大理冲积扇含水层非均质性分布规律研究

由明宇，覃荣高，曹广祝，保靖琨

(昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明 650093)



大理冲积扇含水层非均质性分布规律研究

由明宇，覃荣高，曹广祝，保靖琨

(昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明 650093)

洪-冲积扇的非均质性分布规律对含水层渗流和污染物迁移研究、地下水污染管理、控制及修复具有重要意义。本文以大理点苍山东麓隐仙溪洪-冲积扇为例，对其水动力条件、沉积构造模型、地形坡度与运移距离的关系进行探讨。研究表明，冲积扇沉积非均质受水动力条件影响，当水动力较好时，沉积颗粒物为砾石和漂砾，填充泥质和粉砂质，水动力较弱时沉积多为砂质和粘土颗粒，扇面整体以水流河道为中心轴呈扇形沉积；冲积扇沉积颗粒物的分选性和磨圆度受地形坡度的影响，地形坡度大沉积颗粒物分选性和磨圆度差，搬运距离越远分选性和磨圆度越好；扇顶因水动力强，坡度大，沉积物分选性和磨圆度差，层理不发育，扇中扇缘随着水动力条件及地形坡度减弱，沉积物分选性和磨圆度逐渐变好，层理较为发育，沉积为水平或均匀层理。

冲积扇 沉积特征 非均质 隐仙溪 大理

0 引言

对于基岩山区，相对平坦的冲积扇沉积平原往往是城市和工业活动选址首选和农业生产的重要基地。冲积扇水文地质条件的复杂性使得冲积扇含水层地下水污染物迁移转化研究成为了此类含水层地下水污染防治、管理及修复的难点。由于不同地区水文地质条件差异性以及冲积扇含水层沉积过程的随机性和复杂性，到目前为止，对于较大区域的完整冲积扇含水层空间非均质性构建，尤其是定量化描述冲积扇含水层整体非均质性空间分布规律的研究相对较少。本文从水动力条件、沉积层序、地形坡度和距离四个方面分析冲积扇含水层非均质性分布规律。

沉积非均质性的描述方法划分为结构模拟法、过程模型法和定性描述法三类(Koltermannetal.，1996)。由于沉积含水层的沉积结构以及沉积过程对含水层渗透系数分布的空间非均质性影响很大(王强等，2014；李宇平等，2015)，结构模拟法和过程模型法受到越来越多学者的关注(Vanetal.，2011)。而冲积地层模型作为诸多地层模拟模型(水文模型、洪积模型、河网模型、弯道演化模型、辫状河道模型等)中的一种典型模型。河流冲积扇的沉积研究应与河流水流特征、沉积迁移、天然河流的河道变迁以及实验室内水槽模型模拟研究等相结合(Bridgeetal.，2009)，通过三维地统计重构方法模拟西班牙西北地区一个大尺度到中等尺度以细颗粒沉积为主的新生代冲积扇含水层，沙体主要根据其体积、平均厚度、最大区域以及最大等效直径来进行定量化描述(Faliveneetal.，2007)。建立了一个河道区、河漫滩和斜坡区的侵蚀和沉积迁移过程的三维数值模型，并通过模拟揭示控制河漫滩动力及冲积建造的内动力和外动力控制因素(Karssenbergetal.，2008)。近年来大量研究通过室内试验(Rolleetal.，2012；Zhaoetal.，2015)、现场示踪试验(Rolleetal.，2009；Pollocketal.，2010；Cardiffetal.，2011)、数学模型(Liuetal.，2013；Jiaoetal.，2014；Zhangetal.，2015)和地球物理反演(Meyerhoffetal.，2014；Binleyetal.，2015；Zhaoetal.，2015)等手段对含水层的非均质性和各向异性进行研究。冲积扇沉积过程中随着搬运距离的增加，沉积物颗粒粒径自上而下逐渐变细，分选性和磨圆度逐渐变好(Sunetal.，2015)。从砾石含量、坡度、磨圆度及充填物等方面对隐仙溪冲积扇沉积分布特征进行了分析(程立华等，2005；王兴志等，2014)。利用GIS提取冲积扇地貌参数，并通过遥感影像解译等方法对中国北方地区的冲积扇的发育特征和影响因素进行分析总结(李新波，2007)。通过冲积扇网格划分建模的方法对冲积扇构型建模进行研究(包兴，2011)。通过序贯模拟、相控建模、渗透系数的云-Markov模型等方法对华北平原含水层非均质性进行研究(马荣，2012)。

