陕北毛乌素沙漠区潜水含水层富水性及动态变化特征

贺晓浪 段中会 苗霖田 张建军

摘 要：针对沙漠区潜水含水层富水性评价问题，基于野外调查和理论研究，总结认为毛乌素沙漠区内潜水含水层富水性主要由3层次5个因素综合控制，结合层次分析法、模糊聚类，提出了该区内潜水含水层富水性评价模型，并分析了各影响因素在一个水文年内的变化特征，综合评价了区内萨拉乌苏组潜水含水层的富水性分区特征及其动态变化规律。结果表明：区内潜水含水层以富水性弱区分布最广，且明显大于其他区域，同时该区的面积、形态也最容易受到枯水期和丰水期变化的影响。而较弱富水区的面积对季节变化不敏感，但其分布的区域发生了较大变化。相比之下，较强和强富水含水区则受到的影响较小。

关键词：地质资源与地质工程;潜水含水层;富水性评价;保水采煤

中图分类号：TD 742.3 文献标志码：ADOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0113文章编号：1672-9315（2019）01-0088-08

Unconfined aquifer water richness and dynamic change

features of Mu Us Desert Area in northern Shaanxi

HE Xiao lang，DUAN Zhong hui3，MIAO Lin tian1，3，ZHANG Jian jun3

（1.College of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.China Coal Energy Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710054，China;

3.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization，Ministry of Land and Resources，Xi’an 710021，China）

Abstract：Based on the field investigation and theoretical research，it is summarized that the water richness of phreatic aquifer in Mu Us desert area is mainly controlled by 5 factors which can be formed of 3 hierarchies，AHP（analytic hierarchy process）and fuzzy clustering method were adopted to build the water richness evaluation model of unconfined aquifer in the district，and the characteristics of each index in one hydrological year were analyzed.Partition characteristics and the dynamic change features ofSalawusu phreatic aquifer were comprehensively evaluated.The results show that the area with weakest water yield is most widely distributed and significantly greater than other areas，its area and shape are also the most vulnerable to the wet and dry season change，while the area of weaker water richness district would be less influenced by this

change，but significant changes have taken place in its distribution shape.Stronger and strongest water richness zones，in contrast，were less affected.

Key words：geological resources and geological engineering;unconfined aquifer;water richness evaluation;coal mining with water protection

0 引 言

陜北榆神府矿区属毛乌素沙漠区，萨拉乌苏组潜水含水层分布范围广阔，其存在不仅为煤炭、能源化工基地提供了直接水源，也是陕北毛乌素沙漠地区水泉的直接补给来源和维系区内生态环境的重要物质基础[1-3]，是区内最重要的含水层，因而分析研究区内潜水的富集规律，进行潜水含水层的富水性评价，为该含水层的合理开发利用及保护提供依据则显得尤为重要。

当前国内外富水性研究主要包含现场抽（放）水试验[4]、物探定性研究[5-6]、武强、邱士利等人研究的[7-9]多因素综合分析预测法等。但多从矿井防治水角度来研究含水层的富水性，进而使得研究目标主要集中在靠近煤层的承压含水层，而对于潜水含水层的研究较少。近年来保水开采理论及相关技术研究快速发展[10]，但研究的方向却主要集中在讨论煤水间距与“两带”发育高度间的位置关系及其控制方面，对于保水开采的目标含水层—潜水含水层的富水性研究却并未随之明显增多和深入。考虑到潜水含水层与承压含水层在补径排及赋存条件的巨大差异以及毛乌素沙漠区干旱少水的水文地质特征，开展该区域内的富水性动态综合评价，为加强生态潜水含水层的保护、合理开发以及区内煤矿的水害防治提供指导等方面都具有重要的现实意义。

文中意在以小保当井田为例，选取多个指标并分析其变化特征，再结合层次分析、模糊聚类法构建潜水含水层富水性综合评价模型，综合分析井田萨拉乌苏组潜水含水层的富水性分区特征及其动态变化规律。

