北京怀柔地区入渗河水空间分布研究*

王东东 秦大军 孙 杰 刘文才 Muhammed Haji 郭 艺 李 露 郭高轩

(①中国科学院地质与地球物理研究所， 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室 北京 100029， 中国)(②三亚学院翟明国院士工作站， 三亚 572000， 中国)(③中国科学院地球科学研究院， 北京 100029， 中国)(④北京市水文地质工程地质大队， 北京 100195， 中国)

0 引 言

河水是地下水的重要补给源。入渗河水补给不仅增加地下水补给量，而且对地下水水质有重要影响。河水对地下水补给作用的研究具有重要意义。

水资源高强度利用，使地表水和地下水供给压力增加。怀柔应急水源地供水能力强，是城市供水安全的重要保障，至2013年从中已累计采出地下水10×108m3。这一区域内的地下水水位有明显下降。2014年底南水北调工程通水进京，增加了北京地区可利用水源。南水北调水的利用为北京过量开采区域地下水获得了恢复机会。在水源地地下水开采量下降和有地表水补给情况下，地下水修复状况评价是深入理解水文地质作用和水资源管理的重要课题。

研究表明北京平原区地表水有补给地下水。怀河沿岸地下水受河水入渗影响(Yu et al.，2014)； 河渠水入渗补给大兴区浅层地下水(Yin et al.，2016； 王亚俊等， 2017)； 顺义潮白河段有河水入渗补给浅层地下水(Li et al.，2019)。自河道入渗和井灌是地表水回补地下水的主要方式。在有利条件下，调蓄涵养地下水有利于区域稳定和可持续发展。以南水作为城市供水水源可降低地下水开采量，有助于地下水资源恢复。怀柔应急水源地位于潮白河冲洪积扇上的白河古河道，降水和地表水是主要补给源。该区第四系含水层厚度大，赋水条件好。其上游的沙河、牤牛河河道以砂卵砾石为主，易入渗，是可利用的地表水入渗场地(张景华等， 2015； 袁庆亮等， 2016)。

地下水质变化受到特别关注，地下水质变化的控制因素有多种。利用土壤和含水层物理、化学和生物作用，通过人工补给方式可改良地下水水质，增加地下水储量和可持续利用能力(Dillon， 2005； Sukhija， 2008； Trauth et al.，2018)。甚至处理过的废水也是可利用的地下水补给源，但是其面临着一定的技术和健康风险(Asano et al.，2004; Bekele et al.，2013)。地下水过量开采可引起水质变化， 2003～2008年期间，怀柔应急水源地溶解性总固体、硬度增加(杨利锦等， 2016)。土壤中的Cl-可随着水体向下运移和累积，不饱和带污染物可进入地下水系统中。代表性污染源有①农业面污染：化肥使用、污水灌溉等； ②生活污水、垃圾渗滤液； ③市政、景观中水。地下水开采、地表水环境、污染物排放、入渗条件等因素会引起地下水水质变化。在“人工回补”地下水过程中，更需要加强地下水水质的观测和研究。

环境同位素(例如δD，δ18O )广泛用于研究地下水来源，入渗位置，地下水动力学，地下水年龄，地下水污染(Clark et al.， 1997； Lachniet et al.， 2002; 李露等， 2019)，示踪水体径流路径和混合作用(Majumder et al.，2013; Martinez et al.，2015； Kebede et al.，2017； 李宝学等， 2017； Qin et al.，2017; Richards et al.，2018； Vrzel et al.，2018； 秦大军等2019)。怀柔地区(宋献方等， 2007； 郭高轩等， 2014； 任宇等， 2016； 李阳等， 2018)和潮白河(翟远征等， 2013； 欧志亮， 2017)地区的水化学和同位素，以及地下水库方案等领域已有一定相关研究基础。

本文基于对怀柔地区水文地质条件调查，利用河水和地下水水化学及稳定同位素数据分析了入渗河水分布及对地下水水质的影响，为水资源评价和管理提供依据。

1 研究区概况

研究区位于北京怀柔山前平原区，三面环山，南部为平原，地势由北向南逐渐降低，高程为35～100 m。属温暖半湿润大陆性季风气候，年平均温度12 ℃，多年平均降水量约620 mm，降水主要集中在6～9月。多年平均水面蒸发量在1700 mm以上。

怀柔地区主要河流为潮白河和怀河，其次为雁栖河、沙河、牤牛河等(图1)。河流多数常年干涸，仅在洪水期间上游水库弃水时，河道有暂时性水流。自怀柔水库坝下至庙城镇怀河河道蓄有景观用水，庙城镇以下有再生水排放进入河道，梭草村一带水深4～8 m。

