北方巖溶區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查進(jìn)展
——以北京西山巖溶區(qū)為例

梁永平，趙春紅，唐春雷，王維泰，申豪勇

（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所國(guó)土資源部、廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004）

北方巖溶區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查進(jìn)展
——以北京西山巖溶區(qū)為例

梁永平，趙春紅，唐春雷，王維泰，申豪勇

（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所國(guó)土資源部、廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004）

該文是在地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“北方巖溶水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查示范”成果基礎(chǔ)上歸納編寫的。工作區(qū)選擇北京西山玉泉山泉域、黑龍關(guān)泉域和魚(yú)谷洞泉域。調(diào)查中采用了地面調(diào)查、遙感解譯、地球物理勘探、水文地質(zhì)鉆探、示蹤試驗(yàn)、水均衡站觀測(cè)、水化學(xué)以及δD、δ18O、C、δ34S、Sr同位素方法手段，獲取了大量第一手資料，通過(guò)對(duì)包括前人資料的綜合研究，取得以下主要進(jìn)展：①查明了該區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件和環(huán)境問(wèn)題，將工作區(qū)劃分為2個(gè)含水巖組、3個(gè)巖溶水系統(tǒng)和5個(gè)子系統(tǒng)；②通過(guò)對(duì)黑龍關(guān)泉域均衡觀測(cè)，獲得了寒武—奧陶系和薊縣系碳酸鹽巖裸露區(qū)降水入滲系數(shù)，并采用最新資料評(píng)價(jià)了天然資源量和可開(kāi)采資源量；③針對(duì)突出的巖溶水環(huán)境問(wèn)題（含潛在問(wèn)題），從政策、技術(shù)和工程3方面提出了巖溶水保護(hù)和環(huán)境問(wèn)題治理的建議。

北方巖溶水；水文地質(zhì)學(xué)；環(huán)境地質(zhì)學(xué)；北京西山

0 引言

中國(guó)北方巖溶水以集中程度高、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、水質(zhì)良好的自然屬性成為30多個(gè)地市級(jí)以上城市和100多個(gè)縣級(jí)城市的生活飲用水，數(shù)十個(gè)大中型火電廠冷卻用水，是70%以上大型煤礦生活、生產(chǎn)用水和上千萬(wàn)畝農(nóng)田灌溉用水的水源。不少巖溶大泉由于其豐富的歷史和文化內(nèi)涵、獨(dú)特的自然景觀而成為重要的旅游資源，并且起到維系河流沿岸生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展的作用。巖溶水為改革開(kāi)放30多年的北方國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展提供了保障，特別在城市供水和能源基地建設(shè)中發(fā)揮了不可替代的支撐作用。然而近30年來(lái)，隨著泉域自然條件改變和人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加，巖溶水環(huán)境問(wèn)題凸顯，在短短幾十年內(nèi)有近30%的巖溶大泉斷流，80%的泉水流量大幅度衰減，區(qū)域巖溶地下水位每年以1～2m的速度持續(xù)下降，有20%以上的巖溶水系統(tǒng)主排泄帶的水質(zhì)在Ⅲ類以下且總體趨向惡化［1］。巖溶水環(huán)境問(wèn)題大大加劇了水資源供需矛盾，制約了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展。在此背景下，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局于2012年啟動(dòng)了“北方巖溶區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查示范”項(xiàng)目，首先選擇北京西山玉泉山泉域、黑龍關(guān)泉域和魚(yú)谷洞泉域巖溶水系統(tǒng)開(kāi)展1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查示范，其目的是查明巖溶水文地質(zhì)條件，開(kāi)展巖溶水資源評(píng)價(jià)；查明巖溶水主要環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，揭示其成因機(jī)制，為北方巖溶水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查提供技術(shù)支撐，為北京西山巖溶水開(kāi)發(fā)、管理與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 取得的主要成果

