基于多源数据分析的洼里砾岩地下水循环特征

沈媛媛，辛宝东，刘士成，郭高轩，陆海燕，南英华，强海生（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

基于多源数据分析的洼里砾岩地下水循环特征

沈媛媛，辛宝东，刘士成，郭高轩，陆海燕，南英华，强海生
（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

利用钻孔、地下水位、水质、温度和同位素等多源数据，识别了洼里地区的地质结构、地下水动态、地下水化学、地下水温度和同位素特征，分析了洼里砾岩与奥陶系、第四系含水层的水力联系。洼里砾岩在西部与奥陶系地层直接接触，与奥陶系含水层存在水量交换通道；洼里砾岩与奥陶系和第四系地下水水位具有一致的年际和年内变化特征，水位高值一般出现在1—2月，水位低值出现在5—6月。同时，洼里砾岩、第四系和奥陶系地下水水化学类型均为HCO3-Ca·Mg型，且C-14和S-34同位素值相近，地下水温度变化规律具有区域一致性。结果表明，洼里砾岩岩溶发育，富水性好，与奥陶系和第四系含水层水力联系密切。地下水循环特征表现为：地下水主要接受西部奥陶系地下水补给，自西南向东北方向径流，主要排泄方式为侧向径流和向第四系含水层越流。

洼里砾岩；补给；径流；排泄；地下水循环；多源数据

0　前言

“洼里砾岩”是指20世纪70年代首先发现于北京城区北部洼里地区的一种性质独特的砾岩，因其不同于通常所见的构造角砾岩或者沉积砾岩，因此按其分布地点称之为“洼里砾岩”，用代号“Wa”来表示。其呈北东向集中分布在洼里（现为奥林匹克森林公园）—中国地质大学一带，长约8km，宽约2km，面积约16km2。洼里砾岩为一裂隙岩溶发育的富水性较好的含水岩体，单井涌水量一般在1000m3/d·m左右，具有一定的供水意义。但洼里地区水文地质条件复杂，除洼里砾岩地下水外，还存在奥陶系岩溶水、第四系地下水以及深部热水等水体，相互之间水力联系复杂。2008年奥运会期间，洼里地区成为奥林匹克森林公园场址，为保证奥运村生活、环境用水，初步分析了洼里砾岩含水层组的补给径流和排泄条件，对该区岩溶地下水资源进行了初步评价（王晓红等，2011；北京市水文地质工程地质大队，1980—2004；哈承祐等，1980）。本文在以往研究成果基础上，从水动力条件、水化学特征、水温度变化特征等方面深入分析“洼里砾岩”这一特殊含水岩体的地下水循环特征，为准确认识该区水文地质条件提供依据，对于指导地下水资源利用、工程建设施工，防止地质环境灾害具有重要作用。

1　区域地质概况

洼里位于北京城区北部，地貌上处于清河一级阶地上，地形西高东低。该区地层主要有奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系和白垩系，上覆第四系。奥陶系灰岩分布最为广泛，向西可一直延伸到山区的潭柘寺、军庄一带，并出露地表；向东则直达黄庄—高丽营断裂。其次是石炭系、二叠系和侏罗系，分布于黄庄—高丽营断裂以西；岩性主要为页岩、粉细砂岩、石英砂岩和安山岩。

洼里砾岩集中分布在洼里（奥林匹克森林公园）—中国地质大学一带，东部以黄庄高丽营断裂为界，浅埋于第四系下，一般埋深为70～80m，最浅处30余米。洼里砾岩岩性主要为白云岩、灰岩角砾岩，溶蚀发育（朱良峰等，2008；秦沛等，2005），溶洞成层发育在风化溶蚀层面上，总的规律是溶洞上部较下部发育，随深度增加而减弱，溶洞内多含大量的粉细砂。洼里砾岩成因和时代有多种不同的认识，有人认为是沉积成因的髫髻山组底砾岩，有人认为是构造角砾岩，有人认为是侏罗系上统髫髻山组的下部层位，且至今没有定论（柯柏林，2005；肖文进等，2008），对其水文地质条件的认识也值得探讨。

区域构造位于燕山台褶带和华北断坳交界处，主要构造有九龙山—香峪大梁向斜，红庙岭—八大处背斜。八宝山断裂是本区最大的控制性构造，走向北北东，倾向南东，倾角25°左右，为低角度压性逆断层，东南盘为上盘，地层为髫髻山组火山岩和洼里砾岩，西北盘为下盘，地层为奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系。黄庄—高丽营断裂，走向北东45°，倾向南东，为高角度张性正断层，延伸距离长，切割深度大，控制着本区地质和水文地质条件。东南盘地层为白垩系，西北盘地层为髫髻山组火山岩和洼里砾岩（图1）。

