根据地质、水文地质性质及地下水在垂向上的联系密切程度, 将工作区划分为上部新元古界青白口系和下古生界寒武— 奥陶系岩溶含水岩组, 以及下部中元古界蓟县系岩溶含水岩组。上含水岩组包括新元古界青白口系景儿峪组乳白— 青绿色中薄层大理岩化灰岩, 下寒武统昌平组灰色中厚层状白云质灰岩、中寒武统张夏组灰黑色中厚层状鲕状灰岩、上寒武统灰— 灰黑色竹叶状灰岩、泥质条带灰岩, 下奥陶统青灰色中厚层中细晶燧石条带(团块)白云岩、中奥陶统灰黑色中厚层灰岩、白云质灰岩及土黄色泥质白云岩; 下含水岩组主要包括中元古界蓟县系雾迷山组灰— 灰白色中厚— 中薄层燧石条带白云岩和铁岭组灰色中厚层燧石条带白云岩。2个含水岩组之间为青白口系下马岭组— 长龙山组碎屑岩隔水层, 通常情况下, 上、下2个含水层之间水量交换微弱, 而上含水岩组中毛庄组— 徐庄组页岩、泥质灰岩和下含水层中洪水庄组页岩, 由于其发育厚度以及在本区强烈构造运动的地质背景条件下, 具有透水但不含水的水文地质特性。

首次将工作区划分为3个岩溶水泉域系统和5个子系统(表1、图1), 对各系统边界与水文地质性质进行了厘定, 同时全面分析了系统结构、系统水资源要素与转化关系。进行了岩溶地下水富水性分区(图2), 并从影响岩溶发育因素着手, 对岩溶地下水富集规律进行了总结^{[1, 2, 3, 4]}。

图1

Fig.1

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	图1 工作区岩溶水系统和子系统分布图Fig.1 Distribution of Karst water system and subsystem in working area

图2

Fig.2

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	图2 工作区岩溶地下水流场与富水性分区图Fig.2 Distribution of flow field and water-rich zone of Karst groundwater in working area

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 北京岩溶水系统划分结果 Tab.1 Dividing results of Karst water system in Beijing 系统名称 系统面积/km2 天然补排条件 鱼谷洞泉岩溶水系统 163.57 降水及碎屑岩区地表产流补给, 鱼谷洞泉、水湖子泉水排泄 黑龙关泉岩 溶水系统 百花山向斜南翼子系统 227.70 降水及碎屑岩区地表产流补给, 黑龙关泉水排泄 大石河背斜子系统 95.96 降水入渗及河流渗漏补给, 九道河泉、凉水泉排泄后, 二次渗漏由黑龙关泉排泄 小计 323.70 玉泉山泉岩 溶水系统 河北泉— 万佛堂泉子系统 95.70 降水补给, 河北泉、万佛堂泉水排泄 鲁家滩— 玉泉山泉子系统 635.02 降水补给, 玉泉山泉水排泄 军庄子— 黑龙潭泉子系统 306.89 降水及河流渗漏补给, 玉泉山、黑龙潭泉水排泄 小计 1 037.65 总计 1 513.53 注: 玉泉山泉岩溶水系统中有11.35 km2与黑龙关泉岩溶水系统面积重叠, 总计中已除去重叠面积。

表1 北京岩溶水系统划分结果 Tab.1 Dividing results of Karst water system in Beijing

通过对黑龙关泉域泉水流量、降水量、碎屑岩地区产流量等为期1年的均衡监测, 计算得出上含水岩组碳酸盐岩裸露区的降水入渗系数为0.266 8, 下含水岩组碳酸盐岩裸露区的降水入渗系数为0.173 7。以此为基础, 评价得玉泉山泉域岩溶水的天然资源量10 348万m³/a, 可开采资源量6 401万m³/a; 黑龙关泉域岩溶水系统的天然资源量2 438.1万m³/a, 可开采资源量1 308万 m³/a; 鱼谷洞泉域岩溶水系统的天然资源量1 910.83 万m³/a, 可开采资源量1 064.45万m³/a。

对本次工作获取的206个岩溶水样品的水质评价结果^[5]表明, 水质类型优于Ⅲ 类的样品数占总评价数的95%以上, 本区岩溶水总体属于优质水源, 可作为北京市可靠的后备应急饮用水供水水源。

