北京懷柔地區(qū)入滲河水空間分布研究*

王東東 秦大軍 孫 杰 劉文才 Muhammed Haji 郭 藝 李 露 郭高軒

(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)工程重點實驗室 北京 100029， 中國)(②三亞學(xué)院翟明國院士工作站， 三亞 572000， 中國)(③中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院， 北京 100029， 中國)(④北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊， 北京 100195， 中國)

0 引 言

河水是地下水的重要補給源。入滲河水補給不僅增加地下水補給量，而且對地下水水質(zhì)有重要影響。河水對地下水補給作用的研究具有重要意義。

水資源高強(qiáng)度利用，使地表水和地下水供給壓力增加。懷柔應(yīng)急水源地供水能力強(qiáng)，是城市供水安全的重要保障，至2013年從中已累計采出地下水10×108m3。這一區(qū)域內(nèi)的地下水水位有明顯下降。2014年底南水北調(diào)工程通水進(jìn)京，增加了北京地區(qū)可利用水源。南水北調(diào)水的利用為北京過量開采區(qū)域地下水獲得了恢復(fù)機(jī)會。在水源地地下水開采量下降和有地表水補給情況下，地下水修復(fù)狀況評價是深入理解水文地質(zhì)作用和水資源管理的重要課題。

研究表明北京平原區(qū)地表水有補給地下水。懷河沿岸地下水受河水入滲影響(Yu et al.，2014)； 河渠水入滲補給大興區(qū)淺層地下水(Yin et al.，2016； 王亞俊等， 2017)； 順義潮白河段有河水入滲補給淺層地下水(Li et al.，2019)。自河道入滲和井灌是地表水回補地下水的主要方式。在有利條件下，調(diào)蓄涵養(yǎng)地下水有利于區(qū)域穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。以南水作為城市供水水源可降低地下水開采量，有助于地下水資源恢復(fù)。懷柔應(yīng)急水源地位于潮白河沖洪積扇上的白河古河道，降水和地表水是主要補給源。該區(qū)第四系含水層厚度大，賦水條件好。其上游的沙河、牤牛河河道以砂卵礫石為主，易入滲，是可利用的地表水入滲場地(張景華等， 2015； 袁慶亮等， 2016)。

地下水質(zhì)變化受到特別關(guān)注，地下水質(zhì)變化的控制因素有多種。利用土壤和含水層物理、化學(xué)和生物作用，通過人工補給方式可改良地下水水質(zhì)，增加地下水儲量和可持續(xù)利用能力(Dillon， 2005； Sukhija， 2008； Trauth et al.，2018)。甚至處理過的廢水也是可利用的地下水補給源，但是其面臨著一定的技術(shù)和健康風(fēng)險(Asano et al.，2004; Bekele et al.，2013)。地下水過量開采可引起水質(zhì)變化， 2003～2008年期間，懷柔應(yīng)急水源地溶解性總固體、硬度增加(楊利錦等， 2016)。土壤中的Cl-可隨著水體向下運移和累積，不飽和帶污染物可進(jìn)入地下水系統(tǒng)中。代表性污染源有①農(nóng)業(yè)面污染：化肥使用、污水灌溉等； ②生活污水、垃圾滲濾液； ③市政、景觀中水。地下水開采、地表水環(huán)境、污染物排放、入滲條件等因素會引起地下水水質(zhì)變化。在“人工回補”地下水過程中，更需要加強(qiáng)地下水水質(zhì)的觀測和研究。

環(huán)境同位素(例如δD，δ18O )廣泛用于研究地下水來源，入滲位置，地下水動力學(xué)，地下水年齡，地下水污染(Clark et al.， 1997； Lachniet et al.， 2002; 李露等， 2019)，示蹤水體徑流路徑和混合作用(Majumder et al.，2013; Martinez et al.，2015； Kebede et al.，2017； 李寶學(xué)等， 2017； Qin et al.，2017; Richards et al.，2018； Vrzel et al.，2018； 秦大軍等2019)。懷柔地區(qū)(宋獻(xiàn)方等， 2007； 郭高軒等， 2014； 任宇等， 2016； 李陽等， 2018)和潮白河(翟遠(yuǎn)征等， 2013； 歐志亮， 2017)地區(qū)的水化學(xué)和同位素，以及地下水庫方案等領(lǐng)域已有一定相關(guān)研究基礎(chǔ)。

