李崇博，褚宏寬，宋玉，王拓（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，新疆烏魯木齊83000）

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哈密盆地地下水系統(tǒng)劃分及特征研究

李崇博，褚宏寬，宋玉，王拓
（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，新疆烏魯木齊83000）

摘要：地下水系統(tǒng)的劃分是正確評價哈密盆地新疆煤炭基地地下水資源的基礎(chǔ)。以哈密盆地地下水系統(tǒng)為研究對象，在對該盆地地形地貌、區(qū)域地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，運用地下水系統(tǒng)理論對該盆地地下水系統(tǒng)進行了劃分。據(jù)地下水系統(tǒng)劃分原則和依據(jù)，將研究區(qū)劃分為1個一級地下水系統(tǒng)；3個二級地下水系統(tǒng)；8個三級地下水系統(tǒng)；4個四級地下水系統(tǒng)。通過對該盆地地下水系統(tǒng)的劃分，為新疆煤炭基地地下水資源評價和規(guī)劃提供了科學(xué)評價和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)邊界；系統(tǒng)劃分；地下水系統(tǒng)；哈密盆地

國際水文界于20世紀(jì)80年代初提出了“地下水系統(tǒng)”概念，這一概念和理論的提出不僅是系統(tǒng)思想與方法滲入水文地質(zhì)領(lǐng)域的結(jié)果，也是水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的必然產(chǎn)物[1]。我國西北地區(qū)地下水系統(tǒng)形成與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地貌、地表水系密切相關(guān)，其中地質(zhì)構(gòu)造往往是最大的影響因素。由于哈密盆地位于我國西北內(nèi)陸盆地，該區(qū)地處典型的中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)，降雨非常稀少，蒸發(fā)卻極強烈，受地貌和氣候條件的影響，盆地有獨立水循環(huán)系統(tǒng)，與外界不存在水量和水質(zhì)的交換。因此，在該地區(qū)開展地下水系統(tǒng)劃分工作，對科學(xué)評價和利用地下水資源，進而對哈密盆地新疆煤炭基地的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

從20世紀(jì)50年代起，相關(guān)部門在哈密盆地內(nèi)已有的地質(zhì)工作基礎(chǔ)上相繼開展了1 : 20萬和1 : 50萬的區(qū)域水文地質(zhì)普查工作，1∶5萬～1∶10萬城鎮(zhèn)及工礦供水水文地質(zhì)勘察等工作，這些工作的開展為城市規(guī)劃、工業(yè)布局及交通選線等提供了區(qū)域水文地質(zhì)依據(jù)[2]。此外，胡宏韜據(jù)哈密盆地地下水系統(tǒng)的含水結(jié)構(gòu)特征，提出了一類考慮弱透水層彈性釋水作用的地下水流藕合數(shù)學(xué)模型[3]；李坤以哈密盆地地下水動態(tài)為主要依據(jù)，使用GMS模擬了地下水流場的變化和發(fā)展[4]；陳孜利用在區(qū)域模型現(xiàn)狀開采條件下，模擬了哈密盆地20年后地下水位的降深情況[2]。據(jù)以往研究成果，學(xué)者僅對哈密盆地地下水動態(tài)變化做了一定程度研究。因此，本文以哈密盆地地下水系統(tǒng)作為研究對象，結(jié)合國內(nèi)近年來不同地區(qū)地下水系統(tǒng)劃分方法的研究，針對其獨特的水文地質(zhì)條件，將地下水含水系統(tǒng)與水流系統(tǒng)綜合考慮，深入分析了地下水系統(tǒng)劃分原則和方法，為科學(xué)評價哈密盆地地下水資源提供了理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

1.1自然地理條件

哈密盆地總體地勢呈南部和北部高，中部低的特征。盆地北部為巴里坤山和喀爾里克山，海拔為1 500～4 880 m，自西向東展布；中部平原區(qū)海拔700～1 500 m，北部高南部低，呈EW向分布；南部為低山丘陵區(qū)，海拔500～1 500 m，地勢總體由南向北傾斜。哈密盆地地形立體圖見圖1。要為西部小河、柏楊溝、五道溝、石城子、形成亞系統(tǒng)之間的劃分邊界。