1.1 劃分了碳酸鹽巖含水巖組

根據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)性質(zhì)及地下水在垂向上的聯(lián)系密切程度，將工作區(qū)劃分為上部新元古界青白口系和下古生界寒武—奧陶系巖溶含水巖組，以及下部中元古界薊縣系巖溶含水巖組。上含水巖組包括新元古界青白口系景兒峪組乳白—青綠色中薄層大理巖化灰?guī)r，下寒武統(tǒng)昌平組灰色中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r、中寒武統(tǒng)張夏組灰黑色中厚層狀鮞狀灰?guī)r、上寒武統(tǒng)灰—灰黑色竹葉狀灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r，下奧陶統(tǒng)青灰色中厚層中細(xì)晶燧石條帶（團(tuán)塊）白云巖、中奧陶統(tǒng)灰黑色中厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及土黃色泥質(zhì)白云巖；下含水巖組主要包括中元古界薊縣系霧迷山組灰—灰白色中厚—中薄層燧石條帶白云巖和鐵嶺組灰色中厚層燧石條帶白云巖。2個(gè)含水巖組之間為青白口系下馬嶺組—長(zhǎng)龍山組碎屑巖隔水層，通常情況下，上、下2個(gè)含水層之間水量交換微弱，而上含水巖組中毛莊組—徐莊組頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r和下含水層中洪水莊組頁(yè)巖，由于其發(fā)育厚度以及在本區(qū)強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的地質(zhì)背景條件下，具有透水但不含水的水文地質(zhì)特性。

1.2 劃分了巖溶水系統(tǒng)與子系統(tǒng)

首次將工作區(qū)劃分為3個(gè)巖溶水泉域系統(tǒng)和5個(gè)子系統(tǒng)（表1、圖1），對(duì)各系統(tǒng)邊界與水文地質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行了厘定，同時(shí)全面分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)水資源要素與轉(zhuǎn)化關(guān)系。進(jìn)行了巖溶地下水富水性分區(qū)（圖2），并從影響巖溶發(fā)育因素著手，對(duì)巖溶地下水富集規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)［1-4］。

表1 北京巖溶水系統(tǒng)劃分結(jié)果Tab．1 Dividing results of Karst water system in Beijing

1.3 獲取基礎(chǔ)參數(shù)并首次分系統(tǒng)采用最新資料進(jìn)行了巖溶水資源質(zhì)、量評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)黑龍關(guān)泉域泉水流量、降水量、碎屑巖地區(qū)產(chǎn)流量等為期1年的均衡監(jiān)測(cè)，計(jì)算得出上含水巖組碳酸鹽巖裸露區(qū)的降水入滲系數(shù)為0.266 8，下含水巖組碳酸鹽巖裸露區(qū)的降水入滲系數(shù)為0.173 7。以此為基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)得玉泉山泉域巖溶水的天然資源量10 348萬(wàn)m3／a，可開(kāi)采資源量6 401萬(wàn)m3／a；黑龍關(guān)泉域巖溶水系統(tǒng)的天然資源量2 438.1萬(wàn)m3／a，可開(kāi)采資源量1 308萬(wàn)m3／a；魚(yú)谷洞泉域巖溶水系統(tǒng)的天然資源量1 910.83萬(wàn)m3／a，可開(kāi)采資源量1 064.45萬(wàn)m3／a。

對(duì)本次工作獲取的206個(gè)巖溶水樣品的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果［5］表明，水質(zhì)類型優(yōu)于Ⅲ類的樣品數(shù)占總評(píng)價(jià)數(shù)的95%以上，本區(qū)巖溶水總體屬于優(yōu)質(zhì)水源，可作為北京市可靠的后備應(yīng)急飲用水供水水源。

1.4 查明了巖溶水主要環(huán)境問(wèn)題

（1）泉水季節(jié)性斷流，區(qū)域地下水位持續(xù)下降，泉域巖溶水嚴(yán)重超采。玉泉山泉域巖溶水處于嚴(yán)重超采狀態(tài)，現(xiàn)狀超采量達(dá)2 300～3 600萬(wàn)m3／a，表現(xiàn)在泉域內(nèi)主要排泄點(diǎn)玉泉山泉、黑龍?zhí)度獢嗔?，河北泉、萬(wàn)佛堂泉季節(jié)性斷流；區(qū)域巖溶地下水位持續(xù)下降（表2、圖3），形成大面積超采區(qū)（圖4）。

