北京昌平高崖口—南口岩溶水分布区水文地质特征

郭 彤，薛洪林，付昌鸿，牛升晟

（北京市地质勘察技术院，北京 102209）

北京平原区第四系地下水连续多年超采，水位持续下降，出现了一些环境地质问题[1]，1999年以来，又遭遇建国以来持续时间最长、旱情最为严重的干旱期。为解决北京市水资源紧缺，北京市水务局和北京市地质矿产勘查开发局根据多年水文地质勘察成果，在2013年实施了“北京岩溶水资源勘查评价工程”，进行岩溶水资源应急勘查工作。该项工程建设对缓解北京市水资源紧缺、保证城市居民生活用水和城市经济建设可持续发展具有重要的意义。通过本工程可以查清岩溶水资源总量和可利用量；确定岩溶水应急后备水源地位置、范围和规模，为进一步扩大资源开采潜力提供科学依据。本工程在北京昌平高崖口-南口岩溶水分布区布置了4眼勘探井进行岩溶水资源普查。本文在分析昌平高崖口-南口地区区域水文地质条件的基础上，结合钻井地层、抽水试验、水质检测等资料，计算水文地质参数，划分水化学类型，并对地下水水质进行评价，根据该区隐伏岩溶水地质构造新的认识，提出了水源地靶区。

1 区域地质概况

1.1 地层

该区地质构造单元处于青白口中穹褶（Ⅳ10）、门头沟迭陷褶（Ⅳ11）和昌（平）怀（柔）中穹断（Ⅳ5）的交界部位。地貌上处于昌平西部山前倾斜平原地带，属于南口冲洪积扇的上部。该区为第四纪沉积凹陷—马池口凹陷，区域基岩地层分布有中新元古界长城系、蓟县系，古生界寒武系和中生界侏罗系。工作区北部、南部出露较大的岩浆岩体[2]。

1.2 构造

工作区内褶皱构造为昌平北小营向斜，轴向北东，核部分布有侏罗系，南东翼在影壁山推覆构造作用下，蓟县系盖在侏罗系之上；向斜被北西向的南口断裂切割。发育北西向和北东向两个构造体系，北西向发育南口—孙河断裂，北东向发育南口山前断裂和影壁山断裂[2]，见图1。

2 水文地质条件

根据地质构造条件，该区为昌平北小营向斜储水构造，向斜核部地层为侏罗系，两翼为雾迷山组，向斜轴向北东。受构造、岩浆等运动影响，蓟县系雾迷山组岩溶裂隙含水岩组的富水性均较好，一般单位涌水量可达300 m3/d。

图1 昌平高崖口—南口岩溶水分布区基岩地质构造图

2.1 岩溶水含水岩组

昌平高崖口—南口岩溶水分布区属山前岩溶地下水分布区，第四系分布于平原区及沟谷地带，基岩地层主要为中新元古界蓟县系雾迷山组。

本区取水目的层为蓟县系雾迷山组白云岩、白云质灰岩，该组厚度大于1000 m，分布广，岩溶裂隙发育、渗透性好、导水性强，有利大气降水入渗，岩溶水富水性好，岩溶水埋藏类型为覆盖型承压水。

2.2 地下水补、径、排条件

大气降水的入渗补给构成了高崖口—南口岩溶裂隙含水系统的主要补给来源。其次还有一定数量的碎屑岩裂隙水的间接补给［3］。

本区岩溶裂隙水通过裂隙、溶洞及断裂破碎带等以地下径流的形式向下游流动。流动方向为由北向南、自西向东。

3 勘查成果分析

3.1 钻孔

本次工作共钻探4眼井，其中有三眼为勘探孔，一眼为探采结合孔。井位布置见图1。

根据物探测井、岩屑录井和岩矿鉴定资料综合分析，本次勘查钻遇地层分别为第四系、白垩系+侏罗系、蓟县系、侵入岩，各井实钻揭露地层情况见表1。

3.2 抽水试验

CG-K-3、CG-T-1井未进行抽水试验。

CG-K-2抽水试验成果：静水位31.50m，降深53.60 m，涌水量1503.68m3/d，水温35℃。

CG-K-1勘探井，共进行了3次抽水试验，原因是该井“二开”施工遇蓟县系雾迷山组含水层，该井段泥浆漏失较大，孔壁坍塌掉块现象严重，为防止孔内事故发生，保证施工安全及进度，完成勘查任务，在“二开”180.00～800.00m井段下入Ф177.8mm套管，继续“三开”施工至设计井深1502m，裸眼成井。随后进行抽水试验，结果表明出水量小、降深大，富水性差，决定借鉴在油气井完井

