基于同位素和水化學(xué)的北京平谷盆地地下水循環(huán)研究

王新娟，許苗娟，韓旭，董佩，孫穎

（北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測所，北京 100195）

地下水是北京市城市供水的主要水源之一，也是供水的重要保障，北京人均可利用淡水資源僅為107 m3，大大低于國際上人均1 000 m3的缺水標準。自1999 年北京遭遇多年連續(xù)干旱，水資源供應(yīng)告急，2004 年啟動平谷應(yīng)急水源向北京市區(qū)供水，解決連續(xù)干旱情況下北京市城市供水緊張問題，至2014 年底累計供水8.21 億m3。由于連年干旱、地表水資源匱乏和地下水超采，導(dǎo)致區(qū)域地下水位持續(xù)下降。2014年底南水進京，區(qū)域地下水的緊張局面得到緩解，在條件允許的情況下可以回補地下水，使地下水資源得到一定程度的恢復(fù)。地下水循環(huán)是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，健康的地下水循環(huán)是地表水資源缺乏地區(qū)水資源的有力保障。在南水進京的新水情下，如何合理利用地下水資源，使水資源能夠滿足供給的情況下得到合理儲備、以備不時之需等問題亟待研究。因此，開展平谷盆地地下水資源補、徑、排等循環(huán)規(guī)律研究對區(qū)域地下水資源合理開發(fā)利用、保障城市供水具有重要的現(xiàn)實意義。

環(huán)境或人工同位素在地下水補給、徑流、排泄等循環(huán)演化的研究中有其獨到之處（張人權(quán)等，2011）。地下水中的同位素被稱為地下水的“指紋”，具有很強的標識作用，通過對地下水中多種同位素的測量與校核分析，并結(jié)合水文地球化學(xué)參數(shù)，理論上可以定性甚至定量地判斷地表水與地下水的補給、徑流、排泄等過程（馬致遠，2004；Aggarwal et al.，2005；汪集旸等，2015；張雅等，2019）。2H 和18O 同位素是水分子的構(gòu)成元素，參與水循環(huán)和轉(zhuǎn)化的各個過程，水體在循環(huán)過程中存在同位素分餾現(xiàn)象，使得不同水體間或者受不同因素影響的水體間，2H 和18O 同位素含量存在顯著差別，可體現(xiàn)出水分運移和轉(zhuǎn)化的不同過程。眾多學(xué)者利用降水和地下水的穩(wěn)定同位素特征，識別了地下水補給源、補給方式，解決了很多與水循環(huán)相關(guān)的難題（宋獻芳等，2007；于靜潔等，2017；王潔青等，2017；周訓(xùn)等，2017；馬致遠等，2017）。陳宗宇等(2010）利用δ2H、δ18O 準確識別了黑河流域山區(qū)河流對地下水的補給過程以及地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化的水量，解決了以往對黑河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)化具體過程認識不清的問題。馬致遠等（2004）利用δ2H、δ18O發(fā)現(xiàn)甘肅省東部平?jīng)鍪袥芎右阅系貐^(qū)巖溶水中存在大量現(xiàn)代水的混入補給，表明巖溶水的補給條件和更新能力較好。

筆者通過在平谷盆地采集淺層、深層和基巖巖溶地下水同位素2H、18O、14C 和水化學(xué)取樣測試，分析平谷盆地地下水的補給來源、水循環(huán)演化規(guī)律，為平谷盆地地下水流數(shù)值模擬模型的建立和地下水資源評價提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

平谷區(qū)位于北京市區(qū)的東北部（圖1），地理坐標為E 116°57′～117°19′，N 40°02′～40°13′。平谷盆地是斷陷盆地，其東、北、西和東南為中、低山與丘陵環(huán)抱，僅西南有一出口，與華北平原相連接，為一半封閉盆地。平谷盆地地形東北高，西南低，地面標高為85～22 m，地形坡降為2.3‰～1.8‰。

平谷區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。平谷是北京市暴雨中心地區(qū)之一，據(jù)平谷氣象站1959～2020 年觀測資料，多年平均降水量約為627 mm。區(qū)內(nèi)降水量具有時間分布不均勻特征，年內(nèi)分配不均勻，主要集中在6～10 月，占全年降水的80%以上；年際變化大，年最大降水量為1 213 mm（1984 年），最小降水量為332.4 mm（2020 年）。