圖1　哈密盆地地形立體圖Fig.1 The terrain stereogram of Hami Basin

1.2區(qū)域地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)出露主要地層有新生界、中生界、古生界，其中新生界分布面積最廣，占勘查區(qū)面積75%以上，古生界分布面積次之，中生界分布較少。新生界主要分布在哈密盆地中部平原區(qū)；中生界主要分布于哈密盆地中部低山區(qū)；古生界主要分布于吐魯番-哈密盆地南部山區(qū)和北部山區(qū)，北部山區(qū)以石炭系海相火山碎屑沉積巖為主，構(gòu)成博格達(dá)復(fù)背斜的核心，南部山區(qū)以長城系、志留系、泥盆系構(gòu)成覺羅塔格復(fù)背斜核心。古近—新近系紅色膏巖相構(gòu)造廣泛分布于研究區(qū)南部的山麓帶和吐魯番盆地中部火焰山隆起帶，除在哈密盆地中部丘陵區(qū)、鄯善縣北、庫姆塔格東直接出露地表外，其它地區(qū)均埋伏于盆地各類第四系松散沉積層之下。古生界分布于哈密盆地中部及西部。第四系廣泛分布，出露面積大，在盆地低洼地帶，形成現(xiàn)代沖洪積平原及河谷地貌形態(tài)，由沖積、沖洪積、洪積、風(fēng)積及化學(xué)沉淀物組成。

1.3區(qū)域水文地質(zhì)條件

哈密盆地為一新生代構(gòu)造凹陷帶，新生代地層廣泛分布，發(fā)源于北部山區(qū)的河流及小溪流均向盆地匯流。由于河流的沖刷和搬運堆積作用，形成廣闊的山前沖洪積傾斜平原。哈密盆地地下水埋藏條件受地質(zhì)、構(gòu)造、地貌、巖性、水文等因素控制，自盆地周邊山區(qū)向平原區(qū)、沙漠區(qū)，地質(zhì)、地貌、氣候及第四紀(jì)沉積均具明顯分帶規(guī)律。地下水類型主要為凍結(jié)層水、基巖裂隙水、古近—新近系碎屑巖類孔隙裂隙水和第四系松散巖類孔隙水。

此外，在盆地南部、北部山區(qū)主要以裂隙含水層為主；盆地中部地層上部為孔隙含水層，下部以裂隙含水層為主。盆地為新生代構(gòu)造坳陷帶，新生代地層廣泛分布。區(qū)內(nèi)第四系潛水含水層分布于區(qū)內(nèi)國道312線北部及七角井盆地，含水層巖性為卵礫石、砂礫石，厚50 ～100 m，滲透系數(shù)60～70 m/d，導(dǎo)水系數(shù)4300～6 500 m2/d。第四系多層結(jié)構(gòu)承壓含水層分布于區(qū)內(nèi)國道312線南部，含水層巖性為砂礫石、砂及粘性土互層，厚15～60 m，滲透系數(shù)12 ～ 50 m/d，導(dǎo)水系數(shù)320～4 500 m2/d。下伏古近—新近系含水層巖性為砂礫巖、砂巖，含水層總厚度為30～50 m/d，導(dǎo)水系數(shù)340～760 m2/d。古近—新近系承壓含水層頂部分布有厚約5～70 m的弱透水層，巖性為泥巖、含礫泥巖等?？碧匠晒砻骶G洲帶第四系地下水與古近—新近系地下水水力聯(lián)系密切，越流關(guān)系較明顯。

