李平平

(甘肅省地下水工程及地熱資源重點實驗室/甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,甘肅 蘭州 730050)

1 研究區(qū)概況

玉門市位于甘肅省西北部,河西走廊西部,東連嘉峪關(guān)市和金塔縣,西接瓜州縣,南北與肅北蒙古族自治縣為鄰,位于東經(jīng)96°15′～98°30′,北緯39°40′～41°00′之間,東西長114 km,南北寬112.5 km,轄區(qū)總面積13 389 km2。

玉門市北部屬河西暖溫帶干旱帶,南部屬祁連山高寒帶,具有大陸性氣候和青藏高原氣候綜合影響的特點。屬暖溫帶干旱和高寒氣候,其特征是冬季嚴寒,夏季酷暑,春季氣溫驟增多變,且溫差較大,極高氣溫36.7℃,極低氣溫-28.2℃,多年平均氣溫8.3℃[17]。多年平均降水量61.8 mm,而蒸發(fā)量卻高達2 946.8 mm,是降水量的47.68倍。10分鐘最大降雨量21.5 mm。降水時空分布很不均勻[20],空間上南部祁連山地區(qū)較多,可達100～200 mm,而北部在50～100 mm,時間上降水多集中在每年的6-8月,分別占年降水量的18%～30%。

玉門市境內(nèi)主要有白楊河、石油河(下游稱赤金河)、疏勒河(昌馬河)和小昌馬河[18],均發(fā)源于祁連山,年徑流量合計為10.915×108m3。白楊河發(fā)源于祁連山吊大坂溝天寶窗子冰川,水資源以液態(tài)降水、冰雪融水和地下水補給為主,年平均徑流量4 770×104m3。石油河源出自市西南祁連山區(qū),在下赤金稱赤金河,其水源為泉水,為重復(fù)水量,年平均流量1.46 m3/s,年徑流量4 580×104m3。疏勒河發(fā)源于祁連山疏勒南山托來南山之間納嘎爾當大縱谷東端的納嘎爾當,河水資源由冰雪融水、大氣降水和地下滲流形成,流域面積為39 497 km2,多年平均流量為31.65 m3/s,年平均徑流量為9.98×108m3。小昌馬河是疏勒河的一條支流,發(fā)源于昌馬鄉(xiāng)西南20 km的西湖四隊附近,由西南向東北流經(jīng)西湖、南湖、水峽村,在昌馬峽口以上匯入疏勒河,面積21.91 km2,年平均流量1.56 m3/s,年徑流量4 914×104m3。

2 水文地質(zhì)條件

昌馬洪積扇含水層由巨厚的中、上更新統(tǒng)卵礫石層構(gòu)成,分布廣泛;含水層厚度愈近祁連山愈厚,往往達數(shù)百米;中部一般為200 m左右,向北及東西兩側(cè)變薄,至洪積扇前緣一般厚60～90 m;含水層水質(zhì)好,水質(zhì)類型一般為HCO3-SO4-Mg-Ca水,是研究區(qū)最重要的含水層。北戈壁洪積含水層分布于玉門市北戈壁呈東西向展布,中部被橋灣北山所隔;埋深4～30 m,向北增大,潛水由北向南運動,部分地區(qū)被疏勒河所排泄;橋灣北山以東地區(qū),由于基底甚高,含水層分布更不連續(xù),僅局部地段有潛水分布,富水性很弱,單位涌水量0.15～1.2 L/s·m,水質(zhì)變化大,礦化度0.8～8.5 g/L,屬SO4-HCO3-Na-Mg型和SO4-Cl-Na-Mg型水。

研究區(qū)地下水的補給來源主要是疏勒河及其渠系水在昌馬洪積扇地帶的滲漏[19]。地下水的運動方向總的趨勢是由西南向東北,昌馬洪積扇的一部分地下徑流在向北東方向運動。潛水水力坡度越往南越陡,可達10‰～15‰,向昌馬洪積扇的兩側(cè)則變緩,一般為3‰～8‰。潛水運動方向明顯的反映了地下水的補給與總干渠及戈壁河床滲漏密切相關(guān)。昌馬戈壁潛水的排泄形式為洪積扇前緣以溝槽和泉溝為途徑溢出地表及轉(zhuǎn)化為綠洲細土平原下部的承壓水。

3 地下水脆弱性評價方法

DRASTIC模型是目前國內(nèi)外廣泛使用的一種地下水脆弱性評價方法,它屬于地下水脆弱性評價方法中迭置指數(shù)法中的系統(tǒng)參數(shù)法[1]。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)和地質(zhì)條件,結(jié)合DRASTIC評價方法,本研究選取地下水埋深(D)、凈補給量(R)、含水層介質(zhì)(A)、土壤介質(zhì)(S)、地形坡度(T)、包氣帶影響(I)、水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)等7個因子,進行地下水防污性能評價[1-7]。