1 研究区概况

研究区位于云南省大理市洱海西岸，主要由西侧的点苍山18条溪发育形成的大理洪-冲积扇裙，洪冲积扇裙南北跨度达50km，东西宽2km～3km。冲积扇主要由砾石、砂砾石、砂、黏土及填土等构成。砾石、砂砾石及砂层分选性及磨圆度差异性较大，扇顶及扇中分选性及磨圆度差，而扇缘相对较好。苍山走向与构造线方向一致，海拔在3074m～4195m之间。洱海深大断裂为研究区主干断裂，万花溪断裂、锦溪断裂、上阳溪断裂则为本区次级断裂。区内地层主要出露前寒武系苍山群大理岩、片麻岩、千枚岩、片岩，二叠系玄武岩、安山岩、石灰岩，三叠系砂岩、页岩、凝灰岩，侏罗系砂泥岩互层，白垩系紫红色砂岩夹泥岩，以及第四系更新统河湖相碎屑岩、泥灰岩，松散堆积物(图1)。

图1 大理苍山区域水文地质图

苍山冲积扇裙的沉积层主要是第四系，包括更新统、全新统两部分。更新统(Qp)松毛坡组(Qps)：青灰、黄灰色砾岩。砾石成分主要有灰岩、白云质灰岩、石英岩、正长斑岩、花岗斑岩等。全新统(Qh)按其成因不同分为六个类型：湖相堆积(Qhl)主要为粘土、粉砂、细砂堆积，夹草炭粘土层；湖泊、河流相堆积(Qhl+al)粒度比前者略粗；河流相堆枳(Qhal)多为砂、砾石层；河流、洪积相堆积(Qhal+pl)一般为洪积扇裙到河流、湖相堆积的过度型，也以砾、砂堆积为主；洪积相堆积(Qhpl)主要以洪积扇裙的形式出现，堆积物的特点是巨石、砾、砂、粘土等杂乱堆积，一般不具分选性。而对于大理隐仙溪冲积扇层，其沉积层主要为Qhl+al、Qhal+pl、Qhpl。

2 研究方法

本次将研究区颗粒物的粒径大分为3级，即巨粒(漂石和卵石)、粗粒(砾粒)、粗粒(砂粒)和细粒(粉粒和粘粒)三类。即巨砾、砾石、砂和粘土三类。野外对扇顶、扇中、扇缘分别在平行和垂直于扇轴方向对80组剖面进行粒度统计。在扇顶、扇中和扇缘部位各取一个典型剖面分析冲积扇在沉积过程的沉积层序、物质组成、地形坡度、水动力条件。

3 地质调查与试验分析

将图1中的隐仙溪冲积扇按图2中布置的勘探线对其出露剖面进行地质调查与采样分析，从而获取冲积扇含水层非均质性空间分布特征及规律。总体上，隐仙溪冲积扇扇形大致呈轴对称，由扇顶向扇缘地形坡度逐渐减小，沉积物呈扇形沉积。下面分别从(水动力条件、沉积演化模式、坡度和搬运距离)等四个方面分析冲积扇垂向和横向的非均质沉积分布规律。

图2 隐仙溪冲积扇剖面分布图

3.1 颗粒物垂向非均质分布特征

通过对隐仙溪冲积扇不同部位地质剖面进行调查分析，获得冲积扇颗粒物空间非均质性沉积分布规律特征。图3为隐仙溪冲积扇不同部位的三个钻孔柱状图从图中可以看出冲积扇从扇顶到扇缘沉积物分布在垂向上呈高度非均质分布特征。