中应用广泛的套管射孔完井技术，将套管射孔完井技术首次应用于在CG-K-1井180.00～800.00m井段。因此对800.00～1502.00m井段、180.00～800.00m井段、180.00～1502.00m井段分别进行了3次抽水试验，其流量Q-降深S曲线见图2。

表1 勘查井揭露地层表

图2 CG-K-1勘查井不同井段抽水试验Q-S曲线

抽水试验数据见下：

（1）800～1502m井段：静水位44.70 m，降深46.10 m，涌水量1133.28 m3/d，水温28℃。

（2）180～1502m井段：静水位45.35 m，降深3.75 m，涌水量1815.00m3/d ，水温24℃。

（3）180～800m井段：静水位45.32 m，降深4.73 m，涌水量1763.00 m3/d ，水温 21℃。

3次抽水试验的降深与流量的关系曲线进行对比,可以更直观的反映勘查井含水层的性质: 180.00～800.00m射孔井段与180.00～1502.00m井段的降深与流量曲线形态较为相似，而与800.00～1502.00m 井段段曲线相差较大，也说明了180.00～800.00m井段含水层富水性较好，对本井涌水量的贡献大。

3.3 水文地质参数计算

考虑在没有补给的条件下，利用抽水井的双对数降深(s)-时间(t)曲线，使用配线法计算渗透系数，采用下列公式：

其中：W(u)为标准井函数；

K：渗透系数（m/d）；

Q：抽水井出水量（m3/d）；

M：承压含水层厚度（m）；

rw：抽水孔过滤器的半径（m）；

s: 降深配线值。

CG-K-1、CG-K-2两井的渗透系数K和导水系数T，结果见表2：

表2 配线法计算结果表

上述数据说明：

（1）CG-K-1井800m以上含水层K值远大于800m以下含水层的K值，说明该井上部岩溶裂隙发育、渗透好、导水性强。下部岩溶裂隙不发育、渗透差、导水性弱；

（2）CG-K-1井、CG-K-2井分布于南口—孙河断裂两侧，CG-K-1井处于上升盘，CG-K-2井处于下降盘，CGK-1井的K值远大于CG-K-2井K值，反映了南口—孙河断裂两侧不同深度的水文地质参数及岩溶裂隙发育情况，表明了南口—孙河断裂上升盘上部800m以浅最为适合基岩岩溶水经济开发。

3.4 地下水化学类型

CG-K-1、CG-K-2 、CG-K-3取水样进行水质检测，CG-T-1未取水样进行水质检测，勘查井水化学成份（阳、阴离子）主要结果表3，按舒卡列夫分类：

CG-K-1井水化学类型属于HCO3-Ca•Mg(重碳酸钙镁）型水，无色无味无浑浊物，PH值为7.98，矿化度为333mg/L，总硬度为167mg/L，属于弱碱性、微硬水。

CG-K-2该岩溶水的水化学类型属于CO3•SO4-Na(重碳酸•硫酸钠）型水。

3.5 水质评价

根据国家《地下水质量标准》（GB/T14848—93）对所取水样采用单项组分评价：

表3 勘查井水化学成份（阳、阴离子）含量表

（1）CG-K-1井所化验的项目大多数达到Ⅰ～Ⅱ类水质标准，仅硫酸盐、挥发性酚类、氨氮、钡4项组分略微超过Ⅱ类指标要求，为Ⅲ类，因此地下水质量评价为Ⅲ类，该水质适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水。

（2）CG-K-2井所化验的项目大多数达到Ⅰ～Ⅲ类水质标准，色度、肉眼可见物、溶解性总固体、固体、氟化物4项组分含量高，为Ⅴ类，因此地下水质量评价为Ⅴ类，该水不宜饮用，但可根据使用目的选用。

（3）CG-K-3井水所化验的项目大多数达到Ⅰ～Ⅲ类水质标准，浑浊度为Ⅳ类，溶解性总固体、硫酸盐、氟化物含量高，为Ⅴ类，因此地下水质量评价为Ⅴ类，该水不宜饮用，可根据使用目的选用。

