“井水不犯河水”水文地质学含义初步探讨

刘元章，武 强，刘久荣，林 沛，邢立亭，刘守强

(1.中国矿业大学(北京)水害防治与水资源研究所，北京100083;2.北京市水文地质工程地质大队，北京，100195)

中国有句古话叫“井水不犯河水”，是说井水和河水往往是互不影响的。实践中也经常会发现这样的实例，如位于河边河漫滩上的大口井的水位往往会与河水有着明显的水位差;水质也会明显不同于河水，因为很多民用生活水就是傍河取水。对于这其中的道理，一般认为是渗透作用所造成的“滞后性”使得井水与河水可能会水位变化不同步;地层的过滤、吸附作用使得水质得到了净化。而这其中的水文地质学含义值得我们更进一步地分析探讨。

对于河水对河边井水的影响，在不同的河段会有不同的影响程度，例如在上游砂卵石沉积物地段，河水影响范围会很大，如潮白河上游段砂卵砾石层地区当地农民有“水洇40里”的说法。在河流下游段的不同部位，随着沉积地层的不同，影响程度也会不同。本文主要对河流下游段的几处影响较小的情况进行一定的分析探讨。

以往对地下水和河水关系此类问题的研究多集中在傍河取水方面，主要是通过实验模拟或数值模拟进行分析研究。如刘国东等［1］通过砂槽实验对傍河强采地下水的物理过程进行模拟，然后应用饱和一非饱和流理论建立其数学模型，对地下水与河水的水力联系进行了模拟分析。李铎等(2000)认为河床下的地层不同则情况会不同，并将河水补给地下水的模式分为4类，并建立了相应类型的水质运移模型，并结合实例，对某傍河水源地的污染状况进行了模拟与预测［2］;

以往此类问题的研究尚缺乏水化学及同位素水文地质学等方面的研究，即分子层面及原子层面的微观研究与解释。因此，本研究将通过水化学分析及同位素测试(氚、氘、氧－18)等手段进行研究分析，以期得到对“井水不犯河水”这一现象更深一层的、半定量的认识。这同时有助于更好地指导傍河水源地的建设与排污河的防污治理等，因此有着较为重要的理论与实践意义。

本次研究选3处位于河边的水井，通过取样测试及资料收集，从水位、水质、同位素等方面来分析河水对这些地点井水影响的滞后性。

1 取样与测试

位于顺义县城南的河南村有两个分层封井、分层观测的分层专门监测井(HN－1，25 m;HN－2，67 m)，两者相邻，位于潮白河河边，距潮白河河道大约50 m。水文地质单元位于潮白河冲洪积扇的扇缘地带，地层沉积颗粒整体教细，以粘性土夹细砂为主。该处取样点位置如图1所示，地层及井结构如图2所示。其他两处以资料收集为主。

图1 取样点位置示意图

图2 河南村监测井结构示意图

潮白河由于受上游水库及河闸的修建，下游大部分河道在1982年底断流。但本研究区段由于位置比较靠近上游，及下游修有建拦河坝等原因，所选两监测井对面河道基本还是常年有水，并围建有部分鱼塘。但是受下游橡胶坝的影响基本类似于静水。由于受上游特别是顺义县城附近人为作用的影响，目前水质已受到较为明显的污染，因此已经与过去80年代初之前状态下河水水质有较大的不同。由于过去河水水质资料缺失，故本次研究收集了河流上游密云水库多年的水质资料，可在一定程度上反映以前河水的水质状况。

本次所取样品水质全分析由北京市地质工程勘察院测试中心测定;氚由中国地质科学院水文地质环境地质研究所测定;氘和18O由中国地质科学院矿产资源研究所测定。放射性同位素氚分析采用电解浓缩法，使用1220 Quantulus型超低本底液闪仪测定，精密度σ≤0.6TU;氘同位素分析方法:锌法，以V－SMOW为标准，质谱仪型号MAT253，分析精度±2‰;18O分析方法:平衡法，以V－SMOW为标准，质谱仪型号MAT253测定，分析精度 ±0.2‰。

