田萬生，周 斌

(1.甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州730020;2.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，甘肅 蘭州730050)

蘭州位于甘肅中部，是甘肅省省會(huì)，為全省政治、經(jīng)濟(jì)、文化和科技中心，也是西北地區(qū)重要的交通樞紐。現(xiàn)轄城關(guān)、七里河、西固、安寧、紅古五區(qū)和永登、榆中、皋蘭三縣，總面積1.31萬 km2，其中市區(qū)面積1 631.6 km2，城市建成區(qū)面積130 km2?？?cè)丝?19萬人，其中市區(qū)人口208萬人。

本文所指研究區(qū)范圍，以蘭州城市規(guī)劃區(qū)范圍為界，即西起西固宣家溝，東至城關(guān)桑園峽，南、北兩側(cè)至丘陵區(qū)谷肩或分水嶺。地貌單元主要包括了黃河Ⅰ～Ⅳ級(jí)階地及部分丘陵。行政區(qū)劃涉及西固、安寧、七里河、城關(guān)四區(qū)。地理坐標(biāo)介于:東經(jīng) 103°33'～103°57'，北緯 36°00'～ 36°10'，工作區(qū)總面積 358.58 km2。

蘭州深居我國(guó)大陸腹地，位于中國(guó)西部三大高原交匯處，氣候干燥，區(qū)域環(huán)境較惡劣。長(zhǎng)期以來存在的生態(tài)環(huán)境脆弱、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題制約著蘭州市投資環(huán)境的改善和人民生活質(zhì)量的提高。因此，開發(fā)利用清潔環(huán)保的淺層地?zé)崮苜Y源對(duì)于改善城區(qū)環(huán)境質(zhì)量，提高城市品位，創(chuàng)造良好的投資環(huán)境有著十分重要的意義。

1 地下水源淺層地?zé)崮苜Y源

淺層地?zé)崮埽侵傅乇硪韵乱欢ㄉ疃确秶鷥?nèi)(一般為恒溫帶至200 m埋深)，溫度低于25℃，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下具備開發(fā)利用價(jià)值的地球內(nèi)部的熱能資源，其分布廣泛，溫度穩(wěn)定，與地表存在反向溫差，是很好的替代能源和清潔能源，日益受到人們的重視，成為地?zé)衢_發(fā)利用新的增長(zhǎng)點(diǎn)。地源熱泵技術(shù)是目前開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源的主要技術(shù)，通過輸入少量的高品位電能將低品位的淺層地?zé)崮芟蚋咂肺荒茉崔D(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)利用淺層地?zé)崮芙o建筑物供暖或制冷。

地下水源是蘭州市城區(qū)主要的淺層地?zé)崮苜Y源。區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件良好，第四系松散巖類孔隙潛水(即河谷潛水和斷陷盆地潛水)豐富，城區(qū)大部分地段單井涌水量在500～5 000m3/d，特別是斷陷盆地潛水，水量豐富，單井涌水量一般在1 000～5 000 m3/d，地下水水溫一般在11℃ ～16℃之間，具有很好的利用溫差。地下水中蘊(yùn)藏著豐富的淺層地?zé)崮苜Y源。本文所指的地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水。

1.1 河谷潛水

1.1.1 河谷潛水水文地質(zhì)特征

分布于黃河河谷及大型溝谷，潛水賦存于河(溝)谷漫灘及Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地第四系砂礫卵石中。依據(jù)分布地段，主要有城關(guān)、西固、安寧十里店～沙井驛黃河河谷潛水及雷壇河、韓家河、黃峪溝溝谷潛水，其水文地質(zhì)條件不僅各地段差異較大，就同一地段內(nèi)變化也較大(表1)。

表1 蘭州市城區(qū)河(溝)谷潛水水文地質(zhì)特征一覽表

1.1.2 河谷潛水補(bǔ)給、徑流及排泄條件

河溝谷潛水主要接受地表水、降水入滲補(bǔ)給和地下潛流補(bǔ)給為主，其次為渠系灌溉回歸水、城市輸水管網(wǎng)的滲漏補(bǔ)給。其排泄途徑為人工開采及潛流排泄。

1.1.3 河谷潛水水化學(xué)特征

河谷潛水水質(zhì)普遍較差，具有近河岸地帶水質(zhì)較好，遠(yuǎn)離河岸水質(zhì)逐漸變差的水化學(xué)分帶規(guī)律。

1.1.4 河谷潛水水溫特征

根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料和水文地質(zhì)勘查成果，水溫一般變化在11～16℃之間，即冬季最低11℃，夏季最高16℃，年均水溫13℃。