表2 玉泉山泉域徑流、排泄區(qū)地下水位降深統(tǒng)計(jì)表Tab．2 Statistics of groundwater drawdown in runoff and drainage area of Yuquanshan springshed

續(xù)表

圖3 區(qū)內(nèi)巖溶水位長(zhǎng)觀孔動(dòng)態(tài)曲線圖Fig．3 Dynam ic curve of Karst water level of the long view drill

（2）永定河水和煤礦開(kāi)采是本區(qū)主要區(qū)域性污染源。永定河水作為巖溶地下水主要補(bǔ)給源，其水質(zhì)受到污染后必將累及巖溶地下水。圖5中可以看出，受永定河水高Na＋含量的影響，巖溶地下水中Na＋含量大于20 mg／L的分布區(qū)沿永定河及向地下水徑流方向的下游東部地區(qū)分布。

采煤成為本區(qū)巖溶地下水的重要污染影響因素。根據(jù)調(diào)查，正在開(kāi)采的大安山煤礦排水（煤礦下游斷面實(shí)測(cè)平均流量為7 706.03 m3／d，含量133.2 mg／L）進(jìn)入下游碳酸鹽巖區(qū)后全部漏失；王平煤礦排水（實(shí)測(cè)流量為2 462 m3／d含量231.5 mg／L）直接進(jìn)入永定河碳酸鹽巖滲漏段；大臺(tái)煤礦、千軍臺(tái)煤礦、木城澗煤礦排水（3礦匯合后實(shí)測(cè)流量3 491.2 m3／d含量235.4 mg／L）通過(guò)清水澗河谷松散層潛流進(jìn)入永定河碳酸鹽巖滲漏區(qū)［6］。

已閉坑的楊坨煤礦“老窯水”直接進(jìn)入巖溶含水層，成為巖溶地下水污染源，表現(xiàn)在楊坨一帶巖溶地下水的水化學(xué)類型中均有，其中西楊坨巖溶井水質(zhì)分析資料的含量達(dá)到301.9 mg／L，已超出國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)，而34S同位素值為5.5‰，表明硫酸根來(lái)自于煤層；房山煤礦“老窯水”已污染到萬(wàn)佛堂地下河系統(tǒng)巖溶水，表現(xiàn)在孔水洞巖溶水的含量為156mg／L，其同位素值為4.3‰。此外，根據(jù)前人資料［7］，門城礦從2000年閉坑到2008年，礦坑中“老窯水”水位從-660 m上升至-5 m，蓄積總量達(dá)到2 300萬(wàn)m3，但直到調(diào)查期間仍未出流地表，根據(jù)水文地質(zhì)條件分析認(rèn)為，“老窯水”以地下潛流形式進(jìn)入永定河沖積扇松散層含水層，成為松散層孔隙地下水的重要污染源。此外區(qū)內(nèi)還有不少小型煤礦“老窯水”，成為巖溶水污染源，如潭柘寺北村礦“老窯水”（測(cè)定含量2 157.34 mg／L，pH值3.6）出流后進(jìn)入碳酸鹽巖區(qū)滲漏，致使北村巖溶井遭受污染，工作期間2次水質(zhì)分析結(jié)果表明，其含量分別為813mg／L、375mg／L，均超過(guò)飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

（3）巖溶地下水位持續(xù)下降面臨著串層污染威脅。玉泉山泉域巖溶地下水天然條件下主要通過(guò)平原區(qū)玉泉山泉和黑龍?zhí)度判梗?］，巖溶地下水位高于上覆松散層孔隙地下水位，由于巖溶地下水過(guò)量開(kāi)采，巖溶水位持續(xù)下降并逐步降至上覆松散層孔隙地下水位以下（圖6），因此在一些地區(qū)形成松散層孔隙水向下伏巖溶水的反越流補(bǔ)給，由于淺層孔隙水遭受污染并呈劣質(zhì)方向發(fā)展的趨勢(shì)（圖7），巖溶水必將存在上層污水“串層污染”的潛在威脅。

（4）部分地區(qū)存在巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)。從巖溶發(fā)育強(qiáng)度、覆蓋土層厚度以及巖溶地下水位波動(dòng)的動(dòng)力因子等條件分析，玉泉山泉口一帶、黑龍?zhí)兑粠б约巴堇锱璧氐凝埻跆靡粠Т嬖趲r溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)（圖4）。

