大兴迭隆起隐伏岩溶水资源保护措施分析

2015-01-28王新娟

城市地质 2015年2期

王新娟

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

0 引言

北京市历史上有丰富的地下水资源，以往玉泉山山泉涌流，清河和莲花河一带也有不少自流井。地下水主要接受山区河谷潜流、大气降水和地表河水补给。地下水根据赋存介质可分为第四系松散孔隙水和赋存于岩石裂隙和溶隙的基岩裂隙水和岩溶水。北京平原区第四系松散孔隙水由于长期超采，地下水位持续下降，引发了一系列环境地质问题，诸如地下水降落漏斗不断扩展、局部含水层疏干、地面沉降范围不断扩大、沉降量逐年增加和地裂缝等。因此，北京市水资源供应转向开采深部岩溶地下水。

岩溶水是北京市水资源重要的组成部分，其资源丰富、储存量大、出水量大、水质优良，是北京市重要的战略应急后备水源[1]。虽说北京市比较富含岩溶地下水资源，但是，由于其大部分特别是平原区隐伏岩溶水埋藏较深，地下水循环交替条件差，开采利用应以可持续利用为目的，遵循采补平衡原理，慎重开采。

大兴迭隆起区隐伏岩溶水分布有大兴第一、第二水厂水源地、孙村水厂水源地、东高地水源地和通州水厂水源地[2]，由于本地浅层第四系地下水污染严重，岩溶地下水的开采在本区生活饮用水供水中肩负着重要责任，近年来，随着地表水的减少，地下水开采量多处于超采状态，地下水位逐年下降，尤其是通州水厂水源地地下水位下降的尤为厉害。隐伏型岩溶水系统规模大、资源要素构成复杂、转换关系复杂、环境质量比较脆弱[3]，其发育受构造控制，补、径、排条件难以通过地面工作探查明晰[4]。目前，用于调查隐伏岩溶地下水含水层的发育情况、补、径、排条件及富水性特征等水文地质条件的方法主要有钻探、物探、同位素、化学示踪方法及模型模拟识别法[5,6]。对于大兴隐伏岩溶水分布区来说，由于城市化使得钻探、物探方法实施起来比较困难；化学示踪法也有一定的困难，且某些化学示踪剂容易造成环境污染[8]，岩溶水本身较为脆弱，污染后难以治理，难以恢复；而利用地下水动态资料、水化学分析方法结合地下水数值模拟技术可以间接获取地下水补径排信息。

本文以大兴迭隆起岩溶水为研究对象，利用地质、水文地质、地下水动态、地下水化学分析和数值模拟[8]等方法确定了研究区基岩岩溶水的补径排条件，在此基础上利用反算法和数值法进行了资源评价，结合评价结果进一步开展了开采的环境影响分析，从可持续利用角度提出了岩溶地下水的保护措施。

1 研究区概况

大兴迭隆起岩溶区位于北京平原区，北京凹陷东南，分布于大兴－朝阳－丰台－通州一线，地理位置为北纬39°37′～ 40°00′，东经116°10′～116°50′隐伏岩溶面积大于767km2，包括大兴地区、丰台部分地区、通州地区和朝阳部分地区。

大兴迭隆起隐伏岩溶水隐伏于永定河冲洪积平原中下游以及潮白河冲洪积平原中下游第四系岩层之下。永定河和潮白河分别在研究区西北部和东北部自北向南流过，河道基本干枯。研究区降雨量多年平均为563mm左右（1960～2010），时空分布不均，年内降雨多集中在6～9月份，占全年降水量的85%以上。降水量年际变化较大，常出现连续丰水或枯水年份。工作区地下水埋深多在10m以深，超过该区地下水蒸发的极限深度。

在研究区第四系孔隙含水层之下，隐伏基岩岩溶含水层，黄村向斜核部为奥陶系冶里组、亮甲山组，翼部依次为寒武系炒米店组、张夏组、馒毛组、昌平组，青白口系景儿峪组和长龙山组；通州向斜核部为寒武系馒毛组、翼侧依次为寒武系昌平组、青白口系景儿峪组和长龙山组。