2　哈密盆地地下水系統(tǒng)劃分

2.1地下水系統(tǒng)劃分的原則、依據(jù)和步驟

地下水劃分原則主要準(zhǔn)遵循整體性原則、等級結(jié)構(gòu)性原則和系統(tǒng)劃分和地下水資源評價與開發(fā)相結(jié)合原則。

據(jù)以上原則，在地下水系統(tǒng)劃分時，首先劃分含水層系統(tǒng)，將含水介質(zhì)基本相同，具固定邊界含水巖系劃分為同一個含水系統(tǒng)。據(jù)含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖相古地理條件及空間分布進一步劃分為次級含水系統(tǒng)。然后在同一含水系統(tǒng)內(nèi)，將具統(tǒng)一水力聯(lián)系的連續(xù)水流劃分為地下水流系統(tǒng)，同一地下水流系統(tǒng)內(nèi)，據(jù)其內(nèi)部水循環(huán)特征，水力性質(zhì)及循環(huán)力方式和水均衡要素的不同，可進一步劃分為若干個次級地下水流動系統(tǒng)[5]。哈密盆地是一級地下水系統(tǒng)，據(jù)地表水流域特征及該盆地地下水補給、徑流和排泄條件，進一步劃分出了二、三和四級地下水系統(tǒng)。

2.2地下水系統(tǒng)邊界

地下水系統(tǒng)邊界依據(jù)邊界條件、空間位置等可劃分為輸入邊界、輸出邊界、沖洪積扇間活動邊界、地下水分水嶺4種邊界類型。

峽口狀輸入邊界為平原區(qū)和山區(qū)的邊界。分布于北部巴里坤山山前、喀爾里克山山前、南部覺羅塔格山山前。基巖山區(qū)與平原區(qū)交界處的古近—新近系泥巖層或山前逆斷裂阻擋了山區(qū)的基巖裂隙水和平原區(qū)第四系孔隙水的水量交換，使發(fā)育在山區(qū)的溝谷成為聯(lián)系基巖裂隙水和平原區(qū)第四系孔隙水的唯一通道，基巖裂隙水在山區(qū)先轉(zhuǎn)化為溝谷潛流，再以地下潛流的形式補給平原區(qū)第四系孔隙水。該類型邊界亦為點狀輸入邊界。

輸入、輸出邊界為地下水系統(tǒng)間的水量交換邊界，位于上游地下水系統(tǒng)中的地下水通過此類邊界側(cè)向補給下游地下水系統(tǒng)。其中七角井地下水系統(tǒng)（Ⅰ3）為一相對獨立的系統(tǒng)，其輸入邊界為山區(qū)向盆地的側(cè)向徑流邊界。巴里坤山-喀爾里克山南麓地下水系統(tǒng)（Ⅰ1）、南部覺羅塔格山北麓地下水系統(tǒng)（Ⅰ2）主要接受山區(qū)側(cè)向徑流補給，因此山區(qū)與平原區(qū)交匯帶為輸入邊界。

扇間活動邊界為盆地北部巴里坤山-喀爾里克山南側(cè)山前沖洪積平原和盆地南部覺羅塔格山北側(cè)山前沖洪積平原之間各系統(tǒng)邊界為零流量邊界。同樣也是亞系統(tǒng)邊界。

巴里坤山-喀爾里克山南麓（Ⅰ1）沖洪積平原主

覺羅塔格山北麓（Ⅰ2）沖洪積平原主要有阿拉塔格北、自地河、雅滿蘇東溝系統(tǒng)之間的劃分邊界。

地下水分水嶺主要指地下水系統(tǒng)之間是以地下水分水嶺為邊界，為地下水的零流量邊界，是地下水流線邊界。阿拉塔格北地下水系統(tǒng)（Ⅱ2-1）、鏡兒泉地下水系統(tǒng)（Ⅱ2-2）、東部小河地下水系統(tǒng)（Ⅱ2-3）、紅柳溝地下水系統(tǒng)（Ⅱ2-4）均以各自代表的山間洼地及地表水小流域形成的相對地表分水嶺作為系統(tǒng)邊界。

