0  引 言

 

  北京是水資源嚴(yán)重緊缺的城市, 水資源已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素。自1999 年以來北京地區(qū)出現(xiàn)了多年連續(xù)干旱, 地表水源來水量驟減, 地下水位連年下降, 水質(zhì)逐年惡化, 自來水廠的現(xiàn)狀供水能力難以達(dá)到供水管網(wǎng)的供水能力, 供需矛盾日益突出, 迫切需要開發(fā)新的城市后備水源。

 

  西山巖溶地下水是北京后備水源地之一。為合理開發(fā)利用該后備水源, 本文在綜合分析其奧陶系巖溶地下水水文地質(zhì)特征基礎(chǔ)上, 以群孔抽水試驗(yàn)為基礎(chǔ), 采用相關(guān)分析法預(yù)測(cè)水位, 從巖溶地下水的富水性、地下水流場(chǎng)、地下水資源方面分析該應(yīng)急水源地的巖溶水開采潛力, 以確保其在出現(xiàn)水源危機(jī)時(shí)能夠作為后備水源地為城市供水。

 

  1  區(qū)域水文地質(zhì)概況

 

  據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、埋藏、分布、賦存規(guī)律, 北京西山地區(qū)基巖地下水分為碳酸鹽巖類巖溶水、碳酸鹽巖-碎屑巖類裂隙水、碎屑巖類裂隙水和火成巖類裂隙水。

 

  碳酸鹽巖類巖溶水根據(jù)巖性劃分為奧陶系、寒武系、薊縣系含水巖組。

 

  西山巖溶地下水主要取水層位為奧陶系含水巖組, 奧陶系地層主要出露在本區(qū)西北、西南一帶, 在東部地區(qū)奧陶系地層隱伏于第四系地層之下。在構(gòu)造上, 西南部魯家灘、北車營(yíng)地區(qū)的奧陶系灰?guī)r位于谷積山背斜的兩翼, 西北部妙峰山、軍莊地區(qū)的奧陶系灰?guī)r分布在九龍山-香峪大梁向斜的北翼, 東部四季青、北塢一帶奧陶系灰?guī)r位于八寶山斷裂的西北側(cè)。

 

  奧陶系巖溶地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件主要受九龍山-香峪向斜、谷積山背斜、馬鞍山-廊坡頂背斜和八寶山斷裂等地質(zhì)構(gòu)造控制。

 

  北京西山奧陶系巖溶地下水系統(tǒng)是由九龍山復(fù)式向斜形成的巖溶裂隙儲(chǔ)水構(gòu)造, 系統(tǒng)西部邊界在魯家灘、軍莊一帶, 以地表分水嶺為界, 東南部以八寶山阻水?dāng)嗔褳橄鄬?duì)隔水邊界, 北部以花崗巖體為界, 向東延伸至東北旺地區(qū)。該含水巖層主要接受大氣降水、地表水入滲補(bǔ)給, 軍莊地區(qū)巖溶地下水向東、東南方向徑流, 魯家灘地區(qū)巖溶地下水沿八寶山斷裂向梨園地區(qū)徑流。排泄途徑主要有人工開采、側(cè)向徑流。

 

  應(yīng)急水源地位于北京西山四季青地區(qū), 是北京西山地層和構(gòu)造的延伸部分。巖性由灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r組成, 在西山巖溶地下水系統(tǒng)中, 處于地下水的排泄區(qū)。水源地奧陶系灰?guī)r直接埋藏于第四系地層之下, 第四系厚度約200 ～ 300 m ?；?guī)r巖溶裂隙發(fā)育,富水性好, 單井出水量為2 500 ～ 3 000 m3 /d 。

 

  2  地下水動(dòng)態(tài)特征

 

  年內(nèi)動(dòng)態(tài)特征:奧陶系巖溶地下水位的變化主要受大氣降水補(bǔ)給、人工開采的控制和影響, 3 -5 月份降水量較少, 農(nóng)業(yè)開采量增加, 水位持續(xù)下降, 一般5 月底或6 月初水位最低, 到雨季7 -9 月份水位回升并出現(xiàn)峰值, 10 月至翌年2 月, 降水量少, 但農(nóng)業(yè)灌溉用水也少, 因此水位變化緩慢。年內(nèi)水位的變化幅度與降水量密切相關(guān), 降水量大的年份, 地下水水位變化幅度大于降水量小的年份。1993 年和1994年的降水量分別為506 .7 mm 和811 .2 mm , 184 號(hào)孔地下水位年內(nèi)變化幅度分別為4 .2 m 和40 m , 189號(hào)孔水位年內(nèi)變化幅度分別為1 .6 m 和6 m 。

