地下水循環(huán)對北京巖溶地下水研究的啟示

劉廣偉，尹煥玲

(1.山東金山地質勘探股份有限公司，山東 煙臺 264000；2.山東省煙臺第二中學，山東 煙臺 264000)

0 引言

北京作為嚴重缺水的城市，水資源人均占有量不足200 m3，不及全國人均占有量的10%；同時本來匱乏的地表水也正在連續(xù)衰減，水污染等問題不斷惡化，使得北京地區(qū)水資源的供需矛盾更加突出，因此，必須加大對巖溶水等其他地下水類型的研究和利用。

據(jù)水利部門統(tǒng)計分析，作為主要供水源之一的巖溶地下水，年補給量約5×108m3，年開采量約2.5×108m3，開采潛力相當巨大。目前，受區(qū)域差異性較大等因素的影響，北京地區(qū)不同區(qū)域巖溶地下水的研究程度和研究成果不盡一致，尚未形成一套系統(tǒng)的勘查、開采和監(jiān)測理論體系。

因此，必須結合其他地區(qū)研究成果，綜合論述地下水循環(huán)的重要性，進一步加大對北京地區(qū)巖溶地下水的研究，為緩解北京地區(qū)地下水供需矛盾提供理論支持。

1 北京地區(qū)巖溶地下水概況

按巖溶地下水分類標準，北京地區(qū)的巖溶地下水屬于北方巖溶類，主要發(fā)育：裂隙巖溶水。奧陶系、寒武系及中(新)元古界的碳酸巖地層為巖溶地下水的發(fā)育創(chuàng)造了儲藏空間，后期經(jīng)歷多期構造運動，形成一系列北東向構造斷裂，控制了地下巖溶水的分布和系統(tǒng)特征。

進入90年代，特別是隨著“應急水源地”建設工程的啟動，北京巖溶地下水開放力度不斷加大，研究程度也不斷加深。經(jīng)多年研究，目前，北京地區(qū)巖溶地下水被劃分成7個主要分布區(qū)(圖1)，各個分區(qū)之間既相互獨立，又相互聯(lián)系。每個分區(qū)以往投入的實物工作量不同，研究程度亦不同，房山、西山及大興等地區(qū)的研究程度相對較高，已基本形成一套相對完整的理論體系；其他分區(qū)研究程度相對不足，尚未形成系統(tǒng)的認知，給巖溶地下水資源儲量的估算和開采，帶來較大困擾。

因此，通過結合其他地區(qū)巖溶地下水研究成果，對地下水循環(huán)系統(tǒng)進行整體剖析，為北京地區(qū)巖溶地下水的研究，提供更多理論和技術支持。

圖1 北京市巖溶地下水分布示意圖

2 地下水循環(huán)系統(tǒng)

加大對地下水循環(huán)的研究程度，是合理估算、開采地下水資源，緩解地下水供需矛盾的重要基礎，地下水循環(huán)包含補給、徑流和排泄三個主要階段，是研究其他問題的前提。目前，主要通過地下水化學成分、同位素方法進行定性—半定量分析；各種水文地球化學模擬方法進行定量評價。

2.1 地下水化學成分

地下水化學成分的形成是在地質、水文、物理-化學平衡等因素綜合影響下化學元素長期遷移的結果。通過采集不同時期、不同位置的地下水樣品，分析地下水類型、礦化度(M)、各主要離子的時空變化規(guī)律，以及各離子間的相關關系，從而掌握地下水循環(huán)信息，全面分析地下水水文地質特征。

加大對地下水化學成分的分析，有助于對地下水水源地、化學類型、海水入侵和油田地下水等方面研究提供基礎依據(jù)。目前常用的研究方法有：Piper三角圖示法、巖性影響分析法、相關性分析法、聚類分析法、總溶解固體分析法等。

