0 引言

鄂尔多斯高原毛乌素沙漠南缘萨拉乌苏河流域是我国北方上更新河湖相标准地层萨拉乌苏组的命名地［1］，陕北榆神府矿区广泛分布有一套河湖相沉积的萨拉乌苏组，岩性以细砂、中砂为主，厚度差异较大，一般在古沟槽及低洼中心沉积最厚［2］。萨拉乌苏组是陕北重要的地下水类型，区域上分布于鄂尔多斯盆地北部的定边—靖边一线以北、鄂托克旗—鄂托克前旗一线以东、伊金霍洛旗以南、榆林市的榆阳区和神木地区沙漠滩地及其以西区域，是陕北能源化工基地地下水的主要赋存层位［3-6］。其不仅是当地的供水水源，也是维系沙漠地区脆弱生态环境的主要水源［2］，由于陕北煤化工基地建设的需要，建设渣场填埋工业固体废弃物，若渣场渗滤液发生渗漏，将严重污染当地的地下水源。开展陕北第四系松散层渗透性质试验研究，科学、合理处理煤化工渣场区防渗漏问题，对于煤化工企业、当地居民及环境保护均具有重要意义［4-8］。通过室内及现场试验，对陕北某渣场第四系松散层渗透性质进行研究，分析第四系松散层的特性，为渣场渗流液防渗提供参考。

1 概况

研究区渣场位于靖边县毛乌素沙地南部，场地位于风沙地貌，沙丘地多为半固定，其上植被较为发育，以沙蒿、沙柳为主，局部为小杨树。多年平均降雨量399．9 mm，总蒸发量2 027．3 mm，平均相对湿度49．2%。场地附近水系分别为芦河和黑河，属于黄河流域无定河水系。场地处于陕北斜坡，为一单斜构造，局部发育宽缓的短轴状向斜、背斜及鼻状隆起。

场地地表为第四系覆盖，主要有全新统风积沙，浅黄色、土黄色粉沙、粉细沙、细沙，厚5～11 m;萨拉乌苏组，灰、灰黄色中—细砂，厚30～46 m;中更新统离石组，棕黄—棕红色亚黏土、亚砂土，土质紧密，柱状节理发育，厚43～59 m;无基岩出露。场地下伏地层包括:白垩系下统洛河组、侏罗系中统安定组、直罗组、延安组及侏罗系下统富县组，三叠系上统瓦窑堡组等。含水层主要为第四系松散孔隙潜水、白垩系下统洛河组砂岩孔隙裂隙承压水。

距离研究区渣场下游1．2 km处有一村庄，生产生活用水大多利用第四系松散层水，小部分利用洛河组砂岩孔隙裂隙水。若渣场发生渗漏，则可能影响下游村庄生产生活用水安全。

2 包气带垂直渗透性试验

包气带内的孔隙和裂隙能够形成蓄水体，具有吸收、储存和输送水分的功能，能够对降雨及地表水入渗起着调节和再分配的重要作用［9-12］。如若渣场渗滤液发生渗漏现象，则将会通过包气带渗漏到第四系含水层中，包气带垂直渗透性对渗滤液的渗流防治具有至关重要的作用。因此，在研究区南北侧及场地中分别进行包气带垂直渗透性试验。首先在试验区域挖1 m×1 m×1 m试坑，在试坑底嵌入一个高20 cm、直径35．75 cm的铁环，该铁环圈定的面积为1 000 cm2。铁环压入坑底部10 cm深，环壁与土层要紧密接触，环内铺2～3 cm的反滤粗砂。在试验开始时，控制环内水柱保持在10 cm高度上，试验一直进行到渗入水量Q固定不变为止。垂直渗透系数计算见式(1)［9-12］:

式中，Q为稳定渗水量;F为渗水面积。

按式(1)计算包气带垂直渗透速度，所得的渗透速度即为该松散层的渗透系数值，试验结果见表1。研究区包气带垂直渗透系数为5．9～6．8 m/d，渗透性较强，易于地表降水或渗滤液垂直渗漏。

3 第四系含水层渗透性试验

第四系松散含水层主要包括风积沙和萨拉乌苏组砂层，在研究区广泛分布，厚33～59 m，一般39～55 m，水位埋深11～14 m。沙层结构松散，大孔隙，透水性强，易于接收大气降水补给，储集条件良好。地下水的赋存受古地形的严格控制，地下水在侧向运动中补给下伏含水层，由于受下伏土层起伏形态制约，潜水由东南向西北潜流，是区内主要含水层和透水层。在研究区第四系松散潜水含水层布置6个水文地质钻孔，并对其中2组第四系松散含水层段进行抽水试验。

