基于多源數(shù)據(jù)分析的洼里礫巖地下水循環(huán)特征

沈媛媛，辛寶東，劉士成，郭高軒，陸海燕，南英華，強海生（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195）

基于多源數(shù)據(jù)分析的洼里礫巖地下水循環(huán)特征

沈媛媛，辛寶東，劉士成，郭高軒，陸海燕，南英華，強海生
（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195）

利用鉆孔、地下水位、水質(zhì)、溫度和同位素等多源數(shù)據(jù)，識別了洼里地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水動態(tài)、地下水化學(xué)、地下水溫度和同位素特征，分析了洼里礫巖與奧陶系、第四系含水層的水力聯(lián)系。洼里礫巖在西部與奧陶系地層直接接觸，與奧陶系含水層存在水量交換通道；洼里礫巖與奧陶系和第四系地下水水位具有一致的年際和年內(nèi)變化特征，水位高值一般出現(xiàn)在1—2月，水位低值出現(xiàn)在5—6月。同時，洼里礫巖、第四系和奧陶系地下水水化學(xué)類型均為HCO3-Ca·Mg型，且C-14和S-34同位素值相近，地下水溫度變化規(guī)律具有區(qū)域一致性。結(jié)果表明，洼里礫巖巖溶發(fā)育，富水性好，與奧陶系和第四系含水層水力聯(lián)系密切。地下水循環(huán)特征表現(xiàn)為：地下水主要接受西部奧陶系地下水補給，自西南向東北方向徑流，主要排泄方式為側(cè)向徑流和向第四系含水層越流。

洼里礫巖；補給；徑流；排泄；地下水循環(huán)；多源數(shù)據(jù)

0　前言

“洼里礫巖”是指20世紀70年代首先發(fā)現(xiàn)于北京城區(qū)北部洼里地區(qū)的一種性質(zhì)獨特的礫巖，因其不同于通常所見的構(gòu)造角礫巖或者沉積礫巖，因此按其分布地點稱之為“洼里礫巖”，用代號“Wa”來表示。其呈北東向集中分布在洼里（現(xiàn)為奧林匹克森林公園）—中國地質(zhì)大學(xué)一帶，長約8km，寬約2km，面積約16km2。洼里礫巖為一裂隙巖溶發(fā)育的富水性較好的含水巖體，單井涌水量一般在1000m3/d·m左右，具有一定的供水意義。但洼里地區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，除洼里礫巖地下水外，還存在奧陶系巖溶水、第四系地下水以及深部熱水等水體，相互之間水力聯(lián)系復(fù)雜。2008年奧運會期間，洼里地區(qū)成為奧林匹克森林公園場址，為保證奧運村生活、環(huán)境用水，初步分析了洼里礫巖含水層組的補給徑流和排泄條件，對該區(qū)巖溶地下水資源進行了初步評價（王曉紅等，2011；北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，1980—2004；哈承祐等，1980）。本文在以往研究成果基礎(chǔ)上，從水動力條件、水化學(xué)特征、水溫度變化特征等方面深入分析“洼里礫巖”這一特殊含水巖體的地下水循環(huán)特征，為準確認識該區(qū)水文地質(zhì)條件提供依據(jù)，對于指導(dǎo)地下水資源利用、工程建設(shè)施工，防止地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害具有重要作用。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

洼里位于北京城區(qū)北部，地貌上處于清河一級階地上，地形西高東低。該區(qū)地層主要有奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系和白堊系，上覆第四系。奧陶系灰?guī)r分布最為廣泛，向西可一直延伸到山區(qū)的潭柘寺、軍莊一帶，并出露地表；向東則直達黃莊—高麗營斷裂。其次是石炭系、二疊系和侏羅系，分布于黃莊—高麗營斷裂以西；巖性主要為頁巖、粉細砂巖、石英砂巖和安山巖。

洼里礫巖集中分布在洼里（奧林匹克森林公園）—中國地質(zhì)大學(xué)一帶，東部以黃莊高麗營斷裂為界，淺埋于第四系下，一般埋深為70～80m，最淺處30余米。洼里礫巖巖性主要為白云巖、灰?guī)r角礫巖，溶蝕發(fā)育（朱良峰等，2008；秦沛等，2005），溶洞成層發(fā)育在風(fēng)化溶蝕層面上，總的規(guī)律是溶洞上部較下部發(fā)育，隨深度增加而減弱，溶洞內(nèi)多含大量的粉細砂。洼里礫巖成因和時代有多種不同的認識，有人認為是沉積成因的髫髻山組底礫巖，有人認為是構(gòu)造角礫巖，有人認為是侏羅系上統(tǒng)髫髻山組的下部層位，且至今沒有定論（柯柏林，2005；肖文進等，2008），對其水文地質(zhì)條件的認識也值得探討。

