石羊河流域武威盆地地下水系統特征及控制因素研究

［摘要］以地下水系統理論為指導，選擇石羊河流域中上游武威盆地，應用高密度電阻率法、直流電測深法、EH-4電導率成像系統和地震等多種技術方法與手段，分析研究了含水層結構及其分布、包氣帶巖性特征等。在此基礎上，探索減緩地下水系統劣變的主要控制要素。

［關鍵詞］石羊河流域；地下水系統；空間結構；地球物理勘探

武威盆地隨著城市的擴大、工業的建設、人口的增加和土地開墾，地下水的開采量不斷增大，再加上各種水利工程的劇烈擾動，產生了一系列生態環境問題[1]。地下水系統的特征及控制因素研究對于區域水資源可持續利用具有重要意義[2]。本文旨在通過對石羊河流域武威盆地地下水系統的深入研究，揭示其水文地質條件和地下水系統特征，同時分析氣候變化、人類活動等因素對地下水系統的影響，為制定合理的地下水管理與保護策略提供科學依據[3-5]。本研究不僅有助于深化對干旱區地下水系統的認識，也為類似地區的水資源管理提供有益的參考。

1 研究區概況

武威盆地以內蒙古自治區阿拉善盟蘇海圖為地理中心，邊界由西北的雅布賴山、西南的祁連山東部的陰山余脈和賀蘭山組成，主要行政范圍包括武威市、永昌鎮、金羊鎮和雙城鎮等。該區是典型的大陸型干旱、半干旱氣候。區內降雨多集中在6～9月，年均氣溫是5～10℃，平均年降水量150 mm左右，年均蒸發量大于2000 mm。該區水文網比較發育，祁連山是大部分河流的發育地（圖1）。研究區地下水類型主要為松散巖類孔隙水，其分布廣，水量豐富，水質較好，主要分布于走廊坳陷過渡帶，含水層主要為中、上更新統礫卵石、砂礫石、中粗砂和中細砂層（圖2）。

2 地下水系統空間結構特征探測

2.1 綜合剖面

綜合剖面采用的物探方法有高密度電阻率法、直流電測深法、EH-4電導率成像系統和地震勘探法4種方法。分析如下：

2.1.1高密度電阻率法勘測結果

從圖3可以看出，縱向上，深度5 m以上視電阻率小于40 Ω·m，反映了表層亞砂土的電性特征；中間段的高阻層推測為水位之上干砂礫石層；往下視阻率降低，趨于正常。從視電阻率橫向變化來看，局部高阻異常為古河道之反映。

2.1.2電測深勘測結果

單點曲線分析：曲線呈HK型（圖4），反映了地層巖性的四層結構。

第一層曲線首支，呈高阻，為表層干砂礫石之反映。反演電阻率值97 Ω·m，地層厚度1.3 m；第二層曲線中間低阻段，為水位以上亞砂土之反映。反演視電阻率29 Ω·m，地層厚度5.3 m；第三層曲線中間高阻段，為Q2+Q3砂卵礫石之反映。反演視電阻率168 Ω·m，地層厚度180 m；第四層，視電阻率呈下降趨勢，反映Q1泥礫的電性特征。由于最大極距AB/2=1000 m的限制，單點曲線形態沒有反映出高阻基底。事實上，當最大極距AB/2大于3倍目的層埋深時，曲線尾枝能夠表現基底的反映。

在電測深斷面圖中（圖5），縱向上視電阻等值變化特征反映出三層電性結構。表層Q4砂土層巖性的橫向變化及其底界反映明顯。往下高阻層對應的巖性為Q2+3砂礫卵石層。當AB/3大于150 m時，視電阻減小，為Q1泥礫之反映，但其底界沒有反映。

2.1.3 EH-4勘測結果

單點觀測結果見圖6。自上而下為視電阻率―頻率曲線、相位―頻率曲線、相關度―頻率曲線、Bostick一維反演電阻率―深度曲線。從圖6可以看出，（視）電阻率曲線呈KH型，反映地下主要4層巖性特征，對應巖性自上而下為砂礫石層、砂卵礫石層、泥礫（Q1）和高阻基底。該曲線較為典型，完整地反映了區內不同巖性的電性變化特征。

視電阻率斷面圖見圖7。縱向上三層結構反映明顯，但表層Q4砂土層不明顯，主要受高頻截止頻率的限制。在深度150 m左右視電阻率漸增至300 Ω·m，推測其巖性為Q2+3砂礫卵石層。深度200～500 m段，視電阻率漸減小，為Q1泥砂或泥礫之反映。深度大于500 m時，視電阻率呈漸增趨勢，為高阻基底之反映。

