湖北省地下水流系統劃分研究

范 威，于 瑤，江越瀟，陳 暢，牛俊強，胡 成

(1.湖北省地質環境總站,湖北 武漢 430034；2.中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司,湖南 長沙 410014； 3.中國地質大學(武漢) 環境學院,湖北 武漢 430074)

地下水流系統的劃分對于深入分析地下水的形成條件,揭示地下水的循環演化規律,進行區域地下水資源評價和規劃具有重要的理論和現實意義[1]。隨著系統工程方法成功解決許多復雜的問題,系統思想與方法也逐漸向水文地質學滲透,在此過程中,歐美出現了一些新的術語,主要包括含水系統、地下水流系統。長期以來,一直將含水層視為地下水的基本功能單元,隨著對越流的認識,便出現了含水系統的概念。1963年,托特提出了流域盆地發育多級次地下水流系統的理論。含水系統與地下水流系統是兩類內涵不同的與地下水有關的系統,含水系統體現于統一的水力聯系,水流系統體現于統一有序的水流。20世紀80年代初期,國際水文地質界提出地下水流系統的概念,并由陳夢熊引入中國,這一概念從提出開始就存在爭議,缺乏公認的統一含義,有的含義與“含水系統相當”,有的指的就是“地下水流系統”。目前中國使用“地下水流系統”術語相當普遍,但是賦予的內涵不盡相同,絕大多數的討論都將“地下水流系統”等同于“含水系統”。鑒于國內有關術語的理解及應用相當混亂,張人權、梁杏等人認為應盡可能使用定義明確的“地下含水系統”及“地下水流系統”這兩個術語[2-3]。

目前區域地下水系統劃分在盆地區[4]研究程度較高,如西北黑河額濟納盆地[5-6]、鄂爾多斯盆地[7-8]、河北平原[9]、哈密盆地[10]、塔里木盆地[11]、關中盆地[12]等,主要集中在北方,南方開展區域地下水系統研究較少,更鮮有開展全省區域性的地下水系統研究工作。

本文在綜合以往研究成果的基礎上,明確以地下水流系統為基礎,歸納了不同級別地下水流系統劃分的原則和依據,提出了劃分湖北省地下水流系統的一套方案。

1 研究區概況

湖北省出露著元古界—新生界的12個系、19個相當于系或統的巖群,共劃分為205個組級地層單元。除缺失上志留統上部與下泥盆統下部外,其余地層發育良好、層序完整、沉積類型眾多。湖北省地跨秦嶺褶皺系、揚子準地臺兩個一級大地構造單元。秦嶺褶皺系主要分布變質巖、巖漿巖；揚子準地臺主要分布沉積巖。省內地下水基本可歸結為松散巖類孔隙水、碎屑巖裂隙孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水和碎屑巖裂隙水、變質巖裂隙水、巖漿巖裂隙水等6大類。

湖北省處于中國地勢第二級階梯向第三級階梯過渡地帶,西、北、東三面被武陵山、巫山、大巴山、武當山、桐柏山、大別山、幕阜山等山地環繞,山前丘陵崗地廣布,中南部為江漢—洞庭湖平原,呈三面高陡，中間低平，向南敞開，北有缺口的不完整盆地。山地、丘陵崗地和平原分別占全省面積的55.5%、24.5%和20%。東北部桐柏—大別山和東南部的幕埠山分水嶺基本與省界相重合。

湖北省絕大部分屬于長江流域,僅北部局部地區屬于淮河流域。長江自西向東,橫貫全省,漢江自西北入境后,呈東南流向在武漢市匯入長江,中小河流或南或北順地勢匯入長江、漢江,形成以長江、漢江為軸向的向心水系。湖北省中部及沿江地帶地勢較低平開闊,河網交錯,大小湖泊星羅棋布。

