湖北省地下水流系统划分研究

2021-01-04江越潇牛俊强

资源环境与工程 2020年4期

范威，于瑶，江越潇，陈畅，牛俊强，胡成

(1.湖北省地质环境总站,湖北武汉 430034；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南长沙 410014； 3.中国地质大学(武汉) 环境学院,湖北武汉 430074)

地下水流系统的划分对于深入分析地下水的形成条件,揭示地下水的循环演化规律,进行区域地下水资源评价和规划具有重要的理论和现实意义[1]。随着系统工程方法成功解决许多复杂的问题,系统思想与方法也逐渐向水文地质学渗透,在此过程中,欧美出现了一些新的术语,主要包括含水系统、地下水流系统。长期以来,一直将含水层视为地下水的基本功能单元,随着对越流的认识,便出现了含水系统的概念。1963年,托特提出了流域盆地发育多级次地下水流系统的理论。含水系统与地下水流系统是两类内涵不同的与地下水有关的系统,含水系统体现于统一的水力联系,水流系统体现于统一有序的水流。20世纪80年代初期,国际水文地质界提出地下水流系统的概念,并由陈梦熊引入中国,这一概念从提出开始就存在争议,缺乏公认的统一含义,有的含义与“含水系统相当”,有的指的就是“地下水流系统”。目前中国使用“地下水流系统”术语相当普遍,但是赋予的内涵不尽相同,绝大多数的讨论都将“地下水流系统”等同于“含水系统”。鉴于国内有关术语的理解及应用相当混乱,张人权、梁杏等人认为应尽可能使用定义明确的“地下含水系统”及“地下水流系统”这两个术语[2-3]。

目前区域地下水系统划分在盆地区[4]研究程度较高,如西北黑河额济纳盆地[5-6]、鄂尔多斯盆地[7-8]、河北平原[9]、哈密盆地[10]、塔里木盆地[11]、关中盆地[12]等,主要集中在北方,南方开展区域地下水系统研究较少,更鲜有开展全省区域性的地下水系统研究工作。

本文在综合以往研究成果的基础上,明确以地下水流系统为基础,归纳了不同级别地下水流系统划分的原则和依据,提出了划分湖北省地下水流系统的一套方案。

1 研究区概况

湖北省出露着元古界—新生界的12个系、19个相当于系或统的岩群,共划分为205个组级地层单元。除缺失上志留统上部与下泥盆统下部外,其余地层发育良好、层序完整、沉积类型众多。湖北省地跨秦岭褶皱系、扬子准地台两个一级大地构造单元。秦岭褶皱系主要分布变质岩、岩浆岩；扬子准地台主要分布沉积岩。省内地下水基本可归结为松散岩类孔隙水、碎屑岩裂隙孔隙水、碳酸盐岩类岩溶水和碎屑岩裂隙水、变质岩裂隙水、岩浆岩裂隙水等6大类。

湖北省处于中国地势第二级阶梯向第三级阶梯过渡地带,西、北、东三面被武陵山、巫山、大巴山、武当山、桐柏山、大别山、幕阜山等山地环绕,山前丘陵岗地广布,中南部为江汉—洞庭湖平原,呈三面高陡，中间低平，向南敞开，北有缺口的不完整盆地。山地、丘陵岗地和平原分别占全省面积的55.5%、24.5%和20%。东北部桐柏—大别山和东南部的幕埠山分水岭基本与省界相重合。

湖北省绝大部分属于长江流域,仅北部局部地区属于淮河流域。长江自西向东,横贯全省,汉江自西北入境后,呈东南流向在武汉市汇入长江,中小河流或南或北顺地势汇入长江、汉江,形成以长江、汉江为轴向的向心水系。湖北省中部及沿江地带地势较低平开阔,河网交错,大小湖泊星罗棋布。

2 地下水流系统划分原则与依据

2.1 地下水流系统划分原则

地下水流系统划分应遵循以下基本原则：

(1) 具有系统特性。地下水流系统的划分要符合系统的集合性、关联性、目的性和整体性等特性,系统之间的水力联系是划分系统的关键因素,能把不同含水层的地下水纳入到一个整体的系统之中[13],从而建立地下水化学场、温度场。因此,在地下水流系统划分时应重点考虑地下水分水岭、隔水的构造、隔水层以及地表水系等零通量边界。

(2) 系统边界类型简单、相对固定。地下水流系统划分的目的是为长期的区域性的地下水资源和环境管理服务的,因此就要求地下水流系统边界简单且相对固定。

(3) 在垂向上着重考虑主要开采目的层。地下水开采目的层是对人们生活和生产活动最有开发利用价值的含水层,富水性好、补给条件好,也最容易受到人类活动的影响。因此,在地下水流系统划分时应着重考虑开采目的层的空间分布。