2 巖溶地下水的管理與保護(hù)建議

2.1 玉泉山泉域巖溶水開(kāi)發(fā)管理

圖5 玉泉山泉巖溶水系統(tǒng)含鈉型水分布圖Fig．5 Distribution of sodium type water in Yuquanshan springshed

圖6 北京平原巖溶地下水及孔隙地下水動(dòng)態(tài)曲線Fig．6 Dynam ic curve of Karst groundwater and porous groundwater in Beijing plain

圖7 玉泉山區(qū)第四系地下水礦化度動(dòng)態(tài)變化曲線圖［9］Fig．7 Dynam ic change curve of Quaternary groundwater salinity in Yuquanshan［9］

玉泉山泉域巖溶水處于嚴(yán)重超采狀態(tài)，長(zhǎng)期發(fā)展必將引起各種水環(huán)境問(wèn)題。因此，要強(qiáng)化玉泉山泉域巖溶水開(kāi)采管理，調(diào)整布局、壓縮開(kāi)采量，達(dá)到巖溶水的持續(xù)性利用。建議對(duì)玉泉山泉域內(nèi)的海淀區(qū)、門頭溝區(qū)、石景山區(qū)、豐臺(tái)區(qū)和房山區(qū)按照可開(kāi)采資源量進(jìn)行開(kāi)采量分配，實(shí)行取水許可制度，在預(yù)留部分山區(qū)農(nóng)村人畜飲水量的基礎(chǔ)上，通過(guò)南水北調(diào)置換與水資源的行政區(qū)分配，壓縮開(kāi)采總量到泉域可開(kāi)采資源量6 400萬(wàn)m3／a以內(nèi)。要對(duì)八寶山斷裂帶內(nèi)現(xiàn)有水源地部分井采取關(guān)停、開(kāi)采量進(jìn)行壓縮調(diào)整，更不能新建、擴(kuò)建新的水源地；由于磁家務(wù)水源地開(kāi)采將激發(fā)大石河水的滲漏補(bǔ)給，使得大石河多數(shù)年份枯水季在磁家務(wù)水源地以下河段已無(wú)水徑流，因此需要壓縮開(kāi)采量，保證大石河水有地表水流出山口，以維系下游生態(tài)環(huán)境。

2.2 煤礦“老窯水”的環(huán)境影響評(píng)價(jià)與治理

工作區(qū)分布大量煤系地層，煤礦開(kāi)采有百年以上歷史，政策因素以及資源枯竭，大量煤礦被關(guān)閉，閉坑后的煤礦坑道將被地下水充填成為煤礦“老窯水”。由于煤層中多含有黃鐵礦，受氧化后“老窯水”將形成以高含量為特點(diǎn)的酸性水，使其溶解能力提高并溶解大量有害物質(zhì)。這些污染水通過(guò)各種途徑進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)將導(dǎo)致影響面廣、程度深、時(shí)間長(zhǎng)的一系列水環(huán)境問(wèn)題。因此需要盡早采取措施應(yīng)對(duì)，特提出如下建議：

（1）對(duì)已關(guān)閉的煤礦開(kāi)展“老窯水”循環(huán)狀態(tài)調(diào)查，包括其循環(huán)條件、質(zhì)量狀況、蓄積量等，對(duì)門城煤礦、楊坨煤礦、房山煤礦“老窯水”的排泄、儲(chǔ)存與循環(huán)條件進(jìn)行調(diào)查。

（2）探索煤礦“老窯水”的治理方法。根據(jù)煤礦“老窯水”的循環(huán)狀態(tài)，采用適宜的治理方法，如“封閉法”、“中和法”、“微生物法”等，對(duì)煤礦“老窯水”進(jìn)行治理，使其危害降到最低，爭(zhēng)取能夠使“老窯水”變廢為寶，加以利用。

2.3 玉泉山泉水的復(fù)流工程

玉泉山泉作為北京著名大泉，史有“天下第一泉”之稱，具有深厚的歷史文化積淀和極高的旅游價(jià)值，但該泉從1974年后斷流。在南水北調(diào)水源進(jìn)入北京后，玉泉山泉水的復(fù)流成為可能。為此建議開(kāi)展以下工作：