1 井田水文地质特征及概况

1.1 井田概况

小保当井田处于陕西省神木县境内，位于榆神矿区腹地。井田地貌主要为第四系风积半固定沙丘和固定沙丘，属毛乌素沙漠丘陵地貌（图1）。区内降雨集中，6～9月份降水量占了全年的70%.全年蒸发量为1 668.0 mm，超过了降雨量的4倍。作为第四代现代化煤矿示范项目，小保当井田地质构造简单，开采条件好，其中一号煤矿年产1 500万t，二号煤矿年产1 300万t，属特大型建设煤矿。但本地区地下水资源匮乏，生态地质环境脆弱，对潜水的依赖性强。

1.2 潜水含水层水文地质特征

作为区内最重要的含水层，潜水含水层由萨拉乌苏组与风积沙构成，其主要特征如下：①岩性特征。从平面分布上来看，全区以细沙为主，中沙次之，仅在个别地方有粉沙分布（图2）;②水文地质参数。该含水层出露3个下降泉，单泉流量6.60～6.92 L/s.据该层钻孔抽水资料，统降统径单位涌水量q=

0.011 04～0.4524 L/s·m，平均渗透系数K=0.094 67～4.037 9 m/d，矿化度M=0.271～0.467 g/L（表1）;③含水层厚度。风积沙与萨拉乌苏组累计厚度20.0～75.3 m，沙层几乎覆盖全区，表现为低洼区厚，梁峁区薄，即井田边界附近厚，中部薄（图3）。④潜水含水层水位埋深。潜水含水层水位埋深0～30.50 m，整体埋藏较浅，大部分在5 m以下（图4），滩地区内更甚。

潜水含水层下伏保德组相对隔水层，区内有零星出露，一般结构致密，为半坚硬状。在风沙滩地附近薄，甚至缺失。该隔水层的顶面形态对上覆沙层的厚度的控制作用明显：顶面标高高则上覆沙层薄，反之则较厚。

1.3 潜水含水层补径排条件

潜水含水层的补给源主要为大气降雨，井田地表沙层广泛分布，其入渗系数为0.30～0.60，平均渗透系数K=1.805 4 m/d，极有利于降雨的下渗与运移。考虑地形地貌和补径排条件的差别，将井田以地面分水岭为界，划分为东、西2个水文单元（图5）。分水岭东部潜水总体向东北或东南方向径流，部分潜水经保德组红土“天窗”补给下伏含水层，也有部分潜水在地势较低处出露，形成海子或泉;分水岭西部潜水总体向西南或者西北方向径流，在低洼地带汇聚。补给区与排泄区之间的地形高差大，因此两地内水力坡度有一定差距：补给区水力坡度较大，而排泄区水力坡度变小。区内地表和地下水分水岭的水文地质边界基本一致，因而潜水的补径排条件分区特性明显。

2 潜水含水层富水性综合分區

2.1 评价指标体系的建立

潜水含水层富水性的影响因素和评价指标众多，各个相关因素关系复杂。单个指标因素难以准确描述富水性这种受控于多因素的含水层水文性质。笔者认为毛乌素沙漠区内潜水含水层的富水性指标体系可由3层次，5个指标构成。包含有：单位涌水量、渗透系数、补给模数和含水层厚度和岩性粒度[11-16]（图6）。

其中单位涌水量、渗透系数和含水层厚度可以直接测定，而岩性粒度指数可以通过以下方式确定（补给模数的确定方法见后文）：依据《岩土工程勘察规范》（GB50021 2001）可将含水层的岩性粒度分成砾砂、粗砂等5个等级。考虑到对于潜水来说，粒度越大则越有利于潜水的存储和渗流[17]，因而以砾砂为最高级赋予其粒度指数为9，其他依次类推见表2.

2.2 评价指标权重的确定

采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP法）计算指标权重值，计算各指标参数对于总目标的权重值见表5.

