浅析延安黄土丘陵沟壑区水文地质特征

蔡怀恩 张继文 郑建国 张瑞松 梁小龙

(机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043)

0 引言

延安市城区位于黄土丘陵沟壑区的河谷区域，地势平坦而狭长的河谷地带已不能满足城市发展的需要，城市建设不得不向周边的黄土丘陵沟壑区扩展。在黄土丘陵沟壑区进行工程建设必然会进行“削坡填沟”或“削峁填沟”造地，而该区水文地质条件较为复杂，前人对陕北黄土高原或鄂尔多斯盆地等进行了区域的、小比例尺的水文地质调查、分析及研究[1～7]，已有的成果对认识、了解延安黄土丘陵沟壑区水文地质特征提供了基础资料，但不能满足大规模的“削坡填沟”或“削峁填沟”造地工程建设的需要。

本文在分析已有成果资料的基础上，通过对延安市区及周边60 km2区域进行了1∶1 000的水文地质调查、钻探及试验，总结了延安黄土丘陵沟壑区的地下水类型、地层的渗透特征、各地貌特征下的水文地质结构、地下水的含水系统、补给径流与排泄特征，构建了延安黄土丘陵沟壑区的水文地质概念模型，其成果可为延安黄土丘陵沟壑区及类似地质条件下的“削坡填沟”或“削峁填沟”造地工程提供参考。

1 地下水类型及特征

对工程建设有影响的地下水类型为潜水，潜水类型主要为第四系潜水及基岩孔隙、裂隙潜水。

1.1 第四系潜水

第四系潜水类型主要有淤积层孔隙水、冲洪积层孔隙水、黄土层孔隙潜水。

(1)淤积层孔隙水

主要分布于沟谷上游的淤积坝内，含水介质为厚度不到2.0 m的淤泥质土，含水接近饱和，无统一潜水面，沿淤积坝呈舌状或带状分布，富水性弱。

(2)冲洪积层孔隙水

主要分布于各支沟下游的漫滩、高漫滩及延河高漫滩(一级阶地)中。支沟下游的漫滩及高漫滩含水介质为冲洪积的粉土、粉质黏土或卵石层，厚度约2～3 m，呈片状分布，富水性弱。延河高漫滩(高漫滩)含水介质为冲洪积的圆砾卵石层，厚度约6～9 m，沿延河两岸呈带状分布，富水性中等。

(3)黄土层孔隙水

主要分布于沟谷上游梁峁及各支沟沟头附近，含水介质为中更新统黄土，呈不连续、不规则的片状分布，无稳定的潜水面，含水厚度差异大。水量较少，大部分泉的流量小于0.10 L/s，少数泉流量达到0.20 L/s，富水性弱。

1.2 基岩孔隙裂隙潜水

基岩裂隙潜水广泛分布于基岩风化壳的裂隙性及各组岩层中。

(1)基岩风化壳裂隙水

分布于整个区域基岩顶面的强风化岩层中。含水介质为强风化的砂岩、泥岩及页岩。一般厚度3～4 m，最大厚度约5～6 m。基岩风化壳虽分布连续，但起伏大、空间变化大，补给来源有限，厚度小，泉流量一般小于0.03 L/s，少量达到0.10 L/s以上，单井涌水量一般小于3 m3/d，富水性弱。

(2)延安组孔隙裂隙水含水岩层

大部分区域均有该层，受河流下切剥蚀影响，其分布不连续。主要含水介质为延安组底部厚层含砾粗砂岩及砾岩，延安组岩层厚度最大可达110 m，含砾粗砂岩及砾岩厚度约15 m，窝状孔隙、节理裂隙发育，含水厚度约6 m，为该区的主要含水层。该组岩层与下伏的瓦窑堡组接触面上出露较多的悬挂泉，出露点均高于谷底，少则3～5 m，多则达17～18 m，最大达28 m，多处泉的流量大于0.5 L/s，部分泉群流量大于1.0 L/s，单井涌水量一般大于40 m3/d，最大者超过100 m3/d，富水性中等。