區(qū)域構(gòu)造位于燕山臺褶帶和華北斷坳交界處，主要構(gòu)造有九龍山—香峪大梁向斜，紅廟嶺—八大處背斜。八寶山斷裂是本區(qū)最大的控制性構(gòu)造，走向北北東，傾向南東，傾角25°左右，為低角度壓性逆斷層，東南盤為上盤，地層為髫髻山組火山巖和洼里礫巖，西北盤為下盤，地層為奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系。黃莊—高麗營斷裂，走向北東45°，傾向南東，為高角度張性正斷層，延伸距離長，切割深度大，控制著本區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。東南盤地層為白堊系，西北盤地層為髫髻山組火山巖和洼里礫巖（圖1）。

圖1　洼里地區(qū)綜合基巖地質(zhì)略圖Fig.1 Comprehensive bedrock geological stetch of Wali area

2　洼里礫巖地下水循環(huán)特征

洼里及其附近地區(qū)含水巖組主要包括洼里礫巖含水巖組、奧陶系巖溶含水巖組、第四系含水巖組和霧迷山組含水巖組。洼里礫巖巖溶十分發(fā)育，富水性較好（蔡祖煌，1980；辛寶東，2005），單井單位涌水量一般為1000m3/d·m左右，最大達3714m3/d·m。奧陶系含水巖組富水性較好，單井單位涌水量達3100m3/d·m。第四系含水層組廣泛分布于本區(qū)，在洼里地區(qū)單井涌水量300～600m3/d·m。深部霧迷山組為地下熱水的熱儲層。受復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響，洼里礫巖含水體與其他含水巖層水力聯(lián)系復(fù)雜，需利用多源數(shù)據(jù)分析其地下水循環(huán)特征。

2.1地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析

收集洼里地區(qū)鉆孔資料繪制地質(zhì)剖面圖（圖2），從圖中可以看出，洼里礫巖東部以斷裂為界，厚度約1200m，向西逐漸變薄至尖滅。洼里礫巖分布區(qū)西部與奧陶系地層在標(biāo)高-500～-1000m處存在直接接觸，這為奧陶系地下水和洼里礫巖地下水交換提供了通道。另外，洼里礫巖與其上覆第四系直接接觸?？梢酝茢啵堇锏[巖地下水與奧陶系和第四系地下水存在水力聯(lián)系。

圖2　洼里地區(qū)地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile of Wali area

2.2地下水動態(tài)

該區(qū)奧陶系灰?guī)r在西北部軍莊地區(qū)和西南部潭柘寺地區(qū)裸露地表，直接接受大氣降雨入滲補給，地下水由西北、西南向東部和東北部徑流。洼里礫巖分布于奧陶系地下水系統(tǒng)徑流排泄區(qū)，且西部與奧陶系灰?guī)r直接接觸，因此，奧陶系地下水可通過側(cè)向徑流方式補給洼里礫巖地下水。

圖3為洼里地區(qū)各含水層多年地下水動態(tài)曲線圖。從圖中可以看出，洼里礫巖地下水、第四系地下水和奧陶系地下水具有相同的年際和年內(nèi)動態(tài)變化特征，從1982—2002年，洼里礫巖地下水水位下降10.48m，第四系水位下降9.17m，奧陶系地下水位下降12.87m。年內(nèi)，3個含水層組地下水水位高值一般出現(xiàn)在1—2月，水位最低值出現(xiàn)在5—6月。三者地下水動態(tài)具有一致的變化規(guī)律，說明各層之間水力聯(lián)系密切。西部玉泉山地區(qū)奧陶系地下水位高于洼里礫巖地下水，洼里礫巖含水層組水位高于上覆第四系含水層，從地下水位分析，洼里礫巖地下水接受奧陶系地下水的補給，自西向東徑流，并頂托補給第四系地下水。

圖3　洼里地區(qū)地下水動態(tài)曲線Fig.3 Groundwater dynamic curve in Wali area

2.3水化學(xué)特征

根據(jù)洼里地區(qū)奧陶系、洼里礫巖和第四系含水層組地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)（辛寶東，2005）繪制的Piper三線圖（圖4）表明，洼里礫巖含水層組地下水與奧陶系地下水和第四系地下水具有類似的水質(zhì)特征，水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg型，礦化度430～449mg/L，pH值7.69～8.06，總硬度250～268mg/L，說明這三類地下水水力聯(lián)系密切，與地下水動態(tài)分析結(jié)果一致。

個別第四系地下水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Na·Mg型，礦化度870mg/L，pH值7.69，總硬度478mg/L。NO3-含量37.6mg/L，已受到污染。侏羅系地層中地下水水質(zhì)與其他含水層水質(zhì)差別顯著，水化學(xué)類型為HCO3-Na型，pH值為9，總硬度25～33mg/L，地下水明顯偏堿性，說明該地層相對封閉，地下水長期停滯。霧迷山組中地下熱水水質(zhì)與淺層地下水具有明顯區(qū)別，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na·Mg型，礦化度396mg/L，總硬度178mg/L，pH值7.69。熱水中含有較高的F、SiO2、H2S、、Li等成分，反映了高溫、封閉還原的地下水化學(xué)環(huán)境?？芍_系及霧迷山組地下熱水與洼里礫巖地下水沒有明顯的水力聯(lián)系。