平谷盆地地下水主要賦存于第四系松散含水層和其下伏基巖巖溶含水層中。平谷盆地第四系松散含水層主要為泃河、洳河形成的沖洪積扇，當河流從山地流出后，由于地勢開闊，水流減緩，使沉積物堆積成廣闊的沖積平原，盆地自山東莊—夏各莊一線以東泃河山前沖洪積扇為泃河沖洪積扇的單一潛水含水層，西南的西瀝津和龍家務(wù)為由潛水轉(zhuǎn)化為承壓水的地下水溢出帶，下游為2～3 層和多層含水層。洳河沖洪積扇自許家務(wù)以北為單一潛水含水層，許家務(wù)—中橋一帶為地下水溢出帶，以下為2～3 層和多層含水層。地下水溢出帶向南逐步變?yōu)槌袎核畢^(qū)，沉積物在平谷縣城以東以單一砂卵礫石為主，厚度100～400 m 不等，主要含水層在140 m 以上，縣城以西，礫卵石與黏性土互層，80～140 m 為卵礫石夾黏性土層，140 m 以下為風(fēng)化半風(fēng)化礫卵石，最大厚度達600 m。盆地中部地區(qū)為多層砂礫卵石層（圖2），各含水層間存在著密切的水力聯(lián)系。

圖2 北京平谷盆地水文地質(zhì)圖Fig.2 Hydrogeological map of Pinggu basin,Beijing

平谷地區(qū)可供開發(fā)利用的基巖含水層主要為巖溶裂隙含水層，巖溶裂隙含水巖組主要有長城系高于莊組含水巖組、薊縣系霧迷山組含水巖組及寒武系、奧陶系含水巖組，主要分布在盆地邊緣山區(qū)及盆地隱伏基巖中（圖2）。其水文地質(zhì)條件主要受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地形地貌影響，所處構(gòu)造部位不同，富水性也不同，鉆孔的單位涌水量最大可達2 000 m3/d·m，最小只有2.4 m3/d·m。含水巖組在北部山區(qū)裸露于地表，直接接受大氣降水，以地下徑流形式由北向南徑流；平原區(qū)高于莊組在盆地北部及平谷區(qū)政府以南以西成條帶狀部分布；薊縣系霧迷山組地層由一套巨厚的燧石條帶灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r及白云巖組成，薊縣系霧迷山組在東北部山前裸露，平原區(qū)泃河上游，盆地中部條帶狀及南部山前帶狀隱伏于第四系以下；寒武系、奧陶系含水巖組分布在平谷馬坊東南地區(qū)，上覆第四系，分布面積為4.79 km2。

2 樣品采集與測試

2017 年6 月在平谷盆地采集24 組地下水樣，采樣內(nèi)容包括：2H、18O、水化學(xué)及部分14C，分別采自北京市地下水環(huán)境監(jiān)測井和自備井，第四系采樣井深50～300 m，基巖巖溶水井深198～871 m。第四系水樣有15 組、基巖巖溶水有8 組、泉水1 組，取樣位置見圖2，取樣情況見表1。

表1 同位素取樣情況表Tab.1 Isotope sampling situation table

樣品分別采自區(qū)域檢測井、自備井和水源地供水井，其中區(qū)域監(jiān)測井采樣時提泵，并抽水穩(wěn)定時采樣，自備井和水源地供水井在供水水龍頭處采集。

采樣時用于D、18O 測試的樣品使用50 mL PPE（聚苯醚）水樣瓶。首先用待采水樣把采樣瓶充分沖洗至少3 次，然后直接用采樣瓶采取水樣，水樣必須裝滿水樣瓶，蓋上內(nèi)蓋和外蓋，使采樣瓶內(nèi)不留氣泡。常溫保存，避免高溫或低溫情況（防止結(jié)冰）。14C 同位素采樣及前處理：將采樣桶用所要采樣的水清洗3 遍，做到桶內(nèi)無污物，無上次采樣的任何殘留物；將水引入采樣桶時，盡量減少水流與空氣的接觸，減少氣泡的產(chǎn)生，可以將水管直接插入水中進行加水。加滿后帶回實驗室，在氮氣環(huán)境中先加入10n 的NaOH溶液，然后加入BaCl2溶液，形成沉淀，反應(yīng)12 小時后可以抽取BaCO3沉淀，冷凍干燥。