1.2 斷陷盆地潛水

1.2.1 斷陷盆地潛水含水層巖性特征及變化規(guī)律

該類水賦存于斷陷盆地下更新統(tǒng)大厚度砂礫卵石中。含水層分為上、下兩層，上部為卵石層，下部為含泥質(zhì)卵石層，上、下含水層水力聯(lián)系密切，具有統(tǒng)一的自由水面，屬于潛水(圖1)。據(jù)鉆孔揭示，含水層在盆地西部馬灘、崔家大灘一帶厚316.77 m，盆地東部小西湖一帶厚250 m左右，盆地南部受到山前洪積影響，為亞砂土及砂礫卵石互層。含水層垂向上，上部150 m左右的砂礫卵石，松散，粉土含量低，下部砂礫卵石則密實(shí)，且粉土含量高。

水位埋深近河岸地帶較小，一般5～15 m，其中傍河集中式開采井附近埋深較大，可達(dá)20 m，盆地向南至黃峪一帶水位埋深達(dá)100 m。

據(jù)抽水試驗(yàn)資料，滲透系數(shù)在盆地南部丘陵溝谷、高坪區(qū)及其邊緣地帶小于10 m/d，龔家灣、西站、崔家大灘東部以及劉家堡～馬家莊為10～40 m/d，西站～馬灘、迎門灘一帶為20～40 m/d。

1.2.2 斷陷盆地潛水含水層富水性

盆地上部為大厚度疏松卵石含水層、下部為泥卵石含水層。由于含水層厚度大，巖性及顆粒級(jí)配在垂直方向變化也較大，直接控制和影響著地下水富水性。

根據(jù)富水性差異，將大厚度含水層劃分為三層。淺層含水層控制深度0～100 m左右;中層含水層控制深度100～200 m左右;深層含水層控制深度200～300 m左右。

圖1 三灘水源地水文地質(zhì)剖面圖

1)淺層含水層富水性

淺層含水層富水性較好，但不均勻，富水程度差異較大。以龔家灣隱伏斷裂為界，斷裂以北地下水較豐富，以南地下水較貧乏，富水性較弱或弱。

富水性極強(qiáng)的地段:分布范圍小，主要集中在馬灘、迎門灘近黃河地帶，呈北西～南東向的條帶狀，單井涌水量大于5 000 m3/d。

富水性強(qiáng)的地段:分布范圍較大，東起小西湖，西至崔家大灘，北部的吊場(chǎng)，南部到范家坪一帶，單井涌水量1 000～5 000 m3/d。

富水性較弱的地段:分布在龔家灣至黃峪較大的范圍內(nèi)，呈東西向帶狀分布，單井涌水量100～500 m3/d。

富水性弱的地段:位于盆地最南部，地下水位埋深大于100 m。單井涌水量小于100 m3/d。

2)中層含水層富水性

含水層位于地表以下100～200 m深度之內(nèi)，富水性較上部含水層顯著變差。

富水性強(qiáng)的地段:分布在西站～崔家崖，為長(zhǎng)約8 km，寬1 km的條帶狀。單井涌水量1 000～5 000 m3/d，多數(shù)變化在1 200～2 600 m3/d之間。

富水性中等的地段:分布面積較大，主要分布在馬灘、崔家大灘和迎門灘及龔家灣和小西湖一帶。單井涌水量500～1 000 m3/d之間，其中“三灘”水源地一帶富水性較好，一般單井涌水量都在800～950 m3/d，其他地段富水性略差，一般在550～600 m3/d之間。

富水性較弱的地段:分布在龔家灣隱伏斷裂以南的廣大地區(qū)，單井涌水量100～500 m3/d。

3)深層含水層富水性

含水層位于地表以下200～300 m深度，富水程度較中層和淺層含水層大大降低。

富水性強(qiáng)的地段:僅分布在西站—崔家崖，較中層含水層分布范圍縮小。單井涌水量1 000～5 000 m3/d，大多在1 000～1 300 m3/d之間。

富水性中等的地段:分布在馬灘、崔家大灘、迎門灘部分地區(qū)及龔家灣、晏家坪一帶，單井涌水量500～1 000 m3/d，一般為500～700 m3/d。

富水性較弱的地段:主要分布在斷陷盆地邊緣地帶，單井涌水量?jī)H100～500 m3/d。

綜上所述，蘭州斷陷盆地富水性有以下特征:

