贺兰山东麓洪积扇含水系统特征研究

方 磊，吴 瑞，金 亮，韩强强

（宁夏回族自治区水文环境地质勘察院，宁夏银川 750021）

宁夏贺兰山东麓是重要的生态移民安置区、贺兰山东麓葡萄长廊的所在地，是宁夏沿黄生态经济区的重要区域。同时，贺兰山东麓洪积扇赋存宝贵的地下水资源，对区域内人们的生活、生产以及生态都具有重要的意义[1-2]。目前，研究人员对贺兰山东麓洪积扇地下水系统的认识主要基于物探和理论推断。物探揭示该系统砂卵石含水层厚度可大于400 m，理论推断为单一潜水系统（根据宁夏地质工程勘察院2007 年《银川平原地下水资源-经济-环境综合效应研究》报告），然而已有水文地质勘探孔不超过150 m，缺少深部钻探资料及分层测试监测资料对地下水系统进行揭示。本文通过分析一眼综合水文地质钻探孔（孔深250 m）数据，探讨山前洪积扇含水系统的分层特征，为研究宁夏贺兰山东麓洪积扇地下水系统的发育及其与银川盆地地下水系统关系提供直接依据。

1 研究区概况

1.1 地形地貌

研究区位于贺兰山东麓洪积扇的中部，南北长约37 km，宽约10 km，是贺兰山东麓洪积扇分布最宽，面积最大的区域（图1），海拔高程1 140～1 460 m，向东倾斜，由西向东地形变平缓，一般坡度1°～3°。研究区地貌归属银川平原西部的洪积倾斜平原，其西部与高耸的贺兰山相连，之间为贺兰山东麓大断裂（图1），其东部为低平的冲湖积平原。研究区总体处于东西向拉张状态[3]。这种地质地貌格局控制着研究区的沉积相和水文地质条件。

1.2 气象条件

研究区地处我国干旱与半干旱分界地带，干旱少雨，所在的银川平原年均降水量为176.1 mm，且降水多集中在7—9 月份，年均蒸发量为1 730.1 mm，年均气温为9.8 ℃。

1.3 含水系统特征

研究区地下水类型为第四系松散岩类孔隙水，含水岩组主要为洪积砂卵石等粗粒沉积物（图1），根据物探结果推测含水岩组厚度300～400 m（数据来源于宁夏回族自治区地质调查院2015 年《宁夏沿黄经济区水文地质环境地质调查评价物探专题报告》），渗透系数一般在10 m/d 左右，富水性强，单井涌水量一般大于3 000 m3/d，地下水埋深由西向东变浅，西部洪积扇顶部位埋深可大于100 m，中部一带埋深40～50 m，东部洪积扇前缘可小于10 m。地下水受贺兰山基岩裂隙水、大气降水和洪水入渗补给（根据宁夏地矿局水文地质工程地质队2003 年《银川平原农业生产基地地下水资源及环境地质综合勘查评价报告》），总体向东径流，排泄方式有人工开采和向东径流排泄。地下水类型为重碳酸钙型水，溶解性总固体（TDS）一般小于0.5 g/L，水质优良，是理想的后备水源地。

2 洪积扇综合水文地质钻探

LS01 综合水文地质钻孔由宁夏沿黄生态经济区综合地质调查项目组部署，位于研究区东南部（图1），于2016 年部署，孔深252.1 m，成井深度250.0 m，井径219 mm，扩孔480 mm（图2）。

图1 研究区交通位置及水文地质剖面图

图2 LS01 综合柱状图

LS01 钻孔采用钻探全孔取芯，并进行视电阻率、自然伽马和自然电位测井；在钻孔150 m 处分层进行止水和抽水试验，并对不同层位进行水位监测和取样测试，测试项包括水质全分析、氢氧稳定同位素丰度和14C 测年等。

3 结果与分析

本文通过综合水文地质钻探，从地层岩性、测井特性、水位动态、水质组分和同位素丰度等方面揭示贺兰山东麓洪积扇含水系统的分层特征。

3.1 山前洪积扇含水岩组的分层特征

根据钻探结果可知，LS01 勘探孔地层主要为卵砾石和砂砾石，但也发现了5 层1.0～1.8 m 厚的黏砂土（图2）。其中，第一层分布在52.0～53.8 m，第二、三、四层在116～150 m，第五层分布在245.0～246.1 m。根据室内试验分析，这5 层黏砂土层的渗透系数在0.071 6～0.171 9 m/d，渗透性差，与含水岩组的渗透性有数量级的差异，详见表1。这5 层黏砂土的存在，显示出该区有弱透水岩组存在，从结构上为分层提供了直接的证据。