(3)富县组及瓦窑堡组孔隙裂隙水含水岩层

大部分区域均有该层，分布较为连续。含水介质为这两组岩层中的砂岩。单井涌水量一般小于10 m3/d，富水性弱。

2 地层的渗透性特征

2.1 淤积层的渗透特征

淤积层现场渗水试验渗透系数0.14～0.47 m/d，平均值0.32 m/d，室内土样渗透试验取得的渗透系数0.10～0.78 m/d，平均值0.27 m/d，渗透性较差。

2.2 马兰黄土的渗透特征

马兰黄土整体渗透性较差，浅部的渗透性略高于深部的渗透性。现场渗水试验，浅部渗透系数1.44～2.32 m/d，平均值1.88 m/d，深部的渗透系数0.33～1.27 m/d，平均值0.74 m/d。室内试验的垂直渗透系数0.11～0.73 m/d，平均值0.22 m/d。

2.3 离石黄土的渗透特征

离石黄土均匀性相对较差，渗透性差异较大，有裂隙部位渗透性好，其余部位渗透性差，古土壤层相对隔水。

2.4 新近系红(黏)土的渗透特征

新近系的红(黏)土层致密，渗透性较差，属于其相对隔水层。

2.5 岩石层的渗透性特征

延安组底部含砾粗砂岩及砾岩的透水率7.50～36.19 Lu，以中等透水为主，部分钻孔在钻进过程中冲洗液渗漏严重，达到极强透水。延安组、富县组及瓦窑堡组泥岩的透水率0.56～3.79 Lu，以微-弱透水为主。富县组及瓦窑堡组中的砂岩以弱透水为主。岩体和土体接触面及基岩风化壳冲洗液渗漏较为严重，达到强透水或极强透水。

3 水文地质结构

3.1 沟谷上游水文地质结构

(1)梁峁区黄土孔隙水—风化壳基岩裂隙水—基岩孔隙裂隙水

地层自上由下依次为第四系上更新统马兰黄土—中更新统离石黄土—新近系红黏土—侏罗系延安组、富县组—三叠系瓦窑堡组。含水层结构为马兰黄土不含水，离石黄土底部微含水，新近系泥岩相对隔水，基岩风化壳微含水，延安组底部的含砾粗砂岩及砾岩含水，富县组与瓦窑堡组中的砂岩含水(见图1a)。

(2)淤积坝沟谷区淤积层孔隙水—风化壳基岩裂隙水—基岩孔隙裂隙水

地层自上由下依次为第四系全新统淤积层(黄土状土)—离石黄土—新近系红黏土—延安组、富县组—瓦窑堡组。含水层结构为淤积层(黄土状土)微含水，离石黄土中的古土壤和新近系红黏土相对隔水，基岩风化壳微含水，延安组底部的含砾粗砂岩及砾岩含水，富县组与瓦窑堡组中的砂岩含水(见图1b)。

(3)沟谷区风化壳基岩裂隙水—基岩孔隙裂隙水

地层自上由下依次为离石黄土—新近系红(黏)土—延安组、富县组—瓦窑堡组。含水层结构为离石黄土中的古土壤和新近系红黏土相对隔水，基岩顶部的风化壳微含水，延安组底部的含砾粗砂岩及砾岩含水，富县组与瓦窑堡组中的砂岩含水(见图1c)。

3.2 沟谷中下游水文地质结构

(1)梁峁区部基岩孔隙裂隙水

地层与上游梁峁区一致，而沟谷两侧的梁窄，沟谷宽。在临沟谷地段，沟谷深切基岩形成基岩陡坎，侧壁黄土层全部出露。含水层结构为马兰黄土、离石黄土、基岩风化壳基本呈疏干状态，延安组底部的含砾粗砂岩及砾岩含水，富县组与瓦窑堡组中的砂岩含水(见图1d)。

(2)河谷漫滩及高漫滩冲洪积层孔隙水—风化壳基岩裂隙水—基岩孔隙裂隙水

延河高漫滩(一级阶地)与各支沟的漫滩及高漫滩的地质结构类似，水文地质结构类似。地层自上而下依次为第四系全新统冲洪积层(延河高漫滩及一级阶地为黄土状粉土、圆砾卵石层，各支沟的漫滩及高漫滩为粉土、粉质黏土)—富县组—瓦窑堡组。含水层结构为冲洪积层顶部不含水、下部含水，基岩风化壳含水、富县组及瓦窑堡中的砂岩含水(见图1e)。

