河南平原第四系含水岩组水文地质特征

河南平原第四系含水岩组空间结构及其建造特征~

河南平原地区第四系地下水类型主要为松散岩类孔隙水。地下水主要赋存于第四系的砂、砂砾、卵砾石层的孔隙中，局部分布在黏土裂隙、黄土裂隙孔隙中。
根据上述储水地层的介质特征及空间分布区（段），可将河南平原第四系松散岩类孔隙水分为浅层地下水和深层地下水两个含水岩组。第四系浅层含水层岩组，主要由河南平原第四系上段的周口店阶（Qp2）、萨拉乌苏阶（Qp3）、全新统（Qh）地层组成；第四系深层含水岩组，主要由河南平原第四系下段的泥河湾阶（Qp1）地层组成。由于浅层和深层含水岩组成因类型、物质来源和岩性特征的不同，二者之间常有一比较稳定的区域性黏土、亚黏土分布，水力联系较弱。照顾到地质、水利部门长期以来的习惯叫法，本次研究将赋存于河南平原第四系上段和第四系下段地层中的地下水，分别称之为“浅层地下水”和“深层地下水”，见图12.2至图12.4。
12.2.2.1 第四系浅层含水岩组空间结构及其建造分布特征
第四系浅层地下水，含水岩组主要由周口店阶（Qp2）、萨拉乌苏阶（Qp3）、全新统（Qh）地层组成，底板埋深一般40～160m（图12.5）。该松散岩类孔隙含水层分布广、厚度大，地下水水量较丰富，埋藏浅易开采，具有较强的可恢复性及可更新能力，是平原地区生产及生活的主要供水水源。
在内黄、滑县、新乡、郑州、鄢陵、漯河、上蔡、汝南、正阳以西及息县、淮滨以南，太行山、嵩箕山、伏牛山、桐柏山、大别山的山前地区，含水介质主要由山前冲积-洪积物组成。
在山前冲积-洪积物以东，逍遥、周口、沈丘一线以北地区，含水介质主要由黄河冲积物组成。于新乡、濮阳、兰考、杞县、通许、尉氏、郑州一带形成一个较大面积的片状砂体，构成黄河冲积扇的主体，其岩性为灰黄色厚层中细砂、粉细砂和亚砂土夹薄层亚黏土透镜体，储存着丰富的地下水；在冲积扇的前缘为泛流带，河道带呈树枝状、条带状展布，岩性由中细砂、粉细砂夹亚砂土、亚黏土组成，地下水不及冲积扇中心地带丰富；河间带呈片状、长条状分布在各故河道之间，岩性为亚砂土、亚黏土夹薄层细砂，局部还有黏性土和淤泥质土层，含水性较差。

图12.2 河南平原新乡—永城第四系含水岩组空间结构及其建造特征剖面图


图12.3 河南平原方城—民权第四系含水岩组空间结构及其建造特征剖面图


图12.4 河南平原驻马店—新蔡第四系含水岩组空间结构及其建造特征剖面图


图12.5 河南平原浅层含水岩组底板埋深等值线图

总体而言，第四系浅层地下水含水岩组自山前向平原、由故黄河河床向两岸、由上游向下游，单层厚度逐渐变小，由数十米至数米，层数由少变多，颗粒由粗变细，单井涌水量由大变小（5000～300m3/d）。由于黄河多次改道变迁及古地理环境的变化，造成含水层在平面上的分布具条带状特征，一般来说故河道一带，含水层较厚，而河间地带则较薄。
平原南部大别山山前冲积-洪积物以北，逍遥、周口、沈丘一线以南的广大低平原地区，第四系浅层地下水砂质含水层不甚发育，岩性常以细颗粒黏性土为主，厚40～80m，局部如新蔡可达100m以上，其上部黏性土裂隙发育。特别是萨拉乌苏期之后含水介质主要为淮河冲积物，富水性一般。在现代河道带内，含水介质主要为亚黏土夹细砂、粉细砂层，厚度10～25m，富水性较好；在河间带堆积区，含水介质主要为灰色、灰黑色亚黏土及少量亚砂土，并夹有淤泥质透镜体，总厚度为60～100m，最厚可达120m，富水性一般。
12.2.2.2 第四系深层含水岩组空间结构及其建造分布特征

