地下水开采引起水质变化的机理——以北京怀柔应急水源地为例

杨 楠，周 俊，李世君，潘 懋

(1.北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京 100871;2.北京大学地球与空间科学学院，北京 100871;3.北京市地质工程勘察院，北京 100048)

2003 年开始，北京市先后建立了怀柔、平谷、张坊、马池口等应急水源地以缓解城市供水问题。调查表明，怀柔应急水源地自开采以来，平均应急开采量约为1.2 亿m3/a［1］，其在为城市供水提供保障的同时，也引起了地下水动力场和水化学场的变化，最直接的表现是地下水位持续下降、地下水水质指标(硬度、矿化度)持续升高等。

1 研究区水文地质概况

北京市怀柔应急水源地位于潮白河冲洪积扇的中上部，区内第四系沉积物广泛分布于平原和山间沟谷，沉积层呈北薄南厚、东薄西厚的特点;岩性呈典型的冲洪积扇分布特征。根据松散层的沉积规律和埋藏条件，区内含水层由上到下分为潜水含水层(小于45 m)、浅层承压含水层(45 ～120 m)和深层承压含水层(大于120 m)，其中，潜水含水层与浅层承压含水层之间没有连续隔水层，水力联系较为密切，通常统一定义为浅层含水层，而埋深超过120 m的含水层为深层含水层，地下水水化学类型为HCO3-Ca·Mg［2-4］。

怀柔应急水源地共布设42 眼水源井，其中深、浅层开采井各21 眼，图1 所示为怀柔应急水源地范围及水源井位置。

图1 怀柔应急水源地范围及水源井分布

2 地下水水质变化情况

2.1 地下水水质随时间的变化

怀柔应急水源地地下水在自然条件和人为条件的共同作用下，其水质变化可分为如下3 个阶段。

a. 1981—1998 年为水质稳定时期。在这一时期，怀柔应急水源地地下水硬度的平均年变化率约为6%，矿化度平均年变化率约为5%，虽然年际间矿化度和硬度有所波动，但总体趋势保持不变，甚至在1993—1994 年矿化度和硬度有明显下降趋势，如图2 所示。

图2 怀柔应急水源地开采前水质动态分布

b. 1999—2002 年为水质陡变时期。在这一阶段，水质指标变化幅度突然加大，前桥梓地区和怀柔自来水的矿化度变化率分别达到70%和74%，硬度变化率达到79%和22%。另外，在这一阶段，北京一直处于干旱时期，降水量不足加上地下水开采量增大，导致研究区内水位降幅增大。

c. 2003 年至今为水质平稳变化阶段。在这一时期，区内水源井水质的变化较为平缓，但总体呈上升趋势(图3)，2010 年监测到的浅井平均硬度较开采前增加了约29%，平均矿化度较开采前增加了32%。水源深井的矿化度和硬度变化相对较小，与开采前相比，2010 年监测的深井平均硬度上升了4.5%，平均矿化度增加了为8.7%。

2.2 地下水水质空间上的变化

怀柔应急水源地水源井空间上呈倒“Y”字形，中心位置为15 号井。图4(a)所示为2003 年地下水硬度分布图，图4(b)为2010 年地下水硬度分布图，表1为怀柔应急水源地开采前和2010 年地下水硬度空间分布规律;矿化度与硬度的分布规律相似。

表1 怀柔应急水源地开采前和2010 年地下水硬度分布对比

图3 怀柔应急水源地多年水质变化曲线

怀柔应急水源地自2003 年投入使用以来，水源地中心(15 号井)的开采量最大，向水源地四周开采量逐渐降低，即地下水的开采量与2010 年地下水硬度的空间分布规律相同。

3 地下水开采与水质变化的关系

国内外许多学者就地下水长期过量开采导致地下水硬度和矿化度呈逐年上升这一问题展开了讨论，一般认为，地下水硬度和矿化度升高的原因有以下几种:①自然界和地下水中的CO2分压增加和盐效应作用;②与地下水过量开采有关;③盐污染产生的阳离子交换作用［5-6］。

笔者重点探讨地下水开采与水质变化的关系，因此通过对怀柔应急水源地水源井的平均水位、硬度与矿化度资料进行收集，分析水源井地下水水位与水质的相关关系，拟合它们之间的关系式(图5)。

分析地下水开采引起水质变化的机理主要有如下两点:

a. 怀柔应急水源地水源浅井的硬度与水位的相关系数平方数为0.907 3，矿化度与地下水位的相关系数平方数为0.934 1;水源深井硬度与地下水位的相关系数平方数为0.920 6，矿化度与地下水位的相关系数的平方数为0.688 9，以上相关系数均为正值。怀柔应急水源地地下水水位与硬度、矿化度均呈正相关关系，说明地下水开采导致地下水位埋深增加，进而导致地下水硬度和矿化度增大，根据已有数据可以计算出水源深井和水源浅井与水质变化的定量公式。

水源浅井:

图4 地下水硬度空间分布(单位:mg/L)