2.3地下水系統(tǒng)分區(qū)結(jié)果

據(jù)各級地下水系統(tǒng)的劃分原則以及各級地下水系統(tǒng)邊界條件的確定，在綜合考慮研究區(qū)地形地貌、區(qū)域地質(zhì)背景及水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，重點對研究區(qū)地下水含水系統(tǒng)特征進行分析，通過綜合研究，將哈密盆地劃分為1個地下水大系統(tǒng)（一級系統(tǒng)）、3個系統(tǒng)（二級系統(tǒng)）、8個亞系統(tǒng)（三級系統(tǒng)）和4個子系統(tǒng)（四級系統(tǒng)）。此外，對于本區(qū)一、二、三、四級地下水系統(tǒng)邊界，依據(jù)邊界性質(zhì)主要分為地表水分水嶺（盆地類）、地下水分水嶺、地下水輸出邊界、地質(zhì)構(gòu)造邊界4種類型。具體分區(qū)結(jié)果及分區(qū)流域特征、含水層特征及補給、徑、排泄條件見圖2。

圖2　哈密盆地地下水系統(tǒng)分區(qū)圖Fig.2 The zoning map of groundwater system in Hami Basin1.一級系統(tǒng)分區(qū)界線;2.二級系統(tǒng)分區(qū)界線;3.三級系統(tǒng)分區(qū)界線;4.四級系統(tǒng)分區(qū)界線;5.系統(tǒng)分區(qū)代號;6.河流

2.4地下水系統(tǒng)分區(qū)特點

2.4.1巴里坤山-喀爾里克山南麓地下水系統(tǒng)（Ⅰ1）

該地下水系統(tǒng)位于哈密盆地北部，包括哈密盆地北部巴里坤山-喀爾里克山山區(qū)、平原綠洲帶、西部小河丘陵山區(qū)和沙爾湖尾閭盆地，行政隸屬哈密地區(qū)哈密市，西側(cè)與哈密盆地-吐魯番盆地分水嶺相接，南側(cè)以庫如克郭勒溝為輸出邊界與覺羅塔格北麓系統(tǒng)相接，北部以東天山山脈分水嶺為邊界與伊吾盆地相接，東部以哈密盆地東部東天山山脈末端山區(qū)分水嶺為邊界與甘肅省相接。該系統(tǒng)總面積29 504.80 km2。

巴里坤山-喀爾里克山南麓二級系統(tǒng)（Ⅰ1），包括3個三級系統(tǒng)，分別為西部小河-沙爾湖亞系統(tǒng)（Ⅰ1-1）、巴里坤山南麓亞系統(tǒng)（Ⅰ1-2）、喀爾里克山南麓亞系統(tǒng)（Ⅰ1-3）。巴里坤山南麓亞系統(tǒng)（Ⅰ1-2）和喀爾里克山南麓亞系統(tǒng)（Ⅰ1-3）又各自分為2個四級系統(tǒng)，即平原區(qū)子系統(tǒng)和山區(qū)子系統(tǒng)。

西部小河-沙爾湖亞系統(tǒng)（Ⅰ1-1）西部小河接受北部上游山丘區(qū)降水、暴雨洪流補給，經(jīng)中游戈壁帶徑流向南在下游以潛水蒸發(fā)、泉水形式排泄，無開采。西部小河上游為低山基巖裂隙水，中游為第四系孔隙潛水斜地，下游為溝谷型第四系孔隙潛水，具厚度薄、富水性弱及水位埋深中等特點；古近—新近系分布廣泛，多為隔水層。

沙爾湖接受北西部、南部山丘區(qū)降水和NE向的地下水徑流、暴雨洪流補給，向沙爾湖中部徑流匯集，以潛水蒸發(fā)形式排泄。沙爾湖屬NS向洼地型，地下水類型以古近—新近系碎屑巖類承壓水為主，富水性貧乏-中等；第四系潛水有少量分布，其厚度薄，富水性極弱。