2.3 评价指标的融合及评价模型的建立

将层次分析法所确定的权重系数与各个主控因素相结合，建立小保当井田内萨拉乌苏组孔隙潜水含水层富水性评价的综合指标——富水性指数[18]。

D=nk=1Wk·fk（x，y）

=0.036 4f1（x，y）+0.579 8f2（x，y）+0.139 4f3（x，y）+0.172 2f4（x，y）+0.072 2f5（x，y）（1）

式中D为富水性指数;Wk为影响因素的权重值;fk（x，y）为单因素影响值函数;x，y为坐标;n为影响因素的个数。

为使不同评价参数具有可比性，需进行数据量纲统一化处理（文中采用极大值法），以消除各个相关参数不同量纲数据对评价结果的影响，并使数据相对化[19]，并针对数据模型开展了一致性性检验[20]，满足要求。

2.4 综合评价指标分级标准的确定

对小保当井田内萨拉乌苏组孔隙潜水含水层富水性评价综合指标D进行模糊聚类，从而确定分区阈值为0.143，0.310，0.561，根据分区阈值将研究区划分为弱、较弱、较强和强4个不同等级的区域（表6）。

3 富水性指标的变化分析

3.1 变化时间段的划分

通过对区内及周边井田水文长观井、长观钻孔的调查发现：潜水位的变化与区内降雨量的变化情况相类似，亦有丰水期与枯水期之分，虽两者变化略有差别，但时间差值较小。因而综合降雨和井田潜水水位变化情况，将7～10月份定义为井田丰水期，一个水文内11月份至次年6月份定义为枯水期。

3.2 丰水期与枯水期内含水层水文参数

在评价指标中，部分指标在一个水文年内发生的变化几乎可以忽略不计，如岩性粒度和渗透系数（渗透系数大小主要受岩性颗粒影响。在一个水文年内岩性特征基本不会发生变化的情况下，该参数也不会发生明显变化）。也有部分指标可能会发生较大的变化，如含水层厚度，补给模数和单位涌水量。

3.2.1 含水层厚度

潜水含水层的厚度是指潜水面到隔水底板间的垂直距离。据小保当和相邻小壕兔井田内水文长观资料，两处长观井水位变化的平均值均在10.6 cm左右，即得：7～10月的水位值相较于一个水文年内得其他月份整体上涨10.6 cm，此外还可以降雨入渗量来验证该水位变化值（含水层厚度变化值）的准确性。

3.2.2 含水层单位涌水量q

裘布衣公式推导出的单位涌水量的计算式形式复杂，涉及的参数众多，利用该公式难以直接判定丰水期与枯水期变化对单位涌水量的影响。因此引入导水系数，将单位涌水量的计算简化以方便判断。而据兰太权[21-22]等人的研究，单位涌水量q与导水系数T在数值上存在线性关系，即

q=aT（2）

式中 q为单位涌水量，m3/（d·m）;a为比例系数;T为导水系数，m3/（d·m）;而导水系数一般用来表征含水层导水能力的大小，在数值上等于渗透系数（K）与含水层厚度（H）的乘积，即T=KH.为比较出一个水文年内7～10月份潜水含水层的单位涌水量q′和其余月份的单位涌水量q的变化情况，文中采用比值法（作商法）进行分析对比。

q′q

=aK′H′aKH（3）

式中 H′，H为同一水文年内7～10月份和其他月份的含水层厚度，m;K′，K分别为同一水文年内7～10月和其他月份的含水层渗透系数，m/d.已知渗透系数在该时间段内基本不发生变化，即K=K′. 而H′=H+0.106.将其带入式（3）化简可得

q′q

=1+0.106H（4）

区内潜水含水层厚度平均约21 m.此时q′与q两者间的比值约为1.005.考虑到潜水含水层的实测单位涌水量q=0.059 6～1.971 0 L/s·m，因而在一个水文年内，单位涌水量的变化非常有限。文中研究时将单位涌水量以不变处理。

3.2.3 含水层补给模数

在以降雨为主要补给来源的情况下，本次研究将降雨的入渗补给量作为补给模数[23-25]式（5），即

M=αPF（5）

式中 M为补给模数，m3;α为降雨入渗系数，无量纲;P为降雨量，mm;F为补给区面积，km2.