2 数据分析

2.1 潮白河边井

2.1.1 水位方面

水位是地下水系统较为宏观的特征。取样时浅井水位低于河水约5 m左右，深井低约32 m左右。三者存在明显差异。

从两井的水位变化曲线(图3)中首先可以看出，两者的水位变化应该是基本不受河水直接影响的，因为河水水位变化不是很大，尤其是后来受拦河坝及鱼塘围建的影响几乎是静水，而两监测井的水位总体是持续下降的，尤其是深井下降趋势更为明显。其水位经分析与农业灌溉有着较好的相关性，每年的4－6及10－12月存在低水位点，随着抽取量的增加而水位持续下降。

图3 河南村两分层监测井水位变化曲线图

2.1.2 水质对比

通过河南村两井、潮白河水及潮白河上游密云水库的多年水质资料数据(表1)及Piper三线图上的位置［3］(图4)可看出:

图4 河南村监测井与密云水库、潮白河水质对比三线图

表1 水化学数据表

(a)现今河道水质为Na－HCO3型，而水库水为HCO3－Ca型，Piper图上距离较远，差别较大。密云水库水图上位置比较集中，多年变化不大。密云水库的水作为储存起来的地表径流，水质在一定程度上可以反映未修建水库及拦河闸之前的河道水水质。而现今顺义县城附近的河道水由于人为作用的影响，已经很大程度上不同于天然状态下的河道水，所以水质有较明显不同;

(b)河南村浅井(HN－1)距离潮白河水(CB－07)的位置较远，明显不同于现今河水。但距离密云水库水的位置更近，表明与未受严重污染时的80年代左右的地表水水质较为相似，而与现今河水水质相差较大。

从污染程度方面看，以Cl－为例，可以看出25m浅井也已稍微受到了后来污染较重河水的一定程度的影响。

(c)深层的河南村(HN－2)位置明显不同于80年代后的地表水及现今河水，从氯离子方面看也没有受到污染，即尚未受到80年代以后河水的明显影响。

从水质方面分析，初步推断67 m深井应主要是来自未受污染(我国60年代工业化之前的)的河水的补给，而25 m浅井主要是受80年代以后的河水的补给，已受到近些年来污染较重河水的较轻的影响，但仍与当前的河水有较大差别，表明受当前河水的影响较小。

2.1.3 同位素方面

下表为顺义河南村分层观测井及密云水库水同位素分析数据(表2)。

表2 同位素分析数据

(a)氚值方面1951年5月到1976年为全球热核爆炸试验时代，提供了确定现代水的氚输入信号，到1963年使得大气降水中出现一明显峰值。从最后一次核爆试验至1990年左右，由于放射性衰减和海洋的吸收，大气中的氚含量已接近核爆前的水平［4］。大气降雨中的天然氚浓度随地区和季节不同而不同，北半球可达5－10TU［5］。

由于多种信息的叠加和混合，使得据氚值对地下水年龄的定量计算很困难，这样，只做出定性解释。参照Clark等1997年给出的大陆地区的定性解释标准［6］及氚的半衰期(12.43年)，并考虑到现在的实际及取样时间(2006)，可选定出本次研究的以下几个较为谨慎的氚值方面的界定标准:

＜0.5TU 1952年前补给的地下水

0.5～2.0TU 1952年前补给与后来补给的混合

＞10TU 存在核爆氚

河南村深井氚值较小(1TU，当前的检出限)，则主要为核爆炸前(1952年前)补给的水，混入了少量1952年之后的降水;而浅井氚值为12.5TU，存在核爆氚，即含有1951～1976年之间补给的降水，补给年代较前者新。密云水库自1959年开始蓄水，由于是多年的混合水，含氚值更高，含有更多量的核爆氚。

(b)氢氧稳定同位素方面 中国地质环境监测院的郑跃军、王瑞久等(2007年)通过对北京平原周边基岩和地表水的水化学及同位素取样测试，对北京地区地下水的补给方式进行了研究，给出了北京市平原区及山区地区地下水δD～δ18O关系的对比样板图［7，8］，结合其分析结论，其比照样板及本次样点在全球大气降水线附近的位置可如下图所示(图5):

图5 北京平原区地表及地下水δD～δ18O关系对比样板图

首先，密云水库水表现出了强烈的蒸发作用［9］，因而与其他两者表现出明显不同;

