北京西山巖溶水中硝酸鹽來源及遷移特征

李 露，秦大軍,3，郭 藝，孫 杰

(1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所/中國科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京100049；3.三亞學(xué)院翟明國院士工作站，海南 三亞 572022)

中國北方巖溶水富集、水質(zhì)良好，在城市供水中發(fā)揮關(guān)鍵作用。巖溶泉為河水、湖泊、濕地的源頭，具有不可或缺的生態(tài)功能。北京西山巖溶水是北京市重要的水源地，已有研究工作多側(cè)重于補(bǔ)給來源、水流特征[1]，水資源評(píng)價(jià)、循環(huán)特征、可更新能力[2]和優(yōu)勢(shì)地下水流通道、巖溶系統(tǒng)的不均一性以及深埋巖溶水系統(tǒng)導(dǎo)水機(jī)制[3]等方面。而西山巖溶水水質(zhì)狀況及影響因素等方面的研究較少。

1 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于北京市西部，包括山區(qū)和平原區(qū)兩部分，地勢(shì)西北高、東南低，總面積約為280 km2。屬半干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫為11.5℃，月平均最高氣溫為28.2℃(7月)，月平均最低氣溫為-16.8℃(1月)。年平均降水量為600 mm，降水分布很不均勻，超過85%的降水集中在7—9月。海河水系的支流永定河，貫穿整個(gè)研究區(qū)域。

北京西山巖溶水賦水層位為寒武系、奧陶系灰?guī)r，上覆石炭系和二疊系砂巖、黏土巖，下伏地層為青白口薄層灰?guī)r夾頁巖。區(qū)內(nèi)褶皺和斷裂構(gòu)造發(fā)育(圖1)，香峪向斜、八大處背斜、永定河斷裂、八寶山斷裂和黃莊斷裂控制著巖溶含水層的導(dǎo)水性。大氣降水和地表水是區(qū)域巖溶含水層的主要補(bǔ)給來源，巖溶水總體流向?yàn)槲髂舷驏|北，與構(gòu)造走向近于平行，以人工開采和徑流(局部地區(qū)對(duì)第四系地下水的頂托補(bǔ)給、側(cè)向徑流)的方式排泄。區(qū)域巖溶水有軍莊和潭柘寺兩大補(bǔ)給區(qū)，軍莊地區(qū)主要接受大氣降水和永定河河水補(bǔ)給，潭柘寺地區(qū)主要接受大氣降水的垂直入滲補(bǔ)給；徑流過程中香峪向斜具有明顯的阻水作用，軍莊地區(qū)巖溶水不能以深循環(huán)的形式通過該向斜，永定河斷裂則是重要的導(dǎo)水通道，軍莊地區(qū)巖溶水接受補(bǔ)給后，分兩條路徑進(jìn)行排泄：(1)沿永定河斷裂向八寶山斷裂進(jìn)行徑流，并最終向玉泉山泉地區(qū)排泄；(2)沿著香峪向斜北翼向永豐屯地區(qū)徑流。基于此徑流條件的認(rèn)識(shí)，該區(qū)域巖溶水的徑流路徑主要有3條：軍莊—永豐屯、軍莊—古城—玉泉山泉、潭柘寺—四季青[3]。

圖1 北京西山水文地質(zhì)及水樣品分布圖Fig.1 Hydrogeological map of Xishan karst groundwater system in Beijing and cocation of the sampling sites1—露頭奧陶系灰?guī)r；2—第四系沉積物覆蓋下的奧陶系灰?guī)r；3—石炭系-二疊系砂巖夾黏土巖；4—第四系沉積物；5—斷裂；6—向斜；7—泉；8—河流；9—巖溶水樣品；10—第四系水樣品；11—河水樣品

2 樣品采集與測(cè)試

本次共采集水樣品47個(gè)(圖1)。河水樣品4個(gè)，其中3個(gè)樣品(65、66、68)的取樣時(shí)間為2012年11月，樣品69取樣時(shí)間為2013年6月11日。第四系水樣品7個(gè)，其中6個(gè)樣品的取樣時(shí)間為2012年6—9月，樣品71取樣時(shí)間為2012年12月5日。巖溶水樣品共采集36個(gè)，樣品74取樣時(shí)間為2013年1月5日，其余35個(gè)樣品的取樣時(shí)間為2012年6—9月。