研究区内断裂较为发育，以北东-南西向为主，其次为北西-南东向。黄村向斜与通州向斜通过寒武系长龙山组连接。奥陶系以灰岩、白云岩岩溶裂隙水为主，在黄村镇一带富水性较好，一般单位涌水量在450～500 m3/d·m，最大单位涌水量2930.02m3/d·m，最小单位涌水量124.5～115.0m3/d·m，东高地火箭研究院一带单位涌水量为42.11～282.86m3/d·m；寒武系中上统含水层在黄村向斜中部、黑庄户一带发育较好，单位涌水量可达80m3/d·m左右。研究区东北部龙旺庄一带寒武系下统昌平组含水层岩溶裂隙发育，水位降低0.59～8.86m，出水量1371～5152 m3/d。青白口系景儿峪组富水段单位涌水量48.94～2085 m3/d·m。区内岩溶水含水层主要受黄村向斜、通州向斜以及南苑通县断裂、永定河断裂等构造控制（图1、图2）。

图1 大兴迭隆起岩溶水系统地质构造图

图2 大兴迭隆起岩溶地区典型剖面图

在研究区东北部南苑-通县断裂边界西北侧为隔水的第三系地层。在研究区西北部南苑-通县断裂一侧为巨厚层第三系隔水岩层下覆寒武系透水岩层，另一侧为透水的奥陶系及青白口系地层，其中奥陶系地层与断层西北部不透水的第三系地层接触，约在700m以下部分断层东南的透水的寒武系及青白口系岩层与断层西北透水的寒武系岩层接触。因此，可以认为南苑-通县断裂是隔水的。

永定河断裂北起军庄，向南东经永成庄至立垡村一带进入研究区，断裂总体走向北西320°。目前研究认为，地下水通过永定河断裂，经北京凹陷地带，侧向排泄至大兴迭隆起隐伏基岩区的可能性较小；而在垂向上，第四系地下水通过断裂破碎带越流补给基岩含水层的可能性较大，并且经过大兴迭隆起隐伏岩溶地下水流模型的模拟分析更加进一步证实了此结论。

由多年地下水动态和水化学资料分析可知，岩溶含水层与上覆第四系孔隙含水层有良好的水力联系，各层位岩溶水的主要补给来源为上覆第四系孔隙含水层的越流补给。奥陶系岩溶水流向基本为自西北向东南，寒武系岩溶水流向基本为西南向东北。这与基岩构造以及不同地区岩溶裂隙水的开采程度均有一定的关系。基岩含水层的排泄基本为人工开采，开采方式主要为集中水厂开采和分散自备井开采，近年来，基岩岩溶水年开采总量在4000万m3左右，岩溶水开采量约占区内地下水开采总量的30.41%。

2 第四系含水层和基岩岩溶水的水力联系

2.1 地下水动态

在大兴地区第四系与基岩之间粘性土分布并不完全连续，部分地段存在透水“天窗”。

由图2中基岩长观孔DJ35-3B水位动态曲线与第四系承压水长观孔DJ35-2B水位动态

曲线之间的关系可以看出，基岩岩溶裂隙水水位与第四系承压水水位变化规律保持一致，其相关性系数为0.98，见图3。由图3和图4可知大兴地区基岩岩溶水和第四系地下水水力联系紧密。

图3 大兴海子角监测孔降雨与水位动态曲线图

图4 大兴区基岩承压水水位与第四系承压水水位相关性分析图

通州地区从宋庄镇T57号井第四系潜水、承压水水位过程线（图5），结合通州地区第四系地层结构及开采条件可知，通州区第四系承压水含水层厚度较大与第四系潜水含水层之间有较连续的粘土层阻隔，第四系潜水与承压水联系较弱。结合以往研究可知，通州地区基岩地下水与第四系承压水整体水力联系较差，除部分地区，如在龙旺庄水源地开采区存在透水“天窗”，基岩接受上覆第四系补给外，基岩与第四系承压水水力联系较弱。

图5 通州区T57号井第四系含水层年内水位动态曲线

2.2 水化学特征

根据2012年地下水水化学取样分析，由图6工作区水化学Piper图特征的分析可知，大兴地区基岩地下水水化学类型与第四系地下水水化学类型基本相同，基岩地下水与第四系地下水水力联系良好；通州地区寒武系岩溶裂隙水第四系地下水化学类型不同，基岩岩溶水与第四系地下水水力联系较弱。

