初析鄂爾多斯高原淺循環(huán)地下水水位動態(tài)

崔旭東，王曉勇，陶正平

(中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安 710054)

鄂爾多斯高原地處我國內(nèi)陸高原，區(qū)內(nèi)蘊藏著極為豐富的煤、石油、天然氣等能源礦產(chǎn)，是中國正在建設(shè)的重要能源化工基地［1］。隨著能源基地的建設(shè)，人民生活水平的不斷提高，區(qū)內(nèi)地下水資源的利用將逐年增加。但是，任何地域的地下水資源都是有限的，并不是“取之不盡，用之不竭”的。因此，為了地下水資源的可持續(xù)利用和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，有必要對區(qū)內(nèi)地下水水位動態(tài)變化規(guī)律及其主要影響因素進(jìn)行分析和研究，以便為地下水資源的合理利用和管理?提供科學(xué)的決策依據(jù)。

在巨厚的鄂爾多斯高原白堊系—第四系含水系統(tǒng)中，淺循環(huán)系統(tǒng)體積雖然僅占整個含水系統(tǒng)的20%，但循環(huán)量約占整個含水系統(tǒng)循環(huán)量的80%［2］，因此淺循環(huán)地下水是區(qū)內(nèi)最主要的地下水開采目的層和潛力層。本文在對鄂爾多斯高原淺循環(huán)地下水水位動態(tài)定性分析的基礎(chǔ)上，基于水箱模型對其成因機(jī)制進(jìn)一步進(jìn)行了分析，從而對定性分析的可靠性進(jìn)行了驗證。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯高原屬干旱-半干旱區(qū)，降雨量由南到北依次遞減，多年平均降雨量300 mm。潛在蒸發(fā)能力很高，多年平均在 2 000 mm-3 200 mm 之間［3］。

研究區(qū)內(nèi)分布三條主要的河流:摩林河、都思兔河以及無定河。這些河流主要由地下水補給［3］。區(qū)內(nèi)大部分湖泊是地表徑流匯集區(qū)和地下水的排泄區(qū)，56個湖泊的面積大于1 km2。主要的地質(zhì)單元為白堊系保安群的砂巖，其上覆蓋第三系泥巖及第四系松散沉積物。由于在區(qū)域上沒有連續(xù)穩(wěn)定的隔水層，上部第四系地下水與下伏白堊系地下水共同構(gòu)成大厚度(最厚達(dá)1 000 m以上)單一的含水層系統(tǒng)。大氣降水為該系統(tǒng)地下水的主要補給源，地下水徑流受四十里梁和新召梁的控制，分別向北、東、西三個方向的三條主要河流排泄(摩林河，都思兔河和無定河)。在垂向上可以劃分為三個水流系統(tǒng)，即淺、中和深循環(huán)系統(tǒng)(圖1)。淺循環(huán)系統(tǒng)的地下

圖1 鄂爾多斯高原地下水流動系統(tǒng)模式圖

水徑流速度快，循環(huán)深度在100～250 m之間。中間循環(huán)系統(tǒng)的地下水循環(huán)速度較慢，循環(huán)深度在300 m。深循環(huán)系統(tǒng)的地下水徑流速度非常緩慢，其循環(huán)深度在500～1000 m之間［4］。

2 水位動態(tài)變化特征及影響因素分析

目前研究區(qū)淺循環(huán)地下水的開采程度還很低，實際開采量每年在8億m3左右［5］，僅占可采資源量的15%，因此水位動態(tài)總體上表現(xiàn)比較穩(wěn)定，年際上水位變幅一般不會超過1 m(圖2)，這應(yīng)該是研究區(qū)淺循環(huán)地下水仍基本處于天然狀態(tài)的反映。年際間的水位動態(tài)變化主要受降水的直接影響，降水量多的年份水位抬升，降水量少的年份水位降低，高水位(低水位)的出現(xiàn)年份與降水多(少)的出現(xiàn)年份相同。

圖2 GM50地下水位與降水動態(tài)