2 地下水流系統劃分原則與依據

2.1 地下水流系統劃分原則

地下水流系統劃分應遵循以下基本原則：

(1) 具有系統特性。地下水流系統的劃分要符合系統的集合性、關聯性、目的性和整體性等特性,系統之間的水力聯系是劃分系統的關鍵因素,能把不同含水層的地下水納入到一個整體的系統之中[13],從而建立地下水化學場、溫度場。因此,在地下水流系統劃分時應重點考慮地下水分水嶺、隔水的構造、隔水層以及地表水系等零通量邊界。

(2) 系統邊界類型簡單、相對固定。地下水流系統劃分的目的是為長期的區域性的地下水資源和環境管理服務的,因此就要求地下水流系統邊界簡單且相對固定。

(3) 在垂向上著重考慮主要開采目的層。地下水開采目的層是對人們生活和生產活動最有開發利用價值的含水層,富水性好、補給條件好,也最容易受到人類活動的影響。因此,在地下水流系統劃分時應著重考慮開采目的層的空間分布。

2.2 地下水流系統劃分依據

地下水流系統的劃分重點考慮宏觀構造單元、地貌格局和中國范圍內區域性的一級水系流域。對大型流域而言,流域的地表分水嶺和地下分水嶺是基本一致的[14]。

(1) 一級系統的劃分主要依據是區域地下水流系統和區域地下水流向進行劃分,考慮長江干流以及漢江水系、烏江水系、洞庭湖水系等長江一級支流流域。以流域范圍內四周山地向長江干流和各一級支流排泄基準的區域水流系統和區域地下水流向劃分。有各自獨立完整的地下水循環體系,與相鄰流域之間沒有物質和能量交換,流域分水嶺是主要的邊界類型。

(2) 二級系統的劃分主要是在一級系統的基礎上,考慮二級支流流域以及長江干流的分段,以區域地下水流系統和地下水流向進行劃分。具有相對獨立和完整的區域地下水循環體系,與鄰近的地下水流系統沒有或只有少量的物質和能量交換,流域分水嶺和長江、漢江干流是主要的邊界類型。

(3) 三級系統的劃分主要考慮二級支流上下游分段以及長江干流各分段內的區域地下水流系統。與鄰近的地下水流系統有少量的物質和能量交換,地下水循環相對獨立,分水嶺和長江干流是主要的邊界類型。

(4) 四級系統的劃分是將三級系統內長江、漢江干流上的小支流進一步劃分,同時考慮在盆山結合地帶區域非含水層等隔水邊界的作用,分水嶺、隔水層是主要的邊界類型。

3 湖北省地下水流系統劃分

根據地下水流系統劃分原則和依據,綜合考慮大地構造、宏觀地貌單元、地表水系等影響因素,重點分析地下水補徑排條件、含水層空間結構,對湖北省地下水流系統進行劃分。

以桐柏山—大別山山脈線為分區界限,劃分為黃河—淮河—海河地下水流系統區(B)、長江流域地下水流系統區(E)兩個地下水流系統區。各個區內再進一步劃分為四級地下水流系統：4個一級系統、7個二級系統、14個三級系統、70個四級系統,系統劃分情況詳見表1和圖1。

圖1 湖北省地下水流系統劃分圖Fig.1 Division of groundwater flow systems in Hubei province1.一級系統邊界；2.二級系統邊界；3.三級系統邊界；4.四級系統邊界；5.河流；6.面狀水系、湖泊。

表1 湖北省地下水流系統劃分一覽表Table 1 Schedule of groundwater flow systems in Hubei province

3.1 淮河一級地下水流系統(B01)

根據淮河流域范圍,系統南界為桐柏山—大別山地表分水嶺,湖北省內僅分布一小部分,為淮河上游小支流。二、三級系統不再細分,根據小支流分布劃分為3個四級系統：竹竿河四級地下水流系統(B01A01A)、浉河四級地下水流系統(B01A01B)、淮河源頭四級地下水流系統(B01A01C)。系統內地下水類型主要為巖漿巖、變質巖風化裂隙水,接受大氣降水補給,通常就地補給和排泄匯入地表水系中,水力聯系較弱。