(3)河床基岩裸露区风化壳基岩裂隙水—基岩孔隙裂隙水

地层自上而下依次为侏罗系延安组(部分区域被剥蚀)、富县组—瓦窑堡组。含水层结构为基岩风化壳含水(部分区域不含水)，延安组底部的含砾粗砂岩及砾岩含水，富县组、瓦窑堡组中的砂岩含水(见图1f)。

图1 水文地质结构示意图

4 地下水补给、径流与排泄特征

4.1 冲洪积层孔隙水

冲洪积层孔隙水以大气降水、地表水的渗入补给为主，其径流方向由上游流向下游，由支流汇入主干河道。

4.2 淤积层孔隙水

淤积层孔隙水以大气降水、坝区上游方向的降水形成的地表径流汇集入渗补给，大多数坝基及坝区接触地层为新近系红黏土或离石黄土中的古土壤层，地下水基本呈滞流状态，仅有少量地下水沿新近系红黏土或离石黄土中的古土壤层中的裂隙向下部的基岩风化壳渗透或沿坝基向下游区域渗透，在坝基底部或坝基下游以渗水方式排泄。

4.3 黄土孔隙水

黄土孔隙水以大气降水入渗补给为主，径流方向由地势高处向低处流动即由黄土梁峁区向周边沟谷中径流或下伏地层中渗透，在地势较低的沟谷底部遇相对隔水的古土壤时或新近系红黏土时，以泉形式排泄。

4.4 风化壳基岩裂隙水

沟谷上游梁峁区基岩风化壳裂隙水以大气降水下渗补给为主，即降水沿马兰黄土、离石黄土及新近系红黏土中的孔隙裂隙渗入基岩风化壳中储存，基岩风化壳裂隙水的径流与中等风化基岩面的起伏基本一致，由较高部位向较低部位径流，在基岩出露区域则以泉形式排泄。

沟谷上游淤积坝区基岩风化壳裂隙水以上层淤积层滞水沿离石黄土、新近系红黏土向下渗入补给及梁峁区基岩风化壳中的裂隙水补给为主，径流与中等风化基岩面的起伏基本一致，由较高部位向较低部位径流，在基岩出露区以泉形式排泄。

沟谷下游及主河谷区基岩风化壳裂隙水以大气降水、地表水的渗入补给为主，其径流方向由上游流向下游，由支流汇入主干河道。

4.5 基岩孔隙裂隙水

基岩孔隙裂隙水含水层主要有延安组、富县组及瓦窑堡组，补给来源主要有大气降水、地表水及上部含水层的越流或经裂隙是渗透补给，径流受控于岩层的单斜构造，以顺层流动为主，由东南向西北方向径流。

延安组底部的含砾粗砂岩及砾岩孔隙裂隙水在沟谷下游剥蚀区以泉形式排泄。富县组及瓦窑堡组中的孔隙裂隙水排泄方式主要为人工凿井汲取。

5 地下水含水系统初步分析

5.1 淤积坝淤积层含水系统

各淤积坝坝基为人工夯实而成，坝体及淤积层下的地基土为新近系红黏土或离世黄土中的古土壤层，无论是坝基还是坝体及淤积层下的地基土，其渗透性均较小，淤积坝内的淤积层中的水无法向外围径流，因此每个淤积坝内淤积层中的水为一个相对独立的含水系统。