图1　洼里地区综合基岩地质略图Fig.1 Comprehensive bedrock geological stetch of Wali area

2　洼里砾岩地下水循环特征

洼里及其附近地区含水岩组主要包括洼里砾岩含水岩组、奥陶系岩溶含水岩组、第四系含水岩组和雾迷山组含水岩组。洼里砾岩岩溶十分发育，富水性较好（蔡祖煌，1980；辛宝东，2005），单井单位涌水量一般为1000m3/d·m左右，最大达3714m3/d·m。奥陶系含水岩组富水性较好，单井单位涌水量达3100m3/d·m。第四系含水层组广泛分布于本区，在洼里地区单井涌水量300～600m3/d·m。深部雾迷山组为地下热水的热储层。受复杂地质构造影响，洼里砾岩含水体与其他含水岩层水力联系复杂，需利用多源数据分析其地下水循环特征。

2.1地质结构分析

收集洼里地区钻孔资料绘制地质剖面图（图2），从图中可以看出，洼里砾岩东部以断裂为界，厚度约1200m，向西逐渐变薄至尖灭。洼里砾岩分布区西部与奥陶系地层在标高-500～-1000m处存在直接接触，这为奥陶系地下水和洼里砾岩地下水交换提供了通道。另外，洼里砾岩与其上覆第四系直接接触。可以推断，洼里砾岩地下水与奥陶系和第四系地下水存在水力联系。

图2　洼里地区地质剖面图Fig.2 Geological profile of Wali area

2.2地下水动态

该区奥陶系灰岩在西北部军庄地区和西南部潭柘寺地区裸露地表，直接接受大气降雨入渗补给，地下水由西北、西南向东部和东北部径流。洼里砾岩分布于奥陶系地下水系统径流排泄区，且西部与奥陶系灰岩直接接触，因此，奥陶系地下水可通过侧向径流方式补给洼里砾岩地下水。

图3为洼里地区各含水层多年地下水动态曲线图。从图中可以看出，洼里砾岩地下水、第四系地下水和奥陶系地下水具有相同的年际和年内动态变化特征，从1982—2002年，洼里砾岩地下水水位下降10.48m，第四系水位下降9.17m，奥陶系地下水位下降12.87m。年内，3个含水层组地下水水位高值一般出现在1—2月，水位最低值出现在5—6月。三者地下水动态具有一致的变化规律，说明各层之间水力联系密切。西部玉泉山地区奥陶系地下水位高于洼里砾岩地下水，洼里砾岩含水层组水位高于上覆第四系含水层，从地下水位分析，洼里砾岩地下水接受奥陶系地下水的补给，自西向东径流，并顶托补给第四系地下水。

图3　洼里地区地下水动态曲线Fig.3 Groundwater dynamic curve in Wali area

2.3水化学特征

根据洼里地区奥陶系、洼里砾岩和第四系含水层组地下水水质数据（辛宝东，2005）绘制的Piper三线图（图4）表明，洼里砾岩含水层组地下水与奥陶系地下水和第四系地下水具有类似的水质特征，水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型，矿化度430～449mg/L，pH值7.69～8.06，总硬度250～268mg/L，说明这三类地下水水力联系密切，与地下水动态分析结果一致。

个别第四系地下水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Na·Mg型，矿化度870mg/L，pH值7.69，总硬度478mg/L。NO3-含量37.6mg/L，已受到污染。侏罗系地层中地下水水质与其他含水层水质差别显著，水化学类型为HCO3-Na型，pH值为9，总硬度25～33mg/L，地下水明显偏碱性，说明该地层相对封闭，地下水长期停滞。雾迷山组中地下热水水质与浅层地下水具有明显区别，水化学类型为HCO3-Ca·Na·Mg型，矿化度396mg/L，总硬度178mg/L，pH值7.69。热水中含有较高的F、SiO2、H2S、、Li等成分，反映了高温、封闭还原的地下水化学环境。可知侏罗系及雾迷山组地下热水与洼里砾岩地下水没有明显的水力联系。

图4　洼里地区不同含水层piper三线图Fig.4 Piper map of different aquifers

2.4温度场分析

地下水温度从西向东可划分为3个区，担礼村—杨庄一线以西地下水温度一般小于15℃；向东至白家疃—圆明园一线地下水温度为15℃～20℃；在洼里砾岩分布区，地下水温度为22℃（图1）。可以看出，自西向东，地下水温度逐渐升高。这种现象反映了地下水径流强度逐渐减弱的趋势，洼里砾岩地下水整体温度偏高，其温度与奥陶系地下水分布规律相吻合，因此，其补给来源为其东部奥陶系地下水符合区域地下水温度变化规律。