 

  多年動(dòng)態(tài)變化特征:西山巖溶地下水是在1982年后逐漸開采使用的, 1982 -1988 年地下水位下降較快, 184 號(hào)孔和189 號(hào)孔平均水位下降速率為2 .16 m/a 和0 .78 m/a , 1989 -1997 年9 年平均降水量為582 mm , 相當(dāng)于平水年份, 但由于得到地表水的補(bǔ)給, 如永定河三家店水庫(kù)放水補(bǔ)給等, 184 號(hào)孔1989 年和1997 年12 月份同期水位分別為52 .99m 和52 .8 m , 地下水位基本保持自然平衡狀態(tài);189號(hào)孔1997 年12 月份水位為40 .97 m , 與1989 年相比(水位39 .16 m), 地下水位略有上升。

 

  1997 年后, 由于基巖自備井的大量增加, 開采量逐漸加大, 在梨園村一帶已形成地下水位降落漏斗,1998 年為豐水年, 地下水位稍有回升。1999 -2006年為連續(xù)枯水年份, 由于降水量減少, 開采量增大,184 號(hào)孔由45 m(1999 年最低水位)下降到28 m(2006 年), 189 號(hào)孔由35 m(1999 年)下降到23 .7 m(2006 年), 地下水水位呈持續(xù)下降趨勢(shì)。在八寶山斷裂帶地區(qū)地下水位下降較快, 下降速率為2 .51 m/a , 降落漏斗范圍不斷擴(kuò)大。

 

  3  巖溶地下水潛力分析

 

  西山巖溶水應(yīng)急水源地屬覆蓋型水源地, 處于山前基巖淺埋區(qū), 富水性好、水質(zhì)優(yōu)良, 是保障北京供水安全的后備水源。本次研究是以群孔抽水試驗(yàn)為基礎(chǔ), 采用相關(guān)分析法預(yù)測(cè)水位, 從巖溶地下水的富水性、水位、水量方面分析奧陶系巖溶水的開采潛力。

 

  3 .1  群孔抽水試驗(yàn)

 

  應(yīng)急水源地基巖地下水的勘察工作在三廠水源

 

  地的原有井院內(nèi)施工15 眼基巖水源井, 總進(jìn)尺10 000 m ?；鶐r水源井成井后, 于2005 年7 月1 日陸續(xù)投入使用, 7 月10 日全部運(yùn)行。群孔抽水試驗(yàn)與水源井管線供水同步進(jìn)行, 各水源井成井后接入主管線, 直接參與市政供水。在群孔抽水試驗(yàn)期間, 水源三廠原有水源井不停采。

 

  3 .1 .1  群孔抽水試驗(yàn)的目的和任務(wù)

 

  群孔抽水試驗(yàn)評(píng)價(jià)的目的是按照國(guó)家供水規(guī)范

 

  要求, 通過群孔抽水試驗(yàn)進(jìn)一步揭露水源地地區(qū)的水文地質(zhì)條件, 判斷基巖地下水的補(bǔ)給來源、徑流途徑,評(píng)價(jià)應(yīng)急水源地投入使用后對(duì)當(dāng)?shù)毓?a href="http://xldcn.com/t/農(nóng)業(yè).html" >農(nóng)業(yè)生活用水的影響。主要任務(wù)是在群孔抽水試驗(yàn)期間, 觀測(cè)抽水試驗(yàn)前、抽水試驗(yàn)過程中和抽水后基巖地下水位的變化趨勢(shì), 重點(diǎn)監(jiān)測(cè)水源地中心區(qū)基巖地下水位、水質(zhì)變化情況, 通過抽水前自然水位的變化規(guī)律圈定抽水影響范圍, 分析水源井間的水位干擾、水量削減情況,評(píng)價(jià)干擾影響程度, 提出基巖地下水水源地最佳開采方案。

 

  3 .1 .2  開采量

 

  群孔抽水單井出水量2 400 m3/d , 15 眼水源井日開采量共為3 .6 萬m3/d , 從2005 年7 月1 日至12月31 日, 累計(jì)增加開采量648 萬m3 。

 

  3 .1 .3  群孔抽水試驗(yàn)期間水位、水質(zhì)變化趨勢(shì)各觀測(cè)孔與抽水主孔均在7 月20 日出現(xiàn)最低水位, 5 號(hào)觀測(cè)孔水位為25 .5 m , 2 號(hào)抽水主孔水位為21 .5 m , 后由于降水, 地下水位回升, 在8 月20 日出現(xiàn)最高水位, 5 號(hào)觀測(cè)孔和2 號(hào)抽水主孔水位分別為26 .9 m 和22 .68 m , 隨后水位略有下降, 之后變化很小, 說明抽水井水位已達(dá)到穩(wěn)定, 水源地具有穩(wěn)定的補(bǔ)給源, 補(bǔ)給途徑快, 補(bǔ)給量充足。