本文基于對懷柔地區(qū)水文地質(zhì)條件調(diào)查，利用河水和地下水水化學(xué)及穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)分析了入滲河水分布及對地下水水質(zhì)的影響，為水資源評價和管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京懷柔山前平原區(qū)，三面環(huán)山，南部為平原，地勢由北向南逐漸降低，高程為35～100 m。屬溫暖半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度12 ℃，多年平均降水量約620 mm，降水主要集中在6～9月。多年平均水面蒸發(fā)量在1700 mm以上。

懷柔地區(qū)主要河流為潮白河和懷河，其次為雁棲河、沙河、牤牛河等(圖1)。河流多數(shù)常年干涸，僅在洪水期間上游水庫棄水時，河道有暫時性水流。自懷柔水庫壩下至廟城鎮(zhèn)懷河河道蓄有景觀用水，廟城鎮(zhèn)以下有再生水排放進(jìn)入河道，梭草村一帶水深4～8 m。

圖1 懷柔地區(qū)水文地質(zhì)簡圖和水樣品分布圖Fig.1 Generalized hydrogeological map and sampling sites in Huairou area， Beijing1.長城系白云巖； 2.寒武系灰?guī)r； 3.侏羅系火山巖； 4.第四系； 5.河流； 6.第一組淺層地下水樣品； 7.第二組淺層地下水樣品； 8.深層地下水樣品； 9.河水樣品； 10.2012年12月地下水等水位線

區(qū)內(nèi)地層分布有侏羅系、寒武系、以及長城系，在平原區(qū)為第四系覆蓋，第四系沉積物厚度變化大，東北部和中部地區(qū)小羅山、平頭地區(qū)基巖埋深較淺，懷柔應(yīng)急水源地附近基巖埋深較大，第四系沉積厚度可達(dá)450 m(歐志亮， 2017)。含水層介質(zhì)以卵石和砂礫石為主，富水性好，一般可達(dá)5000 m3·d-1以上，弱透水層由粉質(zhì)黏土構(gòu)成。由北向南弱透水層層數(shù)逐漸增加，第四系含水層也由單一非承壓含水層逐漸過渡為承壓多層含水層(圖2)。單一非承壓含水層位于小羅山一帶，過渡帶位于小羅山至牛欄山； 承壓多層含水層分布在牛欄山以南及順義一帶(袁慶亮等， 2016)。

圖2 懷柔地區(qū)水文地質(zhì)剖面圖(袁慶亮， 2016)Fig.2 Hydrogeological cross section in Huairou area， Beijing(from Yuan， 2016)

淺層地下水補給源主要為大氣降水和地表水，山區(qū)側(cè)向水平徑流和淺層地下水越流補給深層地下水。地下水開采是主要的排泄方式，懷柔應(yīng)急水源地開采量占總開采量55%。1998年以前懷柔地區(qū)地下水仍維持動態(tài)平衡狀態(tài)， 1998～2002年間地下水位年降幅2～3 m， 2003年懷柔應(yīng)急水源地啟動后年降幅增加至3～4 m， 2013年底地下水埋深44～50 m，并形成了以水源八廠為中心的橢球形漏斗(中心位于潮白河北小營鎮(zhèn))，面積約146.6 km2。

2 取樣與分析

3 結(jié) 果

3.1 河水和地下水水化學(xué)特征

表1 地下水水化學(xué)成分統(tǒng)計表(mg·L-1)Table1 The statistical results of hydrochemical composition in groundwater(mg·L-1)

