鄂尔多斯高原地下水流系统的多层结构循环模式

第 2 7卷第 8期 2 0 ( 8年 8月 地 质通报 GEoLoGI CAL BULL ETI N OF CHI NA V o 1 27 N O 8 Au g ， 20 0 8 鄂尔多斯高原地下水流系统的多层结构循环模式 来 自深孔中P A C K E R 系统分层水头测定的证据 赵振宏 ， 王 冬 ， 陶正平 ， 李 瑛 ZHAO Zhe n ho n g ， W AN G Do n g ，TAO Zhe n g p i n g ，L I Yi n g 中 国地 质调 查局 西安 地 质 调 查 中心 陕 西 西安 7 1 0 0 5 4 Xi 珊 C e n t e r o f C h i l l n G e o l o g i c a l S u r v e y , X i I 7 1 0 0 5 4 S h a a n x i ， C h i n a 摘要 ： 地下水流系统和循环模式分析是研究地 下水形成机理的基础， 对正确认识和评价地下水资源具有重要意义。鄂 尔多斯 高 原 在 含 水 系统 和 众 多地 下 水排 泄 区的 控 制 下 ， 形 成 了 多个 不 同规 模 、 不 同循 环 深 度 、 相 互 独 立 的地 下水 流 系统 。P ACKE IL系统 分层 试 验 测 定 的 不 同深 度 水 头 的数 据 证 明 鄂 尔 多斯 高 原 地 下 水流 系统 存在 托 斯 多层 水 流 模 式 ， 区域 性 水流 系统 一 般 包含 浅 循 环 、 中 间循 环和 深 循 rg3 个循 环 系统 浅循 环 系统 的发 育 深 度在 2 0 0 m以 内， 深循 环 系统 的发 育深 度 大 于4 0 0 m。 关键 词 ： 地 下 水流 系统 ； 循 环模 式 ： P ACKE IK系统 ： 鄂 尔多斯 高原 中图分类号： P 6 4 1 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 1 2 5 5 2 ( 2 0 0 8 ) 0 8 - 1 1 3 1 - 0 7 Zh a o Z H， W a n g D， Ta o Z P ， Li Y M u l t i - l a y e r c i r c u l a t i o n mo d e l o f g r o u n d wa t e r fl o w s y s t e ms o n t h e Or d o s p l a t e a u ，Ch i - n a ：e v i d e n c e f r o m wa t e r h e a d me a s u r e me n t s a t d i ffe r e n t d e p t h s o f a d e e p b o r e h o l e b y t h e Pa c k e r s y s t e mGe o l o g i c a l Bu l - l e t i n o fC h i n a ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 8 ) ： 1 1 3 1 - 1 1 3 7 Abs t r ac t ：The s t ud y of g r ou n dwa t e r flo w s y s t e ms a nd c i r c u l a t i o n mo de l s a r e a ba s i s f o r t h e s t u d y o f t he gro un dwa t e r f or m a t i o n me c h a ni s m a n d h a s gre a t s i g n i fic a nc e for c o r r e c t un d e r s t a n d i n g a n d a s s e s s me nt s o f gro u nd wa t e r r e s o ur c e s I n t h e Or d os pl a t e a u，s e v e r a l i n d e