巴里坤山南麓亞系統(tǒng)（Ⅰ1-2）山區(qū)子系統(tǒng)。大氣降水、冰雪融水入滲補給，向南部平原區(qū)徑流，主要以溝谷潛流和側(cè)向流出的方式進行排泄。在海拔高于2 800 m的山區(qū)分布有基巖裂隙凍結(jié)層水，富水性中等，其它中低山區(qū)為基巖裂隙水，富水性豐富。平原區(qū)子系統(tǒng)。上游接受山區(qū)側(cè)向徑流、河谷潛流、暴雨洪流、渠道入滲、田間入滲等補給，向南徑流；中下游以潛水蒸發(fā)、坎兒井、農(nóng)灌井大量開采等方式排泄。山前傾斜平原以第四系孔隙潛水為主，平原中部細(xì)土帶以第四系孔隙潛水-承壓水為主，具厚度較大、富水性貧乏-豐富及水位埋深中等特點；平原中下部發(fā)育碎屑巖類承壓水，富水性貧乏-中等，頂板淺。

喀爾里克山南麓亞系統(tǒng)（Ⅰ1-3）山區(qū)子系統(tǒng)。大氣降水、冰雪融水入滲補給，向南部平原區(qū)徑流，主要以溝谷潛流和側(cè)向流出的方式進行排泄。在海拔高于2 800 m的山區(qū)分布有基巖裂隙凍結(jié)層水，富水性中等，其它中低山區(qū)為基巖裂隙水，富水性豐富。平原區(qū)子系統(tǒng)。上游接受山區(qū)側(cè)向徑流、河谷潛流、暴雨洪流、渠道入滲、田間入滲等補給，向南徑流，中下游以潛水蒸發(fā)、農(nóng)灌井大量開采等方式排泄。山前傾斜平原以第四系孔隙潛水為主，平原中部細(xì)土帶以第四系孔隙潛水-承壓水為主，具厚度較大、富水性中等-豐富及水位埋深中等特點；平原中下部發(fā)育碎屑巖類承壓水，富水性貧乏-中等，頂板埋深較淺。

2.4.2覺羅塔格北麓地下水系統(tǒng)（Ⅰ2）

覺羅塔格北麓系統(tǒng)位于哈密盆地南部，包括4個三級地下水亞系統(tǒng)，總面積33 635.46 km2，分別為：阿里塔格北亞系統(tǒng)（Ⅰ2-1），面積21 789.18 km2；鏡兒泉亞系統(tǒng)（Ⅰ2-2），面積5 960.87 km2；東部小河亞系統(tǒng)（Ⅰ2-3），面積1 958.71 km2；紅柳溝亞系統(tǒng)（Ⅰ2-4），面積3 926.69 km2。

阿里塔格北亞系統(tǒng)（Ⅰ2-1）接受周邊NS向山丘區(qū)降水、暴雨洪流補給，向小洼地匯流和小型溝谷徑流，多以潛水蒸發(fā)形式排泄。NS向封閉洼地、小型溝谷的第四系孔隙潛水具厚度薄、富水性極弱和水位埋深淺等特點。古近—新近系碎屑巖類水，富水性亦弱，多為透水不含水層；基巖裂隙水富水性普遍比較貧乏，而在斷裂構(gòu)造和富礦帶局部富水性中等。

鏡兒泉亞系統(tǒng)（Ⅰ2-2）接受近NS向山丘區(qū)降水、暴雨洪流補給，向NW向徑流，以潛水蒸發(fā)、泉水及少量開采形式排泄。以碎屑巖類承壓水為主，具厚度大和富水性中等特點；第四系分布有少量溝谷型潛水，具厚度薄和富水性弱特點；基巖裂隙水富水性貧乏-中等。

東部小河亞系統(tǒng)（Ⅰ2-3）上游接受山丘區(qū)降水、暴雨洪流補給，向SW向徑流，在下游以潛水蒸發(fā)、泉水及少量開采方式排泄。北部山區(qū)以基巖裂隙水為主，富水性貧乏-中等，中部傾斜平原和河谷地帶，上部以整體呈NE向溝谷型第四系孔隙潛水為主，具厚度薄和富水性弱特點；下伏水位埋深中等的碎屑巖以承壓水為主，厚度中等，富水性貧乏。

