陜西省富平縣石川河河道滲透性能分析

郭志奇

(陜西省地下水保護與監測中心，陜西 西安 710003)

石川河發源于銅川市焦坪北山的漆水和耀州區柳林瑤曲北山的沮水,二水南來經耀州區城南,于富平西北隅洪水鄉之岔口合流入境。該河以河床為砂卵石沖積而成得名。石川河由縣境西北向東南斜經洪水、梅家坪、莊里、覓子、淡村、南社、杜村、呂村、東上官等10個鄉鎮,至淡村鎮交口城村有趙氏河匯入,再至呂村鄉姚村入閻良界,最終匯入渭河。富平縣境內流長33 km，流域面積132.31 km2，地理坐標位于東經108°57′～109°19′，北緯34°41′～34°55′之間，是富平縣重要城鎮分布的地區。上游有莊里鎮、覓子工業園，中游南社鄉，下游為富平縣、東上官鄉，均為人口密集、工農業發達地帶，石川河沿岸農田廣布。

1 研究目的

受水資源條件限制， 富平縣石川河河谷階地區的工農業生產、鄉鎮居民生活的供水水源以地下水為主，長期以來，持續大量開采地下水，造成區域地下水位普遍下降，近30多年來，區域地下水位平均下降超過了18 m，出現了四個明顯的地下水下降漏斗區，漏斗中心區地下水位平均下降達到50 m，區域潛水含水層大部分被疏干，形成了較大的地下水疏干空間。為了有效利用疏干含水層建設地下水庫進行地下水調蓄，實現以豐補歉，豐枯調節，有效涵養地下水資源，保護地下水生態環境保護，解決水資源供需矛盾。早在上世紀70年代，一些大專院校、科研機構行了大量科學研究，包括長安大學李佩成院士、李云峰教授等，進行的不同目的、不同區域的調查等工作，但由于上次試驗工作距今已38 a，水文及水文地質條件發生巨大變化。因此，提出開展了陜西省富平石川河河道滲透性能分析，為開展石川河地下水庫建設提供基礎依據資料。

2 河谷區地層特征

2.1 河谷區地層結構

為了勘探原始地層的結構與特征，在前人已有資料基礎上進行的補充勘探工作。選擇在石川河上、中、下游三個具有代表性的斷面進行試驗，布設地質勘探孔8處。共繪制四條地質剖面(利用前人勘探資料一條)，勘探孔及剖面線位置見圖1。

圖1 勘探孔及剖面線位置

剖面線繪制依據本次地質勘探孔并結合收集的前人勘探孔地層資料，根據各剖面線上地形情況分別在石川河右岸一級階地、河漫灘、左岸一級階地進行布設，見表1。

表1 各剖面線勘探孔位置及編號

2.2 河谷區砂礫石層變化特征

2.2.1 河漫灘寬度和砂礫石層厚度的變化規律

在綜合分析上述4條地質剖面和鉆孔資料，在上游莊里鎮的1號勘探線，河漫灘寬約95 m，河道中的FP2鉆孔揭露，該處砂礫卵石層總厚度為29 m。第四系全新統晚期沖積層(Q42al)厚度3.0 m，早期沖積層(Q41al)厚度5.2 m，上更新統晚期沖積層(Q32al)厚度20.8 m，其中在18.8～22.6 m處夾一層3.8 m厚的粉質粘土。中游2號勘探線，河漫灘寬約78 m，根據河道中間的FP5鉆孔資料，該處砂礫卵石層總厚度為15.3 m。第四系全新統晚期沖積層(Q42al)厚度4.3 m，底部有0.7 m厚的粗砂層和0.4 m厚的粉質粘土層，早期沖積層(Q41al)厚度10.6 m，上更新統晚期沖積層(Q32al)在此缺失。下游3號勘探線處河漫灘寬約30 m，河道中FP7鉆孔揭露的砂礫卵石層總厚度為5.3 m，其中第四系全新統晚期沖積層(Q42al)厚度3.5 m，早期沖積層(Q41al)厚度1.8 m，上更新統晚期沖積層(Q32al)在此缺失。因此。石川河總體上從上游莊里鎮到下游東上官鄉，河谷區一級階地、河漫灘呈現平面上逐漸變窄、垂向上厚度逐漸減小的趨勢。