HN－2(67 m)图上位置位于山区补给的河水进入平原河道后入渗补给区;结合前面氚值的分析，可认为主要是1952年之前较为天然状态下的潮白河水入渗补给的;

HN－1(25 m)位于平原降水入渗补给区，体现出不同的高程效应。推测主要是由于上游水库及拦河闸的修建，特别是1982年密云水库停止向天津、河北供水而潮白河断流后，本段河水主要接受怀河、雁栖河、小东河等小支流的渗流补给，使得本段河水中山区降水比重很少，以平原降水为主。据此分析浅井主要是受1982年之后河水的补给。

综合以上分析，可得出距河50 m处25 m的浅井，主要是来自1982年之后河水的补给(尚含有少量的1951～1976年之间补给的降水)，水质已受到有一定污染的河水的影响，但程度不深。故推测河水的渗透作用影响在25 m深度上滞后约20年左右;而在67 m的深井主要是1952年之前的河水补给，受目前河水影响甚微。推测河水渗透作用在67 m深度上滞后大致估计约50年左右。

2.2 北运河边井

本次研究还收集了北运河及位于河边的2组(2组10个，井深均为20 m)污染监测井的水质资料［13］(表3)。北运河从清末就成为北京市的主要排水河，近几十年来随着城市建设及工业的发展，已成为北京市的主要排污河。

两组污染监测井分别位于北京市通州区的杨堤村与和合站村附近，地貌单元属于沉积颗粒较细的冲积平原区，20 m以上地层在杨堤村处以粉细砂为主，和合站村为粘性土为主。两组污染监测井均沿垂直河道方向布设，距离河堤分别为5 m、10 m、20 m、40 m和80 m(井按距河道由近及远进行编号)(图6)。

表3 北运河水及杨堤、和合站污染监测井水质数据

图6 北运河杨堤、和合站污染监测井分布示意图

从以上数据及Piper三线图(图7)可以看出，北运河水质较为稳定;同时由于污灌及人为污染等原因，使得各监测井的水质变化较为复杂，整体都受到了污水的影响，但是井水的水质同河水的差异还是较为明显。

位于杨堤的5监测井的水质相对更相似于污水河水，而和合站村南的5监测井水质与河水差异稍大。这可从地层岩性的不同来加以解释，杨堤村附近20 m以上的地层以粉细砂为主，颗粒较粗，而和合站处以粘性土为主，颗粒教细。

该处的其他相关研究经过对水位、水质等的数值模拟，得出此段污水河在排污几十年后的两侧水平影响范围大致为60 m(粘性土为主)和150 m(粘性土为主)［13］，可见影响范围较小、速度较慢。当然，影响范围的大小可能还会受到其他许多因素的影响，如河水水位高低、凹岸与凸岸等。

图7 北运河水及杨堤、和合站污染监测井水化学三线图

2.3 箭杆河边井

箭杆河是顺义县东部主要排水河道。在其河边有一民用饮水井(井深70 m，上部封井30 m)，该井距离河道约30 m，如图8所示。该处地层以砂质粘土与中细砂为主，其中上部为20 m砂质粘土。目前该井的水位埋深为35 m左右。

本研究收集了该井的长序列及箭杆河水水质数据(表4，图9)。

表4 箭杆河及河边井水化学数据表

图8 箭杆河及监测井位置示意图

图9 箭杆河水及河边井水水化学三线图

从图中可以看出，井水的水质较为稳定，以HCO3－Ca·Mg型水为主，整体满足Ⅲ类饮用水标准，目前仍作居民为生活饮用水。而河道中水已明显受到污染，氯离子浓度达到111 mg/L，钾钠离子浓度达到117.6 mg/L，河道水在近二三十年来受工业发展等的影响而受到一定污染。两者的水质差异较为明显，表明此处70 m深的井水受到河水的影响至今仍不明显。

2.4 胜利干渠河边井

通州牛堡屯村东胜利干渠建成于70年代初，引水于北京重要的排污河凉水河。本研究选取位于干渠河边的两个水井加以对比分析。其中1号井距离河边约2 m，2号井距离河道约30 m，两井深度均为40 m。该处地层14 m以上为粘土质粉砂，以下为中细砂。两井位置如图10所示。水质分析数据如表5和图11所示。