(1)盆地中心部位特別是傍河地帶地下水富水性強(qiáng)或極強(qiáng)，而盆地邊緣地帶富水性弱。

(2)盆地地下水富水性垂直分帶明顯，隨著深度的增加，富水性逐漸減弱(表2)，強(qiáng)富水地段面積逐漸縮小，弱富水地段面積擴(kuò)大。

(3)以龔家灣隱伏斷裂為界，盆地富水程度分為兩部分，南部富水性弱，北部富水性強(qiáng)。

表2 蘭州斷陷盆地含水層垂向富水性統(tǒng)計(jì)表

2 斷陷盆地潛水補(bǔ)給、逕流、排泄條件

2.1 地下水的補(bǔ)給條件

蘭州斷陷盆地地下水補(bǔ)給條件較復(fù)雜，其補(bǔ)給來源主要有大氣降水、灌溉水、溝谷地表水、溝谷地下潛流、河谷潛水和黃河地表水補(bǔ)給。

(1)大氣降水滲入補(bǔ)給:蘭州地區(qū)多年平均降水量317.6 mm，對(duì)地下水補(bǔ)給有意義的有效降水量為187.9 mm(平水年均值)，主要補(bǔ)給集中在黃河河谷低階地。Ⅳ級(jí)以上高階地及黃土丘陵區(qū)，由于地下水埋藏深度較大，降水入滲補(bǔ)給微弱。

(2)灌溉入滲補(bǔ)給:主要集中在馬灘、崔家大灘和迎門灘水源地。該地區(qū)分布大面積蔬菜地，地下水埋藏深度小，地表粉土較薄，有利于灌溉水入滲。蔬菜地灌水量較大，一般每畝年灌水量都在1 000 m3以上，如果按20﹪的滲入補(bǔ)給量計(jì)算，其滲入補(bǔ)給量是相當(dāng)可觀的。

(3)溝谷地表水(包括洪水)滲入補(bǔ)給:盆地南北兩側(cè)溝谷發(fā)育，匯水面積較大。溝谷地表水進(jìn)入盆地之后，由于遇到疏松礫卵石層，地表水在很短的距離內(nèi)就滲入地下，補(bǔ)給盆地疏松礫卵石含水層。特別是洪水期流量增大，補(bǔ)給強(qiáng)度增大。

(4)溝谷地下潛流補(bǔ)給:蘭州斷陷盆地范圍內(nèi)有大小溝谷近十條，其中以雷壇河、西果園溝、黃峪溝、金溝等溝谷地下潛水較豐富，在其向黃河河谷逕流過程中，補(bǔ)給蘭州斷陷盆地地下水。

由于受到地質(zhì)構(gòu)造控制，溝谷潛流在盆地邊緣地帶往往形成地下跌水，地下水位落差達(dá)到100 m以上。溝谷潛水全部補(bǔ)給盆地地下水。

(5)河谷潛水補(bǔ)給:蘭州斷陷盆地地下水與河谷潛水有水力聯(lián)系的地段較少。僅限于崔家大灘，敦煌路及黃河北部的十里店。

盆地西側(cè)和北側(cè)均可接受側(cè)向補(bǔ)給，其補(bǔ)給量在1 000×104m3/a左右。

應(yīng)該指出:以上地段只有在開采條件下，河谷潛水才有補(bǔ)給盆地地下水的可能。

(6)黃河地表水激發(fā)補(bǔ)給:在開采條件下黃河地表水對(duì)地下水激發(fā)補(bǔ)給往往占有相當(dāng)重要的地位，是保證傍河地帶地下水正常開采必不可少的條件。

2.2 地下水逕流條件

蘭州斷陷盆地地下水受長(zhǎng)期開采影響，目前形成大面積降落漏斗，使原始逕流條件發(fā)生了較大變化，改變了原來補(bǔ)給、逕流和排泄條件。

原設(shè)計(jì)中，超前管棚每2.0 m高打一環(huán)，環(huán)向間距0.5 m，每環(huán)共57根，每根長(zhǎng)3.0 m，共需1 160根，長(zhǎng)3 480 m。實(shí)際施工中，采用本施工方案從地面自上而下一次性鉆孔打進(jìn)，深入地下38.4 m，間距0.5 m，共57個(gè)鉆孔需無縫鋼管約2 050 m，比原設(shè)計(jì)少1 274 m長(zhǎng)，節(jié)省超前管棚支護(hù)（灌漿）投資約35萬元。本出渣方案省去調(diào)壓井口門機(jī)、鋼絲繩和吊罐等吊裝設(shè)備，減少門機(jī)司機(jī)、信號(hào)員等特種作業(yè)人員，減少施工資源投入。

