江汉洞庭平原1∶45 万水文地质图的编制思路及方法探讨

2020-05-24赵幸悦子关义涛姚腾飞

华南地质 2020年4期

赵幸悦子，喻望，肖攀※，关义涛，姚腾飞

（1.中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205；2.湖北省水文地质工程地质大队，湖北荆州 434100；3.湖南省地勘局402 队，长沙 410014）

水资源作为宝贵的自然资源，不仅维持着人类的生存发展，也保持着人类生存环境的长盛不衰，对于社会、经济可持续发展的作用也无可替代[1]。地下水资源作为水资源的一种存在形式，对于人类的生活、生产起着举足轻重的作用；特别是地表水系不发达地区，地下水资源甚至成为了唯一的供水水源。除此之外，地下水资源量的大小也直接制约着地区经济的发展。准确评价地下水资源量，是地下水资源合理开发利用的关键条件之一，而地下水资源评价的最基础工作是水文地质图的编制[2-4]。地下水资源的数量、质量及其时空分布特征、地下水补径排运动规律随着时间迁移在不断发生变化[5-7]，因此，精准时效的水文地质图是科学合理开发地下水资源的重要保障。

为系统总结多年调查研究成果，进一步完善和提升对我国区域地质环境特征、地质灾害的发育分布规律等的认识，促进水工环地质理论创新、学科发展和成果转化应用，更好地服务于地质环境保护管理与地质灾害防治[8]，原国土资源部启动了全国地质环境图系编制工作，笔者通过“全国地质环境图系编制工作”下达的《江汉洞庭平原水文地质图》编制任务，系统收集了湖北、湖南两省近十年来基础地质、水文地质及环境地质工作的基础图件与成果报告[9-11]，结合“江汉-洞庭平原地下水资源及其环境问题调查评价”项目1∶25 万野外调查成果[12]，以编为主、编测结合，采用科学编图理念和方法，编制了1∶45 万水文地质图，丰富、改进了江汉洞庭平原水文地质图图面内容，并探讨了第四系松散岩层区水文地质图的编制思路与方法，为江汉洞庭平原地下水资源合理利用以及区域经济发展供理论指导，支撑服务长江中游生态文明建设与城市发展规划。

1 研究区概况

江汉洞庭平原横跨湖北、湖南两省，由江汉平原、洞庭平原贯通连接形成，其地理坐标为北纬28°15′-31°10′，东经111°27′-114°16′，气候属北亚热带湿润季风气候，具有四季分明，雨量充沛，光照适宜，春秋季短，冬夏季长的特征，受纬度影响，气温、降水量自北向南略有差异，多年平均气温为16.4-17.0℃，多年平均降雨量为1000-1400 mm。区内河道水网发育，长江、汉江横穿江汉平原而过，湘江、资江、沅江、澧水“四水”分割洞庭平原而行，共同构成江汉洞庭平原错综复杂的地表水系网络。

区域地层主要以第四系为主，局部也有前第四纪地层出露。前第四纪地层从太古界至新生界均有出露，主要分布于江汉洞庭平原周缘与交接隆起地带，岩性主要有沉积碎屑岩、碳酸盐岩、变质岩、岩浆岩类；第四纪地层广泛分布于江汉洞庭平原，全新世、更新世地层完整，深度可达240-290 m，岩性以粘土、砂土、粉细砂、中粗砂、砂砾石层为主，构成研究区主要的地下水运移通道与存储空间。

2 水文地质概述

研究区第四纪地层岩相多变，主要有河流相、河湖相、湖相等，普遍发育松散岩类孔隙水。区域主要有三个含水岩组：即浅层孔隙潜水含水岩组、上部孔隙承压含水岩组、下部孔隙裂隙承压含水岩组。