图5 地下水水位与水质关系

水位与硬度y=0.0363x2-0.2123x+203.59

水位与矿化度 y=0.1347x2-4.2523x+378.72

水源深井:

水位与硬度y=94.901exp(0.009 5x)

水位与矿化度 y = 0.073 7x2- 4.041 1x +298.08

式中:y 为水位;x 为硬度或矿化度。

按照这种趋势，分别对2012—2014 年的水位、硬度和矿化度进行预测，预测结果见表2。由此判断，如果继续以目前的开采规模和方式开采地下水，怀柔应急水源地地下水的水质指标将持续升高。

表2 怀柔应急水源地地下水埋深与水质预测

b. 怀柔应急水源地含水层在垂向上的分为浅层和深层含水层，地下水开采是两者水质变化的主要原因之一，但两者水质的变化原理略有不同。

因为潜水与浅层承压水之间为不连续的隔水层，形成天窗，随着地下水的开采，地下水水位低于潜水与浅层承压水之间的不连续隔水层(图6)，因此硬度和矿化度相对较高的潜水越流补给硬度和矿化度相对较低的浅层承压水，使水源井开采的地下水水质变差。

图6 潜水越流补给浅层承压水示意图

地下水埋深的大小反映了包气带的厚薄:水位下降，地下水埋深大，包气带厚度增大，补给水源入渗的途径变长使淋滤距离大，作为补给来源的水与包气带及土壤的相互作用时间及距离增加，因此进入浅层地下水中的矿物离子也随之增加，源井开采的地下水水质发生变化［7-10］。怀柔应急水源地地下水质变化的机理主要有两点:①地下水的大量开采导致地下水位下降、地下水埋深大，包气带厚度增大，补给水源入渗的途径变长，使淋滤距离大;②潜水与浅层承压水之间为不连续的隔水层，形成天窗，随着地下水的开采，地下水水位低于潜水与浅层承压水之间的不连续隔水层，因此硬度和矿化度相对较高的潜水越流补给硬度和矿化度相对较低的浅层承压水，使水源井开采的地下水水质变差。

4 结 语

通过以上分析，除了降雨、农业灌溉等因素影响外，在北京连续干旱年的时段中，怀柔应急水源地中经过8 年多的持续开采，使得区域地下水位普遍下降，这是该地区地下水水质恶化的重要原因，根据预测，2014 年水源深井的矿化度、硬度将分别达到383.8 mg/L 和186.6 mg/L，水源浅井的矿化度、硬度将分别达到623.8 mg/L 和326.9 mg/L，如不能对地下水水质进行有效控制，最终可能导致相应水质指标超出国家饮用水标准而使得水源地的水不能作为生活饮用水继续开采。

基于以上分析，建议在南水北调工程的水资源进京后对怀柔应急水源地进行停采，利用一切回灌设施进行人工回灌恢复地下水水位，保障怀柔应急水源地在以后持续发挥应急备用功能，保障首都的供水安全。

［1］周俊，李世君.北京市怀柔应急水源地地下水动态检测报告(2010)［R］. 北京:北京市地质工程勘察院，2004-2011.

［2］任志远.北京市平原区地下水资源研究［D］.长春:吉林大学，2004.

［3］林健.北京市城近郊区地下水污染演变分析研究［D］.长春:吉林大学，2004.

［4］林沛.北京市城近郊区地下水水质评价与趋势分析［D］.长春:吉林大学，2004.

［5］费宇红，张兆吉，宋海波，等.华北平原地下咸水垂向变化及机理探讨［J］. 水资源保护，2009，25(6):21-23. (FEI Yuhong，ZHANG Zhaoji，SONG Haibo，et al. Discussion of vertical variations of saline groundwater and mechanism in North China Plain［J］.Water Resources Protection，2009，25(6):21-23.(in Chinese))

［6］张建中，刘庆胜.地下水水质恶化成因分析及对策［J］.科技情报开发与经济，2005，15(14):72-73. (ZHANG Jianzhong，LIU Qingsheng. The analysis of the cause of and countermeasures for the worsening of groundwater quality［J］.Sci/tech Information Development ＆ Economy，2005，15(14):72-73.(in Chinese))

［7］殷勇.城市地下水开发引起的环境地质问题刍议［J］.地下水，2009，31(6):134-136.(YIN Yong.Primary opinion on environmental geological problems caused by groundwater exploitation in the urban［J］. Ground Water，2009，31(6):134-136.(in Chinese))

［8］冯娟.开采条件下德州地区地下水水质演化研究［D］.青岛:中国海洋大学，2011.

［9］杜涛.南水北调入京后北京西南地区地下水水质演变的实验模拟研究［D］.长春:吉林大学，2004.

［10］朱树亮.论过量开采地下水造成的危害及应采取的保护措施［J］. 黑龙江水利科技，2004(2):100-101. (ZHU Shuliang. A study on the damage caused by excessive groundwater exploitation and protection measures ［J］.Heilongjiang Science and Technology of Water Conservancy，2004(2):100-101.(in Chinese))