扇顶洪积相堆积(Qhpl)，主要以洪积扇裙的形式出现。堆积物的特点是巨石、砾、砂、粘土等杂乱堆积。沉积特点是：第①层为土黄色砂质粉土与腐殖土互层；第②层为灰黄色砾石夹黏土层，砾石分选性和磨圆度差；第③层为灰白色卵石层充填粘土，砾石间隙有砂和粉土等充填，砾石磨圆度中等，分选性较差，以扁平砾石为主，与下层不同，证明颗粒物来源不同；第④层为灰黄色，粉质粘土砾石层，磨圆度较好；第⑤层为土黄色、灰黄色，粉砂-中砂砾石层，分选性差，磨圆度中等。图4为扇顶30组剖面中具代表性的一组剖面A-A′沉积剖面照片，横剖面镜向255°。

扇中河流、洪积相堆积(Qhal+pl)，为洪积扇裙到河流、湖相堆积的过度型，以砾、砂堆积为主。其沉积特点是：第①层为灰黑色砂质粉土与腐殖土互层；第②层为灰白色粗砂、粉砂层充填砾石，分选性磨圆性较差；第③层为红褐色、灰白色，粉质粘土夹砾石，分选性磨圆度均较差；第④层为灰黑色、土黄色粗砂粉砂层夹砾石，砾石排列杂乱磨圆度差，分选性差；第⑤层为灰黄色粉质粘土层夹砾石，砾石磨圆度较好，分选性较好，已具有水平定向排列的趋势；第⑥层为灰黑色，粗砂层夹砾石。图5为调查的25组扇中横纵中的一组剖面B-B′的沉积剖面照片,横剖面镜向260°。

扇缘湖泊、河流相堆积(Qhl+al)，主要为粘土、粉砂、细砂堆积，夹草炭粘土层。第①层为灰黑色、褐黄色的腐殖土与淤泥质粉土，夹植物根系；第②层为灰黑色泥炭质粉土、淤泥质粉土与砂质粉土互层；第③层为灰色砂质粉土与中砂互层；第④层为灰白色粗砂，底部渗水，未见底。图6为扇缘25组扇缘剖面中的一组C-C′沉积剖面照片,纵剖面镜向255°。

3.2 颗粒物横向非均质性分布特征

水平方向上通过图2网格式取样，自扇顶至扇缘取样共80组，进行筛分实验，求得冲积扇扇顶、扇中、扇缘的组成物质级配关系，即颗粒物所占百分比，将其分为四类：巨砾、砾石、砂、粘土，野外统计时将砂和粘土分为一个量级进行统计。下表为各部位颗粒物分配关系。表1为扇面横向粒径质量分数与位置关系，图7为巨砾、砾石、砂粘土在冲积扇不同部位所占百分比。

图3 隐仙溪冲积扇地层柱状图

图4 A-A′线沉积剖面照片

图5 B-B′线沉积剖面照片

在冲积扇扇面横向上，在扇顶发生粘滞性较高的泥石流沉积，形成杂乱的砾石层堆积，在地表水动力的垂直和水平两个方向的作用下，从谷口到扇中，在地表的水平径流的作用下细小颗粒逐渐向下游堆积，大颗粒空隙填充小颗粒，在坡面流的长期作用下扇顶靠谷口1/3到扇顶至扇中1/3的距离是砂和粘土含量最少的部位，分选性极差，砾石沉积无规律性，在整个扇顶部位巨砾含量所占百分比是仅次于大粒径砾石含量的；扇中是泥石流作用的末端，水流沉积为主导动力，砂砾岩为主要组成物质、具有叠瓦状和水平状排列，地表水平径流继续将在上游携带的泥沙等小颗粒物填充在细小的空隙中，但空隙的分布时不规则的，砾石粒径逐渐变均匀，含量也最多，从扇中顶部到扇中底部磨圆度和沉积排列逐渐变好，即片流和筛选沉积；在扇缘，远离主河道两旁的扇面上，片流和筛网状水流为主，沉积的基本为细小颗粒的砂、粘土或者是泥炭土等，近洱海边缘区域

受湖湘沉积作用的影响，沉积层序明显，颗粒较细。

图6 C-C′线沉积剖面照片

坡度S扇顶(0^1.8km)扇中(1.8^3.1km)扇缘(3.1^5.1km)扇顶(10°^15°)巨砾:5%^10%砾石:65%^75%砂、粘土:15%^30%过渡带扇中(5°^8°)过渡带巨砾:1%^2%砾石:49%^58%砂、粘土:40%^50%过渡带扇缘(3°^5°)过渡带巨砾:0砾石:3%^5%砂、粘土:95%^97%