图1 怀柔地区水文地质简图和水样品分布图Fig.1 Generalized hydrogeological map and sampling sites in Huairou area， Beijing1.长城系白云岩； 2.寒武系灰岩； 3.侏罗系火山岩； 4.第四系； 5.河流； 6.第一组浅层地下水样品； 7.第二组浅层地下水样品； 8.深层地下水样品； 9.河水样品； 10.2012年12月地下水等水位线

区内地层分布有侏罗系、寒武系、以及长城系，在平原区为第四系覆盖，第四系沉积物厚度变化大，东北部和中部地区小罗山、平头地区基岩埋深较浅，怀柔应急水源地附近基岩埋深较大，第四系沉积厚度可达450 m(欧志亮， 2017)。含水层介质以卵石和砂砾石为主，富水性好，一般可达5000 m3·d-1以上，弱透水层由粉质黏土构成。由北向南弱透水层层数逐渐增加，第四系含水层也由单一非承压含水层逐渐过渡为承压多层含水层(图2)。单一非承压含水层位于小罗山一带，过渡带位于小罗山至牛栏山； 承压多层含水层分布在牛栏山以南及顺义一带(袁庆亮等， 2016)。

图2 怀柔地区水文地质剖面图(袁庆亮， 2016)Fig.2 Hydrogeological cross section in Huairou area， Beijing(from Yuan， 2016)

浅层地下水补给源主要为大气降水和地表水，山区侧向水平径流和浅层地下水越流补给深层地下水。地下水开采是主要的排泄方式，怀柔应急水源地开采量占总开采量55%。1998年以前怀柔地区地下水仍维持动态平衡状态， 1998～2002年间地下水位年降幅2～3 m， 2003年怀柔应急水源地启动后年降幅增加至3～4 m， 2013年底地下水埋深44～50 m，并形成了以水源八厂为中心的椭球形漏斗(中心位于潮白河北小营镇)，面积约146.6 km2。

2 取样与分析

3 结 果

3.1 河水和地下水水化学特征

表1 地下水水化学成分统计表(mg·L-1)Table1 The statistical results of hydrochemical composition in groundwater(mg·L-1)

地下水水化学类型以Ca-Mg-HCO3为主，怀河和潮白河水化学类型为Na-Ca-HCO3-Cl，雁栖河水化学类型为Ca-Mg-HCO3。怀河西树行村沿岸地下水水化学类型为Ca-Na-Cl-HCO3、Ca-Na-HCO3-Cl、Ca-Mg-HCO3-Cl、Na-Ca-HCO3-Cl(图3)。

图3 怀柔地区河水和地下水水化学类型piper图Fig.3 The piper diagram of groundwater and rivers in Huairou area， Beijing蓝色椭圆内为怀河西树行村沿岸地下水，Na+K和Cl高，与其他地下水样品化学组成有区别

3.2 地下水和河水同位素特征

图4 怀柔地区河水与地下水样品δD-δ18O 关系Fig.4 The plot of δ18O versus δD for river water and groundwater in Huairou area， Beijingb图为a图中黑色矩形框放大内容，b图橘色椭圆范围内为沙河与牤牛河沿岸地下水，绿线为第一组浅层地下水回归线，蓝线为第二组浅层地下水回归线

雁栖河和怀河沿岸浅层地下水(图4b中第一组浅层地下水)δD-δ18O 关系为：y=5.1-18.5(R2=0.96，n=30)； 沙河与潮白河沿岸浅层地下水(图4b中第二组浅层地下水)δD-δ18O 关系为：y=4.1-25.7(R2=0.94，n=9)。以上两组浅层地下水相关线斜率都小于5表明沿河岸浅层地下水受河水补给。

4 讨 论

4.1 地下水 δ18O 分布与入渗河水识别

图5 怀柔地区浅层地下水 δ18O 值(‰)分布图Fig.5 The distribution of δ18O in the shallow porous aquifer in Huairou area， Beijing1.寒武系灰岩； 2.侏罗系火山岩； 3.第四系； 4.河流水系； 5.δ18O 等值线； 6.绿色虚线为Cl-=20 mg·L-1等值线，箭头指向Cl-含量>20 mg·L-1的区域

δ18O 等值线的分布可以判断入渗河水的径流方向。雁栖河由北向南流，沿岸浅层地下水δ18O 等值线顺河水流向，由河道向两侧地下水δ18O 值等值线密集，入渗河水径流方向为由北向南。潮白河沿岸浅层地下水δ18O 等值线由东北向西南方向呈扇形分布，西南方向δ18O 等值线分布稀疏，潮白河入渗主要由东北流向西南。这与2012年浅层地下水流场方向一致(图1)。