地下水水化學(xué)類型以Ca-Mg-HCO3為主，懷河和潮白河水化學(xué)類型為Na-Ca-HCO3-Cl，雁棲河水化學(xué)類型為Ca-Mg-HCO3。懷河西樹行村沿岸地下水水化學(xué)類型為Ca-Na-Cl-HCO3、Ca-Na-HCO3-Cl、Ca-Mg-HCO3-Cl、Na-Ca-HCO3-Cl(圖3)。

圖3 懷柔地區(qū)河水和地下水水化學(xué)類型piper圖Fig.3 The piper diagram of groundwater and rivers in Huairou area， Beijing藍(lán)色橢圓內(nèi)為懷河西樹行村沿岸地下水，Na+K和Cl高，與其他地下水樣品化學(xué)組成有區(qū)別

3.2 地下水和河水同位素特征

圖4 懷柔地區(qū)河水與地下水樣品δD-δ18O 關(guān)系Fig.4 The plot of δ18O versus δD for river water and groundwater in Huairou area， Beijingb圖為a圖中黑色矩形框放大內(nèi)容，b圖橘色橢圓范圍內(nèi)為沙河與牤牛河沿岸地下水，綠線為第一組淺層地下水回歸線，藍(lán)線為第二組淺層地下水回歸線

雁棲河和懷河沿岸淺層地下水(圖4b中第一組淺層地下水)δD-δ18O 關(guān)系為：y=5.1-18.5(R2=0.96，n=30)； 沙河與潮白河沿岸淺層地下水(圖4b中第二組淺層地下水)δD-δ18O 關(guān)系為：y=4.1-25.7(R2=0.94，n=9)。以上兩組淺層地下水相關(guān)線斜率都小于5表明沿河岸淺層地下水受河水補給。

4 討 論

4.1 地下水 δ18O 分布與入滲河水識別

圖5 懷柔地區(qū)淺層地下水 δ18O 值(‰)分布圖Fig.5 The distribution of δ18O in the shallow porous aquifer in Huairou area， Beijing1.寒武系灰?guī)r； 2.侏羅系火山巖； 3.第四系； 4.河流水系； 5.δ18O 等值線； 6.綠色虛線為Cl-=20 mg·L-1等值線，箭頭指向Cl-含量>20 mg·L-1的區(qū)域

δ18O 等值線的分布可以判斷入滲河水的徑流方向。雁棲河由北向南流，沿岸淺層地下水δ18O 等值線順河水流向，由河道向兩側(cè)地下水δ18O 值等值線密集，入滲河水徑流方向為由北向南。潮白河沿岸淺層地下水δ18O 等值線由東北向西南方向呈扇形分布，西南方向δ18O 等值線分布稀疏，潮白河入滲主要由東北流向西南。這與2012年淺層地下水流場方向一致(圖1)。

4.2 河水入滲與地下水Cl-含量的關(guān)系

圖6 地下水Cl-與 δ18O 比值關(guān)系圖Fig.6 The plot of Cl- versus δ18O for groundwater橙色圓形：懷柔水庫沿岸地下水，Cl-小于20 mg·L-1； 綠色方形：懷河沿岸地下； 藍(lán)色菱形：沙河與潮白河沿岸地下水； 紫色三角形：深層地下水

圖7 河水入滲分布及地下水水質(zhì)變化分區(qū)圖Fig.7 The contours of river fraction and zonation of infiltrated rivers in the shallow porous aquifer1.寒武系灰?guī)r； 2.侏羅系火山巖； 3.第四系； 4.河流水系； 5.入滲河水比例等值線； 6.入滲河水影響范圍分界線

懷河沿岸淺層地下水δ18O 值與Cl-呈正相關(guān)(y=0.004x-8.17，R2=0.57)； 沙河與潮白河沿岸淺層地下水δ18O 值與Cl-正相關(guān)(y=0.03x-8.52，R2=0.56)； 深層地下水Cl-與δ18O 相關(guān)性不明顯(y=0.008x-8.3，R2=0.09)。