 

  根據(jù)群孔抽水試驗(yàn)期間取樣分析結(jié)果, 抽水前后地下水硬度275 mg/ L , 沒有發(fā)生變化, 其它各項(xiàng)指標(biāo)也未改變, 基巖地下水的水質(zhì)在群孔抽水期是穩(wěn)定。

 

  3 .1 .4  影響范圍

 

  抽水試驗(yàn)期間觀測(cè)孔水位同抽水井水位變化同步, 同時(shí)出現(xiàn)最低水位和最高水位, 與抽水前期相比,抽水主孔和觀測(cè)孔水位最大下降值分別為1 .91 m和1 .6 m , 8 月30 日至9 月25 日水位波動(dòng)不大, 基本達(dá)到穩(wěn)定。水源地中心2 號(hào)抽水主孔與5 號(hào)觀測(cè)孔的距離為4 000 m , 由于基巖觀測(cè)孔較少, 根據(jù)現(xiàn)有觀測(cè)資料分析, 可以確定在4 000 m 范圍內(nèi)的基巖井受到群孔抽水試驗(yàn)影響。

 

  綜上所述, 群孔抽水試驗(yàn)證實(shí)應(yīng)急水源地巖溶地下水具有穩(wěn)定的補(bǔ)給源, 補(bǔ)給途徑快, 補(bǔ)給量充足。

 

  試驗(yàn)期間, 距水源地中心4 000 m 范圍內(nèi)的基巖井受到抽水試驗(yàn)影響, 但對(duì)水井的運(yùn)行沒有產(chǎn)生影響。應(yīng)急水源地運(yùn)行后, 在水源地中心區(qū)形成了降落漏斗,應(yīng)繼續(xù)監(jiān)測(cè)基巖井的水位、水質(zhì), 分析地下水流場(chǎng)的變化趨勢(shì)。

 

  3 .2  相關(guān)分析法

 

  應(yīng)急水源地群孔抽水試驗(yàn)是采用并網(wǎng)供水方式進(jìn)行的, 由于場(chǎng)地、時(shí)間限制, 只有一個(gè)抽水落程, 不能滿足開采試驗(yàn)法的要求。該水源地已連續(xù)開采13年, 相當(dāng)于長(zhǎng)期的開采性抽水試驗(yàn), 可充分利用多年來的實(shí)際開采資料, 采用相關(guān)分析法, 根據(jù)歷年水位埋深與實(shí)際開采量的相關(guān)關(guān)系, 預(yù)測(cè)地下水位埋深值。

 

  本區(qū)巖溶地下水的開采主要經(jīng)歷了三個(gè)階段:

 

  1998 年水源三廠開始大量開采巖溶地下水, 1999 年石景山水廠正式運(yùn)行, 2005 年自來水應(yīng)急水源地運(yùn)行。根據(jù)水源井的實(shí)測(cè)水位, 1996 -2006 年地下水位埋深(S)與年開采量(Q)關(guān)系密切, 相關(guān)方程為:

 

  S =5 .866e0 .000224Q   R2 =0 .97

 

  經(jīng)顯著性檢驗(yàn)(F 檢驗(yàn)值289 .69 , 尾概率為0 .000), 該相關(guān)方程可用于預(yù)測(cè)水位埋深。

 

  為了分析奧陶系巖溶地下水的開采潛力, 根據(jù)相關(guān)分析法的外推范圍(降深不超過1 .5 倍), 給出奧陶系巖溶地下水不同的開采量, 預(yù)測(cè)水源地中心區(qū)地下水位埋深共采用3 種增采方案, 即在2006 年的開采量(7 631 萬m3)的基礎(chǔ)上, 分別增加開采量1 萬m3/d 、3 萬m3 /d 和6 萬m3 /d , 其水位值分別為35 .17 m 、41 .42 m 和52 .94 m。

 

  3 .3  水資源開采潛力分析

 

  為論證上述增采方案的可行性, 下面擬從奧陶系巖溶地下水的富水性特征、地下水流場(chǎng)演化以及水資源現(xiàn)狀, 并結(jié)合群孔抽水試驗(yàn)、相關(guān)分析預(yù)測(cè)結(jié)果, 對(duì)西山地區(qū)巖溶地下水的開采潛力進(jìn)行綜合研究。