淺循環(huán)地下水年內(nèi)水位動態(tài)具較明顯的季節(jié)性變化(圖3)，年內(nèi)水位動態(tài)總體表現(xiàn)為雨季前水位不斷降低，雨季后水位不斷抬升，說明地下水主要受降水和蒸發(fā)作用控制。每年3月份～7月份，地下水得到的補給量很少，氣溫逐漸回升，蒸發(fā)強烈，處于不斷徑流、排泄之中，水位持續(xù)下降;8月份～10月份隨著雨季降水量增多，補給量增加，水位逐步回升;11月～次年2月降水量稀少，地下水得到很有限的補給量，但蒸發(fā)微弱，水位總體呈動平衡狀態(tài)，保持穩(wěn)定。11月～次年2月水位總體呈動平衡狀態(tài)，保持穩(wěn)定。

圖3 TL13地下水位與降水蒸發(fā)動態(tài)

3 水位動態(tài)成因機(jī)制分析

前述的定性分析中認(rèn)為，研究區(qū)淺循環(huán)地下水水位動態(tài)主要受降水和蒸發(fā)條件的控制。這樣的地下水水位動態(tài)特征可以視為是降水-蒸發(fā)因子動態(tài)的一種響應(yīng)。那么把降水—蒸發(fā)因子作為輸入，把地下水位動態(tài)作為輸出，則可以建立一個水箱模型來解釋地下水的水位動態(tài)成因機(jī)制。

建立的水箱模型結(jié)構(gòu)如圖4，地下水接受降水入滲補給、存在蒸發(fā)排泄，并受到一個補排控制高程的影響。補排控制高程反映監(jiān)測孔所測量的地下水位受到區(qū)域外來補給或區(qū)域向外排泄的影響，也可以是地下水系統(tǒng)外界對監(jiān)測孔水位的綜合影響。

水箱模型的控制方程可以寫為

利用水箱模型的控制方程對研究區(qū)TL13孔的水位動態(tài)進(jìn)行了初步解譯。解譯結(jié)果如圖5，可以看出，基于水箱模型的單孔動態(tài)解譯模型能夠較好的再現(xiàn)淺循環(huán)地下水位的季節(jié)性動態(tài)特征:3月～7月地下水蒸發(fā)比較強烈，超過了降水入滲補給強度，地下水位持續(xù)下降;到了8月份～10月份，潛水蒸發(fā)減弱，降水入滲補給增強，地下水位又開始回升。這進(jìn)一步驗證了研究區(qū)淺循環(huán)地下水的水位動態(tài)主要受降水和蒸發(fā)條件的控制。

圖4 水箱模型結(jié)構(gòu)圖

圖5 TL13孔地下水位模擬結(jié)果圖

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)淺循環(huán)地下水水位動態(tài)總體表現(xiàn)為雨季前水位不斷降低，雨季后水位不斷抬升，分析表明淺循環(huán)地下水水位動態(tài)的主要影響因素是氣象因素中的大氣降水和蒸發(fā)，這一結(jié)論的可靠性已得到所建立的水箱模型的驗證。

(2)大氣降水和蒸發(fā)是研究區(qū)淺循環(huán)地下水水位動態(tài)的最主要影響因素，因此在地下水資源的計算和評價中，關(guān)鍵在于確定大氣降水入滲補給量和蒸發(fā)量，并盡可能提高大氣降水入滲補給量和蒸發(fā)量的精度，以便可持續(xù)地開發(fā)利用淺循環(huán)地下水資源。

［1］侯光才，張茂省，王永和，等.鄂爾多斯高原地下水資源與開發(fā)利用［J］.西北地質(zhì)，2007，40(1):7-34.

［2］尹立河.鄂爾多斯盆地白堊系地下水循環(huán)與溫度場數(shù)值模擬［D］.碩士論文，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2007，(6).

［3］侯光才，趙振宏，王曉勇，等.黃河中游鄂爾多斯高原內(nèi)流區(qū)與閉流區(qū)的形成機(jī)理—-基于水循環(huán)的分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008，27(8)::1107-1114.

［4］侯光才，張茂省，等.鄂爾多斯盆地地下水勘查研究［M］.北京;地質(zhì)出版社，2008.

［5］高海東，王孝榮，楊廣元.鄂爾多斯市水資源可持續(xù)開發(fā)利用研究［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2004，(2):21-25.