2.2.2 河漫灘表層砂礫石顆粒級配的變化規律

根據野外工作從石川河上游至下游所取的土樣顆粒級配分析結果來看，在天然狀態下，原始河道表層呈現從上游至下游逐漸變細的規律。通過從上游至下游34個探井所取土樣顆粒級配分析資料，將原始河道表層顆粒對比分析繪制曲線圖2，可見上游莊里水泥廠旁河道T-3土樣顆粒大于2 mm的顆粒占70.8%；中游南索村T-8土樣顆粒大于2 mm的占到55.2%，中游西賈村T-13、下游余灣村T-33土樣顆粒均小于2 mm，但T-13粒徑介于0.5～2 mm的占到16.9%，其余均小于0.5 mm； T-33粒徑介于0.5～2 mm的占6%，其余均小于0.5 mm。從曲線圖上可以看出，在不受人為擾動的情況下，石川河從上游至下游天然河床表層的顆粒是逐漸變細的。

圖2 石川河河道原始表層顆粒級配曲線

2.3 河谷區地層顆粒級配變化特征

勘探孔揭露石川河河谷階地地層主要有卵礫石層、土層，地層巖性顆粒級配變化整體上存在一定的規律。

2.3.1 卵礫石層

根據三條剖面線8個勘探孔卵礫石層顆粒分析結果，以2-2′剖面線FP6勘探孔為例(圖3)，該孔深度16～16.2 m處顆粒大于2 mm的占82.1%；深度22～22.2 m處顆粒大于2 mm的占到74.8%；深度40～40.2 m顆粒大于2 mm的占62%，可見該剖面卵石層的顆粒級配垂向上是從上至下整體是逐漸變細的。以河道內勘探孔FP2、FP5、FP7為例，這三孔分別位于石川河上、中、下游，以第四系全新統早期沖積層顆粒分析，該層顆粒級配沿石川河從上游至下是逐漸變細的。

圖3 FP6勘探孔不同深度卵礫石層顆粒級配對比曲線

如圖4，FP2孔7～7.2 m深度顆粒大于2 mm的占91.6%；FP5孔9～9.2 m處顆粒大于2 mm的占到90.4%；FP7勘探孔4.3～4.5 m深度粒徑大于2 mm的占81.1%，可見，隨著石川河上下游卵石層厚度變薄，其顆粒粒徑也逐漸變細，這也是符合河流搬運規律的。

圖4 石川河河道上中下游勘探孔全新

2.3.2 土層

根據三條剖面線8個勘探孔土樣顆粒分析結果，以FP8勘探孔為例，顆粒級配垂向上是從上至下整體是逐漸變細的。從橫向上看，各勘探孔同一層位巖層的顆粒級配差別不大。

從圖5可以看出，垂向上，該孔土層粒徑小于0.005 mm的粘粒含量隨深度增加，其中1.9～2.1 m處占20.1%；10～10.2 m處占到28%；30～30.2 m處占到29.3%；50～50.2 m深度占31.5%；70～70.2 m深度占到32.7%。以粒徑小于0.075 mm的粉粒、粘粒含量對比，1.9～2.1 m處占75.8%；10～10.2 m處占到94.3%；30～30.2 m、50～50.2 m、70～70.2 m深度均占到100%，幾條曲線幾乎是重合的直線，說明該處下部土層顆粒更細、且質地均一。

圖5 FP8土樣顆粒級配曲線圖

2.4 河谷區入滲系數分區

綜合研究野外工作所獲得的測試數據，初步劃分了富平縣石川河河谷區河床入滲系數分區。石川河因河道整治及人工開挖采砂礫卵石活動，對河道表層滲透性影響較大。入滲分區劃分依據試驗所得數據，并根據地表巖性受影響程度結合地貌、測量數據進行劃分。

2.4.1 滲透性能平面分布特征

河漫灘表層砂礫石的滲透系數分布特征，依據野外雙環滲水試驗數據和實驗室測試數據，分析整理各試驗點地層巖性及滲透系數試驗結果來看，在河床未受擾動地段，上游HS-3垂向滲透系數35.32 m/d，中游HS-13垂向滲透系數7.11 m/d，下游HS-33垂向滲透系數1.03 m/d。由此可見，從上游至下游，隨著河道表層的顆粒變細，滲透系數也是逐級減弱的。根據本次野外調查、雙環滲水試驗數據和顆分數據綜合分析其原因：(1)部分地段的河道上部12～18 m以淺的砂礫卵石層因人為影響被挖走，底部可見粉質粘土層，其滲透性差；(2)部分地段河道卵礫石層雖未被挖完，但受到開挖時大型機械的不斷碾壓，底部地層更加密實，其滲透性能較原始地層變差；再者，部分地段開挖后卵石隨意堆放，經過二次平整，已與原始地層的顆粒級配、密實度差別較大，滲透系數不能代表原始河床的滲透性能。總體來看，受人為擾動影響，大部分地段河道表層的滲透能力弱于原始地層。