(1)抽水试验方法。钻孔成孔后首先进行洗井，直至水清沙净为止，待水位稳定后开始抽水试验，抽水试验按稳定流方法进行抽水。抽水试验技术要求执行《煤炭资源地质勘探抽水试验规程》，尽机械能力作一次最大降深，水位稳定时间不少于24 h，完成3 次降深，依次为10．0，6．4，3．0 m。

(2)观测方法。抽水试验过程中，孔内水位采用水位遥测仪监测，水位观测按稳定流观测间隔进行。抽水开始后，在第 5，10，15，20，25，30 min 时各观测1次，以后每隔30 min观测记录1次;抽水流量采用电子流量计观测并自动记录流量。

(3)试验结果分析。第四系松散层按潜水含水层完整井公式及潜水含水层经验公式计算渗透系数及影响半径，并绘制Q—S曲线图。计算公式见式(2)、式(3)［13-15］:

式中，Q为钻孔涌水量;R为影响半径;S w为水位降深;H为潜水含水层厚度;r w为钻孔半径;h为潜水含水层抽水后厚度;K为渗透系数。

按照式(4)换算口径91 mm、抽水水位降深10 m时的统降单位涌水量［15］:

式中，Q91、R91、r91分别为孔径91 mm的钻孔涌水量、影响半径和钻孔半径;Q孔、R孔、r孔分别为孔径r的钻孔的涌水量、影响半径和钻孔半径。

根据研究区现场抽水试验资料(表2)，第四系松散层单位涌水量为0．391 2 ～0．816 8 L/(s·m)，渗透系数为1．176～2．537 m/d，属于中等富水性含水层，水化学类型以 HCO3-Ca型为主，矿化度为0.211～0.231 g/L，属于淡水，可作为生产生活用水。该第四系含水层渗透系数较大，利于水或其他液体渗流，因此，若渣场渗滤液渗漏到该含水层，将迅速扩散并污染整个含水层水质，造成生态环境污染、破坏，影响当地正常的生产生活。

4 第四系隔水层性质试验

研究区内隔水层主要为第四系中更新统离石组粉土、粉质黏土层［16］(表3)。第四系中更新统离石组粉土、粉质黏土隔水层在研究区内连续分布，厚度43～59 m，岩性以黄褐色粉土、粉质黏土为主。顶部粉土渗透系数2.45×10－6～4.71 ×10－6 cm/s，饱和度92.3～98.0，压缩模量3.4～4.8 MPa;中部粉质黏土渗透系数0.22×10－6 cm/s，饱和度93.0，压缩模量4.5 MPa;下部粉土渗透系数1.11×10－6～2.63×10－6 cm/s，饱和度为 93.0 ～99.0，压缩模量为2.5～3.8 MPa;其中夹数层灰褐色古土壤层，含大量钙质结核，局部钙质结核成层分布，底部粉质黏土渗透系数0.54×10－6 cm/s，饱和度95.1，压缩模量 5.0 MPa;为一相对隔水层［17-18］。

离石组粉土、粉质黏土层可有效隔离第四系松散含水层与下伏白垩系洛河组砂岩孔隙裂隙含水层［19-20］。在第四系松散含水层受渣场渗滤液污染的情况下，离石组粉土、粉质黏土层能够将污染体隔离在松散层中，避免白垩系洛河组砂岩孔隙裂隙含水层遭受污染。

5 结论

通过对陕北毛乌素沙漠南部某煤化工渣场第四系松散层渗透性进行研究，初步得出如下结论:

(1)研究区内第四系松散孔隙潜水含水层厚度28～41 m，包气带为风积沙、萨拉乌苏组砂层，厚度11～14 m，垂直渗透系数5.9～6.8 m/d。

(2)第四系松散层的单位涌水量0.391 2～0.816 8 L/(s·m)，渗透系数 1.176 ～2.537 m/d，中等富水性，易受渣场渗滤液渗漏污染。

(3)研究区隔水层为第四系中更新统离石组粉土、粉质黏土组成，区内普遍分布，隔水层厚43～59 m，隔水层段渗透系数0.000 2～0.011 2 m/d，不透水—微透水性，隔水性能良好，基本隔断了第四系松散孔隙潜水含水层与基岩孔隙裂隙承压含水层间的水力联系，起到一定的隔离污染物的作用。

(4)煤化工渣场附近地下水应长期监测，掌握地下水特别是潜水含水层动态变化规律，并在渣场周边修建截排水沟，设置渗滤井和防渗帷幕，以防渣场渗滤液直接渗入地下水系统而污染地下水。

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