隨著城市發(fā)展，需水量逐年增加，開采加劇，地下水位急劇下降，降落漏斗不斷擴(kuò)展，經(jīng)過40余年的強(qiáng)烈開采，地下水降落漏斗中心水位累計(jì)下降5.28 m，地下水逕流條件發(fā)生了很大變化。

黃河以南地下水主要向北東方向逕流，馬灘、崔家大灘一帶地下水從四周向漏斗中心匯流，水力坡度為8‰左右。漏斗中心位于馬灘8號(hào)井附近，中心水位1513.40 m。

黃河以北地區(qū)的地下水向南西或南逕流，黃河岸邊地下水則向北東逕流，形成以四水廠井群為中心的降落漏斗，中心水位1513.78 m左右，水力坡度7.5‰左右，傍河地帶水力坡度變陡。

2.3 地下水的排泄

蘭州斷陷盆地范家坪組礫卵石松散巖類孔隙潛水，上世紀(jì)六十年代以前，尚未被開發(fā)利用，地下水處于天然的原始狀態(tài)，黃河是地下水唯一排泄通道。隨著地下水的開發(fā)利用，水位逐年下降，漏斗不斷擴(kuò)大，地下水排泄條件發(fā)生了質(zhì)的變化，現(xiàn)在人工開采成為盆地地下水的主要排泄途徑。

3 斷陷盆地潛水水化學(xué)特征

3.1 地下水水質(zhì)的水平分帶

黃河地表水體從盆地中部流過，把其分割成水文化學(xué)條件不同的南北兩部分。

盆地地下水在開采條件下，受到黃河地表水的強(qiáng)烈補(bǔ)給，同時(shí)也受到南北山區(qū)和黃土丘陵區(qū)地下水的補(bǔ)給。這種雙重補(bǔ)給的結(jié)果，勢(shì)必造成地下水水文化學(xué)條件復(fù)雜多變的特征。

隨著補(bǔ)給水源水質(zhì)的差異和逕流途徑長(zhǎng)短及溶濾作用強(qiáng)弱的不同，地下水水化學(xué)類型、礦化度、總硬度等呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。

自黃河向南可劃分為三個(gè)水化學(xué)帶。

淡水帶:分布在崔家大灘、馬灘傍河地帶，圍繞著黃河地表水體呈帶狀分布，為HCO3～Ca～Mg或HCO3～SO4～Ca～Mg型水，礦化度小于0.5 g/L，總硬度200～300 mg/L或小于200 mg/L，以重碳酸型水為主。

過渡帶:分布在黃河淡水帶以南，呈長(zhǎng)條形，為HCO3～SO4～ Ca～Na～Mg型水，礦化度 0.5～1.0 g/L，總硬度 300～450 mg/L，以重碳酸硫酸型水為主。

咸水帶:東起雷壇河口，西至深溝橋呈東西向帶狀，為Cl～SO4～Ca～Na或 Cl～Na型水，礦化度 1～3 g/L或 3～5 g/L，局部大于5 g/L，總硬度變化在600～5 000 mg/L之間，以氯化物硫酸型水為主。

3.1.2 黃河北部

自黃河向北可劃分為三個(gè)水化學(xué)帶。

淡水帶:沿黃河北部迎門灘傍河地帶分布，為HCO3～Ca或HCO3～Ca～Mg型水，礦化度小于2 g/L，總硬度200～300 mg/L或小于10 mg/L，屬于重碳酸型水。

過度帶:呈北西～南東向條帶狀，為HCO3～SO4～Ca～Mg或SO4～HCO3～Ca～Mg型水，礦化度 0.5～1 g/L或1～3 g/L，總硬度15～35 mg/L，以硫酸重碳酸型水為主。

咸水帶:分布在安寧堡一帶，為Cl～SO4～Na型水，礦化度3～5 g/L，總硬度大于600 mg/L，以氯化物硫酸型水為主。

綜上所述，蘭州斷陷盆地地下水具有圍繞著黃河地表水呈南北對(duì)稱的水文地球化學(xué)分帶特征，表現(xiàn)為黃河南北兩側(cè)近岸地帶水質(zhì)好，遠(yuǎn)離河岸水質(zhì)逐漸變差，近黃河補(bǔ)給源水質(zhì)好，遠(yuǎn)離黃河補(bǔ)給水質(zhì)變差的規(guī)律。

