地下水開采引起水質(zhì)變化的機(jī)理
——以北京懷柔應(yīng)急水源地為例

楊 楠，周 俊，李世君，潘 懋

(1.北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點實驗室，北京 100871;2.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871;3.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048)

2003 年開始，北京市先后建立了懷柔、平谷、張坊、馬池口等應(yīng)急水源地以緩解城市供水問題。調(diào)查表明，懷柔應(yīng)急水源地自開采以來，平均應(yīng)急開采量約為1.2 億m3/a［1］，其在為城市供水提供保障的同時，也引起了地下水動力場和水化學(xué)場的變化，最直接的表現(xiàn)是地下水位持續(xù)下降、地下水水質(zhì)指標(biāo)(硬度、礦化度)持續(xù)升高等。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

北京市懷柔應(yīng)急水源地位于潮白河沖洪積扇的中上部，區(qū)內(nèi)第四系沉積物廣泛分布于平原和山間溝谷，沉積層呈北薄南厚、東薄西厚的特點;巖性呈典型的沖洪積扇分布特征。根據(jù)松散層的沉積規(guī)律和埋藏條件，區(qū)內(nèi)含水層由上到下分為潛水含水層(小于45 m)、淺層承壓含水層(45 ～120 m)和深層承壓含水層(大于120 m)，其中，潛水含水層與淺層承壓含水層之間沒有連續(xù)隔水層，水力聯(lián)系較為密切，通常統(tǒng)一定義為淺層含水層，而埋深超過120 m的含水層為深層含水層，地下水水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg［2-4］。

懷柔應(yīng)急水源地共布設(shè)42 眼水源井，其中深、淺層開采井各21 眼，圖1 所示為懷柔應(yīng)急水源地范圍及水源井位置。

圖1 懷柔應(yīng)急水源地范圍及水源井分布

2 地下水水質(zhì)變化情況

2.1 地下水水質(zhì)隨時間的變化

懷柔應(yīng)急水源地地下水在自然條件和人為條件的共同作用下，其水質(zhì)變化可分為如下3 個階段。

a. 1981—1998 年為水質(zhì)穩(wěn)定時期。在這一時期，懷柔應(yīng)急水源地地下水硬度的平均年變化率約為6%，礦化度平均年變化率約為5%，雖然年際間礦化度和硬度有所波動，但總體趨勢保持不變，甚至在1993—1994 年礦化度和硬度有明顯下降趨勢，如圖2 所示。

圖2 懷柔應(yīng)急水源地開采前水質(zhì)動態(tài)分布

b. 1999—2002 年為水質(zhì)陡變時期。在這一階段，水質(zhì)指標(biāo)變化幅度突然加大，前橋梓地區(qū)和懷柔自來水的礦化度變化率分別達(dá)到70%和74%，硬度變化率達(dá)到79%和22%。另外，在這一階段，北京一直處于干旱時期，降水量不足加上地下水開采量增大，導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)水位降幅增大。

c. 2003 年至今為水質(zhì)平穩(wěn)變化階段。在這一時期，區(qū)內(nèi)水源井水質(zhì)的變化較為平緩，但總體呈上升趨勢(圖3)，2010 年監(jiān)測到的淺井平均硬度較開采前增加了約29%，平均礦化度較開采前增加了32%。水源深井的礦化度和硬度變化相對較小，與開采前相比，2010 年監(jiān)測的深井平均硬度上升了4.5%，平均礦化度增加了為8.7%。

2.2 地下水水質(zhì)空間上的變化

懷柔應(yīng)急水源地水源井空間上呈倒“Y”字形，中心位置為15 號井。圖4(a)所示為2003 年地下水硬度分布圖，圖4(b)為2010 年地下水硬度分布圖，表1為懷柔應(yīng)急水源地開采前和2010 年地下水硬度空間分布規(guī)律;礦化度與硬度的分布規(guī)律相似。

表1 懷柔應(yīng)急水源地開采前和2010 年地下水硬度分布對比

圖3 懷柔應(yīng)急水源地多年水質(zhì)變化曲線

懷柔應(yīng)急水源地自2003 年投入使用以來，水源地中心(15 號井)的開采量最大，向水源地四周開采量逐漸降低，即地下水的開采量與2010 年地下水硬度的空間分布規(guī)律相同。

3 地下水開采與水質(zhì)變化的關(guān)系

國內(nèi)外許多學(xué)者就地下水長期過量開采導(dǎo)致地下水硬度和礦化度呈逐年上升這一問題展開了討論，一般認(rèn)為，地下水硬度和礦化度升高的原因有以下幾種:①自然界和地下水中的CO2分壓增加和鹽效應(yīng)作用;②與地下水過量開采有關(guān);③鹽污染產(chǎn)生的陽離子交換作用［5-6］。

筆者重點探討地下水開采與水質(zhì)變化的關(guān)系，因此通過對懷柔應(yīng)急水源地水源井的平均水位、硬度與礦化度資料進(jìn)行收集，分析水源井地下水水位與水質(zhì)的相關(guān)關(guān)系，擬合它們之間的關(guān)系式(圖5)。