根據(jù)每個因子自然屬性劃分為10個等級,根據(jù)評分標準在1～10之間進行評分,評分值越大對地下水脆弱性影響越大(表1)。按單因子對地下水脆弱性的影響,在1～5范圍內(nèi)賦予權(quán)重,影響最小的指標權(quán)重值為1,影響最大的指標權(quán)重值為5,DRASTIC地下水脆弱性指數(shù)(DI)確定公式為:

DI=5D+4R+3A+2S+T+5I+3C

(1)

表1 DRASTIC各因子的類別及其評分

4 地下水脆弱性評價

4.1 地下水位埋深D

根據(jù)地下水的賦存條件、水力性質(zhì)和水力特征,研究區(qū)內(nèi)地下水可分為基巖裂隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水和松散巖類孔隙水三大類型?；鶐r裂隙水分布于飲馬場北山、橋灣北山和南部山區(qū),水位埋深30～100 m;碎屑巖類裂隙孔隙水主要分布于昌馬河以東,南截山、長山子、寬灘山和玉門鎮(zhèn)一帶,該含水組主要含水層埋深為30～160 m,總的規(guī)律是向南加深,向東、向北變淺;松散巖類孔隙水包括洪積戈壁平原砂礫石層潛水、山前洪積戈壁平原砂礫石層潛水、北戈壁洪積砂碎石層潛水及綠洲細土平原潛水,其中分布于玉門—踏實盆地、花海盆地和赤金盆地的水位埋深較淺,大部分為4～30 m,最淺處小于2 m(圖1)。

圖1 研究區(qū)地下水水位埋深分級圖 圖2 研究區(qū)凈補給量分級圖

4.2 凈補給量R

本次采用降水量乘以降水入滲系數(shù)求得垂向凈補給量。老君廟鎮(zhèn)以南部分區(qū)與垂向凈補給量較大,為70～90 mm/a,赤金以南、老君廟鎮(zhèn)及玉門東鎮(zhèn)垂向凈補給量為50～70 mm/a,赤金以北、玉門、花海及昌馬鎮(zhèn)垂向凈補給量為0～50 mm/a。研究區(qū)降雨入滲對地下水脆弱性的影響相對于雨水充足的區(qū)域會變小很多(圖2)。

4.3 含水層厚度A

研究區(qū)洪積戈壁平原砂礫石層地下水賦存分布具典型的干旱洪積平原規(guī)律性,含水層由巨厚的中、上更新統(tǒng)卵礫石層構(gòu)成,分布廣泛。潛水埋藏深度由南向北變淺,大致可分成南部埋深>100 m、中部為50～100 m、北部戈壁前緣埋深<50 m。北戈壁洪積砂碎石層含水層厚度4～50 m。綠洲平原區(qū)含水層厚度一般變化不大,一般5～10 m,只在綠洲南北邊緣和山區(qū)邊緣變薄,一般<5 m,在踏實一帶厚10～20 m(圖3)。

4.4 土壤介質(zhì)S

研究區(qū)內(nèi)土壤受氣候、地形、水文、土壤母質(zhì)類型的影響,主要包括礫石層、砂石層及壤土,南部山區(qū)及鷹咀山前的曬肋巴灣盆地附近有少部分地區(qū)土壤層很薄甚至缺失。對于北部山區(qū)、昌馬洪積扇及赤金盆地大部分區(qū)域,其成土母質(zhì)為基巖的風(fēng)化物,顆粒體積大,有機質(zhì)含量很少,土壤內(nèi)空隙大,其評分值為10。玉門—踏實盆地和花海盆地區(qū)域,其成土母質(zhì)為河流的沖擊物,為壤土、粉砂和細砂,顆粒小,有機質(zhì)含量較高,本次將其評分為4和7。其他大部分洪積戈壁平原,土壤介質(zhì)類型以礫石及中粗砂為主,其評分值為8(圖4)。

圖3 研究區(qū)含水層厚度分級圖 圖4 研究區(qū)土壤介質(zhì)分級圖

4.5 地形坡度T

研究區(qū)地處祁連山北麓,坐落于昌馬河洪積扇上,地勢南高北低,境內(nèi)南部屬祁連山脈均為高山,境內(nèi)北部屬馬鬃山脈,呈西北—東南走向,為低矮殘丘,在南北兩山間為走廊地帶,海拔從2 600 m下降至1 200 m,戈壁分布較廣(圖5)。