2.1 浅层孔隙潜水含水岩组

浅层孔隙潜水含水岩组由第四系全新统组成，江汉平原岩性主要为砂砾（卵），中粗砂、粉细砂、细砂、粉土及粉质粘土，含水层与相对隔水层无明显界线，呈渐变或交错状。含水层厚度一般在12.06～44.58 m，地下水位埋深0.15～7.13 m，含水层渗透系数5.08～12.75 m／d。该含水岩组在阶地前缘以接受江河水补给为主，单井涌水量＞1000 m3／d 或500～1000 m3／d，阶地后缘富水性较差，单井涌水量为100～500 m3／d。洞庭平原岩性多为河相、河湖相的粘土、砂质粘土和粉细砂。含水层厚度一般为5 m左右，其分布面积不广，单井水量受岩性影响较明显，一般＜500 m3／d，仅岳阳广兴洲—君山农场一带相对较大，可达1000～1500 m3／d。

浅层潜水含水岩组在部分地区有一定供水意义，但受到水量水质限制，多仅能作为农田供水和部分厂矿工业用水，一般不经过水质改造，不宜直接作为居民生活用水。

2.2 上部孔隙承压含水岩组

上部孔隙承压含水层由上更新统、中更新统组成，因中、上更新统之间无隔水层，并且其水力联系密切，其间的粘土呈透镜体状，不能成为相对隔水层，因而作为一个统一的含水岩组。江汉平原含水岩组主要由砂、砂（卵）砾石组成，总体特征：从西到东、从北到南含水层颗粒由粗变细；其厚度具有东、西薄，中间厚，南部薄，北部厚的特点，总的趋势向湖盆中心厚度增大，一般厚30～70 m，局部地区平均厚度达100 m；含水岩组的富水性受控于古地理沉积环境和含水介质的分布规律而贫富悬殊，各地不一，单井涌水量一般500～1000 m3／d，大者可＞2000 m3／d，小者＜100 m3／d。洞庭平原岩层由河相、河湖相、湖泊相的粘土、砂质粘土层、砂和砂砾石层组成多个韵律层，含水层一般厚40～100 m，单井涌水量为几百至1×104m3／d。在周边地区，一般＜500 m3／d，向中心增大，在中部地区一般＞2000 m3／d，最大在大通湖沙厂达10200 m3／d。

2.3 下部孔隙裂隙承压含水岩组

中、下更新统之间有相对稳定的粘土弱透水层，而下更新统与新近系之间无明显的隔水层，其水质、地下水动态极相近，无法将其分割单独评价，因而将其作为一个含水层组，即下部裂隙孔隙承压含水岩组。该含水岩组单井涌水量相对上中更新统含水岩组小，洞庭平原一般＞500 m3／d，其中西洞庭湖地区一般＞2000 m3／d，其它地区为500～1000 m3／d之间；江汉平原下部裂隙孔隙承压含水岩组富水性较差，单井水量大部分地区＜500 m3／d，个别地区＞1000 m3／d。

上部、下部承压含水岩组是江汉洞庭平原区富水性较丰富的含水地层，也是江汉洞庭平原地下水资源主要储水层位，地下水矿化度一般＜1.0 g／L，从水质水量角度来说，承压含水岩组具有很好的地下水开采潜力与充足的供水能力。

3 编图原则与思路

3.1 编图原则

水文地质图的编制目的是能够反映出区域水文地质环境特征，有效促进水工环地质理论创新、学科发展和成果转化应用，服务地方地质环境保护管理工作。江汉洞庭平原地表水系发育，随着城市发展规模不断发展壮大，地下水资源加大开采的趋势明显，编制江汉洞庭平原1∶45 水文地质图能为区域规划发展提供导向，明确地下水开采可能引起的环境地质问题，为科学规划开采方案提供依据。简而言之，江汉洞庭平原1∶45 万水文地质图编图原则是“以需求为导向、以专业为基础，以发展为目标，谋求人-地和谐持续发展”，既要保障区域发展供水需求，又要保持生态环境的可持续发展。