pe nd e nt grou nd wa t e r fl o w s y s t e ms wi t h d i ffe r e n t s c a l e s a nd c i r c u l a t i o n de pt h s we r e f orm e d un de r t he c o n t r o l o f t h e a q u i f e r s y s - t e n l s a n d n ume r ou s grou nd wa t e r d i s c ha r g e po i nt s Th e d a t a f r o m wa t e r h e a d t e s t s a t d i ffe r e n t de pt hs b y t he Pa c k e r s y s t e m p r o ve t ha t t h e Or d o s pl a t e a u gr o u nd wa t e r fl ow s y s t e m is a typi c a l“ Tot h mod e l ” ，i e t he r e g i o na l gro un dwa t e r fl ow s y s t e m ge ne r a l l y c o ntains t h r e e s y s t e ms ：d e e p c i r c u l a t i on s y s t e m，i n t e r me di a t e c i r c ul a t i o n s y s t e m a n d s ha ll ow s y s t e mTh e s ha llo w c i r c u l a t i o n s y s t e m O C C U rs wi t h - i n 2 0 0 m be l ow t h e s ur f a c e a nd t h e d e e p s y s t e m c i r c u l a t e s b e l o w 4 0 0 m de pt h Ke y wo r ds ：gro un d wa t e r flo w s y s t e m；c i r c u l a t i on mod e l ；Pa c k e r s y s t e m ；Or d o s p l a t e a u 地 下 水流 系 统理 论 l i i 经 过T o t h 12 1 、 E n g e l e n 13 1 等 人 的发展 ， 在2 0 世 纪8 0 年代初 已基本 成熟 。但 其研 究 大多还是停 留在理论 假说 、 反演 和数学模 拟上 ， 主要 是 通过地 下潜水位 和计算 的空 间水 势分 布来研究 地 下 水 的运 动 ，水流 系统层 次结构划 分缺 少实测水 势 数 据的支持 ，并且 能够用 于反演研究 地下 水流 系统 分层结构循环模式的地下水化学详细分层资料也很 少 。本文拟从 实测 分层水 头数据 和水质 资料对 地下 水流 系统的层次 结构进 行分析探 讨 。 在 鄂 尔 多 斯 盆 地 地 下 水 勘 查 项 目 中 ，采 用 P A CK E R 分 层试 验 系统 测 定 了多 个 深孑 L 中不 同 深度的地下水头分层采集了水化学与同位素分析 样品。实测的不 同深度的水头数据和详细分层的水 化学资料为地下水流系统分层结构循环模式的研究 提供了基础数据和资料 ，对于研究地下水资源的形 成机理和评价地下水资源具有重要意义。 收稿 日期 ： 2 0 0 8 一 O 6 一 O 2； 修订 日期 ： 2 0 0 8 - 0 7 - 0 2 地调项目： 中国地质调查局国土 资源调查项 目 鄂尔多斯盆地 内蒙古能源基地地下水勘查 ( 编号 ： 1 2 1 2 0 1 0 7 3 4 0 0 2 ) 资助。 作者简介： 赵振宏( 1 9 6 8 一 ) ， 男 ， 高级工程师 ， 从事水 文地质研究工作 。