(1)泉水季节性断流, 区域地下水位持续下降, 泉域岩溶水严重超采。玉泉山泉域岩溶水处于严重超采状态, 现状超采量达2 300~3 600万m³/a, 表现在泉域内主要排泄点玉泉山泉、黑龙潭泉断流, 河北泉、万佛堂泉季节性断流; 区域岩溶地下水位持续下降(表2、图3), 形成大面积超采区(图4)。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 玉泉山泉域径流、排泄区地下水位降深统计表 Tab.2 Statistics of groundwater drawdown in runoff and drainage area of Yuquanshan springshed 井位 起止年份 年数 累计 降深/m 年均 降幅/m 北京自来水三厂386井 2005— 2013 8 24.18 3.02 北京自来水三厂327井 2004— 2013 9 12.60 1.40 北京自来水三厂328井 2003— 2013 10 8.50 0.85 北京自来水三厂387井 2005— 2013 8 6.50 0.81 北京自来水三厂390井 2005— 2013 8 24.26 3.03 北京自来水三厂欧尚超市北井 1996— 2013 17 25.49 1.50 北京自来水三厂395井 2005— 2013 8 11.60 1.45 北京自来水三厂京昆玉河井 2005— 2013 8 10.10 1.26 北京自来水三厂八沟井 2004— 2013 8.5 8.20 0.96 首钢黄南苑小区井 2007— 2013 6 25.30 4.22 首钢苹二区供水井 2007— 2013 6 38.65 6.44 苹果园六娘府东井 2006— 2013 6.5 26.40 4.06 石景山黑石头炮厂井 2003— 2013 10 12.53 1.25 石景山五里坨满井井 2004— 2013 9 11.00 1.22 海淀航天城五院家属区 2005— 2013 8 3.30 0.41 海淀玉泉山井 1997— 2012 15 16.56 1.10 海淀白家疃 1997— 2001 4 13.90 3.48 丰台大灰厂 1996— 2012 16 33.50 2.09 平均 9.17 17.37 1.89

表2 玉泉山泉域径流、排泄区地下水位降深统计表 Tab.2 Statistics of groundwater drawdown in runoff and drainage area of Yuquanshan springshed

图3

Fig.3

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	图3 区内岩溶水位长观孔动态曲线图Fig.3 Dynamic curve of Karst water level of the long view drill

(2)永定河水和煤矿开采是本区主要区域性污染源。永定河水作为岩溶地下水主要补给源, 其水质受到污染后必将累及岩溶地下水。图5中可以看出, 受永定河水高Na⁺含量的影响, 岩溶地下水中Na⁺含量大于20 mg/L的分布区沿永定河及向地下水径流方向的下游东部地区分布。

采煤成为本区岩溶地下水的重要污染影响因素。根据调查, 正在开采的大安山煤矿排水(煤矿下游断面实测平均流量为7 706.03 m³/d, S O42-含量133.2 mg/L)进入下游碳酸盐岩区后全部漏失; 王平煤矿排水(实测流量为2 462 m³/d, S O42-含量231.5 mg/L)直接进入永定河碳酸盐岩渗漏段; 大台煤矿、千军台煤矿、木城涧煤矿排水(3矿汇合后实测流量3 491.2 m³/d, S O42-含量235.4 mg/L)通过清水涧河谷松散层潜流进入永定河碳酸盐岩渗漏区^[6]。

已闭坑的杨坨煤矿“ 老窑水” 直接进入岩溶含水层, 成为岩溶地下水污染源, 表现在杨坨一带岩溶地下水的水化学类型中均有S O42-, 其中西杨坨岩溶井水质分析资料的S O42-含量达到301.9 mg/L, 已超出国家饮用水标准, 而³⁴S同位素值为5.5‰ , 表明硫酸根来自于煤层; 房山煤矿“ 老窑水” 已污染到万佛堂地下河系统岩溶水, 表现在孔水洞岩溶水的S O42-含量为156 mg/L, 其³⁴S同位素值为4.3‰ 。此外, 根据前人资料^[7], 门城矿从2000年闭坑到2008年, 矿坑中“ 老窑水” 水位从-660 m上升至-5 m, 蓄积总量达到 2 300万m³, 但直到调查期间仍未出流地表, 根据水文地质条件分析认为, “ 老窑水” 以地下潜流形式进入永定河冲积扇松散层含水层, 成为松散层孔隙地下水的重要污染源。此外区内还有不少小型煤矿“ 老窑水” , 成为岩溶水污染源, 如潭柘寺北村矿“ 老窑水” (测定S O42-含量2 157.34 mg/L, pH值 3.6)出流后进入碳酸盐岩区渗漏, 致使北村岩溶井遭受污染, 工作期间2次水质分析结果表明, 其S O42-含量分别为 813 mg/L、375 mg/L, 均超过饮用水标准。