3.2 编图思路

江汉洞庭平原1∶45 万水文地质图编制以编为主，编测结合。图件编制以资料收集整理、汇总分析研究为主，主要结合“江汉-洞庭平原地下水资源及其环境问题调查评价”项目的实施开展，补充更新江汉洞庭平原水文地质信息，丰富完善水文地质图件内容，编制完成以地下水系统为基本骨架的水文地质图。编制思路主要分两步开展，一方面资料收集，综合研究，查清江汉洞庭平原地质、水文地质条件，含水岩组空间结构，确定图层要素及图面内容，初编水文地质图；另一方面通过江汉洞庭平原地下水资源调查评价项目开展的1∶25 万野外调查工作，补充调查不足的数据资料，更新完善具有时效性的水文地质信息，遵循全国地质环境图系编图技术要求完成水文地质图编制工作（图1）。

图1 江汉洞庭平原水文地质图编制思路图Fig.1 Compilation ideas of the hydrogeological map of the jianghan-Dongting Plain

3.3 编图方法的创新

江汉洞庭平原1∶45 万水文地质图编制除遵循《综合水文地质编图方法与图例》、《全国地质环境图系编制技术要求》的编制要求相关内容外，主要还表现如下特征与优势：

3.3.1 以地下水系统理论为指导，突出地下水运动规律

水文地质图不仅要反映地下水富水程度，更要突出地下水运动规律，充分掌握地下水补径排条件。地下水系统是时空分布上具有共同水文地质特征与演变规律的相对独立单元[6]，反映地下水运动规律，以地下水系统理论为指导编制水文地质图，更能凸显出图件的系统性、统一性及实效性，能有效预测地下水开采的动态变化规律。本文以地下水系统理论为指导，将江汉洞庭平原进行了水文地质分区。江汉洞庭平原地下水流系统整体被划分为一个一级地下水系统，细分为二个二级地下水系统，四个三级地下水系统以及九个四级地下水系统（表1，图2）。图件编制在地下水系统分区基础上划定不同富水等级区域，将含水岩组的特征与地下水流动特征有机的结合，既能表示出含水岩组的富水大小，也能反映地下水的补径排运动规律，利于地下水资源量的分析计算与运动规律的预测评价。

表1 江汉洞庭平原地下水系统划分表Table 1 Division of groundwater systems of the Jianghan－Dongting Plain

3.3.2 以双层结构表示上下潜水、承压含水岩组，凸显富水层位与区域

由上述水文地质条件可知，江汉洞庭平原主要含水岩组包括浅层孔隙潜水含水岩组、上部孔隙承压含水岩组、下部孔隙裂隙承压含水岩组。其中，孔隙潜水富水性小，供水意义不大，且水质普遍较差；而上部孔隙承压水与下部孔隙裂隙承压水，富水性大，具有较大的供水意义，水质普遍较好。依据地下水水量、水质的差异性，以及含水岩组承压－非承压特征，结合地下水资源的开采条件与供水需求，编图时只将岩组分为潜水、承压含水岩组两类，以上下双层结构表示，并根据不同的富水性标注不同颜色与图案。双层结构的表示既能表达含水岩层空间结构特征，又能凸显富水区域与层位，指明地下水在哪，地下水有多少，为地下水资源的开采利用、方案制定提供理论依据。

4 编图主要内容及其表达方式

图2 江汉洞庭平原地下水系统分布图Fig.2 Distribution map of groundwater systems in the Jianghan－Dongting Plain

按照上述分析，1∶45 万江汉洞庭平原水文地质图主要反映区域地下水类型及含水岩组富水性强弱，编制内容主要包括：地下水类型、含水岩组富水性、主要含水层位埋深条件，控制性水点、地下水系统分界线与水文地质界线等。

4.1 地下水类型

依据地下水赋存条件、特征以及供水意义、目的，江汉洞庭平原地下水类型主要划分为松散堆积物孔隙潜水、下覆承压含水岩组两大类，盆地周缘与江汉洞庭平原交接部位基岩出露，有少量基岩裂隙水。孔隙潜水、基岩裂隙水根据富水性不同或岩性不同用不同颜色表示，以示区别（图3）；下覆承压水根据富水性不同用不同图案表示，显示差异（图4）。

