北京西山巖溶水應急水源地水文地質(zhì)特征及開(kāi)采潛力分析

  0  引 言

 

  北京是水資源嚴重緊缺的城市, 水資源已成為社會(huì )經(jīng)濟可持續發(fā)展的主要制約因素。自1999 年以來(lái)北京地區出現了多年連續干旱, 地表水源來(lái)水量驟減, 地下水位連年下降, 水質(zhì)逐年惡化, 自來(lái)水廠(chǎng)的現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(kāi)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(kāi)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(guān)分析法預測水位, 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急水源地的巖溶水開(kāi)采潛力, 以確保其在出現水源危機時(shí)能夠作為后備水源地為城市供水。

 

  1  區域水文地質(zhì)概況

 

  據地質(zhì)構造、埋藏、分布、賦存規律, 北京西山地區基巖地下水分為碳酸鹽巖類(lèi)巖溶水、碳酸鹽巖-碎屑巖類(lèi)裂隙水、碎屑巖類(lèi)裂隙水和火成巖類(lèi)裂隙水。

 

  碳酸鹽巖類(lèi)巖溶水根據巖性劃分為奧陶系、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西北、西南一帶, 在東部地區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(chē)營(yíng)地區的奧陶系灰巖位于谷積山背斜的兩翼, 西北部妙峰山、軍莊地區的奧陶系灰巖分布在九龍山-香峪大梁向斜的北翼, 東部四季青、北塢一帶奧陶系灰巖位于八寶山斷裂的西北側。

 

  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是由九龍山復式向斜形成的巖溶裂隙儲水構造, 系統西部邊界在魯家灘、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。該含水巖層主要接受大氣降水、地表水入滲補給, 軍莊地區巖溶地下水向東、東南方向徑流, 魯家灘地區巖溶地下水沿八寶山斷裂向梨園地區徑流。排泄途徑主要有人工開(kāi)采、側向徑流。

 

  應急水源地位于北京西山四季青地區, 是北京西山地層和構造的延伸部分。巖性由灰巖、白云質(zhì)灰巖、角礫狀灰巖組成, 在西山巖溶地下水系統中, 處于地下水的排泄區。水源地奧陶系灰巖直接埋藏于第四系地層之下, 第四系厚度約200 ～ 300 m ?；規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給、人工開(kāi)采的控制和影響, 3 -5 月份降水量較少, 農業(yè)開(kāi)采量增加, 水位持續下降, 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峰值, 10 月至翌年2 月, 降水量少, 但農業(yè)灌溉用水也少, 因此水位變化緩慢。年內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 號孔地下水位年內變化幅度分別為4 .2 m 和40 m , 189號孔水位年內變化幅度分別為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(kāi)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(kāi)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年為連續枯水年份, 由于降水量減少, 開(kāi)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), 地下水水位呈持續下降趨勢。在八寶山斷裂帶地區地下水位下降較快, 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, 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(guān)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(kāi)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(chǎng)水源

 

  地的原有井院內施工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 日陸續投入使用, 7 月10 日全部運行。群孔抽水試驗與水源井管線(xiàn)供水同步進(jìn)行, 各水源井成井后接入主管線(xiàn), 直接參與市政供水。在群孔抽水試驗期間, 水源三廠(chǎng)原有水源井不停采。

 

  3 .1 .1  群孔抽水試驗的目的和任務(wù)

 

  群孔抽水試驗評價(jià)的目的是按照國家供水規范

 

  要求, 通過(guò)群孔抽水試驗進(jìn)一步揭露水源地地區的水文地質(zhì)條件, 判斷基巖地下水的補給來(lái)源、徑流途徑,評價(jià)應急水源地投入使用后對當地工農業(yè)生活用水的影響。主要任務(wù)是在群孔抽水試驗期間, 觀(guān)測抽水試驗前、抽水試驗過(guò)程中和抽水后基巖地下水位的變化趨勢, 重點(diǎn)監測水源地中心區基巖地下水位、水質(zhì)變化情況, 通過(guò)抽水前自然水位的變化規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(jià)干擾影響程度, 提出基巖地下水水源地最佳開(kāi)采方案。

 

  3 .1 .2  開(kāi)采量

 

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

 

  3 .1 .3  群孔抽水試驗期間水位、水質(zhì)變化趨勢各觀(guān)測孔與抽水主孔均在7 月20 日出現最低水位, 5 號觀(guān)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 日出現最高水位, 5 號觀(guān)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(shuō)明抽水井水位已達到穩定, 水源地具有穩定的補給源, 補給途徑快, 補給量充足。

 

  根據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(méi)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)在群孔抽水期是穩定。

 

  3 .1 .4  影響范圍

 

  抽水試驗期間觀(guān)測孔水位同抽水井水位變化同步, 同時(shí)出現最低水位和最高水位, 與抽水前期相比,抽水主孔和觀(guān)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(dòng)不大, 基本達到穩定。水源地中心2 號抽水主孔與5 號觀(guān)測孔的距離為4 000 m , 由于基巖觀(guān)測孔較少, 根據現有觀(guān)測資料分析, 可以確定在4 000 m 范圍內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(shí)應急水源地巖溶地下水具有穩定的補給源, 補給途徑快, 補給量充足。