E - ma il ： 1 9 6 8 z z h 1 6 3 c o m 维普资讯 她质通报 G EOL OG I C AL BU L L ET I N OF C HI N A 2 0 0 8年 1 研究 区概况 鄂尔多斯高原位于内蒙古自治区中南部 东以 鄂尔多斯市一榆林市一线为界西至银川盆地和桌 子山的东缘 北与河套盆地相邻 南到长城( 盐池一 定边一安边一靖边一线 ) ， 面积约8 1 0 k m! 。行政 区 划属内蒙古鄂尔多斯市和陕西榆林市 。 区内地势总体为中间高四周低 高程一般介于 1 1 0 0 1 6 0 0 m 地形较 平 坦 呈 舒缓 波状 起伏 ， 相对 高 差 一般小 于1 0 0 m 地 面坡度 大 多地 区小 于5 0 o 河 流呈放射状发育 总体向东南 、 北、 西3 个方向径流。 高 原中部 、 北部及西南部形成内流区， 分布有众多湖泊。 地下水 主要 赋存 于 白垩 系下统 保安 群和第 四系 上更新统萨拉乌素组中其他时代的含水层只有零 星分布。保安群和萨拉乌素组含水岩系以砂岩和细 砂构成的含水层为主，内部散乱夹杂泥质岩和粘性 土构成的弱透水和隔水透镜体 ，含水层体积占整个 含水岩系体积 的9 0 以上 空间上构成一个统一 的 含水 系统1 5 1 。含水 系统 西 薄东厚 ， 呈 “ 楔状 ” 。西部 厚 度 在 1 0 0 0 m以上 中部 厚度 一般 为6 0 0 - 8 0 0 m， 东 部 较薄 一般 在1 0 0 , - , 4 0 0 m之 间 ， 最终 在高 原东缘 尖 灭 ， 形成一个大型潜水盆地 。该含水系统上部以潜水面 为边 界 不 断 与大气 水 、 地 表水 发生 着 水量 交换 ， 为 补 给和排 泄边 界 ：底部 以侏 罗系 隔水底板 顶面 为边 界 ； 侧向上以固定隔水边界居多， 局部地段为侧向弱 透水 边界 。 当地 地 下水 最 主要 的 补给 来 源为 降 雨人 渗 ， 另 外还 有少量 的农 灌水入 渗 。大 部分地 下水 消耗 于浅 埋区蒸发 其余最终流人河流 、湖泊中转化为地表 水 ， 人 工开 采量很 少 。河流 、 湖泊 和湿地是 地下水 的 最 终排泄 地 。 地下 水 的矿 化度 ，水平 方 向上总体 表现 为 由补 给区向排泄区逐渐增加 ，化学类型也发生着由重碳 酸盐型向硫酸盐型和氯化物型的转化。 垂 向上 ， 补给 区由上向下矿化度逐渐增加 ， 排泄区相反 ， 由下向上 矿化度逐渐增加。地下水化学作用以溶滤 、 溶解 、 沉 淀 、 浓缩 为主 。 2 地下水 流系统 的划分 鄂尔多斯高原规模巨大的含水系统是一个开放 系统 。 在各个地下水排泄区的控制下， 形成 了诸多地 下水流系统1 6 1 。以位置较低 、 排泄量较大的河流和湖 泊 为排 泄基 准点 ， 以地下水 分水 岭为 边界 ， 本 区可划 分 为摩 林 河 、 盐 海 子 、 都思 兔 河 、 胡 同查 汗淖 、 巴汗 淖 、 乌兰木伦河 、 秃尾河 、 榆溪河、 无定河等区域地下 水 流系统 ( 图1 ) 。 这 些区域水 流 系统最 远 的补 给 区到 最终 的排 泄点 的距 离一般 超过 3 0 k m ，最远 超过 1 0 0 k m， 地下水循环深度可达隔水底板。补给区和排泄 区之 间地 下水 的势 能差越 大 ， 径 流深度 就越大 水 流 系统范 围也越 大 。 按 照不 同的研 究尺度 ， 以一 些排 泄 位置较高、 排泄点较小的排泄点为中心 ， 在区域水流 系统之上可以划分出若干亚 区域水流系统和局域水 流 系统 。 区域 、 亚 区域和局 域水流 系统之 间 以零流量 面 为边界 。 构 成水 流系统边 界 的地下水 分水 岭和零 流量 面 的位置 ，受控 于含水 系统 中地下水 势 能的高低 和 空 间分布 随补 给和排 泄条件 的变 化面变 化 具 有可变 性 。地 下水 流 系统 随 着环 境变 化 可 以 发生 数量 、 范 同 、 径流 深度 等方面 的变化 。 天 然状 态下 本 区水 流 系统的变 化 主要 表现 为 随着补给期的到来地下水分水岭的位置和零流量面 在 水平 和垂 向上发 生摆动 。降 雨人渗 量在本 区是 不 均 一 的 ， 各 地 地下水 位 的升 幅也 不同 因此各 地地 下 水 的势 能变化 量也 就存在 差异 ，从面 使水 流系统 的 边 界发生 变化 。 