大興迭隆起隱伏巖溶水資源保護措施分析

王新娟

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195）

0 引言

北京市歷史上有豐富的地下水資源，以往玉泉山山泉涌流，清河和蓮花河一帶也有不少自流井。地下水主要接受山區(qū)河谷潛流、大氣降水和地表河水補給。地下水根據(jù)賦存介質(zhì)可分為第四系松散孔隙水和賦存于巖石裂隙和溶隙的基巖裂隙水和巖溶水。北京平原區(qū)第四系松散孔隙水由于長期超采，地下水位持續(xù)下降，引發(fā)了一系列環(huán)境地質(zhì)問題，諸如地下水降落漏斗不斷擴展、局部含水層疏干、地面沉降范圍不斷擴大、沉降量逐年增加和地裂縫等。因此，北京市水資源供應(yīng)轉(zhuǎn)向開采深部巖溶地下水。

巖溶水是北京市水資源重要的組成部分，其資源豐富、儲存量大、出水量大、水質(zhì)優(yōu)良，是北京市重要的戰(zhàn)略應(yīng)急后備水源[1]。雖說北京市比較富含巖溶地下水資源，但是，由于其大部分特別是平原區(qū)隱伏巖溶水埋藏較深，地下水循環(huán)交替條件差，開采利用應(yīng)以可持續(xù)利用為目的，遵循采補平衡原理，慎重開采。

大興迭隆起區(qū)隱伏巖溶水分布有大興第一、第二水廠水源地、孫村水廠水源地、東高地水源地和通州水廠水源地[2]，由于本地淺層第四系地下水污染嚴(yán)重，巖溶地下水的開采在本區(qū)生活飲用水供水中肩負(fù)著重要責(zé)任，近年來，隨著地表水的減少，地下水開采量多處于超采狀態(tài)，地下水位逐年下降，尤其是通州水廠水源地地下水位下降的尤為厲害。隱伏型巖溶水系統(tǒng)規(guī)模大、資源要素構(gòu)成復(fù)雜、轉(zhuǎn)換關(guān)系復(fù)雜、環(huán)境質(zhì)量比較脆弱[3]，其發(fā)育受構(gòu)造控制，補、徑、排條件難以通過地面工作探查明晰[4]。目前，用于調(diào)查隱伏巖溶地下水含水層的發(fā)育情況、補、徑、排條件及富水性特征等水文地質(zhì)條件的方法主要有鉆探、物探、同位素、化學(xué)示蹤方法及模型模擬識別法[5,6]。對于大興隱伏巖溶水分布區(qū)來說，由于城市化使得鉆探、物探方法實施起來比較困難；化學(xué)示蹤法也有一定的困難，且某些化學(xué)示蹤劑容易造成環(huán)境污染[8]，巖溶水本身較為脆弱，污染后難以治理，難以恢復(fù)；而利用地下水動態(tài)資料、水化學(xué)分析方法結(jié)合地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)可以間接獲取地下水補徑排信息。

本文以大興迭隆起巖溶水為研究對象，利用地質(zhì)、水文地質(zhì)、地下水動態(tài)、地下水化學(xué)分析和數(shù)值模擬[8]等方法確定了研究區(qū)基巖巖溶水的補徑排條件，在此基礎(chǔ)上利用反算法和數(shù)值法進行了資源評價，結(jié)合評價結(jié)果進一步開展了開采的環(huán)境影響分析，從可持續(xù)利用角度提出了巖溶地下水的保護措施。

1 研究區(qū)概況

大興迭隆起巖溶區(qū)位于北京平原區(qū)，北京凹陷東南，分布于大興－朝陽－豐臺－通州一線，地理位置為北緯39°37′～ 40°00′，東經(jīng)116°10′～116°50′隱伏巖溶面積大于767km2，包括大興地區(qū)、豐臺部分地區(qū)、通州地區(qū)和朝陽部分地區(qū)。