图12.6 河南平原深层含水岩组底板埋深等值线图

河南平原第四系深层地下水，含水岩组主要由泥河湾阶（Qp1）地层组成，底板埋深100～400m（图12.6）。其下部与新近系含水岩组之间有分布稳定的黏性土相隔。深层地下水富水性较好，含水介质颗粒由西、东部向中部逐渐变细，单井涌水量1000～300m3/d。
在内黄、浚县、长垣、开封、尉氏、扶沟、漯河、遂平以西，遂平-新蔡以南至山前地区，含水介质主要为来源于西部山区的冰水-冲湖积物，厚度一般为60～120m，最厚可达200m，地下水较丰富。
在濮阳、范县、台前一带和商丘以东地区，含水介质主要为来源于东部的冰水-冲湖积物，濮阳、范县一带厚度为120～160m，商丘一带厚度为100～160m。前者范县、台前一带富水性和导水性稍好，单位涌水量4～6m3/hm；后者商丘以东地区富水性和导水性稍差，单位涌水量2～4m3/hm。
在东、西两个物质来源方向的冰水-冲洪积物的中间地带，含水介质主要为湖相堆积物，厚度一般为120～160m。在湖积物的周边，分布着大小不等的河口三角洲堆积体。该区含水岩组富水性和导水性均较差，单位涌水量0.5～2.5m3/hm。

黄河发育演化，特别是她东流进入华北湖盆后对下游平原的形成及其第四系水圈演变的影响和后效，长期受到国内外水文地质、环境地质和水文水资源学界的关注。
正如前述那样，百万年来，在气候、构造等内外动力作用的驱动下逐渐孕育而成的黄河，通过溯源侵蚀作用，先后吸纳了三门、河套、银川、共和等内陆湖盆，伴随着大量古湖的消亡，最后于萨拉乌苏期早期或周口店期末期，随着晋陕峡谷段的最后贯通而最终形成一个真正意义上的统一的黄河。它把原先相对独立的我国“三大地貌台阶”，从能量、物质的平衡中联系了起来，把一系列大大小小的新生代盆地贯穿起来了，从而为河南等下游诸平原的形成和第四系水圈的演变提供了丰富的固体物源和液体水源。
可以这样说，黄河是当今我国乃至世界上一条最大的“泥石流”河，是河南平原及其华北平原和黄渤海陆架的主要物质供应者和缔造者。她在破坏黄土高原、建造河南等下游平原的过程中，也在同时构筑河南等平原第四系水圈的储水格架和含水空间，包括地表水圈的创建和地下水圈——地下含水系统的构建。黄河发育演化的地质过程即是一部河南平原第四系水圈的演变史。她的诞生，主宰了平原第四系水圈的演变，也客观地示踪出河南平原第四系地下含水岩组空间结构及其建造的脉络。
黄河发育演化对河南平原第四系水圈演变的作用和影响，由上分析看到，突出表现在下述两个方面：
1）提供了河南平原第四系水圈演变的水源，通过黄河的水量输入，增加了河南平原第四系水圈的水体总量，对河南平原第四系水圈的演变影响起到了积极的作用。
2）构建了河南平原第四系地下水圈——地下水含水系统的格架，增大了河南平原第四系地下水圈——地下水储存的空间，松散沉积物厚度最大达180m，一般厚度也20～130m，为地下水储存、运移创造了良好的介质环境。在大气降水等的协同作用下，对河南平原第四系水圈的演变影响起到扩容、调节的作用。
这两种作用和影响，随着萨拉乌苏期早期或周口店期末期黄河整体上形成之后有愈演愈烈的趋势。同时又随着区域古气候环境的变化，河流水量及挟沙能力有起有落，造成冲积扇发育的速度和规模不等、影响程度的不同。一般地说，高温多雨的间冰期气候环境下，上述作用和影响常常会加剧。例如全新世中期高温多雨，全区普遍降水量增大，地表水圈——河流、沼泽发育，整个河南平原上河道密集，湖沼水塘遍布。种种迹象表明，全新世中期即高温多雨时期，河南平原第四系地表水圈水量达到极其丰沛状态。同时，由于河流水量增大，挟沙能力增强，造成冲积扇发育速度和规模加大，在郑州以下形成以桃花峪为顶点的新近冲积扇，北接海河冲积平原，南连淮河冲积、湖积平原，面积约达1.5×104km2。由于黄河堆积速度加快，导致扇体不断增高，地下水圈的储存空间不断地增大，地下水圈储水量更加丰富。
目前，位于该扇体之上的黄河受近代人工堤防的约束，在人类的干预、疏导下暂时有了相对稳定的流路，但每年仍有（4～5）×108t的泥沙淤积在河床内或放淤于两岸一定范围的地带，构成淮河、海河流域地表水圈和地下水圈的天然分水岭边界。