懷柔水庫下游淺層地下水δ18O 值與Cl-無關(guān)表明河水入滲未使地下水Cl-含量增加，對地下水水質(zhì)影響較小。而其他河流沿岸淺層地下水δ18O 與Cl-含量相關(guān)表明這些地段河水入滲增加了地下水Cl-，特別是懷河西樹行村沿岸地下水 Cl-含量最高，最大值為186.5 mg·L-1，可能與懷河再生水入滲有關(guān)。

4.3 河水入滲比例估算和影響范圍

河水偏離降水線分布，受蒸發(fā)作用影響，受河水混合影響的地下水也表現(xiàn)為偏離降水線分布(秦大軍等， 2019)。地下水受河水混合影響δ18O 值富集，根據(jù)二元混合模型代入地下水與河水端元δ18O 值可以計算淺層地下水中的河水入滲比例(Qin et al.，2017)，公式如式(1)：

(1)

河水入滲比例計算結(jié)果如下：懷柔水庫下游沿岸地下水入滲比例為25%～99%，平均值為60%； 懷河兩河村至西樹行村沿岸地下水中河水入滲比例為24%～92%，平均值為53%； 雁棲河沿岸地下水中河水入滲比例為25%～49%，平均值為35%； 潮白河沿岸地下水中河水入滲比例為19%～71%，平均值為46%?？傮w來看，懷柔水庫下游地下水中河水入滲比例平均值最高，其次為懷河兩河村—西樹行村沿岸地下水。

懷河沿岸地下水中入滲河水比例大于60%的區(qū)域呈西北—東南向啞鈴狀分布，兩頭為懷柔水庫下游及西樹行村以南，分布面積大，兩河村—西樹行村為中間區(qū)域，分布面積小(圖6)。沿懷柔水庫下游，地下水中入滲河水比例向南東方向逐漸減小，與地下水徑流方向一致(圖1)。西樹行村河道附近地下水中的入滲河水比例最高，為70%～92%，由河道向兩側(cè)入滲比例逐漸減小，到東牤牛河和潮白河沿岸入滲河水比例分別減小至27%和35%。兩河村地下水中入滲河水比例在31%～75%之間，沿兩側(cè)向河道入滲河水比例逐漸減小，至河道減小為31%。西樹行村附近地下水中入滲河水比例最高，為河水入滲地段，其上游兩河村附近入滲河水比例較小，兩河村附近入滲河水占比最低。

上述分析表明：該區(qū)河水既入滲補給地下水，還對地下水水質(zhì)有影響。地下水水質(zhì)變化則受河水水質(zhì)、不飽和帶可溶解組份等輸入因子影響。以地下水中Cl-濃度空間分布和變化可以進(jìn)一步闡明入滲河水對地下水水質(zhì)的作用影響。懷柔水庫水下游地下水Cl-含量小于20 mg·L-1，水庫直接泄水對地下水水質(zhì)有改善； 相比而言，遠(yuǎn)離懷柔水庫的河道河水入滲增加了地下水Cl-含量(>20 mg·L-1)，這些區(qū)段易受地表污染物影響。由淺層地下水Cl-含量與δ18O 可以劃分出不同河流河水入滲的影響分區(qū)。圖7中圈定了4個入滲河水影響地下水區(qū)。

5 結(jié) 論

本項研究表明地下水δ18O 值、河水入滲比例和Cl-含量可以用于識別入滲河水影響范圍，判定入滲河水與地下水之間的混合作用； 可以利用二元混合模型估算河水入滲比例，并指示入滲河水運移路徑。水化學(xué)和穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)在識別入滲河水對地下水影響中發(fā)揮著重要作用。

本項工作揭示出懷柔水庫下泄水入滲影響范圍較大，雁棲河與潮白河次之，懷河入滲影響范圍較小。這一方面與不飽和帶特征參數(shù)有關(guān)，另一方面也受補給源和補給條件影響。

懷河西樹行村沿岸河水入滲比例較高，河水入滲增加了地下水Cl-含量。懷河西樹行村以南再生水排放對附近地下水的影響還需進(jìn)一步觀測。