樣品的測試：2H、18O 在中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，采用液態(tài)水同位素分析儀（DLT-100）測試，測試精度為±1‰；14C 在北京大學(xué)考古學(xué)年代實驗室測試，測試方法：將Fe 粉和BaCO3沉淀混合，利用氫法還原成石墨，用石墨在加速器質(zhì)譜儀中測試14C 計數(shù)，測試精度為±0.01%；水化學(xué)分析由北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測所化驗室測定，其中K+、Na+、Ca2+、Mg2+等陽離子含量采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀分析，HCO3-、Cl-采用ZDJ-4A 型自動電位滴定。

3 成果分析

3.1 地下水水化學(xué)特征

本次研究所取水樣中基巖巖溶水、淺層水和深層水均為無色、無味、透明，pH 值為7.5～8.1，為中性水，所取水樣的主要陰陽離子含量見表2。所取水樣陽離子以Ca2+、Mg2+為主，Na+和K+的含量很少（表2）。Ca2+含量為34.7～97.3 mg/L，含量最高是P08 東高村鎮(zhèn)西高村西第四系淺層井，最低是P13 西鹿角第四系深層300 m 井；Mg2+含量為20.7～36 mg/L，含量最高是平谷金海湖鎮(zhèn)政府院內(nèi)P02 號基巖井，最低是平谷西鹿角村路東P10 號50 m 淺井。Na+含量為2.93～26.6 mg/L，K+含量為0.53～3.06 mg/L；陰離子則是以HCO3-為主，HCO3-含量為187～413 mg/L，含量最高的是平谷東高村鎮(zhèn)西高村P08 號淺井，最低的是平谷張辛莊村P06號基巖供水井。SO42-和Cl-含量較少。SO42-含量為4.4～40.4 mg/L，Cl-含量為4.6～29.4 mg/L。總之，本次所取地下水樣中Ca2+、Mg2+、HCO3-離子含量高，屬低礦化度重碳酸鈣鎂水。

3.1.1 主要組分及水化學(xué)類型

主要組分是指地下水中含量較高的化學(xué)元素或者化合物，通常是指水中水化學(xué)特征七大離子，占據(jù)地下水中無機物含量 90%以上，決定著地下水的水化學(xué)類型。下面分別對泃河和洳河進行主要離子含量分析。

根據(jù)由表2 數(shù)據(jù)編制的水樣水化學(xué)Piper 圖（圖3）可以看出，取樣點均處于菱形的水平左對角，水樣SO42-和Cl-含量很低，而HCO3-離子含量很高，占74.3%以上；泃河和洳河剖面水樣中Ca2+和Mg2+含量分別在71.7%和86.7%以上，Na+和k+含量很低，地下水水化學(xué)類型都是HCO3·-Ca·Mg 型。

3.1.2 典型剖面主要離子含量及其變化分析

（1）泃河剖面主要離子含量分析

泃河沖洪積扇A-B 剖面地下水陰陽離子沿剖面變化情況顯示（圖4），泃河剖面地下水陽離子以Ca2+、Mg2+離子為主，Ca2++Mg2+含量為71.7%～95.2%，Ca2+、Mg2+離子沿剖面均有下降的趨勢，Ca2+的含量為34.7～97.3 mg/L，含量最高是P08 東高村鎮(zhèn)西高村西長城系高于莊組巖溶水取樣點，最低是P13 西鹿角村路東第四系深層水取樣點；Mg2+含量為20.7～36 mg/L，含量最高是P02 號平谷金海湖鎮(zhèn)政府院內(nèi)基巖井，最低是P10 號平谷西鹿角村路東淺井。Na+和K+的含量很少，Na+含量為2.93～26.6 mg/L，Na+含量最高點為P14 馬昌營薄各莊村南S204 路西花園50 m 深井，Na+含量沿剖面稍稍有上升的趨勢；K+含量為0.53～2.61 mg/L。

圖4 泃河A-B 剖面主要陰陽離子含量變化情況圖Fig.4 Major cations and anions change of A-B profile in Juhe river