考虑到区内沙层厚度变化大，包气带条件不同，而分别计算分水岭两侧的补给模数值[26]：分水岭西侧的丰水期补给模数：分水岭西侧井田面积F1=78 232 448.90 m2，入渗补给系数α1=

0.535，7～10月份的丰水期内的降雨量为284.605 mm，将以上数据带入式（5），得出：丰水岭西侧在丰水期的总补给模数M总=1 191.20 m3，月补给模数为M=297.80×104 m3/mo.分水嶺西侧的枯水期补给量和分水岭东侧在不同时期的补给模数计算方法同上，计算结果见表7.

4 富水性动态综合评价

按照上文毛乌素沙漠区潜水含水层富水性指数的构建方法，将小保当井田丰水期和枯水期内潜水含水层的各水文地质参数代入模型运算，即可得到丰水期、枯水期和全年期内小保当井田萨拉乌苏组孔隙潜水含水层的富水性指数，在此基础之上利用GIS强大的空间处理能力按照分区标准绘制分区评价图（图8）。

4.1 不同时期内潜水含水层富水性分区特征

整体来看，井田内以弱富水区分布最广，其次为强富水区，较弱和较强区介于两者之间。各区的面积、形态在不同时期各不相同。

分布面积方面，对季节变化最敏感的区域为弱富水区，由丰水期到枯水期沿分水岭两侧向外扩张，面积增加了井田总面积的19.0%，其次为较强富水区，减少14.3%，;再为强富水区，减少5.3%;而对于较弱富水区的影响很小，仅仅增加了0.6%（图9）。

分布形态方面，较强富水区的整体形态变化不大，主要为在一号井田内向东部收缩;强富水区在井田的北部和东部区域有不同程度的收缩，但变化也都不大;对于较弱富水区域来说，虽面积变化小，但其分布的区域却发生了较大的变化：分布区域更分散，由原来相互连接的弓形区域变为被一、二号井田分界线所截断的长条带状分布区。

综上所述，小保当井田潜水含水层从丰水期到枯水期，面积和形态变化最容易受到影响的是弱富水区，究其原因主要在于毛乌素沙漠区内潜水含水层的渗透系大，弱富水区内的含水层厚度、补给模数等指标，更易受到丰、枯水季变化的影响。而较弱富水区虽然整体面积变化不大，但是其分布的范围发生了较大变化。造成这种现象的主要原因在于较弱富水区属于弱-强富水区的过渡区域，随着丰、枯水季的转换，区内含水层厚度和补给模数也迅速变化，导致了较弱富水区的分布区域发生了较大变化，而受到分区阈值的控制，较弱富水区主要与弱富水区进行转化，这也导致了较弱富水区的面积变化较小[27-29]。

4.2 潜水含水层富水性综合分区特征分析

通过对比井田富水性的分区特征和分水岭的展布形态，不难发现井田内分水岭的展布形态对富水性分区具有明显的控制作用：分水岭附近区域的含水层富水性要明显弱于远离分水岭分布的区域。而由于分水岭自身亦非处在一个平面上，即分水岭本身也存在较大的高差（尤其是保德组顶面高差），这也决定了沿着分水岭会出现不同富水性区域。

保德组的顶板起伏，决定了分水岭的位置以及分水岭本身的起伏特征，这也就进一步使得弱富水性区域在在接受降雨补给后，主要通过地下径流的方式补给了水位标高相对较低的富水区域，甚至在这些区域形成小型湖泊或海子，进而使得弱富水区域与相对强富水区域内的富水性差距进一步扩大。

5 结 论

1）通过对毛乌素沙漠区水文地质条件分析，得出潜水含水层的富水性评价体系可有由3层次，5个指标构建，并采用层次分析、模糊聚类等方法来综合评价该区内潜水含水层的富水性;

2）一个水文年内，潜水含水层的渗透系数、岩性粒度和单位涌水量值基本不发生变化;丰水期相比枯水期，补给模数的变化值较大，而含水层厚度也增加0.106 m;

3）小保当井田内潜水含水层以富水性弱区分布最广，且明显大于其他区域。从丰水期到枯水期，面积和形态变化最容易受到影响的是弱富水区，而较弱富水区虽然面积变化不大，但是其分布的区域发生了较大变化。相比之下，较强和强富水含水区则受到丰水期和枯水期变化的影响较小。且分水岭以及保德组顶面形态对富水性分区有明显的控制作用。

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