大興迭隆起隱伏巖溶水隱伏于永定河沖洪積平原中下游以及潮白河沖洪積平原中下游第四系巖層之下。永定河和潮白河分別在研究區(qū)西北部和東北部自北向南流過，河道基本干枯。研究區(qū)降雨量多年平均為563mm左右（1960～2010），時空分布不均，年內(nèi)降雨多集中在6～9月份，占全年降水量的85%以上。降水量年際變化較大，常出現(xiàn)連續(xù)豐水或枯水年份。工作區(qū)地下水埋深多在10m以深，超過該區(qū)地下水蒸發(fā)的極限深度。

在研究區(qū)第四系孔隙含水層之下，隱伏基巖巖溶含水層，黃村向斜核部為奧陶系冶里組、亮甲山組，翼部依次為寒武系炒米店組、張夏組、饅毛組、昌平組，青白口系景兒峪組和長龍山組；通州向斜核部為寒武系饅毛組、翼側(cè)依次為寒武系昌平組、青白口系景兒峪組和長龍山組。

研究區(qū)內(nèi)斷裂較為發(fā)育，以北東-南西向為主，其次為北西-南東向。黃村向斜與通州向斜通過寒武系長龍山組連接。奧陶系以灰?guī)r、白云巖巖溶裂隙水為主，在黃村鎮(zhèn)一帶富水性較好，一般單位涌水量在450～500 m3/d·m，最大單位涌水量2930.02m3/d·m，最小單位涌水量124.5～115.0m3/d·m，東高地火箭研究院一帶單位涌水量為42.11～282.86m3/d·m；寒武系中上統(tǒng)含水層在黃村向斜中部、黑莊戶一帶發(fā)育較好，單位涌水量可達80m3/d·m左右。研究區(qū)東北部龍旺莊一帶寒武系下統(tǒng)昌平組含水層巖溶裂隙發(fā)育，水位降低0.59～8.86m，出水量1371～5152 m3/d。青白口系景兒峪組富水段單位涌水量48.94～2085 m3/d·m。區(qū)內(nèi)巖溶水含水層主要受黃村向斜、通州向斜以及南苑通縣斷裂、永定河斷裂等構(gòu)造控制（圖1、圖2）。

圖1 大興迭隆起巖溶水系統(tǒng)地質(zhì)構(gòu)造圖

圖2 大興迭隆起巖溶地區(qū)典型剖面圖

在研究區(qū)東北部南苑-通縣斷裂邊界西北側(cè)為隔水的第三系地層。在研究區(qū)西北部南苑-通縣斷裂一側(cè)為巨厚層第三系隔水巖層下覆寒武系透水巖層，另一側(cè)為透水的奧陶系及青白口系地層，其中奧陶系地層與斷層西北部不透水的第三系地層接觸，約在700m以下部分?jǐn)鄬訓(xùn)|南的透水的寒武系及青白口系巖層與斷層西北透水的寒武系巖層接觸。因此，可以認(rèn)為南苑-通縣斷裂是隔水的。

永定河斷裂北起軍莊，向南東經(jīng)永成莊至立垡村一帶進入研究區(qū)，斷裂總體走向北西320°。目前研究認(rèn)為，地下水通過永定河斷裂，經(jīng)北京凹陷地帶，側(cè)向排泄至大興迭隆起隱伏基巖區(qū)的可能性較??；而在垂向上，第四系地下水通過斷裂破碎帶越流補給基巖含水層的可能性較大，并且經(jīng)過大興迭隆起隱伏巖溶地下水流模型的模擬分析更加進一步證實了此結(jié)論。

由多年地下水動態(tài)和水化學(xué)資料分析可知，巖溶含水層與上覆第四系孔隙含水層有良好的水力聯(lián)系，各層位巖溶水的主要補給來源為上覆第四系孔隙含水層的越流補給。奧陶系巖溶水流向基本為自西北向東南，寒武系巖溶水流向基本為西南向東北。這與基巖構(gòu)造以及不同地區(qū)巖溶裂隙水的開采程度均有一定的關(guān)系。基巖含水層的排泄基本為人工開采，開采方式主要為集中水廠開采和分散自備井開采，近年來，基巖巖溶水年開采總量在4000萬m3左右，巖溶水開采量約占區(qū)內(nèi)地下水開采總量的30.41%。

2 第四系含水層和基巖巖溶水的水力聯(lián)系

2.1 地下水動態(tài)