 

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

 

  3 .2  相關(guān)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(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(mǎn)足開(kāi)采試驗法的要求。該水源地已連續開(kāi)采13年, 相當于長(cháng)期的開(kāi)采性抽水試驗, 可充分利用多年來(lái)的實(shí)際開(kāi)采資料, 采用相關(guān)分析法, 根據歷年水位埋深與實(shí)際開(kāi)采量的相關(guān)關(guān)系, 預測地下水位埋深值。

 

  本區巖溶地下水的開(kāi)采主要經(jīng)歷了三個(gè)階段:

 

  1998 年水源三廠(chǎng)開(kāi)始大量開(kāi)采巖溶地下水, 1999 年石景山水廠(chǎng)正式運行, 2005 年自來(lái)水應急水源地運行。根據水源井的實(shí)測水位, 1996 -2006 年地下水位埋深(S)與年開(kāi)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(zhù)性檢驗(F 檢驗值289 .69 , 尾概率為0 .000), 該相關(guān)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(kāi)采潛力, 根據相關(guān)分析法的外推范圍(降深不超過(guò)1 .5 倍), 給出奧陶系巖溶地下水不同的開(kāi)采量, 預測水源地中心區地下水位埋深共采用3 種增采方案, 即在2006 年的開(kāi)采量(7 631 萬(wàn)m3)的基礎上, 分別增加開(kāi)采量1 萬(wàn)m3/d 、3 萬(wàn)m3 /d 和6 萬(wàn)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(kāi)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)演化以及水資源現狀, 并結合群孔抽水試驗、相關(guān)分析預測結果, 對西山地區巖溶地下水的開(kāi)采潛力進(jìn)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(shí)了應急水源地巖溶地下水具有穩定的補給源, 補給途徑快, 補給量充足, 同時(shí)水質(zhì)符合國家飲用水衛生標準, 開(kāi)采條件好, 具有較強的開(kāi)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)的總體趨勢是從西部軍莊地區、西南魯家灘地區向東北方向流動(dòng),梨園、四季青地區由于地下水的集中開(kāi)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 年梨園水源地運行, 八寶山斷裂帶附近西部山前地區增加了許多基巖自備井, 巖溶地下水開(kāi)始大量開(kāi)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(chǎng)大量開(kāi)采巖溶地下水, 四季青地區增加了許多基巖井,巖溶地下水開(kāi)采量猛增, 最大達到了6 萬(wàn)m3 /d , 地下水位下降并到達新的動(dòng)態(tài)平衡, 但未形成降落漏斗。

 

  1999年石景山水源地運行, 增加開(kāi)采量1 萬(wàn)m3 /d , 對地下水流場(chǎng)未產(chǎn)生影響, 2005 年應急水源地運行, 增加了開(kāi)采量3 .6 萬(wàn)m3 /d , 地下水位降深增加了1 .6m , 局部地區形成漏斗, 形成新的動(dòng)態(tài)平衡。巖溶地下水流場(chǎng)的變化趨勢表明, 地下水水位多年來(lái)呈區域性下降的趨勢。巖溶地下水開(kāi)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(shuō)明巖溶水具有較強的補給能力, 有一定開(kāi)采潛力。

 

  3 .3 .3  從地下水資源方面分析

 

  西山地區奧陶系巖溶地下水多年平均總補給量為12 651 萬(wàn)m3 /a , 2006 年總開(kāi)采量為7 631 萬(wàn)m3 ,巖溶裂隙水對第四系地下水的頂托補給為2 000 萬(wàn)m3/a , 尚余水量3 020 萬(wàn)m3 /a(8 .3 萬(wàn)m3/d)。據相關(guān)分析法預測知, 應急水源地增加應急開(kāi)采6 萬(wàn)m3/d 的供水量, 水位埋深預測值為52 .94 m , 能夠滿(mǎn)足現有取水設備條件, 不會(huì )影響其它水源井的運行, 因此, 西山地區巖溶地下水具有6 萬(wàn)m3 /d 的開(kāi)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急開(kāi)采。

 

  4  結 語(yǔ)

 

  (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(wàn)m3/a , 2006 年巖溶地下水還具有6 萬(wàn)m3 /d 的開(kāi)采潛力。

 

  (2)建議在現有工作的基礎上, 開(kāi)展水文地質(zhì)詳查工作, 通過(guò)鉆探、大型群孔抽水試驗, 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(kāi)采技術(shù)條件及長(cháng)期開(kāi)采的保證程度, 預測開(kāi)采期間巖溶地下水的變化趨勢, 分析開(kāi)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(wèn)題。

 

  (3)為保證巖溶地下水可持續開(kāi)發(fā)利用, 應建立基巖地下水動(dòng)態(tài)監測網(wǎng), 對水位、水質(zhì)、水量進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究, 做好水源保護工作。