3.2 地下水水質(zhì)的垂直分帶

蘭州斷陷盆地地下水水文地球化學(xué)的垂直分帶性受到含水層結(jié)構(gòu)、巖性、補(bǔ)給條件及開采強(qiáng)度等綜合因素的控制，表現(xiàn)出水質(zhì)復(fù)雜、變化大的特征。根據(jù)現(xiàn)有勘探資料，可以將盆地地下水水質(zhì)在垂直方向上的變化規(guī)律劃分為三個(gè)帶。其深度范圍大致在0～100 m為淺層帶，100～200 m為中層帶，200 m以下為深層帶。依據(jù)地下水垂向水化學(xué)特征的差異，分為正向水文化學(xué)帶和逆向水文化學(xué)帶。

3.2.1 正向水化學(xué)帶

即地下水水質(zhì)隨深度的增加由好變差的分布規(guī)律。主要展布在馬灘和迎門灘的黃河沿岸地區(qū)。

淺層淡水帶:該帶分布在馬灘和迎門灘地區(qū)，地下水埋深從水位以下至100 m左右。由于地下水開采強(qiáng)度大，又近補(bǔ)給水源，逕流途徑短，水交替強(qiáng)烈，為 HCO3～Ca～Mg或HCO3～SO4～ Ca～Mg型水，礦化度0.5 g/L 或 0.5～1 g/L?？傆捕刃∮?70 mg/L，是蘭州市區(qū)主要的供水地帶。

中層微咸水帶:位于淡水帶下部，埋藏深度100～200 m之間，受地下水開采影響較弱，水交替減緩，為CI～HCO3～Na.～Mg‥或HCO3～ CI～Na.～Mg‥型水，礦化度1g/L左右，局部1～3 g/L，總硬度1 800 mg/L左右。目前只有極少數(shù)供水井開采該層地下水。

深層咸水帶:該帶埋藏深度大于200 m，基本上不受地下水開采的影響，水交替近于停滯狀態(tài)，為 Cl～Na型水，礦化度3～6 g/L，總硬度高達(dá) 450 mg/L以上，沒有開采利用價(jià)值。

總之，地下水隨著深度增加，水質(zhì)逐漸變差，由重碳酸型水漸變?yōu)槁然镄退?，礦化度由低升高(表3)。

表3 馬灘K44號(hào)孔水化學(xué)垂直分帶表

3.2.2 逆向水化學(xué)帶

即地下水水質(zhì)隨深度增加，水質(zhì)由差逐漸變好的分布規(guī)律。此種水化學(xué)帶主要分布在小西湖至崔家大灘距離黃河較遠(yuǎn)的較大范圍之內(nèi)。

淺層咸水帶:位于含水層上部，埋藏深度小于100 m。由于處在地下水排泄地區(qū)或近排泄地區(qū)及其降水溶慮作用，鹽分聚集地下水鹽化。同時(shí)受到城市高礦化污水滲入補(bǔ)給影響，地下水為Cl～Na或SO4～Cl～Ca～Na型水，礦化度3～6 g/L，局部1～3 g/L，總硬度大于900 mg/L，為氯化物型水。中層微咸水帶:埋藏深度100～200 m，由于局部隔水層和淺層地下水的保護(hù)，地下水基本未遭受高礦化水混合作用的影響，保持著地下水形成時(shí)期的水化學(xué)成分，一般為Cl～SO4～HCO3～Mg～Na～Ca型水，礦化度1 g/L左右，局部為3 g/L，總硬度450 mg/L左右。

深層淡水帶:埋藏深度在200 m以下，為HCO3～SO4～Na～Mg或 HCO3～Mg～Na～Ca型水，礦化度 0.5 g/L左右，總硬度小于270 mg/L。不難看出，逆向水化學(xué)帶地下水隨著深度增加，水質(zhì)由差逐漸變好，礦化度由高變低，總硬度也相應(yīng)降低(表4)。

表4 馬灘S23號(hào)孔水化學(xué)垂直分帶一覽表

4 斷陷盆地潛水水溫特征

斷陷盆地內(nèi)地下水溫與河谷潛水基本一致，水溫一般變化在11～16℃之間，即冬季最低11℃，夏季最高16℃，年均水溫13℃。

5 結(jié)語

淺層地?zé)崮苁堑責(zé)豳Y源的一部份。地下水源淺層地?zé)崮苜Y源的開發(fā)利用是一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)，其經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保的戰(zhàn)略意義已被社會(huì)所共識(shí)。因此，科學(xué)合理地發(fā)展地源熱泵項(xiàng)目對(duì)蘭州市落實(shí)節(jié)能減排政策，改善生態(tài)環(huán)境等具有重要意義，將產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。

［1］《蘭州市城區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》，甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，2010.10。

［2］《蘭州市區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》，甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，1997.10。