江汉平原沉积了以粗碎屑砂砾石为主的江汉组,江汉组具西部颗粒粗、东部颗粒细(监利以东主要分布为砂层)的特点,物源主要来自长江上游。含水层主要为砂砾石与砂互层,砂层中多夹薄层亚粘土、粉砂。含水层埋深一般在50 m左右,厚度50～80 m,具平原区边缘薄、中心厚的特点。

1.3 晚更新世地层与含水层结构

晚更新世,华容断隆相对上升,汉江贯通,长江、汉江主流同时进入江汉平原腹地,此时长江逐渐分为3条支流(南支沿南漳—荆门—石首断裂流进洞庭湖,北支沿太湖—荆州—草市流进盆地,中支与现长江主流相当但发育较弱)与汉江共同作用向盆地中心扩散堆积,江汉盆地出现第二次大规模沉积时期。此时江汉平原河网湿地遍布,沉积了以粗碎屑砂砾石为主的沙湖组,沙湖组具西部、北部颗粒粗,东部、南部颗粒细的特点,并具条带状分布的特征,物源主要来自长江和汉江,其次是周边荆北地区各支流(玛瑙河、沮漳河、内荆河)和汉北地区各支流(天门河、钱场河、皂市河、富水、府河)的冲洪堆积。沙湖组在低平原区顶界埋藏深度为15～25 m左右,沉积厚度30 m左右,向边缘逐渐变浅变薄,但在西部厚度基本保持不变,甚至更厚。整体自成一个完善的沉积旋回,二元或三元结构清楚,下部为砂砾层,东部地区为砂层,上部以粘土、亚粘土为主,夹粉砂,含较多铁锰质结核,为冲湖积相。

1.4 全新世地层与含水层结构

进入全新世后,冰期结束,气候变暖,“夏日消溶,江河横溢”,江汉盆地来水量增大,随着海平面的快速上升和黄海面的逐渐形成与稳定,长江3条支流格局结束,长江、汉江呈漫流和三角分流形式进入江汉平原,早期的江汉平原为多湖时期,即大“云梦泽”发展时期。此后,随着南北差异性升降运动——北升南降和汉江逐渐向南分流(东荆河、通顺河),长江荆北分流的河道逐渐南移归槽,统一的长江荆江河道形成(早期为单一弯曲),河湖分离。晚期江汉平原伴随着长江、汉江大量的泥沙堆积,“云梦泽”逐渐解体,江河湖垸港汊现代地貌格局形成。全新统岩性以粘土、亚粘土、粉土及粉砂为主,局部地段有砂砾石层,主要分布于长江、汉江及其支流的一级阶地及长江与汉江挟持的中间地带。长江一带主要岩性为粉质粘土、粉土、粉砂,局部地段有薄层砂砾石层。长江与汉江挟持的平原区岩性为粉土、粉质粘土、粉砂、淤泥质粉质粘土与淤泥质粘土互层,一般厚度3～10 m[2]。

2 第四系含水层系统划分

江汉平原第四纪含水层系统在垂向上主要为松散岩类孔隙含水层系统,其中松散岩类孔隙含水层系统又可划分为浅层全新统孔隙潜水含水层系统、中层中上更新统孔隙承压水含水层系统和深层下更新统裂隙孔隙承压水含水层系统三个亚系统(表1)。

表1 含水层系统结构划分表

3 第四系含水层系统特征

3.1 松散岩类孔隙含水层系统特征

3.1.1 浅层全新统孔隙潜水含水层亚系统

浅层全新统孔隙潜水含水层系统主要由第四系全新统(Qh)含水岩组组成。含水介质主要为粉土、粉砂,局部地段有砂砾石层,主要分布于长江、汉江及其支流的一级阶地及长江与汉江挟持的中间地带。其中长江一级阶地的孔隙潜水富水性比汉江一带要好,单位涌水量2.47～13.48 m3/d·m,汉江一带单位涌水量仅为2.47 m3/d·m左右。长江与汉江挟持地带水量更小,其持水性好,释水性较差,单位涌水量一般只有1～1.5 m3/d·m。

江汉平原浅层全新统孔隙潜水含水层系统主要特征是:①缺乏良好含水层或含水层厚度小;②含水层导水性差,侧向补给相对较小,水井出水量小;③浅层水水质较差,易受地表水体污染。