表1 LS01 钻孔弱透水层和含水层的渗透系数

如果将这5 层弱透水黏砂土的垂向分布与东部银川平原的含水岩组划分进一步对比，就能发现以下规律：第一层埋深与东部平原第一含水岩组（潜水）底板埋深（25～60 m）基本一致；第二、三、四层埋深与东部平原的第二含水岩组（第一承压水）底板埋深（140～160 m）基本一致；第五层与东部平原的第三含水岩组（第二承压水）底板埋深（240～260 m）基本一致（资料来源于宁夏地矿局水文地质工程地质队2003 年《银川平原农业生产基地地下水资源及环境地质综合勘查评价报告》）。

3.2 物探测井的物性分层差异

由视电阻率测井曲线（图2）可清晰地发现，该孔具有明显的分层现象，可分为3 层。第一层分布在0～44.55 m，层底与地下水位重合，为包气带，视电阻率中值为290.0 Ω·m；第二层分布在44.55～151.60 m，层底与第四层黏砂土分布重合，视电阻率中值为151.1 Ω·m；第三层分布在151.1～251.0 m，视电阻率中值为76.65 Ω·m。这3 层的视电阻率差异十分明显，有着十分显著的统计差异（图3），存在着明显的突变部位，而且突变部位与钻探揭露的地下水水位、第四层黏砂土层的分布十分吻合。视电阻率测井曲线与钻探的相互印证有力地说明分层现象客观存在。造成视电阻率测井曲线第一层与第二层分界的原因是地下水的存在致使电阻率出现突变；造成第二层与第三层分界的原因很可能是地下水分层，水质发生突变[4]。

图3 视电阻率测井数据箱形统计图

3.3 不同深度地下水水位动态的差异

为了进一步验证LS01 钻孔150 m 处地下水是否分为上下两层，以及更准确地说明2 个地下水流系统分界，本次研究对LS01 钻孔分层止水，分为两层，止水部位在136～156 m（图2），然后进行分层抽水。通过上下2 个试段的3 个落程抽水试验发现，上层水水位埋深为45.68 m，水位标高为1 128.39 m，下层水水位埋深为44.82，水位标高为1 129.25 m，下层水水头高出上层水0.86 m，直接揭示出地下水的分层现象。

3.4 常规水质分析的分层指示

在抽水试验的基础上，本文对取得的水样进行了常规的水质分析（表2、图4）。由表2、图4 可知：上层水TDS 为268.21 mg/L，下层水为309.10 mg/L，下层水TDS 比上层水高出40.89 mg/L，高出15.25%；同时上下两层水的Na+，Cl-，SO42-，NO3-，NO2-，F-等水质指标也有明显的差异。这些水质分析结果进一步揭示出地下水分层现象。

表2 LS01 上下两层水主要常规水质指标一览表

图4 上下两层水主要离子水质分析雷达图

3.5 地下水年龄差异

本文对同位素进行分析，从地下水循环年龄的角度进行进一步验证。通过氚（T）测年分析显示，上下两层水中氚的浓度均小于1.0 TU（表3），与现代补给地下水特征不符[5]；进一步通过14C 同位素测年数据显示，上层水年龄为（14 310±370）a，下层水年龄为（16 780±510）a（表3），下层水比上层水年龄老2 570 a。同位素分析不仅揭示了分层现象，还说明该系统的地下水循环速度较慢。

表3 LS01 上下两层水同位素指标一览表

综上，地层岩性分析、物探测井、抽水试验地下水位观测、地下水水质分析和同位素测试结果，都表明LS01 钻孔在地表以下150 m 处的上下两层水具有明显的差异，揭示出了明显的地下水分层现象。而前人一直认为该含水系统含水岩组为卵砾石，颗粒粗，地下水径流快，地下水更新快，地下水水力联系密切，无分层现象，是单一潜水，称之为“贺兰山洪积倾斜平原单一潜水区”。本次研究结果更新了研究人员对贺兰山东麓洪积扇地下水系统的认识。

4 结论

（1）贺兰山东麓洪积扇LS01 综合水文地质钻孔的地层岩性分析、物探测井、抽水试验及水质分析结果，均揭示了贺兰山东麓洪积扇地下水系统在150 m 处存在地下水分层现象，而非单一潜水含水系统。

（2）根据14C 测年结果可知，贺兰山东麓洪积扇深部地下水的年龄超过1 万年，显示出贺兰山东麓洪积扇地下水系统深部循环缓慢，地下水更替慢，是地质历史时期形成的宝贵水资源。建议优先开发贺兰山东麓洪积扇浅层地下水，保护深部地下水资源。