3.6 Piper三线图

根据设计要求，钻探施工在气举反循环钻进开始阶段、抽水试验开始及结束时各取一件水样，进行水质分析。该区勘查井CG-K-1（800～1502m）、CG-K-1（180～800m）、CG-K-1（180～1502m）3个深度水样、CG-K-2井1个水样，共计4件抽水结束时水质Piper图，见图3。

根据Piper三线图解分区，总共划分为9个区，落在菱形中的不同区域的水样具有不同的化学特性。

(1)CG-K-1井抽水结束前3个井段水样其水化学值位于1、3、5区，水样总体上碱土金属离子超过碱金属离子，弱酸根超过强酸根，水样中碳酸硬度（超过50%），地下水化学性质以碱土金属离子和弱酸根离子为主。

图3 勘探区水化学三线图

(2)CG-K-2井抽水结束前水样其水化学值位于2、3、9区，水样总体上碱金属离子超过碱土金属离子，弱酸根超过强酸根，水样中以碱金属离子和弱酸根离子为主，该区任一对阴阳离子含量均不超过50%毫克当量百分数。

(3)本次勘探工作CG-K-1、CG-K-2井布置于南口—孙河断裂的两侧，根据两井的水质化验资料（表3）证实，两井水化学成分总硬度（以CaCO3计）接近，但水化学类型不同，CG-K-2井的溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、氟化物、钠离子明显高于CG-K-1井，说明其深部水交替及溶滤作用变弱，蓟县系雾迷山组含水层中形成矿化度较高的硫酸盐水。即地下水运移的路径有所不同，矿化程度不同。

4 结论

本次勘探工作CG-K-1、CG-K-2井布置于南口—孙河断裂的两侧，CG-K-3井布设于影壁山断裂的北侧，CG-T-1井布设于南口山前断裂的南侧，目的是查明主要岩溶含水层的分布、埋藏特征及其岩溶地下水的赋存规律，通过本次工作获得了以下初步认识：

（1）西部曹庄CG-K-3勘探井钻遇燕山期花岗二长岩，该岩体岩性致密，构造裂隙不发育，初步查明了该区火成岩类裂隙水富水性差。

西南部CG-T-1勘探井第四系下伏侏罗系（J）地层及燕山期花岗闪长岩体。该岩体岩性致密，构造裂隙不发育，富水性差。

由此，区域上表明该岩溶水分布区受到多处隐伏岩体的侵入，不仅大大占据了岩溶含水层空间，还阻断了山区岩溶水补给的通道，形成了大范围的隔水边界，使岩溶水资源开发潜力受到制约。

（2）岩溶水分布区东北部的南口孙河断裂两侧，CG-K-1、CG-K-2井钻探表明分布有蓟县系雾迷山组岩溶含水层。断裂南西侧的下降盘蓟县雾迷山组岩溶裂隙较为不发育、渗透性一般、富水性一般；断裂东北侧的上升盘上部800m以浅区域，岩溶裂隙发育、渗透好、导水性强，涌水量大，地下水水质适合于集中式生活饮用水源，最为适合基岩岩溶水经济开发，沿孙河断裂东北侧展布的线状区域可选作水源地靶区进一步勘查。

（3）本次工作对马池口第四系凹陷有了新认识，第四系凹陷有两个沉降中心，第四系厚度均超过800m，南口西南沉降中心位于曹庄附近，马池口沉降中心位于七间房村附近。以往认为马池口沉降中心第四系最厚处在马池口附近，地震钻孔揭露厚度601m，下伏为侏罗系。本次位于马池口西北的七间房村CG-K-2井，查明基岩埋深超过800m。总的来看，这两个沉降中心基底呈铲形，靠近南口断裂第四系厚度大，向西南逐渐翘起。

[1]郭高轩，刘文臣，辛宝东等.北京岩溶水勘查开发的现状与思考［J］,南水北调与水利科技，2011,9（2）：33～35.

[2]刘清晓等.北京市平原区基岩立体地质调查成果报告2007年11月30日 98，140～142.

[3]张如满等.北京岩溶水资源勘查评价工程实施方案（送审稿）.2010年11月，53.

[4]中华人民共和国国家标准 GB 50027-2001供水水文地质勘查规范［S］.北京:中国计划出版社，2001.

[5]中华人民共和国国家标准 GB/T14848—93《地下水质量标准》［S］.北京:中国标准出版社，1994.