人 为作用 可使 地下水 流 系统发生 剧烈变 化 。如 对 地下水 的人 工开 采 在 天然 排泄 区外每增 加一 个 开 采点都 是增 加一 个水流 系统 。开采 造成 的水位变 化 可以使天然水流系统中地下水的势能发生重分 布 可以形成新的人工水流系统 ， 从面改变原水流系 统的流向和范围。地表水利设施的修建也可使地下 水 流 系统 发 生改变 。 区内人 为作用 对地 下水 流系统 的影响 主要是抽 取 地下 水面 使原有 水流 系统发 生变化 。 主要表 现在2 个 方 面 ：一是 农灌 抽取地 下水 而形成 季节 性 的人 工 水流系统， 它随着农灌结束面滞后消失； 二是因生活 和工业需要持续抽取地下水形成长期性的人工水流 系统 ， 它对原水流系统影响巨大。 如果长期性开采造 成地下水位持续下降。 就会对含水系统造成破坏 ， 使 含水系统调节能力降低甚至消失。人工水流系统 的 扩大也可能会使劣质水扩散从面造成地下水资源 的人为破 坏 。 本区地下水分水岭的位置和地表分水岭基本一 致。地表分水岭地形越高 ，地下水分水岭水位也越 维普资讯 第27卷第8期赵振宏等：鄂 尔多斯高原地 下水流 系统的多层结构循环模式 1 133 盆 地 河 套 图1鄂尔 多斯高原地 下水流 系统划分示意平面图 F i g 1Pl an ofdistributionofg ro undw aterf lowsystem softheOrdosplat ea u 1 一 含水 系统隔水边 界；2 一 含 水 系统透水边 界(三角表示 地 下水流向)；3 一 区域 水流系统边 界 地 下水分水岭；4 一 区域地 下水 流向：5 一 Packer试验孔 高。地 下水分水岭水位越高，控制深度也越 大。如区 内最高的四十里梁 一 塔 布 乌 素 一 玛拉迪庙、桌子 山 一 新召分水岭，控制深度达到含水系统的底板。而 中部 内流区内召稍湖、达拉图鲁湖、巴音淖尔等湖泊 之间的分水岭，控制深度 一 般不超过300IT I，只能控制 含水系统上部发育的水流系统的范围和径 流深度。 3地下水流系统的多层结构循环模式 位于高原中部和西部的摩林河、盐海子、都思兔 河、胡同查 汗淖、巴汗淖、无定河等区域水流系统，其 维普资讯 1 134地 质通撮GEOLOGIC A B U LL E TINOFCH I NA 20(18年 不同部位 的深 fl ,P ACKER 系统 分层 试验结果(表1) 表明，区域水流 系统中游钻孑L中存在 多个垂向水头 梯度相反的零流量面，地下水流存在 多层结构循环 模式，大致可分 为深循环、中循环和浅循环3个 系统。 在较高的区域性 分水岭地区和较低 的区域性 排 泄点 地区，分层水头变化总体上从上到下由高变低或者 由低变高，地 下水发生j维运动，分层结构不明显； 而在区域性分水岭和排泄点之间的区域地下水流 系 统 中游地带水头垂向变化复杂在不同的地貌部位 钻孔中分层水头 变化特点不同。在位置较高 、排泄量 较小的局域性排泄区，从上到下分层水头变化表现 为 “ 低 一 高 一 低 ” ，在较低的局域性分水岭地区，分层 水头 变化表现为 “ 高 低 一 高 一 低 ” ，大致 在200m深 度和4 00m深 度存在2个零流量面。零流量面之间的 水流垂向分层结构明显，各自拥有 自己的水动力场， 分属不同的水流系统(图2、图3)。零流量面上下 ，地 下水化学成分也有 一 定差异，特别是在区域水流 系 统下游地段和排泄区附近差异更为明显。而东部和 表1钻 ：LP ac ker分层试 验 结 果 Tab le1ResultsofthePackertests atd ifferentdepthsofboreholes 扎层位深度测胝水火日 。 化度水化学 扎层位深度测K水又矿化度水化学 lj m 1j 程m g一 类型 lj m 山程m 也 L 类型 14 0 1501353_ 33025H N 3 l o 320l 3094 3210S N 200 2101352O l0 24 H N C 390 -4 00 l308944 40S N 296 306l 350640 25 H NC B 14520 530130889298S N 4 00 410 135l- 20026Il N C 610 620 I3 1215212S N B6500 5 If) 135 】6f 】I) _ 24H N (? 