泃河剖面陰離子以HCO3-為主，含量占81.7%～97.1%，HCO3-含量沿剖面有下降的趨勢，HCO3-含量為199～400 mg/L，含量最高的是P15 馬昌營薄各莊村南S204 路西花園100 m 深井，最低的是平谷張辛莊村P06 號基巖供水井；水樣SO42-和Cl-含量較少，總含量占陰離子量的2.87%～18.6%?？傊?，泃河地下水樣中Ca2+、Mg2+、HCO3-離子含量高，是低礦化度重碳酸鈣水。此外，所取水樣溶解性總固體值除馬昌營薄各莊兩眼分層監(jiān)測和東高村鎮(zhèn)西高村西淺層監(jiān)測井外，其他水樣均較小，測試值為220～446 mg/L，屬低礦化度水，說明水樣所在含水層溶濾作用強，地下水循環(huán)交替條件好。

（2）洳河剖面主要離子含量及其變化分析

洳河沖洪積扇C-D 剖面地下水陰陽離子沿剖面變化情況顯示（圖5），洳河地下水樣陽離子也是以Ca2+、Mg2+離子為主，Ca2++Mg2+含量為86.8%～97.1%，Ca2+、Mg2+離子沿剖面均有下降的趨勢，Ca2+含量為34.7～66.5 mg/L；Mg2+含量為20.7～31.6 mg/L，含量最高是P2 中橋水源地基巖井，最低是P10 號平谷西鹿角村路東50 m 深井。Na+和K+的含量很少，Na+含量為6.51～21.5 mg/L，Na+含量最高點為P11 平谷西鹿角村路東100 m 深井，Na+含量沿剖面稍稍有上升的趨勢；K+含量為0.53～2.61 mg/L，沿剖面波動變化。

圖5 洳河C-D 剖面主要陰陽離子變化情況圖Fig.5 Major cations and anions change of C-D profile in Ruhe river

洳河剖面陰離子以HCO3-為主，含量占74.3%～97.1%，HCO3-含量為151～328 mg/L，含量最高的是P11 平谷西鹿角村路東100 m 深井，最低的是翟各莊P1 號基巖供水井；水樣SO42-和Cl-含量較少，總含量占陰離子量的2.9%～25.7%。HCO3-含量沿剖面有輕微下降趨勢，SO42-和Cl-含量沿剖面有上升的趨勢。

3.2 地下水同位素特征

3.2.1 H-O 同位素特征

（1）δ2H 和δ18O 同位素組成

本次測試平谷盆地地下水樣的δ2H 和δ18O 值見表1，水樣的δ2H 和δ18O 的關(guān)系圖見圖6。研究區(qū)δ2H含量為-68‰～-61.6‰，均值為-5.24‰；δ18O 含量為-10.4‰～-8.5‰，均值為-9.4‰。其中，淺層第四系松散孔隙水δ2H 均值為65.4‰，δ18O 均值為9.27‰；基巖巖溶水δ2H 均值為65‰，δ18O 均值為9.4‰，與淺層地下水比較接近；深層第四系松散孔隙水δ2H 均值為67‰，δ18O 均值為10.1‰，相對于淺層水和基巖巖溶水，深層第四系水δ2H 和δ18O 含量較貧。另外，在泃河和洳河交匯處，100 m 監(jiān)測井和180 m 監(jiān)測井δ2H 和δ18O 含量值非常接近。

圖6 泃河和洳河地下水δ2H 和δ18O 組成Fig.6 Composition of underground water δ2H and δ18O in Juhe river and Ruhe river

（2）地下水補給來源

從圖6 中可以看出，所有水點均落在大氣降水線附近，地下水補給均來源于大氣降水，

泃河和洳河淺層第四系地下水大多數(shù)偏離大氣降水線，位于北京大氣降水線的右下方，說明這些淺層第四系水在形成過程中經(jīng)歷了蒸發(fā)作用，而位于沖洪積扇下游的平谷西鹿角村路東分層監(jiān)測井中兩眼淺層地下水的δ2H 和δ18O 值和深層水接近。可以看出，此處二、三、四層地下水有聯(lián)通現(xiàn)象。在泃合和洳河沖洪積扇中上部地區(qū)，基巖巖溶水2H 和18O 組成和淺層水接近，尤其是在中橋水源地和望馬臺村東等地區(qū)第四系地下水和基巖巖溶水δ2H 和δ18O 值接近（表3），說明在這些地區(qū)第四系地下水和基巖巖溶水地下水水力聯(lián)系非常密切。東高村鎮(zhèn)西高村東的第四系水樣和高于莊組基巖巖溶水樣δ2H 和δ18O 值稍微有點差別，但是差別不大，說明此區(qū)基巖巖溶水和第四系地下水有微弱的水力聯(lián)系。