12.2.3.1 第四系地下水圈流场特征

河南平原第四系浅层地下水，主要接受大气降水入渗补给、山前裂隙水和岩溶水的侧向径流补给以及地表水体的渗漏补给。挽近时期，在黄河下游悬河段，黄河水的侧渗补给成为地下水的重要补给来源之一。地下水的径流受地形地貌、补给源、人类开采等多重因素的共同影响，不同区段径流方向及地下水（圈）流场不同（图12.7）。

其中，平原北部地区，地下水径流以黄河河道为分水岭向两侧径流。黄河以北主要由西南向东北径流，黄河以南主要由西北向东南径流；平原中部地区，地下水总的径流方向为由西向东径流；平原南部地区，淮河成为区域地下水的排泄中心，淮河以北地下水主要由西北向东南径流，淮河以南地下水主要由西南向东北径流，局部地区甚至由南向北径流。各区水力坡度总的变化趋势是由山前向平原逐渐减小。地下水的排泄方式以潜水蒸发为主，其次为人工开采、径流排泄和越流补给深层地下水。在平原南部淮河流域，浅层地下水向河流的排泄也是其主要排泄方式之一。

综观全区第四系浅层地下水流场形态，具有如下三方面的特征：

1）区域地下水流场，存在黄河河道和确山-息县-王家岗（淮滨县城东北方向10km）两条平缓的地下水分水岭；

2）区域地下水流场内存在以卫河、涡河-颍河、淮河河谷为中心的三条汇水凹谷；

3）从地下水水力坡度或径流条件来看，淮河南岸及山前地区径流条件较好，水力坡度约0.6‰～1.5‰；而黄、淮河之间的地区径流条件差，水力坡度为1.2～1.5/10000；卫河流域径流条件亦较差，水力坡度1.4/10000。总的来说，全区除山前地区外，水平方向地下径流较弱。

深层地下水的区域流场形态和浅层地下水相似。天然状态下，深层地下水的水位普遍高于浅层地下水0.5～5m。但在人类强烈开采的地区，区域地下水位已普遍低于浅层地下水水位，这些地区除主要接受侧向径流补给外，还接受浅层地下水的越流补给。在切割深度较大的岗丘地区尚还接受少量的大气降水和地表水的入渗补给。深层地下水的径流方向与浅层地下水基本一致（图12.8）。

图12.7 河南平原第四系浅层地下水（圈）流场分布图

12.2.3.2 第四系地下水圈动态变化特征

（1）第四系浅层地下水

根据1972年以来区域地下水动态监测资料分析，地下水动态演变可以分为3种基本类型：持续下降型、阶段性下降型和相对稳定型（图12.9）。

河南平原北部南乐、清丰、内黄、滑县及温县、孟州和郑州等地，浅层地下水位呈持续下降趋势（图12.9a）。虽然每年都有丰、枯水期的高低水位，但后一次丰水期的水位高点一般都低于前次的水位高点，遇特丰水年，汛期地下水恢复水位高于前期水位高点，但仍改变不了多年持续下降的特征。

河南平原东部和中部地区，地下水动态受气象和开采的双重影响而呈阶段性下降趋势（图12.9b）。20世纪80年代中期以前，地下水位变化受气象影响明显，丰水期水位升高，枯水期水位降低，地下水位上下变动，无上升或下降趋势；20世纪80年代中期以后，地下水开采量增加，地下水的补给量不及开采量，呈现下降状态。

图12.8 河南平原第四系深层地下水（圈）流场分布图

驻马店地区东部、沿黄地带、周口地区南部及鄢陵、西华等地，地下水位变化幅度小，受气象影响明显，为相对稳定型动态（图12.9c）。地下水水位受蒸发和降水影响明显，开采量影响很小。

河南平原第四系浅层地下水年内动态，主要有以下几种类型：

1）气象型。分布在主要河道的影响带以及城市与灌区以外的广大平原地区。地下水动态变化主要依附于气象（降水、蒸发）的变化，地下水水位多年变化平稳，年内高水位持续时间为两个半月左右，最高水位在每年的雨季（7～10月）；最低水位在每年的枯水季节末期（5～6月），年变幅一般＜2m（图12.10a）。