（1）論證采取玉泉山泉域巖溶水關(guān)井、壓采、人工補(bǔ)給措施后效果，規(guī)劃并制定玉泉山泉水復(fù)流方案。

（2）利用南水北調(diào)水源，永定河碳酸鹽巖滲漏段強(qiáng)大的滲漏能力和上、下游落坡嶺水庫(kù)、三家店水庫(kù)的調(diào)蓄功能，開(kāi)展玉泉山泉域巖溶水的人工補(bǔ)給，最終達(dá)到玉泉山泉水復(fù)流的目標(biāo)。

［1］ 梁永平，韓行瑞，王維泰，等.中國(guó)北方巖溶地下水環(huán)境問(wèn)題與保護(hù)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2013.

［2］ 北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局.北京市區(qū)域地質(zhì)志［M］.北京：地質(zhì)出版社，1991.

［3］ 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)公司.北京泉志［M］.北京：北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)公司，1983.

［4］ 山西省水利廳，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，山西省水資源管理委員會(huì).山西省巖溶泉域水資源保護(hù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

［5］ 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所.北方巖溶區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查示范［R］.北京，2014.

［6］ 陳雨孫，馬英林.論永定河水通過(guò)西山對(duì)北京市地下水的補(bǔ)給［J］.水利學(xué)報(bào)，1981（3）：10-18.

［7］ 北京萬(wàn)地地質(zhì)工程公司.北京市門頭溝區(qū)門頭溝煤礦礦坑水水資源評(píng)估報(bào)告［R］.北京，2008.

［8］ 楊平，侯井巖，高潤(rùn)華.論北京玉泉山泉補(bǔ)給源——北京西山山前奧陶系巖溶水徑流特征［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1984（2）：15-19.

［9］ 北京市地質(zhì)工程勘察院.CFCs（氟里昂）方法確定巖溶地下水年齡的應(yīng)用研究［R］.北京，2007.

Progress of Hydrogeology and Environmental Geology Survey in Karst Area of Northern China：An Exam ple from Karst Area in W estern Hills of Beijing

LIANG Yong-ping，ZHAO Chun-hong，TANG Chun-lei，WANGWei-tai，SHEN Hao-yong
（Institute of Karst Geology，Chinese Academy of Geological Sciences；Karst Dynamics Laboratory，Ministry of Land and Resources＆Guangxi Zhuang Autonomous Region，Guilin 541004，China）

This paper is based on the results of geological survey project“Northern Karst Hydrogeological and Environment Geological Survey Demonstration”.The project choose Yuquanshan springshed，Heilongguan springshed and Yugudong springshed as working areas.Different techniques and methods are adopted in field survey，such as ground survey，remote sensing interpretation，geophysical prospecting，hydrogeological drilling，tracer test，water balance station observation，water chemistry and isotopemethod（δD，δ18O，C，δ34S and Sr），and a large number of first-hand data are obtained.Comprehensive study of the data（including the former data），the projectmakes such main progress：firstly，find out the Karst hydrogeological conditions and environmental problems about the working area and divide it into two aquifers，three Karstwater systems and five sub systems；secondly，through carrying out equilibrium observation in the Heilongguan springshed，the precipitation infiltration coefficient is obtained in the carbonate exposed area of the Cambrian-Ordovician and Jixian system，and we evaluate the natural water resources and recoverable water resources by using the latest data；thirdly，we propose measures of the Karst water conservation and environmental governance from three aspects of policy，technology and engineering for outstanding Karstwater environmental problems（including potential problems）.

northern Karstwater；hydrogeology；environmental geology；Western Hills of Beijing

P641.69；X143

：A

：2095-8706（2015）08-0001-08

（責(zé)任編輯：劉永權(quán)）

2015-06-11；

2015-11-01。

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“北方巖溶區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查示范（編號(hào)：1212011220940）”項(xiàng)目資助。

梁永平（1962—），男，研究員，長(zhǎng)期從事北方巖溶地下水調(diào)查與研究工作。Email：lyp0261＠karst.ac.cn。