（3）地下水δ2H 和δ18O 剖面分布規(guī)律分析

利用所取水樣δ2H 和δ18O 值，分別編制泃河剖面A-B 和洳河剖面C-D 的δ2H 和δ18O 分布圖（圖7、圖8）。

圖8 洳河剖面δ2H 和δ18O 變化情況圖Fig.8 δ2H and δ18O variation of the profile in Ruhe river

①泃河剖面δ2H 和δ18O 分布規(guī)律

為泃河剖面（A-B 剖面）δ2H 和δ18O 分布特征顯示（圖7），第四系松散孔隙水和基巖巖溶水在泃河沖洪積扇中上游，地下水δ2H 和δ18O 值均偏高，且沒有分層性（為單一砂卵礫石含水層區(qū)），往下游逐漸減少并有明顯分層。基巖巖溶水δ2H 和δ18O 值也存在上游含量高，向下游和深部減少。值得注意的是，在西鹿角取樣點處（P10、P11、P12、P13），分層取樣井4 層δ2H 和δ18O 值都比較接近，導(dǎo)致分層曲線有點變形，分析其原因，可能由于該區(qū)域混層開采或是相互聯(lián)通，導(dǎo)致δ2H 和δ18O 值沒有明顯分層性。

②洳河剖面地下水δ2H 和δ18O 分布規(guī)律

本次在洳河剖面（C-D 剖面）基巖巖溶水樣相對較少，只利用第四系δ2H 和δ18O 值繪制了同位素剖面圖（圖8）。

洳河剖面δ2H 和δ18O 值在沖洪積扇上游相對偏高（圖8），在上游為單一砂卵礫石含水層分布區(qū)，下游相對減少，且有一定的成層性。在洳河沖洪積扇上游分布有中橋水源地，水源地設(shè)計10 對供水井，10 眼第四系開采井，10 眼基巖巖溶水開采井，開采層長城系高于莊組白云質(zhì)灰?guī)r，水源地地區(qū)高于莊組含水層單位涌水量為1 000～4 000 m3/d.m，區(qū)域基巖巖溶水在山區(qū)裸露區(qū)接受大氣降水入滲補給，徑流流至山前分別側(cè)向補給平原區(qū)第四系松散孔隙水和其下伏巖溶水，地下水的排泄為人工開采和側(cè)向流出。

3.2.2 地下水14C 含量分析

由于本次取樣分析沒有對全部取樣點進行14C 取樣分析，并且沒有進行水樣13C 測試，所以無法進行14C 年齡校正，只進行地下水碳含量分析。淺層地下水14C 含量為46.7%～93.1%，深層水14C 含量為40.23%～76.31%，基巖巖溶水14C 含量為53.7%～89.2%（表1）。分別以泃河剖面取樣點和洳何剖面取樣點14C 值，編制水樣14C 之隨深度的變化情況圖（圖9）。

（1）泃河剖面14C 值分布情況分析

圖9 顯示，泃河剖面淺層水14C 含量分布在2 個區(qū)域，第一個區(qū)域在85%～94%，含量較高，為年齡較小的水；另外有3 個水樣點14C 含量為54%～60.5%，其中，P6 后芮村井位于泃河和洳河沖洪積扇中下游，取水層位為80～148 m 混合采水井，地下水14C 含量相對較少，另外兩眼分別為P11 西鹿角村路東100 m 井和P15 平谷馬昌營鎮(zhèn)薄各莊村南S204 路西花園100 m 井，在這兩處從2H 和18O 值已經(jīng)顯示有串層現(xiàn)象，所以，14C 含量偏小。泃河剖面深層第四系地下水14C 含量同樣顯示兩種情況，P13 西鹿角村路東300 m 井和P16 平谷馬昌營鎮(zhèn)薄各莊村南S204 路西花園180 m 井14C 含量均較小，約為40%；另外，P12 西鹿角村路東180 m井和P13 西鹿角村路東300 m14C 含量分別為41.65%和40.23%，非常接近。泃河基巖巖溶含水層14C 含量存在兩種情況，一種是泃河沖洪積扇上游，第四系單一砂卵礫石地區(qū)下伏薊縣系霧迷山組基巖巖溶水（分別為P01 靠山集吃水井、P02 金海湖人民政府院內(nèi)、P03 南獨樂河新農(nóng)村井），此處基巖巖溶水與第四系地下水聯(lián)系緊密，基巖巖溶水14C 含量偏高，地下水年齡相對較?。涣硪环N是沖洪積扇下游P09 東高村鎮(zhèn)西高村西長城系高于莊組基巖巖溶水，14C 含量較小，53.7%，地下水年齡相對較老。