图7 巨砾、砾石、砂粘土在冲积扇不同部位所占百分比

3.3 冲积扇的发育机制分析

通过对隐仙溪冲积扇的垂直断面和水平扇面分析表明：隐仙溪冲积扇扇顶沉积层以均匀层理和递变层理为主，扇顶沉积物层序紊乱，泥石流冲积沉积作用是其形成主要原因；扇中主要发育平行层理和交错层理，主要由瓣状坡面流沉积作用形成；扇缘部位水平纹理和均匀层理较为发育。沉积过程泥石流沉积与水流沉积互层，扇顶多为泥石流沉积。

如果冲积扇上的沉积物的堆积速度大于盆地的沉降速度，冲积扇将不断向盆地方向推进，形成向盆地沉积。沉积序列是扇顶沉积覆在扇中沉积上，扇中沉积又覆于扇缘沉积上，形成上粗下细的进积型反旋回沉积序列。反旋回沉积序列的沉积构造是上述序列的倒置。泥石流作用形成的是交错层理，水流形成的是均匀层理。

4 讨论

4.1 冲积扇沉积的水动力条件

大理隐仙溪冲积扇水动力条件为水流沉淀沉积，泥石流沉积以及两者共同沉积(Ramanathanetal.，2010) 。隐仙溪冲积扇的水流沉积发生在河道，片流和筛选沉积。水流河道沉积过程中通常是回填物为碎石而形成叠瓦状、块状或厚层状沉积构造。粘滞性低的泥石流形成层级沉积层，粒度分布在空间上呈扁平状定向水平。高粘滞性的泥石流具有均匀的颗粒分布，泥石流流向垂直于颗粒粒径优势方向(Dell’Arciprete Detal.，2012)。

大理隐仙溪冲积扇水流的作用效果是坡面流，坡面流中夹带大量碎屑物时会在地表形成粗颗粒物的沉积形式。长时间暴露于地表，风化过程会吹走沉积物的细粒成分剩下颗粒粗大的成分，形成残留粗粒沉积。坡面流和风积作用可以在冲积扇的扇缘形成细砂沙裙沉积，即在冲积扇扇缘或扇边缘的颗粒沉积物多为粉砂或细砂粘土等。当水流携带的泥沙砾石等从山口流出，在失去地形等的束缚后，会形成平面上呈扇状的冲积地形，扇顶一般颗粒物较大，直径近几十米的巨砾到毫米级的粉砂粘土等，随着水动力的逐渐减弱，不再携带大颗粒的物质继续前进，会在水流经过处，逐渐卸载，颗粒物粒径逐渐变小，在扇缘处基本为砂到粘土级的沉积物，并逐层沉积直到扇缘处入海或是河湖。洪水作用即泥石流作用下的冲积扇会偶有紊乱的层沉积，一次泥石流发生会携带大量的巨砾、碎石、砂、粘土等，当泥石流冲出山口时，在没有外作用抑制的情况下，泥石流的层级方式会相对于水流沉积杂乱，层级层序一般为扇顶巨砾较多夹碎石、粘；扇中含少量巨砾且粒径较扇顶较小，主成分为碎石夹粘土；扇缘偶含巨砾且粒径在5m～10m左右，主要成分为砂和粘土。扇顶层级相对混乱，扇中能够分出，扇缘层级较清晰。图8、图9为隐仙溪冲积扇的两种水动力条件图。

图8 泥石流扇沉积示意图

图9 水流沉淀沉积示意图

4.2 冲积扇沉积中坡度与搬运距离关系分析

4.2.1 地形坡度的计算

冲积扇的扇面结构和同心轮廓能够启示其沉积形状可以通过数学式表达。如果冲积扇的梯度不改变，并且将它的轮廓视为真实圆弧曲线，它的结构可以通过圆锥方程表达。扇面坡度减小一般从扇顶到下坡扇缘，冲积扇只有部分轮廓是真正的关于一个定点的圆弧。冲积扇有凹面和凸面曲率——冲积扇径向轮廓是内凹的，冲积扇交叠部分轮廓是外凸的。

我们可以用算得出的方程(Troeh，1965)，关于冲积扇的凹凸率的方程如下:

Z=P+SR+LR2

(1)

式中：Z为冲积扇上任一点的海拔高度；P为理论扇顶的高度，也可通过构建两个或两个以上的垂直于接近圆形轮廓的切线来实现P点定位，P点的高度通常高于真实扇顶的高度；S为理论上以P点为顶点扇面的坡度斜率；L为沿径向线斜率变化率的一半；R为到P点的径向距离。这个方程能够解决一个特殊的冲积扇通过测量沿径向线地形图。

在进行断面测量时在整个冲积扇地形坡度的凹凸关系是，扇两侧径向上，向内凹，扇缘和扇中交叠部分为向外凸，扇面内部整体为内凹向中心。扇顶坡度向内凹曲较大，两侧边缘也向内凹，与扇中交叠部分向外侧凸出，在地形坡度上如此，同时水动力和距离三者共同作用下扇顶内部主要沉积粒径大的巨砾和粗砾石；扇面依次往下，扇中的坡面结构与扇顶相似，但因为坡面距离的增加，和外动力的减弱，扇中逐渐沉积粒径中等或较小的砾石，砂和粘土的比重逐渐增大；扇缘接替扇中沉积，逐渐向边缘凸出。

4.2.2 搬运距离的计算

对于颗粒物在水动力条件、坡度的作用下其与搬运距离的之间的关系，我们可以将摩擦力公式F=μFn做简单推导得出(2)式、(3)式的颗粒物搬运距离和沉积公式。可用下式表达：

F+G·sinθ=f

(2)

式中：F为水动力，在沉积物出山口后即消失(即牛顿第二定律里面的惯性力)；G为沉积物自身重力；f为坡面摩擦力；θ为坡面角。

水动力条件在河流或泥石流出山口处(Meyerhoff，2014)，其动力条件在缺少山地地形束缚后，逐渐卸载下来，水石的内动力作用即自身的重力逐渐减弱，将克服摩擦阻力的合力看作是惯性力，沉积是惯性力不足以克服水石在沿途所受到的摩擦阻力f，即惯性力克服外动力在冲积扇上不断沉积的过程。

摩擦阻力的表达可用下式表达:

f=μ·g·sinθ·l·m

(3)

式中：μ为各坡段的摩擦系数，g为重力加速度，θ为各坡段坡度角，l为各段长度，m为水石质量，其中除g不变外，其他参数均为变量。将冲积扇颗粒物沉积方式分为三类，一类是扇顶沉积，为巨砾，和粒径较大的砾石；第二类是扇中沉积，为砾石和碎石；第三类是扇中，为砂和粘土。

根据扇顶、扇中、扇缘各自坡度、径向长度参数不同取值，将Troeh已得的扇面方程和公式(3)组成方程组，可得出如下结果：1)在扇顶，坡度大、阻力大，克服这部分摩擦力的大粒径的砾石沉积下来搬运距离最短，其磨圆度也就最弱，分选性最好，各粒径级配均有；2)扇中随着搬运距离的增加、水动力逐渐减弱、坡度逐渐降低，卸载的多为粒径中的碎石，磨圆度中等，分选性中等；3)扇缘部位已是水流动力作用的末端，但其摩擦阻力却依然存在，剩余的细小颗粒物在经过进一步的冲刷后，其磨圆度最好，分选性也最差，故此处基本为砂、粘土和极少量的砾石。

4.3 冲积扇的沉积演化模式

通过前面钻孔图和剖面图，可以看出冲积扇的沉积构造主要是叠瓦状构造，扁平砾石在流水的作用下均向同一方向倾斜排列的现象。在钻孔图和剖面图上我们看出冲积扇含水层的层状差异性很大，无论是在同层内部和还是层间均表现出明显的非均质性。扇顶为均匀层理和递变层理，扇顶沉积物的颗粒物粒径最大，沉积层序最紊乱，泥石流沉积是其主要的搬运和沉积机制，无分选性、无定向排列，砾石杂乱堆积，能显现砾石层面，杂乱的砾岩层呈现均匀层理或块状层理。扇中沉积层是平行层理和交错层理，水动力由瓣状坡面流沉积形成，砾石多具叠瓦状构造，也出现向相反的两组叠瓦状构造，冲淤构造丰富。扇缘沉积一般是水平纹理和均匀层理段，粘土和粉砂是此段主要组成物质，上层为粘土层或泥炭土层，下层为砂层(图10)。