2.2 地下水流系统划分依据

地下水流系统的划分重点考虑宏观构造单元、地貌格局和中国范围内区域性的一级水系流域。对大型流域而言,流域的地表分水岭和地下分水岭是基本一致的[14]。

(1) 一级系统的划分主要依据是区域地下水流系统和区域地下水流向进行划分,考虑长江干流以及汉江水系、乌江水系、洞庭湖水系等长江一级支流流域。以流域范围内四周山地向长江干流和各一级支流排泄基准的区域水流系统和区域地下水流向划分。有各自独立完整的地下水循环体系,与相邻流域之间没有物质和能量交换,流域分水岭是主要的边界类型。

(2) 二级系统的划分主要是在一级系统的基础上,考虑二级支流流域以及长江干流的分段,以区域地下水流系统和地下水流向进行划分。具有相对独立和完整的区域地下水循环体系,与邻近的地下水流系统没有或只有少量的物质和能量交换,流域分水岭和长江、汉江干流是主要的边界类型。

(3) 三级系统的划分主要考虑二级支流上下游分段以及长江干流各分段内的区域地下水流系统。与邻近的地下水流系统有少量的物质和能量交换,地下水循环相对独立,分水岭和长江干流是主要的边界类型。

(4) 四级系统的划分是将三级系统内长江、汉江干流上的小支流进一步划分,同时考虑在盆山结合地带区域非含水层等隔水边界的作用,分水岭、隔水层是主要的边界类型。

3 湖北省地下水流系统划分

根据地下水流系统划分原则和依据,综合考虑大地构造、宏观地貌单元、地表水系等影响因素,重点分析地下水补径排条件、含水层空间结构,对湖北省地下水流系统进行划分。

以桐柏山—大别山山脉线为分区界限,划分为黄河—淮河—海河地下水流系统区(B)、长江流域地下水流系统区(E)两个地下水流系统区。各个区内再进一步划分为四级地下水流系统：4个一级系统、7个二级系统、14个三级系统、70个四级系统,系统划分情况详见表1和图1。

图1 湖北省地下水流系统划分图Fig.1 Division of groundwater flow systems in Hubei province1.一级系统边界；2.二级系统边界；3.三级系统边界；4.四级系统边界；5.河流；6.面状水系、湖泊。

表1 湖北省地下水流系统划分一览表Table 1 Schedule of groundwater flow systems in Hubei province

3.1 淮河一级地下水流系统(B01)

根据淮河流域范围,系统南界为桐柏山—大别山地表分水岭,湖北省内仅分布一小部分,为淮河上游小支流。二、三级系统不再细分,根据小支流分布划分为3个四级系统：竹竿河四级地下水流系统(B01A01A)、浉河四级地下水流系统(B01A01B)、淮河源头四级地下水流系统(B01A01C)。系统内地下水类型主要为岩浆岩、变质岩风化裂隙水,接受大气降水补给,通常就地补给和排泄汇入地表水系中,水力联系较弱。

3.2 秦岭—汉水一级地下水流系统(E03)

根据汉江流域范围并充分考虑地形地貌及行政边界等因素划定,系统东界北段为大别山地表分水岭,中段为长江,南段为幕阜山地表分水岭,基本与省界重合,其东为鄱阳湖流域；西界主要为省界,局部地段为长江和汉江小流域的地表分水岭；南界东段为长江干流,西段为清江流域与洞庭湖流域地表分水岭；北界东段为桐柏山—大别山山脉地表分水岭,西段为省界。根据次级支流发育及长江干流分段,进一步分为长江中下游二级地下水流系统(E03A)、汉江二级地下水流系统(E03B)、长江中游二级地下水流系统(E03C),系统边界主要为地下水分水岭。

续表1

(1) 长江中下游二级地下水流系统(E03A)。以长江为系统边界,进一步划分三级地下水流系统。桐柏—大别山三级地下水流系统(E03A01)地下水类型主要为岩浆岩、变质岩裂隙水,南部及西部局部地区分布孔隙水。幕埠山三级地下水流系统(E03A02)地下水类型为岩溶水及沿江地带的孔隙水,地下水总体由幕埠山、九宫山向长江径流。大巴山—江汉平原三级地下水流系统(E03A03)地下水总体由西部山区向南东方向盆地径流,向排泄长江。盆地边缘,山区基岩裂隙水与盆地孔隙水水力联系相对较弱,垂向上发育多级次的地下水流系统。清江三级地下水流系统(E03A04)地下水类型主要为岩溶水,清江在利川有16.8 km为地下河,地下水流系统十分复杂。