图6 工作区水化学对比piper图

3 研究区水资源开发利用现状和资源量

3.1 研究区地下水资源开发利用现状

研究区岩溶地下水开采以供生活用水的水厂开采和企事业单位自备井开采为主，自备井开采除了供某些单位生活用水外兼顾工业用水。据统计，2011年研究区共有基岩开采井280眼，其中水厂开采井75眼，自备井205眼；岩溶水开采总量约为4244.31×104m3，水厂开采量3328.66×104m3，自备井开采915.65×104m3。

3.2 地下水资源计算评价

本区岩溶水为隐伏岩溶水，岩溶水资源可以通过反算法、越流量法、开采试验法和数值模型法等方法计算评价，本次资源计算评价分别选用动态反算法和数值法，计算参数根据研究区以往和本次抽水试验成果，计算时间选择2011年降水量，2011年降水接近平水年，计算范围仅限可供饮用的奥陶系、寒武系及青白口系岩溶含水岩组。

（1）补给量的计算

采用基于均衡原理的反算法进行资源计算，本次计算首先把研究区第四系地下水和基岩岩溶地下水当成一盆水，计算其补给量、第四系消耗量和第四系储存变化量，扣除第四系量，剩余就认为是基岩岩溶水获取的补给量。

即：Q基补=Q补-Qsc-Q排-△Q （1）

式中，Qsc—为第四系开采量，Q排—为第四系自然排泄量，△Q—第四系储存变化量。

经计算，大兴岩溶水系统地下水补给量为3088.75×104m3/a，见表1。

表1 大兴-通州岩溶水系统越流补给量计算表（单位：万m3）

（2）消耗量

研究区基岩岩溶水的消耗量主要是人工开采和极少量侧向流出量，人工开采包括水厂开采和自备井开采，由前面开发利用现状可知，总开采量为4244.31×104m3/a。

（3）地下水资源评价

根据水均衡原理，可以计算出研究区岩溶地下水资源补排差为-1155.56×104m3/a，而根据地下水位动态计算的岩溶地下水储存变化量为-1150.53×104m3/a，两项结果误差仅为4.43%，计算成果可用来进行地下水资源评价。

根据补排差和储存变化量，研究区岩溶地下水为负均衡，开采指数为13.7，处于严重超采状态，因此应对研究区基岩岩溶水进行压采养蓄。

4 岩溶水开采的环境影响分析

4.1 水资源枯竭

研究区内除第四系松散含水层的开采外，岩溶地下水开采以供生活用水的水厂开采和企事业单位自备井开采为主，自备井开采除了供某些单位生活用水外兼顾工业用水。根据3.2节均衡分析可知，目前区内地下水均处于超采和严重超采状态，从2000年至2011年大兴地区岩溶水地下水位年均下降2m，通州地区从1995年到2000年地下水位下降13.38m，年均下降2.6m，2008年以来水位下降更是严重，截止2011年龙旺庄水源地已经有5～6眼井被迫停采。

4.2 第四系松散地层地面沉降加剧

引发地面沉降的因素很多，其中包括人为过量开采地下水，长期过量超采地下水，造成地下水位的大幅下降，导致含水层上覆土层孔隙水压力降低，土层固结失水压缩，含水层颗粒排列紧密，形成地面沉降。研究表明，超采地下水是引起北京市平原区地面沉降的主要原因，北京市南部地面沉降与地下水位下降总体趋势基本一致。

工作区地下水开采量较大的通州－朝阳一带累积地面沉降量较大，大兴地区也存在一定的地面沉降问题，且随着地下水持续过量开采而持续发展。1955～2005年区内大兴一带累积地面沉降量由北向南逐渐增大，至2005年大兴地区累积地面沉降量已达200mm左右。

北京平原区的地面沉降主要是地下水大量超采，造成第四系承压含水层地下水位持续下降而产生。在本地区，由于第四系含水层与岩溶含水层水力联系较为密切，基岩含水层补给资源全部来自上覆第四系含水层。岩溶水的过量开采可能诱发或者加剧工作区第四系地面沉降。因而，应当将工作区松散层孔隙水和岩溶水作为统一的地下水资源来考虑，将地下水开采总量控制在可开采量范围内，才能控制本区的地面沉降。