3.1.2 中层中上更新统孔隙承压水含水层亚系统

中层中上更新统孔隙承压水含水层系统主要由中上更新统(Qp2+3)含水岩组组成。岩性主要为砂、砂砾石、淤泥质粉砂,普遍含有淤泥。含水层岩性在水平和垂直方向上变化较大,其富水性规律是江汉平原腹地的富水性较边缘区好。其中在枝江、荆州、江陵、张金河、通海口、沙湖、长淌口等地为极丰富级(q>1 000 m3/d·m或T>1 000 m2/d);向南北富水性逐渐减弱,在沙道观、公安、普济、监利及汉江流域的潜江、岳口、沔阳、汉川等地水量丰富(q=400～1 000 m3/d·m或T=400～1 000 m2/d);在松滋、石首、朱河、洪湖、马山、枣林铺、观音挡等为水量中等(q=100～400 m3/d·m或T=100～400 m2/d);在平原边缘的安福寺、石首以南,尺八、白螺、芦市及汉江流域的石河、黄潭以北为水量贫乏(q<100 m3/d·m或T<100 m2/d)。富水性的这种分带性与含水层厚度变化是长江汉江共同作用地带,即与河间地块大、向南向北逐渐变薄有关。

江汉平原中层中上更新统孔隙承压水含水层系统主要特征是:①含水层厚度大,相对较为均质;②含水层导水性能好,水井出水量大;③水质较好,一般不易受到污染。

3.1.3 深层下更新统裂隙孔隙承压水含水层亚系统

深层下更新统裂隙孔隙承压水含水层系统主要由下更新统(Qp1)含水岩组组成,富水性远比孔隙承压含水层差,且变化较大。该含水层水量一般—中等,钻孔单位涌水量一般为144～600 m3/d·m。其中在天门干驿、仙桃沔阳、沙湖、藕池、石首一带,水量极丰富,含水层厚度50 m左右,最大厚度76 m,最薄40 m,含水介质为砂岩、砂砾岩;在沙洋、后港、浩口等地为水量丰富,含水层厚度35 m左右,最大厚度80 m左右,含水介质为砂岩、砂砾岩。在公安、江陵、新沟、曹市、通海口、十里铺等地水量中等,分布面积最大,含水层厚度25～30 m,含水介质为泥质砂岩、砂砾岩,含泥质较高。在江汉平原北部边缘即半月山、五里铺、曾集、天门以北的石河一带,水量贫乏,含水层厚度仅数米,含水介质为泥砂岩。

3.2 第四系地下水补径排特征

3.2.1 孔隙潜水的补径排特征

孔隙潜水的补给来源主要为大气降水、地表水(河水、湖水、田水等)的入渗补给,诸项补给因素中以大气降水入渗补给为主,临近河流的起主导作用的乃是河水,当河水位上涨时接受补给。蒸发排泄、人工开采、向邻区排泄是孔隙潜水的主要排泄方式,其中以蒸发排泄量最大。此外,由于孔隙潜水的水位普遍高于下伏的上、中更新统孔隙承压水位,因而天然条件下也向其进行越流排泄。孔隙潜水的径流途径较短,由于孔隙潜水的含水介质的粒度较细,其含水介质持水性好,所以径流条件极差,径流速度相当缓慢。

3.2.2 孔隙承压水的补径排特征

孔隙承压水的补给来源主要为浅层孔隙潜水的越流补给、下更新统裂隙孔隙承压水的顶托补给和周边侧向渗流补给,长江、汉江切穿或切割了其隔水顶板直接相通,或者缩短了渗入补给的途径,也是其重要补给来源。由于江汉平原地势较平坦,地形高差较小,隔水层顶板基本水平,水位埋深相差较小,因而水力坡度一般较小,在江陵以西、多宝以北地段的水力坡度相对较陡。天然条件下孔隙承压水的径流相当缓慢,平原腹地的地下水基本为停滞状态,在开采条件下,局部水力坡度成倍增大,径流速度加快。孔隙承压水的排泄主要有以下几种方式:①向地表水体的排泄;②向邻区的排泄;③向下伏的裂隙孔隙承压含水层排泄以及局部地段的人工排泄等。在天然状态下补给与排泄基本处于一种动态的平衡状态。