2.1.4 地震勘探結果

從圖8 中地震反射波時間剖面可以看出，有3 組反射波同向軸，第1 組反射波同向軸時間（雙程）在100 ms，延續2 個相位，對應的深度在80 m，第2 組反射波同向軸時間（雙程）在200 ms，延續2個相位，取地層平均速度1800 m/s，對應的深度在180 m，第3 組反射波時間（雙程）在430 ms，對應的深度在470 m（表1）。

2.2 EH-4 與電測深聯合勘測剖面

從8條詳查EH-4勘測剖面結果表現出的視電阻率總體變化特征來看，從南向北視電阻率逐漸變低，反映巖性顆粒逐漸變細。在東西方向上，似有視電阻率從中間向兩側增大之趨勢，說明巖性顆粒兩側粗、中間細。

在XW5線附近增加了電測深勘測工作，根據勘測結果對比分析特征如下：

2.2.1剖面特征

電測深勘測結果對表層Q4巖性變化特征及其底界起伏形態反映明顯，最大厚度25 m，最小厚度小于2 m。Q2與Q1間界面也有明顯的反映，推測其埋深170 m左右。但Q1底界沒有探測到。

EH-4勘測結果對表層Q4巖性特征沒有反映，但對Q2+3巖性變化特征反映明顯，底界最大埋深約200 m，在剖面末端埋深約100 m。其中的高阻圈閉異常為古河道之反映。基巖起伏形態有明顯的反映，剖面中間段最大埋深約550 m，在剖面末端變淺，埋深300 m左右。

2.2.2平面特征

測區北部及西北側基底較為平緩，以埋深小于450 m為主要特征；測區中南部基底起伏較大，埋深最淺小于300 m，局部段最大埋深大于600 m。Q2底界埋深與基底起伏有一致的正相關特征，但起伏相對較為平緩，僅局部段埋深最淺小于100 m，最大埋深大于300 m。

2.3 瞬變電磁與地震聯合勘探剖面

由于KW5線（飛機場西）補充了瞬變電磁測深工作，現以該剖面為例進行對比分析。從地震反射波時間剖面可以看出，有2組反射波同向軸，第1組反射波T1同向軸時間（雙程）125 ms，反射波界面深度120 m，推測為Q2 底界面。第2 組反射波T2 同向軸時間（雙程）在225 ms，地層平均速度1000 m/s，反射波界面深度在225 m，推測為Q1層內一個彈性界（表2）。

從瞬變電磁測深斷面視電阻率變化特征來看，縱向上反映出探測深度范圍內三層地層結構，深度200 m界面推測為Q2底界面，基巖頂界埋深400 m。

3 空間結構特征

通過EH-4、淺層地震、瞬變電磁、高密度電法、視電阻率測深等物探工作詳細勘查了研究區內第四系結構。西南部山前地帶第四厚度400～500 m，研究區南部和寨―羊下壩為武北凸起，第四系厚度較小，350 m左右；研究區東部洪水河附近為坳陷帶，第四系厚度大約在600～700 m；研究區西北為凹陷帶，第四系厚度500～600 m；研究區中部第四系400～450 m，從南西向北東，第四系厚度逐漸變小。水文地質結構主體由單一潛水向微承壓―承壓含水層組過渡，以微承壓―承壓含水層組為主，巖性在山前和研究區西北部主要為礫卵石、砂質礫卵石，研究區中部主要是砂礫石、粗砂，東北部主要是含礫粗中砂；Q2+Q3底界在山前一般250～300 m，研究區中部一般160～230 m，東北部一般在100～150 m；Q1厚度300～500 m，在山前和東部凹陷帶厚度較大。

研究區主要開發利用淺層地下水（120 m以上），淺層含水層在山前主要為砂卵礫石，厚度100 m左右，向研究區中部、東北部方向含水層粒徑減小，向砂礫石和粗砂過渡，并且砂礫石層厚度變小，到東北部過渡為中粗砂、中細砂。水文地質立體結構圖見圖9。

4 地下水系統演變的主要控制因素的討論

4.1 地下水系統空間結構

武威盆地南部沖洪積扇帶分布大厚度的第四紀松散沉積物，這種物理結構特征控制了地下水流動系統的空間展布規律，也同時控制了地下水系統動力場的演變格局[6]。

武威盆地主要的地下水補給來源是山前洪積扇地表水的入滲；盆地沖洪積扇緣帶地勢變緩，透水性由強變弱、地下水流受阻水位升高，地下水以泉的形式排泄；在盆地北端基巖出露，構成盆地阻水邊界。這一水資源循環規律也是由含水層系統的空間結構決定的。