采樣過程中，使用WTW便攜式多參數(shù)測(cè)量儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了T、DO、EC、pH等參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，使用離子色譜儀測(cè)定水化學(xué)離子含量，D和18O穩(wěn)定同位素采用MAT253質(zhì)譜儀測(cè)定，結(jié)果以相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水比率的千分偏差(δ值)表示。硝酸鹽的15N穩(wěn)定同位素采用反硝化細(xì)菌法測(cè)定，結(jié)果以相對(duì)于大氣中氮?dú)獗嚷实那Х制?δ值)表示。

3 結(jié)果與討論

3.1 氫氧穩(wěn)定同位素特征

樣品的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。河水樣品中δD的最小值為-61.4‰，最大值為-36‰，均值為-50.47‰；δ18O的最小值為-7.52‰，最大值為-5.66‰，均值為-6.32‰。第四系水樣品中δD最小值為-77‰，最大值為-49.4‰，均值為-60.21‰；δ18O的最小值為-10.61‰，最大值為-5.87‰，均值為-7.84‰。巖溶水樣品中δD最小值為-75.5‰，最大值為-55.4‰，均值為-64.49‰；δ18O的最小值為-10.27‰，最大值為-6.47‰，均值為-8.65‰?？傮w看，水樣的氫氧同位素富集特征為：河水>第四系水>巖溶水。河水受蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，氫氧穩(wěn)定同位素較第四系水和巖溶水更加富集。

表1 樣品水化學(xué)和同位素?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical results of hydrochemical and isotopic data

由圖2可知，氫氧同位素點(diǎn)均位于全球大氣降水線GMWL[22]下方。河水樣品66，采自三家店水庫，為水庫滯留水，受強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，氫氧同位素富集，位于全球大氣降水線上。LMWL線(y=7.6x+ 3.8)為當(dāng)?shù)卮髿饨邓€[3]。依據(jù)水樣中氫氧同位素值點(diǎn)在圖中的分布情況，將北京西山地區(qū)水樣品分為三組：Ⅰ組水樣點(diǎn)位于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(LMWL)上，包括部分巖溶水和3個(gè)第四系水。Ⅱ組水樣點(diǎn)均為巖溶水。Ⅲ組水樣點(diǎn)包括3個(gè)河水、4個(gè)第四系水和5個(gè)巖溶水。

圖2 水樣品的氫氧同位素關(guān)系Fig.2 Relationship between hydrogen and oxygen isotopes in water samples from the Xishan area

3.2 巖溶水濃度和分布

圖3 西山巖溶水分布圖Fig.3 Distribution of the Xishan karst aquifer1—露頭奧陶系灰?guī)r；2—第四系沉積物覆蓋下的奧陶系灰?guī)r；3—石炭系—二疊系砂巖夾黏土巖；4—第四系沉積物；5—斷裂；6—向斜；7—泉；8—河流

Ni=N0×(Ci/C0)

(1)

C0——徑流途徑上第1個(gè)樣品的Cl-濃度；

Ci——第i個(gè)樣品的Cl-濃度；

圖4 軍莊—永豐屯徑流濃度計(jì)算值與測(cè)量值比較Fig.4 Comparison of the calculated along the Junzhuang—Yongfengtun flow path

圖5 軍莊—古城—玉泉山泉徑流濃度計(jì)算值與測(cè)量值比較Fig.5 Comparison of the calculated along the Junzhuang—Gucheng—Yuquanshan Spring flow path

圖6 潭柘寺—四季青徑流濃度計(jì)算值與測(cè)量值比較Fig.6 Comparison of the calculated along the Tanzhesi—Sijiqing flow path

3.4 西山巖溶水中來源

圖7 巖溶水δ15N值與之間關(guān)系Fig.7 Relationship of δ15N and in the karst groundwater▲:軍莊-古城-玉泉山；◇:潭柘寺-四季青；○:軍莊-永豐屯

(2)

3.5 巖溶水中不同來源占比估算

(3)

式中：n——組合數(shù)量；

i——增量參數(shù)；

s——來源數(shù)量。

圖8 巖溶水中來源貢獻(xiàn)率Fig.8 Percent fraction of sources in the karst groundwater

4 結(jié)論