2.4.2 滲透性能垂向分布特征

本次工作根據鉆孔揭露巖性分別采集不同深度的土樣，送至實驗室測試，并進行了室內物理模擬滲水試驗，根據土樣測試結果和室內模擬滲水試驗資料，將3條剖面線上各個鉆孔不同深度對應的地層巖性，及其水平、垂向滲透性能進行比對，垂向上，卵石層的滲透系數一般在13.8～19.9 m/d之間，粗砂的滲透系數11.4 m/d，粉細砂的滲透系數1.1～1.2 m/d，粉質粘土、粉土的滲透系數介于6.9×10-4～1.2×10-1m/d之間；水平方向，卵石層的滲透系數一般在13.0～19.0 m/d之間，粉細砂的滲透系數1.0～1.1 m/d，粉質粘土、粉土的滲透系數介于5.0×10-4～7.9×10-2m/d之間。可見，巖性相同時，其垂向滲透系數Kv大于水平滲透系數KH。

結合以上各種客觀原因，從三條剖面整體來看，第一條剖面有效入滲地層有四層，第一層為兩側一級階地表層有3.8～4.4 m厚的粉質粘土層，滲透系數0.77～0.93 m/d；第二層為9.6～21.5 m的卵石層，滲透系數45.41～46.6 m/d，滲透系數大；第三層為3.3～4.3 m厚的粉質粘土層，滲透系數0.92～0.95 m/d；第四層為圓礫層，厚5.2～11.7 m，滲透系數31.01～45.6 m/d。從組合測試結果來看，剖面中部16.7～30.2 m之間不均勻連續分布著的粉質粘土層，其滲透系數較小，從而影響了整體的入滲能力。第二條剖面有效入滲地層有四至六層，第一層為兩側一級階地表層有3.0～13.4 m厚的粉質粘土層，滲透系數0.8～0.96 m/d；第二層為3～5 m厚的圓礫，滲透系數30.5～46.2 m/d，滲透系數大；第三層為1.3～2.9 m厚的粉質粘土層，滲透系數0.81～0.94 m/d；第四層為圓礫層，厚8～14.2 m，滲透系數30.57～30.7 m/d；第五層為粉質粘土層，厚4.5～55.4 m，滲透系數0.91～0.93 m/d；第六層為粉細砂，厚度2.5～3.5 m，滲透系數5.72～5.79 m/d。整條剖面中部15.3～47.7 m之間不均勻連續分布多層粉質粘土，其滲透系數較小，導致組合地層的入滲系數較小。第三條剖面有效入滲地層有兩層，第一層為一級階地表層的粉質粘土層， 厚度4 m，滲透系數0.95 m/d；第二層為4.2～5.3 m的圓礫，滲透系數30.73～30.84 m/d，滲透系數大；其下連續分布的粉質粘土層，其滲透系數小，組合地層的滲透系數也較小。

3 河谷區滲透性能分布特征

(1)區內地層垂向上不同巖性顆粒均呈現從上至下逐漸變細的規律，其垂向、水平的滲透性能隨顆粒變細而減小(見圖6和圖7)。

圖6 不同巖性顆粒級配曲線圖

圖7 不同巖性地層滲透性能對比圖

(2)垂向上土層顆粒隨深度增加逐漸變細，滲透性試驗結果顯示，其滲透性能也呈現隨深度增加逐漸減小的趨勢(圖8和圖9)。

圖8 同一鉆孔粉質粘土顆粒級配隨深度變化曲線

圖9 同一鉆孔粉質粘土層滲透性能隨深度變化曲線

4 石川河河谷區入滲能力分析

(1)石川河現代河道中的卵礫石層呈現從上游至下游逐漸變薄的趨勢，上游莊里鎮別家堡段河道卵礫石厚29 m，中游灣渡村河道卵礫石厚15.3 m，下游東上官鄉廟口村河道僅5.3 m。土樣顆粒級配分析結果顯示，未受擾動的原始河道表層巖性粒徑呈現從上游至下游逐漸變細的趨勢。根據雙環滲水試驗數據分析，河床未受擾動地段，上游HS-3地層巖性為圓礫，滲透系數35.32 m/d；中游HS-13地層巖性為粉質粘土，滲透系數7.11 m/d；下游HS-33地層巖性為粉質粘土，滲透系數1.03 m/d。由此可見，在無擾動的情況下，從河流上游到下游，與顆粒變化的規律一致，隨著顆粒粒徑的變小，河床表層巖性的滲透系數也逐漸減少。