總之，地下水系統空間結構特征決定了整個地下水系統自然演變過程和基本規律，是其他要素發生作用的基本前提。

4.2 氣候變化

4.2.1降水量的變化

降水量的變化，影響了石羊河的徑流量，從而直接影響對地下水系統的補給[7，8]。

30年來武威盆地降水經歷了多—少—多的變化過程。20世紀70年代和90年代的降水量分別比平均降水量增加4.2%和1.5%。其中，1977年和1979年降水量分別達到462.4 mm和462.6 mm，偏多28%，也是整個流域降水最多的年份。20世紀80年代的10年中有7年降水偏少。從總體趨勢看，石羊河流域30年來表現出降水量減少、蒸發量增加、氣溫升高的特征。

上述氣候變化過程，直接影響了石羊河的徑流量。20世紀50年代石羊河徑流量為6.1×108 m3，到2001年入境只有0.728×108 m3。

武威盆地地下水系統的主要補給來源是地表水的入滲補給。從歷年觀測井數據可以看出，由于地表水流量的持續減少和降水量的遞減，近30年來地下水位下降近20 m，地下水資源危機越來越大。

4.2.2氣候變化

氣候變化直接對地下水系統水文地質條件產生影響，進而通過影響人類水資源利用活動改變相關環境。

（1）改變了地下水系統的動力條件。對于內陸地區，地下水主要排泄是河流、湖泊濕地和泉，氣候變化導致地表水補排關系改變。

（2）含水層系統儲存的變化。由于相對短的時間尺度，氣候變化將很大程度上影響淺部含水層，相反，深含水層增加了對氣候變化影響的緩沖，但是對地下水儲存則產生很大影響。

（3）地下水系統水質變化。人類造成的污染物質（尤其是農業污染）滯留于地表或土壤中，在下雨的時候，大量的污染物質隨降水入滲到地下水，致使地下水污染的風險增大。

（4）地質環境惡化。氣候和地下水之間關聯的最重要環節是對地表水和土地的影響。干旱期間加大抽取地下水引起的水位下降會導致含水層介質的壓實效應，最終導致地面下沉、土地荒漠化、綠洲退縮等。

4.3 人類活動

（1）研究區地下水位除受山區河流來水量周期性影響而有所波動外，主要受人為活動的影響。

（2）水資源需求增大，地下水開采量逐年增大。加上水資源利用不合理，管理不到位，地下水超采嚴重等，即使通過節約挖潛和繼續超采地下水仍不能滿足國民經濟用水要求。

5 結論

（1）通過開展一系列物探工作，探測了第四系地層結構、基巖埋藏深度、基底起伏及Q1、Q2底界埋深等問題，勾畫了地下水系統的空間結構展布特征。

（2）揭示了地下水系統演變的主要控制因素是水文地質結構、氣候變化和人類活動。

（3）減緩地下水系統劣變主要應遵循自然規律，以涵養地下水為主，同時加強水資源的科學管理，加強節水工程的實施。

[參考文獻]

［1］王貴玲，劉志明，王驥，等. 西北地區地下水資源開發利用與環境保護研究［M］. 北京：地質出版社，2001：13-32.

［2］王貴玲，劉志明，高業新，等. 石羊河流域地下水資源及其保護戰略對策研究［J］. 干旱區資源與環境，2007，21（4）：48-51.

［3］張雪蕾. 氣候變化背景下干旱內陸河流域適應性水資源管理研究―以石羊河流域為例［D］.2017.

［4］李生潛，張彥洪，馬雁萍，等. 石羊河流域盆地地下水動態變化特征分析［J］. 干旱區資源與環境，2018，32（12）145-151.

［5］康建瑛. 甘肅省石羊河流域徑流多年變化特性研究［J］. 地下水，2020，42（1）：158-160.

［6］方良斌. 石羊河流域地下水盆地分區劃分研究［J］. 地下水，2018，40（5）：9-11.

［7］李文鵬，周宏春，等. 中國西北典型干旱區地下水系統［M］. 北京：地震出版社，1995：36-47.

［8］Song SH，Nie ZL，Geng XX，et al.Response of runoff to climate change in the area of runoff yield in upstream Shiyang River Basin，Northwest China：A case study of the Xiying River. Journal of Groundwater Science and Engineering，2023，11（1）：89-96.