0  引 言

 

  北京是水資源嚴重緊缺的城市, 水資源已成為社會經(jīng)濟可持續(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)特征基礎上, 以群孔抽水試驗為基礎, 采用相關分析法預測水位, 從巖溶地下水的富水性、地下水流場、地下水資源方面分析該應急水源地的巖溶水開采潛力, 以確保其在出現(xiàn)水源危機時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。在構造上, 西南部魯家灘、北車營地區(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)構造控制。

 

  北京西山奧陶系巖溶地下水系統(tǒng)是由九龍山復式向斜形成的巖溶裂隙儲水構造, 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斷裂為相對隔水邊界, 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  地下水動態(tài)特征

 

  年內(nèi)動態(tài)特征:奧陶系巖溶地下水位的變化主要受大氣降水補給、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, 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 號孔地下水位年內(nèi)變化幅度分別為4 .2 m 和40 m , 189號孔水位年內(nèi)變化幅度分別為1 .6 m 和6 m 。

 

  多年動態(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 號孔和189 號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 , 相當于平水年份, 但由于得到地表水的補給, 如永定河三家店水庫放水補給等, 184 號孔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 號孔由45 m(1999 年最低水位)下降到28 m(2006 年), 189 號孔由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。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大。

 

  3  巖溶地下水潛力分析

 

  西山巖溶水應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為基礎, 采用相關分析法預測水位, 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

 

  應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, 總進尺10 000 m 。基巖水源井成井后, 于2005 年7 月1 日陸續(xù)投入使用, 7 月10 日全部運行。群孔抽水試驗與水源井管線供水同步進行, 各水源井成井后接入主管線, 直接參與市政供水。在群孔抽水試驗期間, 水源三廠原有水源井不停采。

 

  3 .1 .1  群孔抽水試驗的目的和任務

 

  群孔抽水試驗評價的目的是按照國家供水規(guī)范

 

  要求, 通過群孔抽水試驗進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給來源、徑流途徑,評價應急水源地投入使用后對當?shù)毓?a href="http://www.0417jobs.cn/t/農(nóng)業(yè).html" >農(nóng)業(yè)生活用水的影響。主要任務是在群孔抽水試驗期間, 觀測抽水試驗前、抽水試驗過程中和抽水后基巖地下水位的變化趨勢, 重點監(jiān)測水源地中心區(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,評價干擾影響程度, 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, 累計增加開采量648 萬m3 。

 

  3 .1 .3  群孔抽水試驗期間水位、水質(zhì)變化趨勢各觀測孔與抽水主孔均在7 月20 日出現(xiàn)最低水位, 5 號觀測孔水位為25 .5 m , 2 號抽水主孔水位為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 號觀測孔和2 號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到穩(wěn)定, 水源地具有穩(wěn)定的補給源, 補給途徑快, 補給量充足。

 

  根據(jù)群孔抽水試驗期間取樣分析結果, 抽水前后地下水硬度275 mg/ L , 沒有發(fā)生變化, 其它各項指標也未改變, 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

 

  抽水試驗期間觀測孔水位同抽水井水位變化同步, 同時出現(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 日水位波動不大, 基本達到穩(wěn)定。水源地中心2 號抽水主孔與5 號觀測孔的距離為4 000 m , 由于基巖觀測孔較少, 根據(jù)現(xiàn)有觀測資料分析, 可以確定在4 000 m 范圍內(nèi)的基巖井受到群孔抽水試驗影響。

 

  綜上所述, 群孔抽水試驗證實應急水源地巖溶地下水具有穩(wěn)定的補給源, 補給途徑快, 補給量充足。

 

  試驗期間, 距水源地中心4 000 m 范圍內(nèi)的基巖井受到抽水試驗影響, 但對水井的運行沒有產(chǎn)生影響。應急水源地運行后, 在水源地中心區(qū)形成了降落漏斗,應繼續(xù)監(jiān)測基巖井的水位、水質(zhì), 分析地下水流場的變化趨勢。

 

  3 .2  相關分析法

 

  應急水源地群孔抽水試驗是采用并網(wǎng)供水方式進行的, 由于場地、時間限制, 只有一個抽水落程, 不能滿足開采試驗法的要求。該水源地已連續(xù)開采13年, 相當于長期的開采性抽水試驗, 可充分利用多年來的實際開采資料, 采用相關分析法, 根據(jù)歷年水位埋深與實際開采量的相關關系, 預測地下水位埋深值。

 

  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行, 2005 年自來水應急水源地運行。根據(jù)水源井的實測水位, 1996 -2006 年地下水位埋深(S)與年開采量(Q)關系密切, 相關方程為:

 

  S =5 .866e0 .000224Q   R2 =0 .97

 

  經(jīng)顯著性檢驗(F 檢驗值289 .69 , 尾概率為0 .000), 該相關方程可用于預測水位埋深。

 

  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, 預測水源地中心區(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、地下水流場演化以及水資源現(xiàn)狀, 并結合群孔抽水試驗、相關分析預測結果, 對西山地區(qū)巖溶地下水的開采潛力進行綜合研究。

 

  3 .3 .1  從富水性分析

 

  應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給, 具有較強的透水性及導水性能。群孔抽水試驗證實了應急水源地巖溶地下水具有穩(wěn)定的補給源, 補給途徑快, 補給量充足, 同時水質(zhì)符合國家飲用水衛(wèi)生標準, 開采條件好, 具有較強的開采潛力。

 

  3 .3 .2  從地下水流場分析

 

  北京西山奧陶系巖溶地下水流動的總體趨勢是從西部軍莊地區(qū)、西南魯家灘地區(qū)向東北方向流動,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基本呈天然狀態(tài),1988 年梨園水源地運行, 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, 最大達到了6 萬m3 /d , 地下水位下降并到達新的動態(tài)平衡, 但未形成降落漏斗。

 

  1999年石景山水源地運行, 增加開采量1 萬m3 /d , 對地下水流場未產(chǎn)生影響, 2005 年應急水源地運行, 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, 形成新的動態(tài)平衡。巖溶地下水流場的變化趨勢表明, 地下水水位多年來呈區(qū)域性下降的趨勢。巖溶地下水開采量的增加, 打破了原有的動態(tài)平衡, 地下水位每次都能很快形成一個新的動態(tài)平衡, 說明巖溶水具有較強的補給能力, 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 ,巖溶裂隙水對第四系地下水的頂托補給為2 000 萬m3/a , 尚余水量3 020 萬m3 /a(8 .3 萬m3/d)。據(jù)相關分析法預測知, 應急水源地增加應急開采6 萬m3/d 的供水量, 水位埋深預測值為52 .94 m , 能夠滿足現(xiàn)有取水設備條件, 不會影響其它水源井的運行, 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, 可動用部分貯存量作為應急開采。

 

  4  結 語

 

  (1)北京西山奧陶系巖溶地下水巖溶裂隙發(fā)育,補給條件好, 地下水徑流強度大, 水質(zhì)優(yōu)良, 巖溶地下水多年平均總補給量為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)有工作的基礎上, 開展水文地質(zhì)詳查工作, 通過鉆探、大型群孔抽水試驗, 進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條件及長期開采的保證程度, 預測開采期間巖溶地下水的變化趨勢, 分析開采后對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, 應建立基巖地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng), 對水位、水質(zhì)、水量進行動態(tài)研究, 做好水源保護工作。