3.2 秦嶺—漢水一級地下水流系統(E03)

根據漢江流域范圍并充分考慮地形地貌及行政邊界等因素劃定,系統東界北段為大別山地表分水嶺,中段為長江,南段為幕阜山地表分水嶺,基本與省界重合,其東為鄱陽湖流域；西界主要為省界,局部地段為長江和漢江小流域的地表分水嶺；南界東段為長江干流,西段為清江流域與洞庭湖流域地表分水嶺；北界東段為桐柏山—大別山山脈地表分水嶺,西段為省界。根據次級支流發育及長江干流分段,進一步分為長江中下游二級地下水流系統(E03A)、漢江二級地下水流系統(E03B)、長江中游二級地下水流系統(E03C),系統邊界主要為地下水分水嶺。

續表1

(1) 長江中下游二級地下水流系統(E03A)。以長江為系統邊界,進一步劃分三級地下水流系統。桐柏—大別山三級地下水流系統(E03A01)地下水類型主要為巖漿巖、變質巖裂隙水,南部及西部局部地區分布孔隙水。幕埠山三級地下水流系統(E03A02)地下水類型為巖溶水及沿江地帶的孔隙水,地下水總體由幕埠山、九宮山向長江徑流。大巴山—江漢平原三級地下水流系統(E03A03)地下水總體由西部山區向南東方向盆地徑流,向排泄長江。盆地邊緣,山區基巖裂隙水與盆地孔隙水水力聯系相對較弱,垂向上發育多級次的地下水流系統。清江三級地下水流系統(E03A04)地下水類型主要為巖溶水,清江在利川有16.8 km為地下河,地下水流系統十分復雜。

(2) 漢江二級地下水流系統(E03B)。根據漢江上中下游分段,進一步劃分次級系統,系統邊界主要為地下水分水嶺。漢江下游三級地下水流系統(E03B01)地下水接受大氣降水補給,由大洪山向南徑流。盆地邊緣第四系隔水層發育,含水巖組的富水性差異大,水力聯系相對較差。漢江中游三級地下水流系統(E03B02)地下水接受大氣降水補給,由漢江兩側基巖山區向漢江匯流,地下水類型主要為碳酸鹽巖巖溶水、碎屑巖裂隙水和漢江階地的孔隙水。漢江上游三級地下水流系統(E03B03)地下水接受大氣降水補給,由漢江兩側基巖山區向漢江及丹江口水庫匯流。

(3) 長江中游二級地下水流系統(E03C)。以長江為界進一步劃分為長江北三級地下水流系統(E03C01)、長江南三級地下水流系統(E03C02)。省內分布面積較小,主要為基巖山區長江干流上的小支流。

3.3 洞庭湖一級地下水流系統(E04)

系統北界東段為長江干流,西段為洞庭湖流域與清江流域地表分水嶺；其余為省界控制。根據次級支流發育情況,進一步劃分為澧水二級地下水流系統(E04A)、沅江二級地下水流系統(E04B)。

(1) 澧水二級地下水流系統(E04A)。根據次級支流發育情況劃分為長江—澧水三級地下水流系統(E04A01)和溇水三級地下水流系統(E04A02)。長江—澧水三級地下水流系統(E04A01)碳酸鹽巖巖溶水與平原地區孔隙水整體上水力聯系較小。

(2) 沅江二級地下水流系統(E04B)。僅發育其支流酉水的上游部分,故不再細分,直接定為酉水三級地下水流系統(E04B01)和酉水上游四級地下水流系統(E04B01A)。地下水類型為碳酸鹽巖巖溶水,含水巖組為寒武系、奧陶系、二疊系、中下三疊系碳酸鹽巖。地下水接受大氣降水補給,徑流條件良好,以泉和地下徑流形式向酉水排泄。