 

  3 .3 .1  從富水性分析

 

  應(yīng)急水源地奧陶系巖溶地下水埋藏于第四系地層之下, 巖溶裂隙發(fā)育, 且與裂隙相互連通, 利于大氣降水及地表水入滲補(bǔ)給, 具有較強(qiáng)的透水性及導(dǎo)水性能。群孔抽水試驗(yàn)證實(shí)了應(yīng)急水源地巖溶地下水具有穩(wěn)定的補(bǔ)給源, 補(bǔ)給途徑快, 補(bǔ)給量充足, 同時(shí)水質(zhì)符合國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn), 開采條件好, 具有較強(qiáng)的開采潛力。

 

  3 .3 .2  從地下水流場(chǎng)分析

 

  北京西山奧陶系巖溶地下水流動(dòng)的總體趨勢(shì)是從西部軍莊地區(qū)、西南魯家灘地區(qū)向東北方向流動(dòng),梨園、四季青地區(qū)由于地下水的集中開采形成局部降落漏斗。

 

  1987 年以前巖溶地下水流場(chǎng)基本呈天然狀態(tài),1988 年梨園水源地運(yùn)行, 八寶山斷裂帶附近西部山前地區(qū)增加了許多基巖自備井, 巖溶地下水開始大量開采, 打破了自然狀態(tài), 在八寶山斷裂帶地下水位下降較快, 形成小型降落漏斗。1997 年后, 水源三廠大量開采巖溶地下水, 四季青地區(qū)增加了許多基巖井,巖溶地下水開采量猛增, 最大達(dá)到了6 萬m3 /d , 地下水位下降并到達(dá)新的動(dòng)態(tài)平衡, 但未形成降落漏斗。

 

  1999年石景山水源地運(yùn)行, 增加開采量1 萬m3 /d , 對(duì)地下水流場(chǎng)未產(chǎn)生影響, 2005 年應(yīng)急水源地運(yùn)行, 增加了開采量3 .6 萬m3 /d , 地下水位降深增加了1 .6m , 局部地區(qū)形成漏斗, 形成新的動(dòng)態(tài)平衡。巖溶地下水流場(chǎng)的變化趨勢(shì)表明, 地下水水位多年來呈區(qū)域性下降的趨勢(shì)。巖溶地下水開采量的增加, 打破了原有的動(dòng)態(tài)平衡, 地下水位每次都能很快形成一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡, 說明巖溶水具有較強(qiáng)的補(bǔ)給能力, 有一定開采潛力。

 

  3 .3 .3  從地下水資源方面分析

 

  西山地區(qū)奧陶系巖溶地下水多年平均總補(bǔ)給量為12 651 萬m3 /a , 2006 年總開采量為7 631 萬m3 ,巖溶裂隙水對(duì)第四系地下水的頂托補(bǔ)給為2 000 萬m3/a , 尚余水量3 020 萬m3 /a(8 .3 萬m3/d)。據(jù)相關(guān)分析法預(yù)測(cè)知, 應(yīng)急水源地增加應(yīng)急開采6 萬m3/d 的供水量, 水位埋深預(yù)測(cè)值為52 .94 m , 能夠滿足現(xiàn)有取水設(shè)備條件, 不會(huì)影響其它水源井的運(yùn)行, 因此, 西山地區(qū)巖溶地下水具有6 萬m3 /d 的開采潛力, 在遇枯水年或連枯水年時(shí), 可動(dòng)用部分貯存量作為應(yīng)急開采。

 

  4  結(jié) 語

 

  (1)北京西山奧陶系巖溶地下水巖溶裂隙發(fā)育,補(bǔ)給條件好, 地下水徑流強(qiáng)度大, 水質(zhì)優(yōu)良, 巖溶地下水多年平均總補(bǔ)給量為12 651 萬m3/a , 2006 年巖溶地下水還具有6 萬m3 /d 的開采潛力。

 

  (2)建議在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上, 開展水文地質(zhì)詳查工作, 通過鉆探、大型群孔抽水試驗(yàn), 進(jìn)一步揭露巖溶地下水的水文地質(zhì)條件, 論證巖溶地下水開采技術(shù)條件及長(zhǎng)期開采的保證程度, 預(yù)測(cè)開采期間巖溶地下水的變化趨勢(shì), 分析開采后對(duì)已建水源地的影響以及可能產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題。

 

  (3)為保證巖溶地下水可持續(xù)開發(fā)利用, 應(yīng)建立基巖地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng), 對(duì)水位、水質(zhì)、水量進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究, 做好水源保護(hù)工作。