4.2 河水入渗与地下水Cl-含量的关系

图6 地下水Cl-与 δ18O 比值关系图Fig.6 The plot of Cl- versus δ18O for groundwater橙色圆形：怀柔水库沿岸地下水，Cl-小于20 mg·L-1； 绿色方形：怀河沿岸地下； 蓝色菱形：沙河与潮白河沿岸地下水； 紫色三角形：深层地下水

图7 河水入渗分布及地下水水质变化分区图Fig.7 The contours of river fraction and zonation of infiltrated rivers in the shallow porous aquifer1.寒武系灰岩； 2.侏罗系火山岩； 3.第四系； 4.河流水系； 5.入渗河水比例等值线； 6.入渗河水影响范围分界线

怀河沿岸浅层地下水δ18O 值与Cl-呈正相关(y=0.004x-8.17，R2=0.57)； 沙河与潮白河沿岸浅层地下水δ18O 值与Cl-正相关(y=0.03x-8.52，R2=0.56)； 深层地下水Cl-与δ18O 相关性不明显(y=0.008x-8.3，R2=0.09)。

怀柔水库下游浅层地下水δ18O 值与Cl-无关表明河水入渗未使地下水Cl-含量增加，对地下水水质影响较小。而其他河流沿岸浅层地下水δ18O 与Cl-含量相关表明这些地段河水入渗增加了地下水Cl-，特别是怀河西树行村沿岸地下水 Cl-含量最高，最大值为186.5 mg·L-1，可能与怀河再生水入渗有关。

4.3 河水入渗比例估算和影响范围

河水偏离降水线分布，受蒸发作用影响，受河水混合影响的地下水也表现为偏离降水线分布(秦大军等， 2019)。地下水受河水混合影响δ18O 值富集，根据二元混合模型代入地下水与河水端元δ18O 值可以计算浅层地下水中的河水入渗比例(Qin et al.，2017)，公式如式(1)：

(1)

河水入渗比例计算结果如下：怀柔水库下游沿岸地下水入渗比例为25%～99%，平均值为60%； 怀河两河村至西树行村沿岸地下水中河水入渗比例为24%～92%，平均值为53%； 雁栖河沿岸地下水中河水入渗比例为25%～49%，平均值为35%； 潮白河沿岸地下水中河水入渗比例为19%～71%，平均值为46%。总体来看，怀柔水库下游地下水中河水入渗比例平均值最高，其次为怀河两河村—西树行村沿岸地下水。

怀河沿岸地下水中入渗河水比例大于60%的区域呈西北—东南向哑铃状分布，两头为怀柔水库下游及西树行村以南，分布面积大，两河村—西树行村为中间区域，分布面积小(图6)。沿怀柔水库下游，地下水中入渗河水比例向南东方向逐渐减小，与地下水径流方向一致(图1)。西树行村河道附近地下水中的入渗河水比例最高，为70%～92%，由河道向两侧入渗比例逐渐减小，到东牤牛河和潮白河沿岸入渗河水比例分别减小至27%和35%。两河村地下水中入渗河水比例在31%～75%之间，沿两侧向河道入渗河水比例逐渐减小，至河道减小为31%。西树行村附近地下水中入渗河水比例最高，为河水入渗地段，其上游两河村附近入渗河水比例较小，两河村附近入渗河水占比最低。

上述分析表明：该区河水既入渗补给地下水，还对地下水水质有影响。地下水水质变化则受河水水质、不饱和带可溶解组份等输入因子影响。以地下水中Cl-浓度空间分布和变化可以进一步阐明入渗河水对地下水水质的作用影响。怀柔水库水下游地下水Cl-含量小于20 mg·L-1，水库直接泄水对地下水水质有改善； 相比而言，远离怀柔水库的河道河水入渗增加了地下水Cl-含量(>20 mg·L-1)，这些区段易受地表污染物影响。由浅层地下水Cl-含量与δ18O 可以划分出不同河流河水入渗的影响分区。图7中圈定了4个入渗河水影响地下水区。

5 结 论

本项研究表明地下水δ18O 值、河水入渗比例和Cl-含量可以用于识别入渗河水影响范围，判定入渗河水与地下水之间的混合作用； 可以利用二元混合模型估算河水入渗比例，并指示入渗河水运移路径。水化学和稳定同位素数据在识别入渗河水对地下水影响中发挥着重要作用。

本项工作揭示出怀柔水库下泄水入渗影响范围较大，雁栖河与潮白河次之，怀河入渗影响范围较小。这一方面与不饱和带特征参数有关，另一方面也受补给源和补给条件影响。

怀河西树行村沿岸河水入渗比例较高，河水入渗增加了地下水Cl-含量。怀河西树行村以南再生水排放对附近地下水的影响还需进一步观测。