綜上所述，泃河沖洪積扇地下水14C 含量在垂向上由淺到深，由上游到下游含量變小。

（2）洳河剖面14C 變化情況分析

洳河剖面淺層地下水取樣點有14C 測試的點均在洳河沖洪積扇中下游，有P6 后芮村、P10 西鹿角村路東50 m 井、P11 西鹿角村路東100 m 井,P10 西鹿角村路東50 m 井地下水14C 含量為92.21%，P11 西鹿角村路東100 m 井和P6 后芮村地下水14C 含量分別為57.21%和60.51%；第四系深層地下水14C 含量有2 種分布：第一種，14C 含量較低，P13 西鹿角村路東300 m井和P16 平谷馬昌營鎮(zhèn)薄各莊村南S204 路西花園180 m 井，含量分別為40.23%和41.65%，代表地下水年齡較老；第二種，14C 含量稍高一些，均位于中橋水源地，P3 中橋水源地中橋村西160 m 井和P4 中橋水源地水源井（171 m），此兩點14C 含量為62.52%和76.31%，此兩點雖然為深層井，但是處于洳河沖洪積扇上游單一砂卵礫石含水層分布區(qū)，地下水徑流條件相對較好，年齡相對較新；洳河剖面只有兩眼基巖巖溶水井測試了14C 含量，其中一眼為中橋水源地長城系高于莊組基巖巖溶水井，井深871 m，取水層位163 m，14C 含量為77.85%，中橋水源地地區(qū)為洳河單一含水層和2 至3 層過渡區(qū)，第四系地下水和巖溶含水層聯(lián)系緊密，因此，其14C 含量接近第四系含水層14C 含量；另一眼為P09 東高村鎮(zhèn)西高村西長城系高于莊組基巖井，井深800 m，14C 含量為53.7%，與第四系地下水聯(lián)系微弱，地下水年齡較大。

洳河剖面14C 含量總體上是從上游到下游、由淺到深逐漸變小，在上游雖然基巖井深較深，但是其與上覆第四系水力聯(lián)系緊密，14C 含量也相對較高。

4 地下水循環(huán)演化特征分析

4.1 地下水水動力特征

4.1.1 地下水徑流特征

平谷盆地是由泃河和洳河沖洪積作用形成，泃河有東北向西南徑流，洳河從西北向南東在平谷區(qū)政府西南匯合，向東南流出北京境內(nèi)，第四系含水層西北、東北、南部較薄，在盆地中心最厚，達600 m。含水層地下水泃河沖洪積扇由東北向西南徑流、洳河從北向南、東南徑流，在平谷鎮(zhèn)下游回合匯集，并流出境外，在地下水漏斗區(qū)流向漏斗中心（圖10）。

圖10 平谷區(qū)2017 年6 月潛水含水層流場圖Fig.10 Flow field of phreatic aquifer in Pinggu District in June 2017

圖10 顯示，在北部和東北部，山前裸露基巖水對盆地第四系地下水有補給，而南部山前裸露基巖對第四系地下水沒有補給。

4.1.2 第四系地下水和基巖巖溶水的水力聯(lián)系

由于平谷盆地為一個半封閉的盆地，周邊基巖埋藏淺，中間深，具有基巖從側(cè)向和底部補給第四系的特點。在盆地內(nèi)部，第四系地下水與基巖巖溶水水力聯(lián)系緊密。由王都莊水源地地區(qū)和峪口中橋水源地地區(qū)地下水動態(tài)曲線圖（圖11）可以看出：王都莊水源地地區(qū)第四系地下水水位動態(tài)和基巖巖溶水水頭變化規(guī)律一致，其中，2000～2004 年，王都莊水源地地區(qū)第四系地下水位高于基巖巖溶水地下水位，在此期間第四系地下水補給基巖巖溶水；中橋水源地地區(qū)基巖巖溶水水位略高于第四系地下水位，說明在此期間第四系開采量較大，激發(fā)了基巖巖溶水的補給；2001～2003 年，中橋水源地地區(qū)，基巖地下水位高于第四系地下水位，說明此時基巖開采量相對較小，基巖巖溶裂隙水補給第四系地下水。