4.3 水质恶化

（1）大兴区

近十几年来，地下水是大兴区主要的供水水源。根据资料，大兴区浅层水的总硬度以及亚硝盐氮检测超标（王小英等，2008），不能达到饮用水标准，同时区内地表水过境污水总量为2.3～3.5×104m3，凤河、新凤河、凉水河作为污水处理厂的排污河道，处理后的地下水直接排入河道，加速了浅层水体的恶化。由于水质较差，加之开采条件差（单井出水量小），本地区潜水含水层不作为供水层。大兴区的农业开采以及城镇工业用水大部分来自第四系的浅层承压水，城镇生活用水主要开采第四系深层承压水及基岩岩溶承压水。其中，岩溶水开采量约占区内开采总量的30.41%。

大兴区第四系地下水和岩溶水水利联系紧密，因此，随着地下水的开采，该区域在超采条件下存在着水动力条件改变，上下层间的水力梯度增大，而导致受污染的超标浅层水向深层水体移动的风险，是岩溶水遭受污染的主要途径。

目前大兴区基岩地下水水质并没有发生严重的恶化，分析其原因，主要是由于基岩含水层隐伏于第四系之下，其间发育的粘土层起到了相对隔水的作用，同时粘粒成分可吸附地下水中有害物质，对地下水起到一定的净化作用，因此防污能力较好。但是由于粘土层的弱透水性及透水“天窗”的存在，加之开采井对第四系水与基岩承压水的混采增加了二者间的水力联系，深层承压地下水虽不易受到污染，但并非绝对的不受污染，这一过程可能十分缓慢，且一旦受到污染将很难恢复。因此，从长远的角度考虑，更应该加强对区域深层基岩水的保护。

（2）通州地区

自上世纪70年代中期以来，由于地下水的集中和超量开采，通州区地下水形成了局部的降落漏斗，工作区北部处于天竺－通州漏斗范围内。在地下水降落漏斗分布区地下水径流方向为由漏斗的四周向漏斗中心汇集，造成了局部地下水流场的变化，因此要特别注意这种流场变化对区域地下水水质产生的影响。根据已掌握的水化学资料，通州区地下水除第四系水硝酸盐含量略有升高以外，其他指标随着开采的进行变化不大，均符合饮用水规范。

从地质构造条件的角度来分析，通州地区第四系厚度与大兴区相比相对较厚，一般在200m左右，岩性以中细砂、中粗砂夹亚粘土、粘土为主，其黏土层厚度在50～70m。一般来说，粘土层越厚，土质粘性越大，其渗透性也越差，对污染物的降解能力也越强，可以有效的防止地表及浅层水体的污染物进入深层承压水，地下水开采对通州区基岩水水质影响不大。

5 岩溶地下水保护措施

大兴迭隆起隐伏岩溶水与上覆的第四系松散含水层水力联系密切，是一个统一的含水系统，因而应该将整个含水层系统作为整体进行统一管理：

（1）由资源计算评价结果可知，目前本区岩溶水大都处于超采和严重超采状态，因而本区应严格限制新增加任何开采井，严格计量和计划用水制度；建议在南水北调来水后通过南水北调来水作为替代水源，将地下水开采量压缩到可开采量以下，或通过人工回灌等措施，使地下水位逐步回升，地下水储存量逐步增加，在南水北调来水之前可通过节水、利用非常规水源等措施减缓地下水位的持续下降，降低地下水枯竭程度。

（2）由于本区岩溶水的补给基本为上覆第四系松散孔隙水的越流补给量，因而如果上覆孔隙水被污染，岩溶水也会逐步受到污染，岩溶水的地下水保护应从上覆松散含水层的保护作起，应该加强工作区松散孔隙含水层地下水污染的防治，以保护岩溶水不受污染；目前区内已建水源地开采基本为第四系水与岩溶水混采，容易造成含水层串层污染等问题，建议尽量关闭混层开采井，进行分层开采。

（3）工作区岩溶水监测网的建设仍需完善，尤其应补充地下水位下降较快地区，如大兴念坛水源地奥陶系和寒武系含水层、通州下寒武统及青白口系岩溶含水层水位的实时监测。

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