圖4　洼里地區(qū)不同含水層piper三線圖Fig.4 Piper map of different aquifers

2.4溫度場分析

地下水溫度從西向東可劃分為3個區(qū)，擔(dān)禮村—楊莊一線以西地下水溫度一般小于15℃；向東至白家疃—圓明園一線地下水溫度為15℃～20℃；在洼里礫巖分布區(qū)，地下水溫度為22℃（圖1）?？梢钥闯?，自西向東，地下水溫度逐漸升高。這種現(xiàn)象反映了地下水徑流強度逐漸減弱的趨勢，洼里礫巖地下水整體溫度偏高，其溫度與奧陶系地下水分布規(guī)律相吻合，因此，其補給來源為其東部奧陶系地下水符合區(qū)域地下水溫度變化規(guī)律。

2.5同位素特征

根據(jù)C-14年齡和S-34同位素值分析（辛寶東，2005），洼里礫巖的C-14同位素年齡在奧陶系和第四系地下水年齡之間，說明其可能同時受到上游奧陶系和上覆第四系地下水的影響。洼里礫巖C-14同位素年齡小于其上游奧陶系地下水年齡，可能由于地下水開采使洼里礫巖與上部第四系地下水發(fā)生混合，接受了現(xiàn)代水影響。洼里礫巖S-34同位素值與奧陶系地下水相近，說明洼里礫巖地下水的補給源為奧陶系地下水，且地下水處于相對開放環(huán)境（表1）。

表1　洼里地區(qū)地下水特征值Tab.1 Groundwater characteristic value in Wali area

2.6地下水循環(huán)特征

綜合以上分析可知，洼里礫巖巖溶十分發(fā)育，鉆探發(fā)現(xiàn)多處溶洞，且有一定發(fā)育深度。根據(jù)本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和西高東低的地貌特征可確定，洼里礫巖與西部奧陶系灰?guī)r直接接觸為兩者形成統(tǒng)一地下水系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，從西部奧陶系地下水到東部洼里礫巖地下水，地下水動力場、水化學(xué)場、溫度場和同位素特征均表現(xiàn)出一致性和連續(xù)性，說明本區(qū)地下水補給來源和補給時期相近。因此，洼里礫巖地下水來源于西部奧陶系地下水，接受奧陶系灰?guī)r地下水的側(cè)向徑流補給。

根據(jù)水位動態(tài)資料，洼里礫巖分布區(qū)地下水自西北向東南徑流，水力梯度為0.3%。洼里地區(qū)地下水水位西高東低、基巖地下水高于第四系地下水，該區(qū)地下水主要為側(cè)向徑流排泄和向上頂托補給第四系方式排泄。在黃莊—高麗營斷裂東南部，洼里礫巖直接與第四系側(cè)向接觸，地下水側(cè)向流入第四系。另外，洼里礫巖地下水水位高于第四系水位，且第四系底部多為砂礫石，基巖水可直接進入第四系含水層。

3　結(jié)論

從地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水動力場、水化學(xué)場、溫度場和同位素特征方面，分析洼里礫巖與奧陶系灰?guī)r和第四系地下水的關(guān)系。洼里礫巖與奧陶系灰?guī)r具有一致的地下水特征，分析結(jié)果表明，洼里地區(qū)地下水補給來源為西部奧陶系灰?guī)r地下水，地下水自西向東徑流，地下水排泄主要為側(cè)向徑流和頂托補給第四系。

洼里礫巖巖溶十分發(fā)育，近年來隨著奧陶系地下水開采量加劇，地下水位呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，為防止巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，需控制地下水位下降趨勢，避免降至基巖與第四系界面以下。

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Analysis of Groundwater Circulation Conditions of Wali Conglomerates in Beijing Area based on Multi-source Data

SHEN Yuanyuan， XIN Baodong， LIU Shicheng， GUO Gaoxuan， LU Haiyan， NAN Yinghua，QIANG Haisheng
（Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology， Beijing 100195）

This paper analyzed the hydraulic connection between Wali conglomerates and Ordovician， Quaternary aquifers from the aspects of geological structure， groundwater dynamics， groundwater chemistry， groundwater temperature and isotope characteristics. For Wali conglomerates directly contacting with the Ordovician limestones，there are water exchange channels. The interannual variability and variation during the year of groundwater table of Wali conglomerates and Ordovician， Quaternary aquifers are consistent. High groundwater table generally appear in the January and February， the low groundwater table appears in the May and June. Meanwhile， the groundwater in the Wali conglomerates， Quaternary， Ordovician belong to HCO3-Ca·Mg type， and the C-14 and S-34 isotope values are similar， and the regional groundwater temperature are consistent. The results indicate that karst is developed in Wali conglomerates with rich water resources. Groundwater circulation characteristics show groundwater recharge mainly from Ordovician groundwater， and runoff from west to east， the main way of discharge is lateral runoff， and the way of recharge is cross-flowing to Quaternary aquifers.

Wali conglomerates； Recharge； Runoff； Discharge； Groundwater circulation； Multi-source data

P641

A

1007-1903（2016）01-0075-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.015

北京巖溶水資源勘查評價工程（京發(fā)改［2011］1215號）

沈媛媛（1981- ），女，博士，從事水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)方面工作。E-mail：shen-8110@163.com