通過對大量的研究成果進行總結、綜合分析，認為：從補給區(qū)到徑流區(qū)，再到排泄區(qū)，巖溶地下水的水化學特征呈現(xiàn)以下規(guī)律：

(1)地下水化學類型：一般從HCO3-類型過渡到SO42--HCO3-類型，再過渡到SO42-類型；Ca2+和HCO3-含量逐漸降低；Na+、Mg2+、Cl-和SO42-含量逐漸升高。此外，白云石、硬石膏的溶解會引起Mg2+、SO42-含量增加，陽離子交換作用會引起Na+含量增加，Ca2+含量受礦物溶解沉淀、離子交換作用的共同影響會降低。

(2)地下水礦化度：從補給區(qū)到排泄區(qū)，地下水礦化度呈現(xiàn)不斷增大的趨勢，同時隨著礦化度的增大，不同離子的增減速度也明顯不同。

(3)地下水水質：鈉離子、氯化物、硫酸根含量隨水流路徑逐漸升高，地下水水質出現(xiàn)逐漸惡化的趨勢。

2.2 同位素方法

同位素技術是研究地下水補給、徑流和排泄特征的先進手段之一，通過對采集的地下水樣品進行同位素分析，可有效示蹤地下水循環(huán)。常用的同位素主要有氘(D)～氧(O)同位素、放射性同位素等。

2.2.1 氘(D)～氧(O)同位素

在地下水循環(huán)過程中，大氣降水的同位素組成及地下循環(huán)過程共同制約著地下水的同位素組成。未經(jīng)同位素交換的地下水，其同位素組成與補給水一致，當與圍巖發(fā)生水-巖交換反應后，地下水的同位素組成就會發(fā)生相應變化。同位素技術正是通過對此變化進行對比分析，來研究地下水的變化情況。在研究地下水循環(huán)的眾多方法中，示蹤水循環(huán)最理想的環(huán)境穩(wěn)定同位素是D和18O，主要是通過氘(D)～氧(O)同位素技術建立研究對象的大氣降水線(MWL)，分析補給來源、區(qū)分補給區(qū)和排泄區(qū)等。

針對北京地區(qū)的大氣降水，翟遠征等人提出大氣降水線方程為δD=6.931δ18O+3.927，宋獻方等人提出的潮白河流域的大氣降水線方程為δD=6.68δ18O+1.91。以上兩個方程均對北京地區(qū)地下水循環(huán)的研究具有重要的指導意義。

通過利用氘(D)～氧(O)同位素技術對不同地區(qū)地下水循環(huán)進行研究，主要得出以下認識：

1)地下水中的氫氧同位素的特征存在季節(jié)性變化的特點，即：冬季D富集、18O貧化，夏季D貧化、18O富集。

2)在大氣降水線曲線上，降水線和蒸發(fā)線交點附近的水樣點，代表形成地下水之初降水中氫氧同位素的特征；當δD、δ18O值明顯低于大氣降水平均值時，表明地下水來源除了大氣降水外，還有山區(qū)降水、農(nóng)業(yè)灌溉水等。

3)地下水中D含量

(1)在垂向上表現(xiàn)出淺部松散孔隙水中的氚含量普遍高于深部基巖裂隙水中的D含量的特征；(2)在大氣降水線上，代表深層水的點普遍比代表淺層水的點更靠近降水線的左下角；(3)在水平方向上出現(xiàn)逐漸降低趨勢，但并不是嚴格意義上的遞減，而是在總體下降的基礎上，在趨勢線上下波動。

2.2.2 放射性同位素

在放射性同位素中，14C的含量是推算地下水年齡最有效的記年計，它為地下水補、徑、排關系的確認、地下水平均流速的估算，提供了最直接的依據(jù)。

通過對14C在地下水測年中的應用進行分析，認為其存在明顯的空間變化特征，即：(1)在垂向上，地下水中14C年齡隨深度增加而增大，深層孔隙水比淺層孔隙水14C年齡大；(2)在水平方向上，沿地下水流向，14C年齡逐漸增大。

此外，還可利用對S同位素的研究，確定地下水中硫酸鹽的來源；把87Sr/86Sr結果作為各種巖石礦物之間相互作用的有效示蹤劑，評價地下水中各種礦物參與水～巖作用的程度。