图12.9 河南平原第四系浅层地下水多年动态曲线类型图

2）水文-气象型。主要分布在黄河及其支流伊洛河两侧。地下水动态变化主要依附于河水位的变化，地下水位随河水位的变化而变化。年内高水位持续时间为5～6个月，最高水位在每年洪水期的8～10月份；低水位持续时间为2～3个月，最低水位在每年河流枯水期的5～6月份，年变幅1～3m（图12.10b）。

3）开采型。主要分布在人工开采地下水强度大于地下水补给量的地段。地下水动态变化主要受控于人工开采强度的变化，地下水位多年持续下降。枯水期地下水位下降速度加快，丰水期地下水位平缓上升（图12.10c）。

4）气象-开采型。主要分布在平原地区的中部和东南部地区。地下水动态变化主要受控于降水和开采强度的变化，地下水位多年呈阶段性下降。年内一般汛期后水位达到高峰值，而后水位逐渐回落，至次年汛期前降至最低点（图12.10d）。

图12.10 河南平原第四系浅层地下水年内动态类型图

（2）第四系深层地下水

第四系深层地下水在20世纪50～60年代前开采量很小，仅在部分城市有开采，水位埋藏浅，部分区域甚至自流；到70～80年代，深层地下水的开采在部分城市逐步增加，水位逐步下降；进入90年代，深层地下水的开采进入高峰期，部分城市因水资源不足，水位下降幅度较大。河南平原第四系深层地下水动态变化主要有以下几种类型：

1）气象-径流型。主要分布在山前和平原地区地下水基本未开采的地区。地下水动态变化主要受降水与径流的影响，年内地下水水位在汛期升高，但常常要滞后一段时间（图12.11a）。

2）径流型。主要分布在中、东部广大平原区。地下水动态变化主要受城区开采的影响，地下水动态基本处于缓慢下降趋势（图12.11b）。

3）径流-开采型。主要分布在地下水集中开采的城市地区。地下水动态变化主要受径流和开采的影响，在开采量小的秋、冬季节，水位受侧向径流补给量的影响而回升；在开采量大的春、夏季，地下水位下降（图12.11c）。

4）回灌-开采型。主要分布在原郑州棉纺厂等供水井集中分布的地区。地下水动态变化主要受开采和人工回灌的影响，在冬季受人工回灌的影响，地下水位逐渐回升；回灌结束后，受开采影响，水位又开始下降（图12.11d）。

图12.11 河南平原第四系深层地下水动态类型图

a—气象-径流型（周口市五中）；b—径流型（商丘市王庄村）；c—径流-开采型（郑州原第二砂轮厂；）d—回灌-开采型（郑州原国棉三厂）

12.2.3.3 河南平原第四系地下水年龄及其浅层地下水循环特征

（1）第四系浅层地下水年龄及其分布状况

根据³H、¹⁴C计算结果，河南平原第四系浅层地下水年龄及其分布状况见图12.12。由图看出，平原北部地区浅层地下水的年龄范围比较大，从小于20a到40～50a的地下水均有分布。其中，年龄小于20a的地下水主要分布于黄河岸边和太行山山前，随着距离黄河越来越远，黄河两岸浅层地下水年龄逐渐增大，黄河岸边浅层地下水年龄为11～25a，到区域汇水凹谷带，浅层地下水年龄增大到44～47a。河南平原北部浅层地下水平均年龄约35.29a。

图12.12 河南平原浅层地下水³H年龄（a）分布图

平原中部地区浅层地下水年龄，一般在20a以上。且本区南部浅层地下水平均年龄45.67a，大于本区北部浅层地下水平均年龄38.36a，该区地下水平均年龄约39.93a。

平原南部地区浅层地下水年龄一般大于30a，多数介于30～45a之间，平均地下水年龄约37.71a。总的变化趋势是随着距离淮河越来越近，浅层地下水年龄越来越大。

（2）河南平原第四系地下水循环速率

1）第四系浅层地下水循环速率。地下水循环速率系地下水水流路径的长度与地下水水流路径两端点的地下水年龄之差的比值，亦可用取样点地下水年龄与取样点距补给区的距离之比来表示。据此，得到河南平原浅层地下水循环的速率（表12.1）。

2）第四系深层地下水循环速率。从深层地下水年龄分布（表12.2）可以看出，平原北部地区深层地下水的年龄范围比较大，从小于2000a到大于10000a的均有分布，一般平均值约为9726.52a。