3.2.3 裂隙孔隙承压水的补径排特征

裂隙孔隙承压水主要分布于江汉平原腹地,其补给量的变化主要受以下因素所控制:上、中更新统孔隙承压水的水位高低;大气降水的入渗补给量;周边的侧向径流补给量以及局部地段河流的侧向渗透补给量。地下水位的变化明显受江水制约,当长江涨水时,地下水水位抬高。下更新统裂隙孔隙承压水总体流向是自西北向东南流,地下水径流的速度相当缓慢或基本处于静止状态。地下水水力坡度以沙市、潜江、天门一线以东比较平缓,一般为0.7/10 000,盆地边缘岗波状平原地带为1/10 000～3/10 000,可知岗波状平原区的径流条件较平原区好。地下水的排泄方式主要有向邻区的径流排泄、向相邻含水岩组的排泄、局部地段的人工排泄等[3]。

江汉平原地下水储存运移于底部相对隔水或不透水的白垩系、新近系、古近系及局部元古界基岩地层之上的各含水(亚)系统之中,总体来说,各含水(亚)系统的地下水自西向东径流,各含水(亚)系统地下水既独立又统一,具有顺层径流与越层径流的特点,具承压与无压相互转化、水力联系又密切的特性。

3.3 第四系含水层系统水文地质结构特征

江汉平原第四纪含水系统的水文地质结构特征主要表现在它的统一性与多层性、承压性与无压性和顺层径流与越流流动特性。

3.3.1 含水层系统的统一性与多层性

含水层系统的统一性:江汉平原地下水是一个开放型系统,缺乏均一稳定的区域性隔水层,是连续、统一、非均质的综合含水系统。

含水层系统的多层性:江汉平原4大沉积旋回和次级沉积韵律,形成粘土、粉土、粉砂、砂、砂砾石频繁交替、重复叠置的多层结构,宏观上各含水层系统具各向异性,是多层结构的地下水系统。

3.3.2 地下水的承压性与无压性

江汉平原地下水的承压性是多层结构地下水系统的特征之一,是由区内含水层系统的多层性所决定的,并且具有多层承压性。浅层全新统含水层系统的孔隙潜水多具无压性,在无连续隔水层区域承压与无压相互转化,水力联系密切,潜水、承压水呈水文丰、枯互补[4]。

3.3.3 地下水的顺层径流与越层径流

江汉平原地下水具有三维流特性,在隔水层延伸性和连续性较好的地段,地下水主要表现为总体自西向东顺层径流;平原周边和腹地无隔水层地段则分别以越层的垂向向下和垂向向上越流为主。

4 结语

江汉平原第四纪含水层系统主要为松散岩类孔隙水含水层系统,为垂向上含三个亚系统的多层含水层系统,是由它的古地理、古气候和沉积环境所决定的。

江汉平原多层含水层系统具有顺层径流与越层径流的特点,具承压与无压相互转化、水力联系又密切的特性。单层含水层系统虽非均质、各向异性,但连续、统一,具有相对的封闭性。

江汉平原第四系整体上是一个具有统一水力联系的综合大系统,一个三维的地下水系统。

[1] 刘广润,殷鸿福,陈国金,等.长江中游荆江及江汉平原水患区环境地质调查评价报告[R].荆州:湖北省水文地质工程地质大队,2003.

[2] 张陵,关义涛,向进洋,等.江汉—洞庭平原地下水资源及其环境问题调查评价报告(湖北)[R].荆州:湖北省地质局水文地质工程地质大队,2015.

[3] 蔡德宏,丁锦惠,杨红,等.湖北省地下水资源评价[R].荆州:湖北省水文地质工程地质大队,1988.

[4] 李云峰,冯建国,王玮,等.鄂尔多斯盆地白垩系含水层系统分析[J].西北地质,2004,37(2):90-96.

(责任编辑：于继红)

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

张陵(1961-),男,高级工程师,水工环专业,从事水工环地质调查、评价与研究工作。E-mail:Whzhangling@126.com

P641.7

A

1671-1211(2016)06-0895-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.017

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161026.0907.008.html 数字出版日期:2016-10-26 09:07