分析地下水開采引起水質(zhì)變化的機(jī)理主要有如下兩點:

a. 懷柔應(yīng)急水源地水源淺井的硬度與水位的相關(guān)系數(shù)平方數(shù)為0.907 3，礦化度與地下水位的相關(guān)系數(shù)平方數(shù)為0.934 1;水源深井硬度與地下水位的相關(guān)系數(shù)平方數(shù)為0.920 6，礦化度與地下水位的相關(guān)系數(shù)的平方數(shù)為0.688 9，以上相關(guān)系數(shù)均為正值。懷柔應(yīng)急水源地地下水水位與硬度、礦化度均呈正相關(guān)關(guān)系，說明地下水開采導(dǎo)致地下水位埋深增加，進(jìn)而導(dǎo)致地下水硬度和礦化度增大，根據(jù)已有數(shù)據(jù)可以計算出水源深井和水源淺井與水質(zhì)變化的定量公式。

水源淺井:

圖4 地下水硬度空間分布(單位:mg/L)

圖5 地下水水位與水質(zhì)關(guān)系

水位與硬度y=0.0363x2-0.2123x+203.59

水位與礦化度 y=0.1347x2-4.2523x+378.72

水源深井:

水位與硬度y=94.901exp(0.009 5x)

水位與礦化度 y = 0.073 7x2- 4.041 1x +298.08

式中:y 為水位;x 為硬度或礦化度。

按照這種趨勢，分別對2012—2014 年的水位、硬度和礦化度進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果見表2。由此判斷，如果繼續(xù)以目前的開采規(guī)模和方式開采地下水，懷柔應(yīng)急水源地地下水的水質(zhì)指標(biāo)將持續(xù)升高。

表2 懷柔應(yīng)急水源地地下水埋深與水質(zhì)預(yù)測

b. 懷柔應(yīng)急水源地含水層在垂向上的分為淺層和深層含水層，地下水開采是兩者水質(zhì)變化的主要原因之一，但兩者水質(zhì)的變化原理略有不同。

因為潛水與淺層承壓水之間為不連續(xù)的隔水層，形成天窗，隨著地下水的開采，地下水水位低于潛水與淺層承壓水之間的不連續(xù)隔水層(圖6)，因此硬度和礦化度相對較高的潛水越流補(bǔ)給硬度和礦化度相對較低的淺層承壓水，使水源井開采的地下水水質(zhì)變差。

圖6 潛水越流補(bǔ)給淺層承壓水示意圖

地下水埋深的大小反映了包氣帶的厚薄:水位下降，地下水埋深大，包氣帶厚度增大，補(bǔ)給水源入滲的途徑變長使淋濾距離大，作為補(bǔ)給來源的水與包氣帶及土壤的相互作用時間及距離增加，因此進(jìn)入淺層地下水中的礦物離子也隨之增加，源井開采的地下水水質(zhì)發(fā)生變化［7-10］。懷柔應(yīng)急水源地地下水質(zhì)變化的機(jī)理主要有兩點:①地下水的大量開采導(dǎo)致地下水位下降、地下水埋深大，包氣帶厚度增大，補(bǔ)給水源入滲的途徑變長，使淋濾距離大;②潛水與淺層承壓水之間為不連續(xù)的隔水層，形成天窗，隨著地下水的開采，地下水水位低于潛水與淺層承壓水之間的不連續(xù)隔水層，因此硬度和礦化度相對較高的潛水越流補(bǔ)給硬度和礦化度相對較低的淺層承壓水，使水源井開采的地下水水質(zhì)變差。

4 結(jié) 語

通過以上分析，除了降雨、農(nóng)業(yè)灌溉等因素影響外，在北京連續(xù)干旱年的時段中，懷柔應(yīng)急水源地中經(jīng)過8 年多的持續(xù)開采，使得區(qū)域地下水位普遍下降，這是該地區(qū)地下水水質(zhì)惡化的重要原因，根據(jù)預(yù)測，2014 年水源深井的礦化度、硬度將分別達(dá)到383.8 mg/L 和186.6 mg/L，水源淺井的礦化度、硬度將分別達(dá)到623.8 mg/L 和326.9 mg/L，如不能對地下水水質(zhì)進(jìn)行有效控制，最終可能導(dǎo)致相應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)超出國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)而使得水源地的水不能作為生活飲用水繼續(xù)開采。

基于以上分析，建議在南水北調(diào)工程的水資源進(jìn)京后對懷柔應(yīng)急水源地進(jìn)行停采，利用一切回灌設(shè)施進(jìn)行人工回灌恢復(fù)地下水水位，保障懷柔應(yīng)急水源地在以后持續(xù)發(fā)揮應(yīng)急備用功能，保障首都的供水安全。

［1］周俊，李世君.北京市懷柔應(yīng)急水源地地下水動態(tài)檢測報告(2010)［R］. 北京:北京市地質(zhì)工程勘察院，2004-2011.

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