3.4 烏江一級地下水流系統(E06)

系統東界為烏江與清江流域地表分水嶺,其余為省界控制。省內僅發育烏江下游支流濯河、郁江的上游部分,因此二、三級系統不再細分,只分為2個四級系統。地下水類型主要為碎屑巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水,系統東部為志留系隔水層,地下水接受大氣降水補給,向濯河、郁江等地表水系排泄。

4 典型地下水流系統分析

以監利—廣水一線作為典型剖面(圖2),包含各一級系統和省內重要的地下水系統,進一步分析各級次地下水流系統劃分的主要依據和系統特征。

圖2 典型剖面地下水流系統劃分Fig.2 Division of groundwater flow systems of typical section

(1) 一級地下水流系統劃分主要依據區域地下水流系統,邊界類型包括地下水分水嶺和地表水體邊界。地下水從周邊桐柏—大別山、大洪山獲得降水入滲補給,經江漢平原徑流,向長江排泄,形成典型山區補給—平原區徑流—主要地下水體排泄的區域地下水流系統。淮河(B01)、秦嶺—漢水(E03)一級地下水流系統以桐柏—大別山地下水分水嶺為界,是零通量邊界；秦嶺—漢水(E03)、洞庭湖(E04)一級地下水流系統以長江為界,區域地下水向此邊界匯流,形成零通量邊界。

(2) 二級地下水流系統劃分主要依據中間地下水流系統,邊界類型包括地下水分水嶺和地表水體邊界。秦嶺—漢水(E03)一級地下水流系統,大富水以北的隨州府河流域,主要是變質巖地區,地下水主要賦存于淺部的風化裂隙網絡中,其次為深部的斷裂帶及構造裂隙中,以地下分水嶺為界。大富水以南至漢江,主要為大洪山巖溶山區和江漢平原邊緣,地下水在大洪山山區接受大氣降水補給,經盆地邊緣徑流,向漢江、大富水排泄,形成中間地下水流系統,以地下分水嶺和地表水體為界。漢江與長江之間為江漢平原核心區,是典型的河間地塊,地下水流向不顯著,隨季節而變化,以地表水體為界。劃分為長江中下游(E03A)、漢江(E03B)、長江中游(E03C)二級地下水流系統。

(3) 三、四級地下水流系統劃分主要依據局部地下水流系統,邊界類型包括巖性邊界和地表水體邊界。大洪山區以碳酸鹽巖巖溶水為主,地下水補徑排以巖溶水系統為主,在淺部以泉水的形式排泄,在深部向盆地深埋的巖溶含水層徑流,直接向盆地第四系孔隙含水層徑流的水量相對很小；盆地內的第四系孔隙含水層主要接受大氣降水入滲補給。以大洪山山區基巖與平原松散巖為界,劃分為大富水—漢北河孔隙水(E03B01A)、大富水—漢北河裂隙水(E03B01B)四級地下水流系統。

5 結論與討論

(1) 湖北省地層巖性分布復雜、地貌類型多樣,不同地質背景下的地下水補徑排條件差異較大。本次全省地下水流系統劃分脫離以往的“含水層”思維,強調統一有序的地下水流。以地下水流系統理論為指導,提出了劃分湖北省地下水流系統的一套方案。

(2) 根據地下水補徑排條件,將湖北省劃分為2個地下水流系統區,并進一步劃分為4個一級地下水流系統、7個二級地下水流系統、14個三級地下水流系統、70個四級地下水流系統。為今后湖北省的地下水資源、地下水監測、地下水生態環境的研究、管理和區域性工作部署提供了依據。

(3) 本次研究只考慮了監測深度或開采目的層深度范圍內的地下水流系統劃分,對多級次的區域、中間、局部水流系統劃分研究相對不足,后期可根據研究需要進一步劃分。