(3)岩溶地下水位持续下降面临着串层污染威胁。玉泉山泉域岩溶地下水天然条件下主要通过平原区玉泉山泉和黑龙潭泉排泄^[8], 岩溶地下水位高于上覆松散层孔隙地下水位, 由于岩溶地下水过量开采, 岩溶水位持续下降并逐步降至上覆松散层孔隙地下水位以下(图6), 因此在一些地区形成松散层孔隙水向下伏岩溶水的反越流补给, 由于浅层孔隙水遭受污染并呈劣质方向发展的趋势(图7), 岩溶水必将存在上层污水“ 串层污染” 的潜在威胁。

(4)部分地区存在岩溶塌陷风险。从岩溶发育强度、覆盖土层厚度以及岩溶地下水位波动的动力因子等条件分析, 玉泉山泉口一带、黑龙潭一带以及洼里盆地的龙王堂一带存在岩溶塌陷的风险(图4)。

图5

Fig.5

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	图5 玉泉山泉岩溶水系统含钠型水分布图Fig.5 Distribution of sodium type water in Yuquanshan springshed

图6

Fig.6

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	图6 北京平原岩溶地下水及孔隙地下水动态曲线Fig.6 Dynamic curve of Karst groundwater and porous groundwater in Beijing plain

图7

Fig.7

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	图7 玉泉山区第四系地下水矿化度动态变化曲线图[9]Fig.7 Dynamic change curve of Quaternary groundwater salinity in Yuquanshan[9]

玉泉山泉域岩溶水处于严重超采状态, 长期发展必将引起各种水环境问题。因此, 要强化玉泉山泉域岩溶水开采管理, 调整布局、压缩开采量, 达到岩溶水的持续性利用。建议对玉泉山泉域内的海淀区、门头沟区、石景山区、丰台区和房山区按照可开采资源量进行开采量分配, 实行取水许可制度, 在预留部分山区农村人畜饮水量的基础上, 通过南水北调置换与水资源的行政区分配, 压缩开采总量到泉域可开采资源量6 400万m³/a以内。要对八宝山断裂带内现有水源地部分井采取关停、开采量进行压缩调整, 更不能新建、扩建新的水源地; 由于磁家务水源地开采将激发大石河水的渗漏补给, 使得大石河多数年份枯水季在磁家务水源地以下河段已无水径流, 因此需要压缩开采量, 保证大石河水有地表水流出山口, 以维系下游生态环境。

工作区分布大量煤系地层, 煤矿开采有百年以上历史, 政策因素以及资源枯竭, 大量煤矿被关闭, 闭坑后的煤矿坑道将被地下水充填成为煤矿“ 老窑水” 。由于煤层中多含有黄铁矿, 受氧化后“ 老窑水” 将形成以高S O42-含量为特点的酸性水, 使其溶解能力提高并溶解大量有害物质。这些污染水通过各种途径进入水循环系统将导致影响面广、程度深、时间长的一系列水环境问题。因此需要尽早采取措施应对, 特提出如下建议:

(1)对已关闭的煤矿开展“ 老窑水” 循环状态调查, 包括其循环条件、质量状况、蓄积量等, 对门城煤矿、杨坨煤矿、房山煤矿“ 老窑水” 的排泄、储存与循环条件进行调查。

(2)探索煤矿“ 老窑水” 的治理方法。根据煤矿“ 老窑水” 的循环状态, 采用适宜的治理方法, 如“ 封闭法” 、“ 中和法” 、“ 微生物法” 等, 对煤矿“ 老窑水” 进行治理, 使其危害降到最低, 争取能够使“ 老窑水” 变废为宝, 加以利用。

玉泉山泉作为北京著名大泉, 史有“ 天下第一泉” 之称, 具有深厚的历史文化积淀和极高的旅游价值, 但该泉从1974年后断流。在南水北调水源进入北京后, 玉泉山泉水的复流成为可能。为此建议开展以下工作:

(1)论证采取玉泉山泉域岩溶水关井、压采、人工补给措施后效果, 规划并制定玉泉山泉水复流方案。

(2)利用南水北调水源, 永定河碳酸盐岩渗漏段强大的渗漏能力和上、下游落坡岭水库、三家店水库的调蓄功能, 开展玉泉山泉域岩溶水的人工补给, 最终达到玉泉山泉水复流的目标。