因此，考慮含水層厚度、顆粒粒度及雙環滲水試驗結果，從入滲設施布置的位置來看，應考慮布置在中上游地區，可獲得較大的調蓄量。但根據地下水動態分析，形成的下降漏斗在下游亦有分布，因此應結合水源設施情況，綜合確定布置位置。由于.石川河河道內采石活動對原始地層造成了較大的破壞，導致河道地形、景觀、走向、比降等也發生了較大改變，河道表層的巖性分布、密實度等也發生了一定的變化。受這些綜合因素的影響，河道表層巖性的滲透系數減小，采石坑底被壓密的HS-6點滲透系數為0.58 m/d，遠小于天然河床HS-3地層的滲透系數35.32 m/d。由于滲透能力降低，使河道總體滲透能力弱于原始地層。因此，進行入滲工程布置，還應避開這些受擾動的不利地段。

(2)由于現場物理模擬試驗的尺度效應原因，現場物理模擬試驗的滲透系數測試結果大于實驗室測試結果，從保守角度出發，采用實驗室測定結果做為河道不同巖性的滲透性能參數，分析石川河階地區不同地層巖性的入滲能力。垂直方向，卵礫石層的滲透系數一般在13.8～19.9 m/d之間，粗砂的滲透系數11.4 m/d，粉細砂的滲透系數1.1～1.2 m/d，粉質粘土、粉土的滲透系數介于6.9×10-4～1.8×10-1m/d之間；水平方向，卵礫石層的滲透系數一般在13.0～19.0 m/d之間，粗砂的滲透系數10.6 m/d，粉細砂的滲透系數1.0～1.1 m/d，粉質粘土、粉土的滲透系數介于4.7×10-4～1.5×10-1m/d之間。各地層的垂向滲透系數Kv略大于水平滲透系數KH，可用垂向滲透系數Kv做為不同地層入滲能力分析計算。石川河階地區分布一定厚度的粗顆粒含水層，其滲透系數較大，顯示出具有較強的入滲能力。根據巖性滲透能力試驗分析，研究區具備開展地下水調蓄的條件。

(3)不同地層組合的現場物理模擬試驗表明，整體地層的滲透系數接近于滲透系數最小的粉質粘土層的滲透性能，并且隨著粉質粘土層厚度的增大、層數的增多，滲透性能進一步變差。也就是說，對某一地段而言，整體地層的入滲能力取決于粉質粘土層的滲透性能，粉質粘土層分布的位置、厚度及層數，成為影響入滲能力的主要因素。當粉質粘土層位于目標蓄水層的上部時，為提高入滲能力，在厚度不大的情況下，可使入滲設施穿透該層位，方能獲得較大的入滲補給量。在厚度較大的情況下，打穿該層位不經濟或者不能取得好的入滲效果時，在入滲工程的平面布置上，應盡量避開。當粉質粘土層位于目標蓄水層的下部時，布置入滲工程實施地下水人工調蓄，不僅經濟，而且能夠取得好的入滲效果。因此，通過查明地層巖性的分布位置、厚度，掌握地層巖型構造與分布，較為準確的分析入滲能力，據此進行入滲補給位置、入滲補給形式、入滲方案的設計，做到有的放矢。

5 結語

根據陜西省富平縣石川河河道滲透性能研究成果，石川河現代河道中的卵礫石層呈現從上游至下游逐漸變薄的趨勢，上游莊里鎮別家堡段河道卵礫石厚29 m，中游灣渡村河道卵礫石厚15.3 m，下游東上官鄉廟口村河道僅5.3 m；土樣顆粒級配分析結果顯示，原始河道表層呈現從上游至下游逐漸變細的趨勢。在無擾動的情況下，從河流上游到下游，與顆粒變化的規律一致，隨著顆粒粒徑的變小，河床表層巖性的滲透系數也逐漸減少。采用實驗室測定的石川河河谷區不同巖性垂直方向的滲透性能參數，做為分析石川河階地區不同地層巖性入滲能力的依據。卵礫石層的滲透系數一般在13.8～19.9 m/d之間，粗砂的滲透系數11.4 m/d，粉細砂的滲透系數1.1～1.2 m/d，粉質粘土、粉土的滲透系數介于6.9×10-4～1.8×10-1m/d之間。石川河階地區分布一定厚度的粗顆粒含水層，其滲透系數較大，顯示出具有較強的入滲能力，可以有效入滲回補地下水。