图10 冲积扇沉积结构示意图

当冲积扇上的沉积物的堆积速度大于盆地的沉降速度，冲积扇将不断向盆地方向推进，形成向盆地沉积。沉积序列是扇顶覆在扇中沉积上，扇中又覆于扇缘沉积上，形成上粗下细的进积型反旋回沉积序列。反旋回沉积序列的沉积构造是上述序列的倒置。

5 结论

本文以大理隐仙溪洪-冲积扇为研究基地，在大量野外调查及室内试验分析的基础上，主要获得以下结论：

(1)冲积扇沉积非均质受水动力条件控制，水动力较好时，沉积颗粒物为砾石和漂砾，无层理，多为泥质及粉砂质填充，而位于河流附近沉积则多为以河道为中心呈扇形沉积。

(2)地形坡度和搬运距离主要影 响洪-冲积扇沉积颗粒物的分选性和磨圆度。地形坡度越大沉积颗粒物分选性和磨圆度越差，相反，而搬运距离越远分选性和磨圆度越好。

(3)冲积扇沉积构造主要受水动力条件及沉积旋回作用的影响，扇顶区由于水动力较强，坡度大，沉积物分选性和磨圆度较差，层理不发育，而随着水动力条件及地形坡度减弱，扇中扇缘分选性和磨圆度逐渐变好，层理较为发育。

致谢：本文得到国家自然科学基金项目(41402215,41562012)及昆明理工大学引进人才基金资助项目(KKZ3201421026)的资助，同时几位匿名评审专家以及主编提出的宝贵意见为本文的完善提供了很大的帮助，在此表示感谢！

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Heterogeneous Distribution of the Aquifer Sediments in an Alluvial Fan of Dali,Yunnan

YOU Ming-yu,QIN Rong-gao,CAO Guang-zhu,BAO Jing-kun

(FacultyofLandResourcesEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093)

Alluvial fan is a kind of typical aquifers.The heterogeneous distribution of its sediments is important for the study of aquifer transfusion and migration of contamination as well as its management,control and recovery.Taking a alluvial fan of Dali as an example,this work studies the dynamic conditions,sedimentary structure model and the relationship between slope and distance of alluvial fan.Research shows that alluvial fan depositional heterogeneity is affected by hydrodynamic conditions.When the water power is better,the sedimentary particles are gravel and boulder and fill the muddy and silty.As the hydrodynamic is weak,sedimentary particles are dominated by sandy and clay grains.Sorting characteristics and grinding roundness of sedimentary particles are influenced by terrain slope.It means that as the local gradient is larger,sorting and roundness of sedimentary particles will become poor,while the farther distance can lead to better separating and grinding roundness.For the top fan,because of the strong hydrodynamic,slope,sediment separation and poor psephicity,bedding cannot develop well.At the fan edge,as the hydrodynamic conditions and terrain slope become weaker and sediment sorting and roundness are gradually getting better；more beds develop to result in horizontal deposition or uniform beds.

alluvial fan,sedimentary characteristics,heterogeneity,Yinxianxi,Dali

2015-11-20；

2016-07-03；[责任编辑]陈伟军。

国家自然基金项目“冲积扇含水层非均质性构建及其溶质迁移数值模拟研究”(41402215)、国家自然基金项目“岩溶-裂隙含水层地下水重金属迁移机理研究”(41562012)、昆明理工大学引进人才基金资助项目(KKZ3201421026)共同资助。

由明宇(1989年-)，女，硕士研究生，主要从事地下水环境污染物迁移模拟方面的研究。E-mail：youmingyu2008@126.com。

覃荣高(1982年-)，男，讲师，主要从事水文地质与环境地质方面的研究。E-mail：qinronggao@ 126.com。

P641.2

A

0495-5331(2016)04-0734-09

You Ming-yu,Qin Rong-gao,Cao Guang-zhu,Bao Jing-kun.Heterogeneous distribution of the aquifer sediments in an alluvial fan of Dali,Yunnan[J].Geology and Exploration,2016,52(4):0734-0742.