在大興地區(qū)第四系與基巖之間粘性土分布并不完全連續(xù)，部分地段存在透水“天窗”。

由圖2中基巖長觀孔DJ35-3B水位動態(tài)曲線與第四系承壓水長觀孔DJ35-2B水位動態(tài)

曲線之間的關(guān)系可以看出，基巖巖溶裂隙水水位與第四系承壓水水位變化規(guī)律保持一致，其相關(guān)性系數(shù)為0.98，見圖3。由圖3和圖4可知大興地區(qū)基巖巖溶水和第四系地下水水力聯(lián)系緊密。

圖3 大興海子角監(jiān)測孔降雨與水位動態(tài)曲線圖

圖4 大興區(qū)基巖承壓水水位與第四系承壓水水位相關(guān)性分析圖

通州地區(qū)從宋莊鎮(zhèn)T57號井第四系潛水、承壓水水位過程線（圖5），結(jié)合通州地區(qū)第四系地層結(jié)構(gòu)及開采條件可知，通州區(qū)第四系承壓水含水層厚度較大與第四系潛 水含水層之間有較連續(xù)的粘土層阻隔，第四系潛水與承壓水聯(lián)系較弱。結(jié)合以往研究可知，通州地區(qū)基巖地下水與第四系承壓水整體水力聯(lián)系較差，除部分地區(qū)，如在龍旺莊水源地開采區(qū)存在透水“天窗”，基巖接受上覆第四系補給外，基巖與第四系承壓水水力聯(lián)系較弱。

圖5 通州區(qū)T57號井第四系含水層年內(nèi)水位動態(tài)曲線

2.2 水化學(xué)特征

根據(jù)2012年地下水水化學(xué)取樣分析，由圖6工作區(qū)水化學(xué)Piper圖特征的分析可知，大興地區(qū)基巖地下水水化學(xué)類型與第四系地下水水化學(xué)類型基本相同，基巖地下水與第四系地下水水力聯(lián)系良好；通州地區(qū)寒武系巖溶裂隙水第四系地下水化學(xué)類型不同，基巖巖溶水與第四系地下水水力聯(lián)系較弱。

圖6 工作區(qū)水化學(xué)對比piper圖

3 研究區(qū)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀和資源量

3.1 研究區(qū)地下水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

研究區(qū)巖溶地下水開采以供生活用水的水廠開采和企事業(yè)單位自備井開采為主，自備井開采除了供某些單位生活用水外兼顧工業(yè)用水。據(jù)統(tǒng)計，2011年研究區(qū)共有基巖開采井280眼，其中水廠開采井75眼，自備井205眼；巖溶水開采總量約為4244.31×104m3，水廠開采量3328.66×104m3，自備井開采915.65×104m3。

3.2 地下水資源計算評價

本區(qū)巖溶水為隱伏巖溶水，巖溶水資源可以通過反算法、越流量法、開采試驗法和數(shù)值模型法等方法計算評價，本次資源計算評價分別選用動態(tài)反算法和數(shù)值法，計算參數(shù)根據(jù)研究區(qū)以往和本次抽水試驗成果，計算時間選擇2011年降水量，2011年降水接近平水年，計算范圍僅限可供飲用的奧陶系、寒武系及青白口系巖溶含水巖組。

（1）補給量的計算

采用基于均衡原理的反算法進行資源計算，本次計算首先把研究區(qū)第四系地下水和基巖巖溶地下水當(dāng)成一盆水，計算其補給量、第四系消耗量和第四系儲存變化量，扣除第四系量，剩余就認(rèn)為是基巖巖溶水獲取的補給量。

即：Q基補=Q補-Qsc-Q排-△Q （1）

式中，Qsc—為第四系開采量，Q排—為第四系自然排泄量，△Q—第四系儲存變化量。

經(jīng)計算，大興巖溶水系統(tǒng)地下水補給量為3088.75×104m3/a，見表1。

表1 大興-通州巖溶水系統(tǒng)越流補給量計算表（單位：萬m3）

（2）消耗量

研究區(qū)基巖巖溶水的消耗量主要是人工開采和極少量側(cè)向流出量，人工開采包括水廠開采和自備井開采，由前面開發(fā)利用現(xiàn)狀可知，總開采量為4244.31×104m3/a。