圖11 王都莊、中橋水源地地區(qū)地下水位動態(tài)曲線圖Fig.11 Dynamic curve of groundwater level in Wangduzhuang and Zhongqiao water source areas

4.2 同位素水化學(xué)演化特征

4.2.1 水化學(xué)特征

剖面水化學(xué)特征：從泃河和洳河水化學(xué)特征可以看出，地下水水化學(xué)類型均為HCO3·-Ca·Mg 型，pH值一般為7.5～8.1，為中性水。平面上從上游到下游，陽離子Na+含量逐漸升高，Ca2+、Mg2+含量又逐漸下降的趨勢；陰離子HCO3-含量沿剖面有下降的趨勢。垂向上，從分層監(jiān)測孔可以看出，從淺層到深層陽離子Na+含量逐漸升高，Ca2+、Mg2+含量又逐漸下降的趨勢；陰離子HCO3-含量沿剖面有減少的趨勢。基巖巖溶水化學(xué)和第四系水化學(xué)特征的關(guān)系：在泃河山前，裸露基巖巖溶裂隙水P02 水化學(xué)特征和沖洪積扇上游第四系地下水P03 水化學(xué)特征相似；洳河沖洪積扇上游基巖巖溶水P1 和第四系地下水P2、P4水化學(xué)類型相似；在兩個沖洪積扇中上游水源地地區(qū)，第四系深層地下水和基巖巖溶水水化學(xué)類型相似。

4.2.2 同位素特征

2H 和18O 同位素分析結(jié)果顯示，盆地地下水均來自大氣降水入滲補給，從剖面上看，從上游到下游地下水δ2H 和δ18O 值有由大變小的趨勢；垂向上，由淺到深δ2H 和δ18O 值也有由大變小的趨勢。在2 個沖洪積扇上游單一含水層區(qū)，同位素分層不明顯。在盆地中心100～180 m，分層監(jiān)測孔同位素δ2H 和δ18O 值非常接近，說明這兩層是聯(lián)通的，不必設(shè)置分層監(jiān)測孔。從14C 分析結(jié)果可知：2 個沖洪積扇剖面14C 含量總體上是從上游到下游、由淺到深逐漸變小，在上游雖然基巖井深較深，但是其與上覆第四系水力聯(lián)系緊密，14C 含量也相對較高。

4.3 地下水循環(huán)演化模式

4.3.1 泃河剖面地下水循環(huán)演化模式

泃河沖洪積扇在山前薊縣系霧迷山組白云巖裸露區(qū)和上游補給區(qū)接受大氣降水入滲補給，向下游徑流，在山東莊-夏各莊一線以東為單一潛水含水層，西南的西瀝津和龍家務(wù)為由潛水轉(zhuǎn)化為承壓水的地下水溢出帶，在溢出帶水位高于地表時溢出。深層地下水繼續(xù)向下游徑流，地下水的排泄主要是人工開采、局部潛水蒸發(fā)及向下游流出境外。值得一提的是，在泃河和洳河的交匯地段，由于地下含水層結(jié)構(gòu)特點，第四系地下水在100 m 以下沒有明顯分層，并且第2、3 層同位素和水化學(xué)特征也比較接近，因此，推斷此處存在含水層串通現(xiàn)象。區(qū)域地下水水位的變化主要受大氣降水和人工開采控制（圖12）。

此外，泃河基巖巖溶水在山前裸露區(qū)接受大氣降水補給，向下游徑流補給平原隱伏巖溶水和第四系地下水；在泃河王都莊水源地地區(qū)第四系和基巖巖溶水聯(lián)系緊密，巖溶水接受第四系越流補給。