平原中部地区深层地下水年龄一般大于5000a，平均约为8096.53a。平原南部地区，在距离淮河稍远的地带和深层地下水开采量很小的地区，深层地下水年龄在2000～6000a之间，一般平均值约为4362.37a。而在深层地下水开采导致浅层地下水越流补给的地区，深层地下水年龄小于¹⁴C测龄的范围。河南平原深层地下水循环速率见表12.3。

表12.1 河南平原浅层地下水循环速率计算结果表

表12.2 河南平原深层地下水采样点¹⁴C年龄取值表

表12.3 河南平原深层地下水循环速率计算结果表

（3）河南平原第四系浅层地下水循环模式

1）平原北部地区。该区为降水、地表水补给为主、径流条件良好、地下水开采强烈的水循环模式（图12.13）。地下水主要接受大气降水入渗和黄河水的侧向渗漏补给。在山前地段，受地势控制，地下水由山前向平原侧向径流；而在黄河侧渗影响带，黄河水向两岸侧渗补给，人工开采是本地区地下水的主要排泄方式，在背河洼地，蒸发也是地下水的主要排泄方式之一。由于地下水的开采，区域内浅层和深层地下水水力联系密切。在背河洼地和城市开采强度较大的降落漏斗区，地下水水力坡度增大，地下水向背河洼地和城市降落漏斗区汇集，出现多个局部地下水径流场。

图12.13 河南平原北部地区第四系浅层地下水循环模式图

1—奥陶系灰岩；2—古近-新近系泥灰岩；3—黏性土；4—砂层；5—时代与岩性界线；6—地下水位线；7—泉；8—降水入渗；9—潜水蒸发；10—地表水入渗；11—地下水流向；12—断层；13—不整合线；14—A局部，B中间，C区域地下水循环系统分界线；15—深层地下水汇流后流向下游

2）平原中部地区。该区地下水为降水补给、径流条件一般、开采较强的水循环模式（图12.14）。地下水主要接受大气降水入渗补给，西部山前地区尚接受岩溶水的侧向径流补给。受地形控制，地下水由山前流向平原，水力坡度逐渐减小，径流条件比较差。在城市地下水集中开采区，强烈开采使局部地区地下水径流方向发生了改变，加强了浅层和深层地下水之间的水力联系。

3）河南平原南部地区。该区第四系浅层地下水为大气降水补给、径流条件良好、河流排泄为主的水循环模式（图12.15）。本区地下水主要接受大气降水入渗补给。在山前地段，受地形控制，地下水由山前流向平原，水力坡度逐渐减小，地下水埋深逐渐变浅，蒸发作用渐强，淮河成为区域地下水的排泄渠道。在地下水集中开采的城市地区，开采亦使局部地区地下水径流方向发生了改变，加强了浅层和深层地下水之间的水力联系。

图12.14 河南平原中部地区第四系浅层地下水循环模式图

图12.15 河南平原南部地区第四系浅层地下水循环模式图

综上看出，河南平原浅层地下水循环模式概括为三种主要的类型：

①降水和地表水补给为主、径流条件良好、地下水开采强烈的水循环模式类型。该种水循环模式主要存在于平原北部地区。地下水接受大气降水入渗补给和黄河水侧渗补给，径流条件好，人工开采是该区地下水的主要排泄方式。②降水补给、径流条件一般、开采较强的水循环模式类型。该种水循环模式主要存在于平原中部地区。地下水主要接受大气降水入渗补给，垂向水循环积极，而侧向径流条件较差，人工开采是该区地下水的主要排泄方式。③降水补给、径流条件良好、河流排泄为主的水循环模式类型。该种水循环模式主要存在于平原南部地区。地下水主要接受大气降水补给，径流条件良好，向淮河排泄是该区地下水的主要排泄方式。

12.2.3.4 河南平原第四系地下水可更新能力

这里仅考虑地下水年龄因子，简单直观地对河南平原第四系地下水的可更新能力进行概略的评价。

地下水年龄是从水循环径流角度来评价地下水的可更新能力。从地下水年龄来看，平原北部、中部、南部地区浅层地下水的平均年龄分别为35.29a，39.93a和37.71a，深层地下水平均年龄分别为9726.52a，8096.53a和4362.37a。由此看出，河南平原第四系浅层地下水可更新能力大于深层地下水。而浅层地下水中，平原北部浅层地下水可更新能力最强，其次是平原南部浅层地下水，平原中部浅层地下水较弱；深层地下水则表现出由北向南地下水可更新能力逐渐增强的趋势。

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