（3）地下水資源評價

根據(jù)水均衡原理，可以計算出研究區(qū)巖溶地下水資源補排差為-1155.56×104m3/a，而根據(jù)地下水位動態(tài)計算的巖溶地下水儲存變化量為-1150.53×104m3/a，兩項結(jié)果誤差僅為4.43%，計算成果可用來進行地下水資源評價。

根據(jù)補排差和儲存變化量，研究區(qū)巖溶地下水為負(fù)均衡，開采指數(shù)為13.7，處于嚴(yán)重超采狀態(tài)，因此應(yīng)對研究區(qū)基巖巖溶水進行壓采養(yǎng)蓄。

4 巖溶水開采的環(huán)境影響分析

4.1 水資源枯竭

研究區(qū)內(nèi)除第四系松散含水層的開采外，巖溶地下水開采以供生活用水的水廠開采和企事業(yè)單位自備井開采為主，自備井開采除了供某些單位生活用水外兼顧工業(yè)用水。根據(jù)3.2節(jié)均衡分析可知，目前區(qū)內(nèi)地下水均處于超采和嚴(yán)重超采狀態(tài)，從2000年至2011年大興地區(qū)巖溶水地下水位年均下降2m，通州地區(qū)從1995年到2000年地下水位下降13.38m，年均下降2.6m，2008年以來水位下降更是嚴(yán)重，截止2011年龍旺莊水源地已經(jīng)有5～6眼井被迫停采。

4.2 第四系松散地層地面沉降加劇

引發(fā)地面沉降的因素很多，其中包括人為過量開采地下水，長期過量超采地下水，造成地下水位的大幅下降，導(dǎo)致含水層上覆土層孔隙水壓力降低，土層固結(jié)失水壓縮，含水層顆粒排列緊密，形成地面沉降。研究表明，超采地下水是引起北京市平原區(qū)地面沉降的主要原因，北京市南部地面沉降與地下水位下降總體趨勢基本一致。

工作區(qū)地下水開采量較大的通州－朝陽一帶累積地面沉降量較大，大興地區(qū)也存在一定的地面沉降問題，且隨著地下水持續(xù)過量開采而持續(xù)發(fā)展。1955～2005年區(qū)內(nèi)大興一帶累積地面沉降量由北向南逐漸增大，至2005年大興地區(qū)累積地面沉降量已達200mm左右。

北京平原區(qū)的地面沉降主要是地下水大量超采，造成第四系承壓含水層地下水位持續(xù)下降而產(chǎn)生。在本地區(qū)，由于第四系含水層與巖溶含水層水力聯(lián)系較為密切，基巖含水層補給資源全部來自上覆第四系含水層。巖溶水的過量開采可能誘發(fā)或者加劇工作區(qū)第四系地面沉降。因而，應(yīng)當(dāng)將工作區(qū)松散層孔隙水和巖溶水作為統(tǒng)一的地下水資源來考慮，將地下水開采總量控制在可開采量范圍內(nèi)，才能控制本區(qū)的地面沉降。

4.3 水質(zhì)惡化

（1）大興區(qū)

近十幾年來，地下水是大興區(qū)主要的供水水源。根據(jù)資料，大興區(qū)淺層水的總硬度以及亞硝鹽氮檢測超標(biāo)（王小英等，2008），不能達到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，同時區(qū)內(nèi)地表水過境污水總量為2.3～3.5×104m3，鳳河、新鳳河、涼水河作為污水處理廠的排污河道，處理后的地下水直接排入河道，加速了淺層水體的惡化。由于水質(zhì)較差，加之開采條件差（單井出水量?。镜貐^(qū)潛水含水層不作為供水層。大興區(qū)的農(nóng)業(yè)開采以及城鎮(zhèn)工業(yè)用水大部分來自第四系的淺層承壓水，城鎮(zhèn)生活用水主要開采第四系深層承壓水及基巖巖溶承壓水。其中，巖溶水開采量約占區(qū)內(nèi)開采總量的30.41%。