(2) 汉江二级地下水流系统(E03B)。根据汉江上中下游分段,进一步划分次级系统,系统边界主要为地下水分水岭。汉江下游三级地下水流系统(E03B01)地下水接受大气降水补给,由大洪山向南径流。盆地边缘第四系隔水层发育,含水岩组的富水性差异大,水力联系相对较差。汉江中游三级地下水流系统(E03B02)地下水接受大气降水补给,由汉江两侧基岩山区向汉江汇流,地下水类型主要为碳酸盐岩岩溶水、碎屑岩裂隙水和汉江阶地的孔隙水。汉江上游三级地下水流系统(E03B03)地下水接受大气降水补给,由汉江两侧基岩山区向汉江及丹江口水库汇流。

(3) 长江中游二级地下水流系统(E03C)。以长江为界进一步划分为长江北三级地下水流系统(E03C01)、长江南三级地下水流系统(E03C02)。省内分布面积较小,主要为基岩山区长江干流上的小支流。

3.3 洞庭湖一级地下水流系统(E04)

系统北界东段为长江干流,西段为洞庭湖流域与清江流域地表分水岭；其余为省界控制。根据次级支流发育情况,进一步划分为澧水二级地下水流系统(E04A)、沅江二级地下水流系统(E04B)。

(1) 澧水二级地下水流系统(E04A)。根据次级支流发育情况划分为长江—澧水三级地下水流系统(E04A01)和溇水三级地下水流系统(E04A02)。长江—澧水三级地下水流系统(E04A01)碳酸盐岩岩溶水与平原地区孔隙水整体上水力联系较小。

(2) 沅江二级地下水流系统(E04B)。仅发育其支流酉水的上游部分,故不再细分,直接定为酉水三级地下水流系统(E04B01)和酉水上游四级地下水流系统(E04B01A)。地下水类型为碳酸盐岩岩溶水,含水岩组为寒武系、奥陶系、二叠系、中下三叠系碳酸盐岩。地下水接受大气降水补给,径流条件良好,以泉和地下径流形式向酉水排泄。

3.4 乌江一级地下水流系统(E06)

系统东界为乌江与清江流域地表分水岭,其余为省界控制。省内仅发育乌江下游支流濯河、郁江的上游部分,因此二、三级系统不再细分,只分为2个四级系统。地下水类型主要为碎屑岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶水,系统东部为志留系隔水层,地下水接受大气降水补给,向濯河、郁江等地表水系排泄。

4 典型地下水流系统分析

以监利—广水一线作为典型剖面(图2),包含各一级系统和省内重要的地下水系统,进一步分析各级次地下水流系统划分的主要依据和系统特征。

图2 典型剖面地下水流系统划分Fig.2 Division of groundwater flow systems of typical section

(1) 一级地下水流系统划分主要依据区域地下水流系统,边界类型包括地下水分水岭和地表水体边界。地下水从周边桐柏—大别山、大洪山获得降水入渗补给,经江汉平原径流,向长江排泄,形成典型山区补给—平原区径流—主要地下水体排泄的区域地下水流系统。淮河(B01)、秦岭—汉水(E03)一级地下水流系统以桐柏—大别山地下水分水岭为界,是零通量边界；秦岭—汉水(E03)、洞庭湖(E04)一级地下水流系统以长江为界,区域地下水向此边界汇流,形成零通量边界。

(2) 二级地下水流系统划分主要依据中间地下水流系统,边界类型包括地下水分水岭和地表水体边界。秦岭—汉水(E03)一级地下水流系统,大富水以北的随州府河流域,主要是变质岩地区,地下水主要赋存于浅部的风化裂隙网络中,其次为深部的断裂带及构造裂隙中,以地下分水岭为界。大富水以南至汉江,主要为大洪山岩溶山区和江汉平原边缘,地下水在大洪山山区接受大气降水补给,经盆地边缘径流,向汉江、大富水排泄,形成中间地下水流系统,以地下分水岭和地表水体为界。汉江与长江之间为江汉平原核心区,是典型的河间地块,地下水流向不显著,随季节而变化,以地表水体为界。划分为长江中下游(E03A)、汉江(E03B)、长江中游(E03C)二级地下水流系统。

(3) 三、四级地下水流系统划分主要依据局部地下水流系统,边界类型包括岩性边界和地表水体边界。大洪山区以碳酸盐岩岩溶水为主,地下水补径排以岩溶水系统为主,在浅部以泉水的形式排泄,在深部向盆地深埋的岩溶含水层径流,直接向盆地第四系孔隙含水层径流的水量相对很小；盆地内的第四系孔隙含水层主要接受大气降水入渗补给。以大洪山山区基岩与平原松散岩为界,划分为大富水—汉北河孔隙水(E03B01A)、大富水—汉北河裂隙水(E03B01B)四级地下水流系统。