2.5同位素特征

根据C-14年龄和S-34同位素值分析（辛宝东，2005），洼里砾岩的C-14同位素年龄在奥陶系和第四系地下水年龄之间，说明其可能同时受到上游奥陶系和上覆第四系地下水的影响。洼里砾岩C-14同位素年龄小于其上游奥陶系地下水年龄，可能由于地下水开采使洼里砾岩与上部第四系地下水发生混合，接受了现代水影响。洼里砾岩S-34同位素值与奥陶系地下水相近，说明洼里砾岩地下水的补给源为奥陶系地下水，且地下水处于相对开放环境（表1）。

表1　洼里地区地下水特征值Tab.1 Groundwater characteristic value in Wali area

2.6地下水循环特征

综合以上分析可知，洼里砾岩岩溶十分发育，钻探发现多处溶洞，且有一定发育深度。根据本区地质构造和西高东低的地貌特征可确定，洼里砾岩与西部奥陶系灰岩直接接触为两者形成统一地下水系统创造了条件，从西部奥陶系地下水到东部洼里砾岩地下水，地下水动力场、水化学场、温度场和同位素特征均表现出一致性和连续性，说明本区地下水补给来源和补给时期相近。因此，洼里砾岩地下水来源于西部奥陶系地下水，接受奥陶系灰岩地下水的侧向径流补给。

根据水位动态资料，洼里砾岩分布区地下水自西北向东南径流，水力梯度为0.3%。洼里地区地下水水位西高东低、基岩地下水高于第四系地下水，该区地下水主要为侧向径流排泄和向上顶托补给第四系方式排泄。在黄庄—高丽营断裂东南部，洼里砾岩直接与第四系侧向接触，地下水侧向流入第四系。另外，洼里砾岩地下水水位高于第四系水位，且第四系底部多为砂砾石，基岩水可直接进入第四系含水层。

3　结论

从地质结构、地下水动力场、水化学场、温度场和同位素特征方面，分析洼里砾岩与奥陶系灰岩和第四系地下水的关系。洼里砾岩与奥陶系灰岩具有一致的地下水特征，分析结果表明，洼里地区地下水补给来源为西部奥陶系灰岩地下水，地下水自西向东径流，地下水排泄主要为侧向径流和顶托补给第四系。

洼里砾岩岩溶十分发育，近年来随着奥陶系地下水开采量加剧，地下水位呈现逐渐下降趋势，为防止岩溶塌陷等地质灾害，需控制地下水位下降趋势，避免降至基岩与第四系界面以下。

［1］王晓红，刘文臣，沈媛媛，等. 北京西山岩溶水应急水源地水文地质特征及开采潜力分析［J］. 中国岩溶，2011，30（3）：216～221.

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［5］北京市水文地质工程地质大队，北京市第三水厂改扩建工程供水水文地质勘察报告［R］，1998.

［6］北京市水文地质工程地质大队，北京市洼里地区供水水文地质勘察评价报告［R］. 2004.

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Analysis of Groundwater Circulation Conditions of Wali Conglomerates in Beijing Area based on Multi-source Data

SHEN Yuanyuan， XIN Baodong， LIU Shicheng， GUO Gaoxuan， LU Haiyan， NAN Yinghua，QIANG Haisheng
（Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology， Beijing 100195）

This paper analyzed the hydraulic connection between Wali conglomerates and Ordovician， Quaternary aquifers from the aspects of geological structure， groundwater dynamics， groundwater chemistry， groundwater temperature and isotope characteristics. For Wali conglomerates directly contacting with the Ordovician limestones，there are water exchange channels. The interannual variability and variation during the year of groundwater table of Wali conglomerates and Ordovician， Quaternary aquifers are consistent. High groundwater table generally appear in the January and February， the low groundwater table appears in the May and June. Meanwhile， the groundwater in the Wali conglomerates， Quaternary， Ordovician belong to HCO3-Ca·Mg type， and the C-14 and S-34 isotope values are similar， and the regional groundwater temperature are consistent. The results indicate that karst is developed in Wali conglomerates with rich water resources. Groundwater circulation characteristics show groundwater recharge mainly from Ordovician groundwater， and runoff from west to east， the main way of discharge is lateral runoff， and the way of recharge is cross-flowing to Quaternary aquifers.

Wali conglomerates； Recharge； Runoff； Discharge； Groundwater circulation； Multi-source data

P641

A

1007-1903（2016）01-0075-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.015

北京岩溶水资源勘查评价工程（京发改［2011］1215号）

沈媛媛（1981- ），女，博士，从事水文地质与环境地质方面工作。E-mail：shen-8110@163.com