大興區(qū)第四系地下水和巖溶水水利聯(lián)系緊密，因此，隨著地下水的開采，該區(qū)域在超采條件下存在著水動力條件改變，上下層間的水力梯度增大，而導(dǎo)致受污染的超標(biāo)淺層水向深層水體移動的風(fēng)險，是巖溶水遭受污染的主要途徑。

目前大興區(qū)基巖地下水水質(zhì)并沒有發(fā)生嚴(yán)重的惡化，分析其原因，主要是由于基巖含水層隱伏于第四系之下，其間發(fā)育的粘土層起到了相對隔水的作用，同時粘粒成分可吸附地下水中有害物質(zhì)，對地下水起到一定的凈化作用，因此防污能力較好。但是由于粘土層的弱透水性及透水“天窗”的存在，加之開采井對第四系水與基巖承壓水的混采增加了二者間的水力聯(lián)系，深層承壓地下水雖不易受到污染，但并非絕對的不受污染，這一過程可能十分緩慢，且一旦受到污染將很難恢復(fù)。因此，從長遠(yuǎn)的角度考慮，更應(yīng)該加強對區(qū)域深層基巖水的保護。

（2）通州地區(qū)

自上世紀(jì)70年代中期以來，由于地下水的集中和超量開采，通州區(qū)地下水形成了局部的降落漏斗，工作區(qū)北部處于天竺－通州漏斗范圍內(nèi)。在地下水降落漏斗分布區(qū)地下水徑流方向為由漏斗的四周向漏斗中心匯集，造成了局部地下水流場的變化，因此要特別注意這種流場變化對區(qū)域地下水水質(zhì)產(chǎn)生的影響。根據(jù)已掌握的水化學(xué)資料，通州區(qū)地下水除第四系水硝酸鹽含量略有升高以外，其他指標(biāo)隨著開采的進行變化不大，均符合飲用水規(guī)范。

從地質(zhì)構(gòu)造條件的角度來分析，通州地區(qū)第四系厚度與大興區(qū)相比相對較厚，一般在200m左右，巖性以中細(xì)砂、中粗砂夾亞粘土、粘土為主，其黏土層厚度在50～70m。一般來說，粘土層越厚，土質(zhì)粘性越大，其滲透性也越差，對污染物的降解能力也越強，可以有效的防止地表及淺層水體的污染物進入深層承壓水，地下水開采對通州區(qū)基巖水水質(zhì)影響不大。

5 巖溶地下水保護措施

大興迭隆起隱伏巖溶水與上覆的第四系松散含水層水力聯(lián)系密切，是一個統(tǒng)一的含水系統(tǒng)，因而應(yīng)該將整個含水層系統(tǒng)作為整體進行統(tǒng)一管理：

（1）由資源計算評價結(jié)果可知，目前本區(qū)巖溶水大都處于超采和嚴(yán)重超采狀態(tài)，因而本區(qū)應(yīng)嚴(yán)格限制新增加任何開采井，嚴(yán)格計量和計劃用水制度；建議在南水北調(diào)來水后通過南水北調(diào)來水作為替代水源，將地下水開采量壓縮到可開采量以下，或通過人工回灌等措施，使地下水位逐步回升，地下水儲存量逐步增加，在南水北調(diào)來水之前可通過節(jié)水、利用非常規(guī)水源等措施減緩地下水位的持續(xù)下降，降低地下水枯竭程度。

（2）由于本區(qū)巖溶水的補給基本為上覆第四系松散孔隙水的越流補給量，因而如果上覆孔隙水被污染，巖溶水也會逐步受到污染，巖溶水的地下水保護應(yīng)從上覆松散含水層的保護作起，應(yīng)該加強工作區(qū)松散孔隙含水層地下水污染的防治，以保護巖溶水不受污染；目前區(qū)內(nèi)已建水源地開采基本為第四系水與巖溶水混采，容易造成含水層串層污染等問題，建議盡量關(guān)閉混層開采井，進行分層開采。

（3）工作區(qū)巖溶水監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)仍需完善，尤其應(yīng)補充地下水位下降較快地區(qū)，如大興念壇水源地奧陶系和寒武系含水層、通州下寒武統(tǒng)及青白口系巖溶含水層水位的實時監(jiān)測。

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