紅柳溝亞系統(tǒng)（Ⅰ2-4）上游接受山丘區(qū)降水、暴雨洪流補給，向北徑流，于下游處以潛水蒸發(fā)的方式排泄。溝谷型第四系孔隙潛水為主，厚度薄，富水性弱；局部分布有碎屑巖類承壓水，富水性中等；基巖裂隙水貧乏-中等。

2.4.3七角井地下水系統(tǒng)（Ⅰ3）

該系統(tǒng)位于哈密盆地西北角，行政隸屬哈密地區(qū)哈密市。該系統(tǒng)總面積為2 993.63 km2?？辈閰^(qū)的地下水由山前的單一松散巖類孔隙潛水演變?yōu)榕璧刂胁康某袎核俺袎鹤粤魉谂璧氐闹苓厼榛鶐r山區(qū)。四周山區(qū)為補給區(qū)，中游為徑流區(qū)，盆地中心為蒸發(fā)蒸騰排泄區(qū)。地下水自東、北、西向南徑流?？辈閰^(qū)地下水類型主要由松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類組成。其中，七角井四周山區(qū)（上游）為基巖裂隙含水層，富水性貧乏-中等；中游為第四系單一孔隙潛水含水層，分布面積大，下游為多層結(jié)構(gòu)潛水承壓水含水層，分布面積小，富水性中等。

3　結(jié)論

（1）本文以哈密盆地地下水系統(tǒng)作為研究對象，在全面分析該盆地地形地貌、區(qū)域地質(zhì)背景及水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，據(jù)地下水系統(tǒng)劃分原則和依據(jù)，結(jié)合該盆地地下水系統(tǒng)邊界條件，將研究區(qū)劃分為1個一級地下水系統(tǒng)，3個二級地下水系統(tǒng)，8個三級地下水系統(tǒng)，4個四級地下水系統(tǒng)。

（2）哈密盆地是典型的中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)，地下水系統(tǒng)具典型獨立性特征，與外界基本不存在水量和水質(zhì)的交換。此外，該盆地水文系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)的形成演化模式和運行機制[6]與塔里木[7]、準(zhǔn)噶爾及額濟納等盆地具相似特征[8]，這些盆地內(nèi)地下水資源的分布及水文地質(zhì)條件特征主要受第四紀(jì)地質(zhì)條件的控制[9]。

（3）雖然哈密盆地以往也開展過多次不同區(qū)域、不同程度的水文地質(zhì)勘查工作，但針對全盆地的地下水系統(tǒng)劃分尚屬首次。因此，本文對哈密盆地地下水系統(tǒng)的劃分研究，對我國西北干旱地區(qū)地下水系統(tǒng)的研究有實際參考價值和借鑒意義，同時也對合理開發(fā)利用干旱地區(qū)地下水資源提供了科學(xué)評價和理論依據(jù)。

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特此聲明！

《新疆地質(zhì)》編輯部

2016年3月

Study on the Classification and Characteristics of Groundwater System in the Hami Basin

Li Chongbo,Chu Hongkuan,Song Yu,WangTuo
（GeologicalSurveyAcademyofXinjiang,Urumqi,Xinjiang,830011,China）

Abstract:Groundwater system division is a key foundation for Xinjiang coal base with groundwater resources.Based on the topography and geomorphology,regional geological conditions and hydrogeology conditions of the Hami basin,the groundwater system in the Hami basin was divided in taking the systematic theoretical analysis of groundwater.According to the principles and basis, the groundwater system can be divided into the fourth grade system including three the second groundwater systems(the second grade system),the eight sub-systems(the thrid grade system).The division of groundwater system has important theoretical and practical significance for Xinjiang coal base with groundwater resources.

Key words:Hami basin;System Research boundaries;System divisions;Groundwater system

作者簡介:第一李崇博（1985-），男，助理工程師，2011年畢業(yè)于新疆大學(xué)勘察技術(shù)與工程專業(yè)，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)方面的工作

收稿日期:2015-09-16;

修訂日期:2015-11-23;作者E-mail:LCBxjddy@126.com

中圖分類號:P641.13

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號：1000-8845(2016)01-139-05