4.3.2 洳河剖面地下水循環(huán)演化模式

洳河沖洪積扇自出山口至許家務(wù)以北為單一潛水含水層，許家務(wù)—中橋一帶為地下水溢出帶，地下水溢出帶向南逐步變?yōu)槎鄬訁^(qū)。洳河沖洪積扇第四系地下水在沖洪積扇上部接受山區(qū)側(cè)向補給和垂向大氣降水補給，地下水向東南徑流和泃河沖洪積扇交匯，再向西南流出境外。洳河第四系松散孔隙水的排泄主要是人工開采、局部潛水蒸發(fā)和側(cè)向流出（圖13）。

圖13 洳河沖洪積扇地下水循環(huán)模式剖面示意圖Fig.13 Schematic diagram of groundwater circulation mode of Ru river alluvial fans

洳河沖洪積扇隱伏基巖巖溶水在沖洪積扇上游長城系高于莊組白云巖接受山區(qū)巖溶水側(cè)向徑流和上覆第四系松散孔隙水的越流補給，向下游流向薊縣系霧迷山組巖溶水，地下水的排泄主要是人工開采和側(cè)向流出。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)地下水水樣pH 值為7.6～8.1，為中性水；陽離子以Ca2+、Mg2+為主，Na+和K+的含量較低。其中，Ca2+含量為34.7～97.3 mg/L，Mg2+含量為20.7～36 mg/L，Na+含量為2.93～26.6 mg/L，K+含量為0.53～3.06 mg/L；陰離子則是以HCO3-為主，SO42-和Cl-含量較少。其中，HCO3-含量為187～413 mg/L，SO42-含量為4.4～40.4 mg/L，Cl-含量為4.6～29.4 mg/L。地下水樣中Ca2+、Mg2+、HCO3-離子含量高，是低礦化度重碳酸鈣鎂水。所取水樣陽離子Ca2+和Mg2+含量在泃河和洳河剖面地下水均有沿剖面有下降的趨勢，Na+含量有沿剖面上升的趨勢；陰離子HCO3-在泃河和洳河剖面也有稍微下降趨勢，SO42-和Cl-含量在泃河剖面處于上下波動趨勢，在洳河剖面有上升的趨勢。

（2）地下水δ2H 含量為-68‰～-61.6‰，均值為-5.24‰；δ18O 含量為-10.4‰～-8.5‰，均值為-9.4‰。其中，淺層第四系松散孔隙水δ2H 均值為65.4‰，δ18O均值為9.27‰；基巖巖溶水δ2H 均值為65‰，δ18O 均值為9.4‰，泃河和洳河沖洪積扇山前基巖巖溶水與第四系地下水比較接近；深層第四系松散孔隙水δ2H均值為67‰，δ18O 均值為10.1‰，相較淺層水和基巖巖溶水，深層第四系水δ2H 和δ18O 含量低。另外，在泃河和洳河交匯處，180 m 監(jiān)測井和300 m 監(jiān)測井δ2H 和δ18O 含量值非常接近，說明此處有串層開采現(xiàn)象或者100 m 以下第四系含水層多以砂卵礫石為主，沒有明顯分層現(xiàn)象，建議不必開展分層監(jiān)測。

（3）泃河剖面地下水的循環(huán)特征是在山前巖溶裸露區(qū)和沖洪積扇中上部接受大氣降水補給，山區(qū)基巖巖溶水向下游徑流，流至山區(qū)平原分界處，分別側(cè)向補給第四系松散孔隙水和第四系下伏巖溶水，繼續(xù)向下游徑流并接受大氣降水入滲補給，在平谷區(qū)政府以西與汝河沖洪積扇地下水流匯合；洳河剖面地下水循環(huán)特征則是長城系高于莊組白云巖在山區(qū)裸露區(qū)接受大氣降水補給，由北向南徑流，流至北山前，同樣側(cè)向補給第四系松散孔隙水和基巖巖溶水。地下徑流繼續(xù)向南徑流并接受大氣降水入滲補給，至平谷區(qū)政府以西與泃河沖洪積扇地下水流匯合，一起向西南流出境外，在其徑流過程中經(jīng)歷人工開采、蒸發(fā)等。另外，泃河沖洪積扇上游及王都莊水源地地區(qū)第四系松散孔隙水地下水和基巖巖溶水聯(lián)系緊密；汝河沖洪積扇上游中橋水源地地區(qū)第四系松散孔隙水和基巖巖溶水聯(lián)系緊密。