700 7J f 3 1328J86S N 610 一620 1351390 25 H N C 8 5 一95 l 33398 718 728l 35476028S C105 1l 51322 89 806 816l 35603O26H NCl50 1601317 69 024H C 8 00 900135865206S N210 220 l313 69 024H C l31 14 l136966028H N C 274 28413 112 0023H C B 15 176 18 6l 3710702511 一 N C 3 10 32013 11370241I C M 24 2 25213 7124() 24H NC 370 3 8( J Ij I54 (J24H C 320 33013 71 18024Il N C 4 40 、4 50 13 1139023II C M 4 10 4 20137119024H N 48 0 4 90 131134023H C B 8 4 8 8 498l 35491024H N C 500 5 10 13 11320 32 H N 572 58 2l352 71 024H NC 4 0 、50 116893 64 l 65I1367212，24S C 74 84l l6908 716 726 l3569 1( )59S H N 124 34116716 8IU 82013777I J 99 209 l 16308 184 194l32514 2 54 269 116542302S N B 16 259 269 13 25 33 304 314116893 3 34 34 4 l 325- 27 334 349 11748 83 19 S N 4 09 4 19 132523 394 4 09 119597534S N 489 49913248 3 463 4 78 118 21858lS N B 11()89S N C 552 562132317 4 8 7 502 1184 38846S N 630 640I32320 4 5 55l l8 3660- 30H NCM 698 708l32323 95 105118 308026II N C 78 9 799132523 B17 190 200118 2 82028H NcM 8 29 839 l32924 225 、265 l 】8 862 101 111130933071S N 329 339 11934 4790S N B14161 171130946084S N 340 350118 3 3 l 23 1 24 1130904I05S N 注：水化学类型 一 栏 中，H代表Hco，s代表so。，c代表ca，N代表Na，M代表M g 维普资讯 第27卷 第8期赵振宏等：鄂尔多斯高原地 下水流 系统的多层结构循环模式1 135 蟋 垛酶姆鞋n螺 峨爵姆 壬一螺 幡薛姆爆 一每强岩叠 牮噗* 臣 巴陶繁挝 口 烈恒口1 状卜 心骣1姆最叫 吧斌*卜裂 毫搽森* 神*卜甍 n一搽昧蟋幡鹾* 越趱匿K N”髫繁求* 卜捌 昧斟蟋 幡斌* _ 【 善u篙一 呐 0鼍0 上 皇0 们 gu爿 s 0q宕苗 屯 口罩0羲 -0百勺 0 u IIIo焉【 nu皇u u专 J 0u话0 】山 N 甚 一水嶷糍 黼唧梧蝰一匦陶菰懈辎薛姆螺垛螺*卜簧隧惺搽蚺长器 N匝 。 日 因 。 圈 。 圈 ， E三 。 口 。 园 + 一 日 【 u、 掣甚 维普资讯 1 136地质通报 G E O LOG ICA LBUL L E T l NOFCH INA 2008往 螺婚薛姆隧一鳃峨旨姆d | 一拣垛酶船蟋 铒嬗 0 电 一辑噗繁窿 巴阻* 艇 口一醛怄鬲最卜 审骠1 据状叫 鬯2 I 荨煺*卜裁 毫窳* 淞*卜簧 巴2 I 荨 睬蟋垛壤繁趟醛叵长 q畲* 求*卜嗣 昧最蟋憔堰* _ 【 j8苗一 A 们 0p 】 0 u苦 芑s U矗u帅套 0司 13d 勺 皇11p瞄k0 一 Q勺oII I 口0口一In 】弓u专 k0u嗣0】山 n出Id 一 窿 悄限 嫌刚+臣一匦陋磊副辎旨曙螺垛梧* 卜舞睡慵摄媳长菲 n函 一 一 一良 点 婚r 一 鼍 琵 2 一旦 一 。 _ 一 。， ， ， 一 昌 * 恒 维普资讯 第 2 7卷 第 8 期 赵振宏等 ： 鄂尔多斯高原地下水流系统 的多层结构循环模式 1 1 3 7 北 部 的榆溪 河 、 红 碱 淖 、 乌 兰 木伦 河 、 亚 希拉 图一亚 什 图沟流域 含水层较 薄 ， 水 流系统分 层不 明显 。 深循 环水 流 系统 以 区域 上 地形 最低 的无 定河 、 都思 兔河 、 摩林 河 尾 间湖 、 盐海 子 、 胡 同察 汗淖 等 为 排泄基准面 ，侧向上以控制深度达到隔水底板的地 下 水 分 水 岭 为界 ，补 给 区位 于 四 十里 梁一 塔 布 乌 素一玛拉迪庙 、桌子山一新召 、塔布乌素一嘎鲁图 庙一 乌兰 陶勒盖 、 郭 记 梁等较高 的分水 岭地 区。 在分 水岭 地 区 ，分层测 压水位 明显表 现为从 上 向下 持续 降低 地下水由上向下运动， J B 7 、 B1 5 L 。而在排泄 区 下 层水位 高 于上 层 地 下 水 由下 向上 运动 ， 通过 顶 托排泄 。 补给 区和排泄 区之间 地下水位 落差 大 ， 补 给区潜水 面高 程一般在 1 4 0 0 n l 以上 ，排 泄 区测 压水 头一般 为1 1 0 0 1 2 0 0 m 在补给 区与排 泄 区之 间的径 流 区 一 般发 育 在4 0 0 m深 度 以下 至隔 水底 板 范 围 内 地下 水流 以水平径 流为主 。 深循环 系统地 下水 补 给强度 弱 、 流程 长 、 流速 慢 ， 构成 区域性 系统 。 中循环水 流系统 的范围和循环深度受河流 、 较 大 湖泊和较 高分水岭的控制 发育在 深循环系统之 上。 如苏贝淖 、 乌兰淖 、 大克泊 、 小克 泊 、 五湖都 格沼等 ， 都 是中循环水流系统的排泄区 。 中循环 系统 的补给 区位 于相邻 排泄 区之间较 高的分水 岭地 区和最 高分水 岭 的斜坡地带 ， 地下水主要 向下运动 ； 在径流 区， 一般 发 育在2 0 0 4 0 0 m范 围 内 ， 最大深 度 约5 5 0 m 地 下水 以 水平运动为主 ： 排泄 区地下水 向上运动 ， 通过“ 湖眼” 和 顶托向上排泄 。该 系统地下水流程较长 、 流速较快 。 浅循环水 流 系统 范 围和循环深 度受河 流 、 小 湖 泊 和各 级分 水岭 的控 制 发 育在 中循环 和深循环 系 统之 上 ，补 给区和排 泄 区水 位差较 小 地 下水流 程 短 、 流 速快 。在整个径 流过程 中既有 垂 向上的交 替 ， 也有 水平 方 向上 的运动 地 下 水补 给强 度 较大 ， 在3 种循环模式水流系统中开放程度最高。浅循环系统 规模 一般较 小 构成 局域性 系统 。 不论是 浅循环 、 中循环 还是深循 环系统 沿着 地 下 水流 线 地 下水 中化 学 成分 的含 量 均 表 现 为 不 断 增加 ( 图2 ) ， 化学 类 型一般 也按 HCO 型一 Hc o S O 型一 HCo3 S O C 1 型 ( S O 型 ) 一 S o C1 型 ( C1 S O 型 ) 一 c 1 型演化 。只是 由于各循 环系统 流程长 短 不同 至排泄区时演化程度不同。浅循环系统， 从补 给 区到 排泄 区 ， 矿化度 一般从0 2 0 3 g L J 2 升 到0 5 - 1 0 g L 水 化学 类 型没 有 变化 或 演化 成HCO3 S O 型 水质 好 。 中循环 系统 ， 从补 给区到排 泄 区 ， 矿化 度 一 般从0 2 - 0 3 g L 上升到 1 O g L 右 最高 在2 g L 以 上 水化 学类 型逐 渐 演化 为HCO， S O C 1 型或 S O 型或S O4 “ C1 型( C 1 S O 型 ) ， 水 质一般较好 。深循环 系 统 从补 给区到排泄 区 ， 矿化度一般从 0 2 3 g L L 升 到 1 ( 卜 2 0 g L 最高 可达5 g L b R 上 水化学类