5.2 延河高漫滩(一级阶地)冲洪积层与基岩风化壳含水系统

延河高漫滩浅部含水系统主要为松散层孔隙水与风化壳基岩裂隙水，为一个较为独立的沿延河呈条带分布的含水系统。

5.3 由梁峁向沟谷径流含水系统

该含水系统由两个相对独立的含水层组成，即梁峁区的黄土孔隙水、风化壳基岩裂隙水。受地形地貌及剥蚀的影响，呈片状分布。

5.4 由沟谷上游向沟谷下游径流含水系统

主要在沟谷中下游的漫滩及高漫滩区域，由冲洪积层孔隙水与风化壳基岩裂隙水构成，呈树枝状分布。

5.5 沿单斜构造层面径流含水系统

该含水系统由三个含水岩组组成，即延安组、富县组与瓦窑堡组，这些地层以单斜构造为主，地下水沿单斜层面径流，延安组受剥蚀影响分布不连续、富县组与瓦窑堡组呈连续分布。

6 水文地质概念模型及结论

根据水文地质调查、水文地质钻探、水位地质试验测试数据，构建其延安黄土丘陵沟壑区水文地质概念模型(见图2)。

(1)地下水类型有淤积层孔隙水、冲洪积层孔隙水、黄土层孔隙潜水，基岩风化壳裂隙水，延安组、富县组、瓦窑堡组基岩孔隙裂隙水。

(2)富县组与瓦窑堡组孔隙裂隙含水层分布基本连续，其余含水层空间上分布不连续。

(3)黄土孔隙水，各支沟冲洪积层孔隙水、淤积层孔隙水，风化壳基岩裂隙水，瓦窑堡组、富县组含水层富水性弱。延安组底部的含砾粗砂岩及砾岩含水层、延河高漫滩(一级阶地)的冲洪积含水层富水性中等。

(4)马兰黄土、离石黄土、淤积层渗透性差、新近系红黏土、离石黄土中的古土壤层相对隔水，延安组底部的含砾粗砂岩及砾岩中等透水—极强透水，延安组、富县组、瓦窑堡组中的砂岩弱透水、泥岩微—弱透水，土体与岩体接触面及基岩风化壳强透水—极强透水。

(5)除延河高漫滩(一级阶地)、淤积坝淤积层含水系统外，主要含水系统为由梁峁向沟谷径流含水系统、由沟谷上游向沟谷下游径流的含水系统、沿单斜构造层面径流含水系统。

(6)地下水补给、径流、排泄特征

1)地下水补给来源主要为大气降水及地表水的渗透补给。

2)黄土孔隙水、松散层孔隙水、基岩风化壳裂隙水的径流受地貌形态控制，由地势较高区域向地势较低的区域径流，地下水的分水岭与现状地形分水岭一致；淤积层孔隙水呈滞流状态；延安组、富县组及瓦窑堡组含水层地下水径流受控于岩层的单斜构造，以顺层流动为主。

图2 水文地质概念模型

3)地下水的排泄方式主要以泉及人类工程汲取为主。

7 水文地质概念模型对工程建设的指导性分析

黄土丘陵沟壑区的造地工程，大部分为填埋或截断沟谷，沟谷的不同部位，地下水与“削坡填沟”或“削峁填沟”造地工程的相互影响如下：

(1)沟谷上游

沟谷上游，部分区域有黄土孔隙水泉水出露点或隐藏的黄土孔隙水泉水出露点，填筑后泉水出露点继续向外渗水，在泉水出露点附近形成水或饱和土体，填筑黄土在受水浸湿作用下会发生湿化变形，影响地基的稳定。

(2)沟谷中下游

沟谷中下游，填筑体(压实填土)直接接触强风化层和延安组砂砾岩富含水层、强风化层为强透水或极强透水，延安组底部的砂砾岩泉水出露点多，延安组砂砾岩含水层中的水向填筑区径流，而填筑体与强风化层接触，地下水经沟谷中的强风化层向沟谷下游方向径流，当地下水不能及时向沟谷下游径流而使水位抬升时，地下水沿砂砾岩单斜构造的下倾方向向填筑区外径流。地下水向填筑体外径流时会影响外围边坡的稳定性，地下水径流不畅在填筑体内形成饱和土体时，会使填筑黄土发生湿化变形，影响地基的稳定。

综上所述，“削坡填沟”或“削峁填沟”造地工程对地下水处理不当会使填筑体土体饱和，土体发生变形，改变地下水的径流模式，影响填筑体外围边坡的稳定性。在“削坡填沟”或“削峁填沟”造地工程建设时，应对地下水进行疏排，在沟谷上游区域主要关注黄土孔隙水，在沟谷中下游区域主要关注基岩风化壳裂隙水和受控于单斜构造的基岩裂隙水。