4.6 包氣帶影響I

研究區(qū)內(nèi)包氣帶介質(zhì)主要包括卵礫石、砂礫石、粗砂?；êＥ璧睾统嘟鹋璧氐貐^(qū)包氣帶介質(zhì)主要是粗砂,北部戈壁平原及綠洲細土平原區(qū)包氣帶介質(zhì)主要是砂礫石,南部祁連山脈區(qū)及昌馬洪積扇處的洪積戈壁平原的部分區(qū)域包氣帶介質(zhì)可見卵礫石(圖6)。

圖5 研究區(qū)地形坡度分級圖 圖6 研究區(qū)包氣帶介質(zhì)分級圖

4.7 水力傳導(dǎo)系數(shù)C

研究區(qū)內(nèi)昌馬—玉門鎮(zhèn)一帶,松散巖類孔隙潛水主要賦存于第四系中上更新統(tǒng)礫石層及下更新統(tǒng)湖積相玉門組砂礫卵石孔隙中,滲透系數(shù)大于60 m/d,玉門—踏實盆地、赤金盆地及北部戈壁平原區(qū)滲透系數(shù)在40～60 m/d之間,花海盆地及老君廟周邊滲透系數(shù)較小,一般小于30 m/d(圖7)。

5 脆弱性評價結(jié)果

經(jīng)過ArcGIS疊加分析,研究區(qū)地下水脆弱性綜合指數(shù)分布范圍在84～168之間,利用柵格計算器疊加后生成的是柵格數(shù)據(jù),可通過ArcGIS對柵格數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,共132 596 728個柵格像元,每個像元規(guī)格為10 m×10 m。利用疊加的地下水脆弱性綜合指數(shù)分布圖并結(jié)合DRASTIC脆弱性劃分原則,將脆弱性指數(shù)分成四個區(qū)間,70150為脆弱性很差,得到地下水脆弱性評價圖(圖8)。

較低脆弱區(qū)主要分布在赤金盆地南部的老君廟鎮(zhèn)和東北部的清泉一帶,柵格數(shù)為14 527 649個,面積為1 452.8 km2,占研究區(qū)總面積的10.96%。中等脆弱區(qū)主要分布在昌馬洪積扇、境內(nèi)北部的馬鬃山一帶以及花海盆地的大部分地區(qū),柵格數(shù)為71 017 320個,面積為7 101.7 km2,占研究區(qū)總面積的53.56%。較高脆弱區(qū)主要分布在南部祁連山前、中部的赤金盆地及三墩灘—紅泉河壩一帶,柵格數(shù)為43 229 209個,面積為4 322.92 km2,占研究區(qū)總面積的32.60%。高脆弱區(qū)主要分布在西部的下西號鄉(xiāng)—黃閘灣鄉(xiāng)—飲馬農(nóng)場一帶,柵格數(shù)為3 822 550個,面積最小,為382.26 km2,占研究區(qū)總面積的2.88%。

圖7 研究區(qū)水力傳導(dǎo)系數(shù)分級圖 圖8 研究區(qū)地下水脆弱性分級圖

6 結(jié)語

(1)根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)和地質(zhì)條件,結(jié)合DRASTIC評價方法,經(jīng)過ArcGIS疊加分析,研究區(qū)地下水脆弱性綜合指數(shù)分布范圍在84～168之間,利用疊加的地下水脆弱性綜合指數(shù)分布圖并結(jié)合DRASTIC脆弱性劃分原則,將脆弱性指數(shù)分成四個區(qū)間。

(2)評價結(jié)果表明,研究區(qū)赤金盆地南部的老君廟鎮(zhèn)和東北部的清泉一帶地下水脆弱性較低,分布面積為1 452.8 km2,占研究區(qū)總面積10.96%;昌馬洪積扇、境內(nèi)北部的馬鬃山一帶以及花海盆地的大部分地區(qū)地下水脆弱性中等,分布面積為7 101.7 km2,占研究區(qū)總面積53.56%;南部祁連山前、中部的赤金盆地及三墩灘—紅泉河壩一帶地下水脆弱性較高,分布面積為4 322.92 km2,占研究區(qū)總面積32.60%;西部的下西號鄉(xiāng)—黃閘灣鄉(xiāng)—飲馬農(nóng)場一帶地下水脆弱性高,分布面積最小,為382.26 km2,占研究區(qū)總面積的2.88%。評價結(jié)果為研究區(qū)水資源管理、水環(huán)境保護提供了科學(xué)依據(jù)。