4.2 含水岩层富水性

地下水富水性包含地下水补给量与导水量两个方面，表征地下水资源丰富贫乏程度[7]。江汉洞庭平原以松散孔隙水为主，富水性主要以单井涌水量大小表示。由于钻孔勘探研究程度不一，为便于综合对比地下水富水性，单井涌水量需要换算成统一口径、统一降深的换算值[13]。松散孔隙含水岩层钻孔抽水试验单井涌水量换算成以200 mm 口径，5 m 降深的单井涌水量来统一评价各钻孔单位涌水量，划定各含水岩层富水性程度，根据单井涌水量将松散孔隙含水岩层富水性划分为五个等级：

①富水性极强，单井涌水量＞5000 m3／d；

②富水性强，3000 m3／d＜单井涌水量≤5000 m3／d；

图3 孔隙潜水分布及富水表示图Fig.3 Representing graph of pore phreatic water and water yield property

图4 下覆承压水分布及富水表示图Fig.4 Representing graph of underlaid confined water distribution and water yield property

③富水性中等，1000 m3／d＜单井涌水量≤3000m3／d；

④富水性弱，500 m3／d＜单井涌水量≤1000 m3／d；

⑤富水性极弱，单井涌水量≤500 m3／d；

其中，上部孔隙潜水以五种颜色表示不同富水性，下覆孔隙承压水以五种图案表示不同富水性，表示方式如图5、图6。

基岩裂隙水出露较少，地下水富水性以钻孔抽水试验单井涌水量换算成200 mm 口径，20 m 降深的单井涌水量来统一评价，且单井涌水量均≤500 m3／d，富水性均为弱－极弱，集中供水意义不大，其富水性主要以不同岩性给予不同颜色表示。

图5 浅层潜水富水性色谱Fig.5 Chromatography for water yield property of shallow phreatic water

4.3 下覆承压含水层埋深等值线

江汉洞庭平原富水岩层主要为下覆承压含水岩层，具有较大开采潜力，其平面上的富水性分布特征可以从水文地质图面展现。为表现其垂向上的分布特点，反映下覆承压含水岩层的分布深度与范围，编图过程中收集了全区内钻孔资料，统计分析下覆承压含水层顶板埋深值（即Q2＋3岩层顶板），通过suffer 软件插值绘制了对应等值线，来展现主要富水岩层在垂向上的分布特征，为供水孔深设计提供依据，利于地下水资源得到更合理开发利用。

图6 下覆承压水富水性图案Fig.6 Pattern of water yield property of underlaid confined water

5 图件编制与特点

依照上面编图思路和方法，绘制了江汉洞庭平原1∶45 水文地质图（图7）。图面除了表达富水性以外，也绘制了承压含水岩层地下水位等值线和地下水系统分界线，分别表达了主要富水岩层水位的深度和地下水补径排运动规律，标注了主要控制性水点的位置及相关水文地质信息，提供含水岩层的主要水文地质特征，为地下水钻孔部署设计提供借鉴意义。总之，该图件的编制、内容的表达始终以需求为导向，以专业为基石，为地下水资源合理科学开发利用提供理论支撑；同时，力争信息表达全面，图面简洁易懂[14－15]。

传统水文地质图的编制往往只以单独含水岩层为主体，考虑的只是含水岩层能够取多少水，往往忽视了含水岩层的整体性、系统性以及可能产生的地质环境效应等问题，江汉洞庭平原1∶45 万水文地质图编制以地下水系统理论为指导，在图件编制前首先对区域水文地质进行分区，强调地下水系统的整体性、系统性，同时在图面表达上以双层结构表示潜水和承压水，并用不同的颜色或图案区分富水性多少，既表达了含水岩层空间结构特征，又凸显了富水区域与层位。因此，江汉洞庭平原1∶45万水文地质图的编制工作为区域地下水资源充分利用和避免因地下水开采引起的各种环境地质问题提供了直接的理论支撑。