2.3 水文地球化學模擬

對地下水化學成分的研究，和同位素方法的應用，為地下水循環(huán)的研究做了定性～半定量分析；而水文地球化學模擬方法的提出，將地下水循環(huán)的研究程度提高到定量化階段，使得地下水研究成果的可信度大大提高。

目前，常用的水文地球化學模型主要分為三類：地下水組份分布模型、質量平衡模型，以及反應路徑模型。

2.3.1 地下水組份分布模型

地下水組份分布模型，是假設各種組份以不同形式存在,對每一個元素建立一套物質平衡方程,定義單個組份的系數(shù)。一般的離子絡合模型中,往往包含數(shù)十個元素和數(shù)百個組份,通過對這些非線性方程組求解,即可得到元素的不同存在形式和含量。

其中：飽和指數(shù)(SI)是地下水水化學研究中應用最多的一個指標，當?shù)V物在水溶液中處于平衡狀態(tài)時，SI=0；當?shù)V物溶解時，SI<0；當?shù)V物沉淀時，SI>0。組份分布模型可以為質量平衡、物質遷移和反應路徑的計算提供有效的基礎數(shù)據(jù)。

2.3.2 質量平衡模型

質量平衡模型可以采用以下方程式來表達：

初始水溶液組分+反應物→終點水溶液組分+生成物

大量學者均對此模型進行了深入研究，目前，已在地下水水質惡化、水～巖作用、咸淡水混合問題，以及定量化不同來源地下水的混合比鄧方面得到較好應用。

2.3.3 反應路徑模型

反應路徑模型主要是為了確定反應途中發(fā)生的化學反應和產(chǎn)生的水化學成份,一般分為正向模擬、反向模擬。

正向模擬，需要在給定初始水樣水化學成分的基礎上,假定一個反應,通過反應路徑推算水-巖作用過程。該模型比較適用于預測地下水的組份、礦物溶解、沉淀和質量轉移等方面。

反向模擬，主要根據(jù)反應途徑上兩個水溶液組份之間的差異,推測可能的地球化學作用。它建立在質量守恒模型的基礎上,通過實測的初始和終點的同位素資料、水化學組份等因素，推算出系統(tǒng)所發(fā)生的質量遷移。該模型比較適用于解決某一流場地下水演化途徑。

3 地下水循環(huán)對北京巖溶地下水研究的啟示

隨著對北京巖溶地下水的不斷研究，和對地下水資源的不斷開采，資源儲量估算不準確、地下水污染嚴重、水質惡化、地面塌陷、監(jiān)測系統(tǒng)不完善等問題日益突出。目前，針對北京地區(qū)巖溶地下水，尚未形成一套完整有效的勘查、開采、監(jiān)測系統(tǒng)。

在今后對北京地區(qū)巖溶地下水的研究工作中，應借鑒其他地區(qū)對地下水循環(huán)模式的研究成果，進行總結整理、分析匯總；同時結合北京地區(qū)不同巖溶地下水分區(qū)的勘查開采資料，對不同分區(qū)內的巖溶地下水循環(huán)問題做重點研究，并以此為基礎，對巖溶地下水系統(tǒng)邊界、水源地、環(huán)境演化機制和三水轉化問題等做進一步研究。此外，在后期的開發(fā)利用中，還需加大對水資源量和環(huán)境脆弱性等問題的研究，以及對水位、水質、水溫及巖溶大泉流量等的長期觀測。并對不同分區(qū)之間的聯(lián)系和區(qū)別進行探討，最終形成一套針對北京地區(qū)巖溶地下水勘查、開采和監(jiān)測的完整理論體系。

4 結語

通過對北京地區(qū)巖溶地下水現(xiàn)狀和研究成果的綜合分析，結合其他地區(qū)對地下水循環(huán)方法的研究成果，指導北京地區(qū)巖溶地下水的勘查、開采、監(jiān)測，以求緩解北京地區(qū)地下水供-需矛盾，為合理、有效利用地下水提供依據(jù)。