图10 胜利干渠及河边两井位置示意图

表5 凉水河水与河边两井水质数据

图11 胜利干渠河水及河边两井水化学三线图

可以看出，三者的水质差异较为明显。其中距离河边较近的1号井水质已严重受到污水的影响，Cl－及SO42－浓度甚至高于现今河水浓度，这可能是因为自从2005年以来尤其是2008年奥运会期间加大了凉水河治理力度，水质有所改善，1号井水应主要是受2005年以前污水的影响所致，这也体现出了滞后性。而2号井虽然也已受到一定程度的污染，但整体水质尚佳，与河水的差异更为明显。可见，该处在排污近四十年以来，影响范围也较小。

3 原因分析

对于某些地点河水与井水水质差异一般较大这一现象，一方面是因为地层的吸附、过滤等作用的影响，另一方面可解释为河水渗透作用的严重滞后性。这些地点河水渗透作用滞后严重的原因，可从粘土地层的渗透系数和地层的沉积压实两方面来分析。

首先应该是粘土类地层的阻水效果。粘土类地层具有非常小的渗透系数，以淤泥类土为例，渗透系数一般为10－6～10－8cm/s［10］，而纯粘土则小于 10－9cm/s［11］，压实的粘土层的渗透系数应该会更小。如按10－7cm/s计，则1年的渗透量约为3 cm，照此速度，如有一30 m厚的粘土隔水层的话，则需要1000年才能完成渗透。而被厚层地层覆盖、压实的粘土层的渗透系数还会更小，可见具有很强的阻水效果。由于河流相沉积中，尤其是河边河漫滩中一般会沉积有很多薄层的淤泥质粘土，这就使得在垂直方向上具有很强的隔水性;对于水平方向，由于陆相沉积地层的复杂多变而不时会有粘土类地层出现，也会产生明显的阻挡效果;

另一方面，是地层的沉积压实作用会产生阻水效果。地下含水层一般是由各期的古河道砂体组成，主河道部分含水层虽然贯通性好，在上覆地层的压实作用下其通透性也会大大降低。就如同消防员用的水管，如果在水管施加外部压力(如放上一块石头)，水管将会被压扁，水流减小，如外部压力足够大，水流将会完全停止。在上覆地层的不断沉积压实过程中，含水层的渗透性整体就会降低。另外，地层在沉积过程中由于松软程度不同而总会有差异性沉降，即有些地方压实地厉害，这些地方便会形成“瓶颈”或完全封堵［12］。这样也会使得含水层的渗透性也大大降低。

上述各因素使得河水渗透作用非常缓慢，具有明显的滞后性，以致河水渗透影响范围不会很大。照此分析，越往深处，地层渗透性会越小，影响会越加微小，到一定深度后就可能会真的完全“井水不犯河水”了。

通过以上分析可看出，在沉积颗粒较细的河段，河水的影响范围和程度是较为有限的，速度也是比较缓慢的，尤其是在粘土类地层为主的地方，所以会有“井水不犯河水”的说法。以上分析只是针对第四系中的情况，对于基岩井的情况有待另加分析;另外值得强调的是，以上的分析大部分是针对监测井，而非抽水井，在抽水作用的影响下，河水影响范围很可能会加大，速度会加快，这有待进一步的研究。

4 主要结论

(1)通过对潮白河边距河50 m的河南村两分层监测井的水位、水质及同位素等方面进行对比分析，认为25 m深的浅井主要是受1982年之后的河水入渗补给，而67m深井主要是1952年之前的河水入渗补给。即该处河水的渗透影响在25m深度上滞后大概20年左右，在67m深度上大约滞后50年左右;

(2)通过对北京平原其他几处污水河(北运河、箭杆河及胜利干渠)河边井与相应河水水质的对比分析，均得出这些地点的污水河在排污几十年后，对其河边的水井水质影响一般不是很大;

(3)认为“井水不犯河水”的主要原因是这些地点存在渗透系数较小的粘土类地层，加上地层的沉积压实作用，尤其是差异性沉降压实所产生的“瓶颈”效应，会引起局部水交替非常缓慢。

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