劉元章，武 強，劉久榮，林 沛，邢立亭，劉守強

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)水害防治與水資源研究所，北京100083;2.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京，100195)

中國有句古話叫“井水不犯河水”，是說井水和河水往往是互不影響的。實踐中也經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)這樣的實例，如位于河邊河漫灘上的大口井的水位往往會與河水有著明顯的水位差;水質(zhì)也會明顯不同于河水，因為很多民用生活水就是傍河取水。對于這其中的道理，一般認為是滲透作用所造成的“滯后性”使得井水與河水可能會水位變化不同步;地層的過濾、吸附作用使得水質(zhì)得到了凈化。而這其中的水文地質(zhì)學(xué)含義值得我們更進一步地分析探討。

對于河水對河邊井水的影響，在不同的河段會有不同的影響程度，例如在上游砂卵石沉積物地段，河水影響范圍會很大，如潮白河上游段砂卵礫石層地區(qū)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民有“水洇40里”的說法。在河流下游段的不同部位，隨著沉積地層的不同，影響程度也會不同。本文主要對河流下游段的幾處影響較小的情況進行一定的分析探討。

以往對地下水和河水關(guān)系此類問題的研究多集中在傍河取水方面，主要是通過實驗?zāi)M或數(shù)值模擬進行分析研究。如劉國東等［1］通過砂槽實驗對傍河強采地下水的物理過程進行模擬，然后應(yīng)用飽和一非飽和流理論建立其數(shù)學(xué)模型，對地下水與河水的水力聯(lián)系進行了模擬分析。李鐸等(2000)認為河床下的地層不同則情況會不同，并將河水補給地下水的模式分為4類，并建立了相應(yīng)類型的水質(zhì)運移模型，并結(jié)合實例，對某傍河水源地的污染狀況進行了模擬與預(yù)測［2］;

以往此類問題的研究尚缺乏水化學(xué)及同位素水文地質(zhì)學(xué)等方面的研究，即分子層面及原子層面的微觀研究與解釋。因此，本研究將通過水化學(xué)分析及同位素測試(氚、氘、氧－18)等手段進行研究分析，以期得到對“井水不犯河水”這一現(xiàn)象更深一層的、半定量的認識。這同時有助于更好地指導(dǎo)傍河水源地的建設(shè)與排污河的防污治理等，因此有著較為重要的理論與實踐意義。

本次研究選3處位于河邊的水井，通過取樣測試及資料收集，從水位、水質(zhì)、同位素等方面來分析河水對這些地點井水影響的滯后性。

1 取樣與測試

位于順義縣城南的河南村有兩個分層封井、分層觀測的分層專門監(jiān)測井(HN－1，25 m;HN－2，67 m)，兩者相鄰，位于潮白河河邊，距潮白河河道大約50 m。水文地質(zhì)單元位于潮白河沖洪積扇的扇緣地帶，地層沉積顆粒整體教細，以粘性土夾細砂為主。該處取樣點位置如圖1所示，地層及井結(jié)構(gòu)如圖2所示。其他兩處以資料收集為主。

圖1 取樣點位置示意圖

圖2 河南村監(jiān)測井結(jié)構(gòu)示意圖

潮白河由于受上游水庫及河閘的修建，下游大部分河道在1982年底斷流。但本研究區(qū)段由于位置比較靠近上游，及下游修有建攔河壩等原因，所選兩監(jiān)測井對面河道基本還是常年有水，并圍建有部分魚塘。但是受下游橡膠壩的影響基本類似于靜水。由于受上游特別是順義縣城附近人為作用的影響，目前水質(zhì)已受到較為明顯的污染，因此已經(jīng)與過去80年代初之前狀態(tài)下河水水質(zhì)有較大的不同。由于過去河水水質(zhì)資料缺失，故本次研究收集了河流上游密云水庫多年的水質(zhì)資料，可在一定程度上反映以前河水的水質(zhì)狀況。

本次所取樣品水質(zhì)全分析由北京市地質(zhì)工程勘察院測試中心測定;氚由中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所測定;氘和18O由中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所測定。放射性同位素氚分析采用電解濃縮法，使用1220 Quantulus型超低本底液閃儀測定，精密度σ≤0.6TU;氘同位素分析方法:鋅法，以V－SMOW為標準，質(zhì)譜儀型號MAT253，分析精度±2‰;18O分析方法:平衡法，以V－SMOW為標準，質(zhì)譜儀型號MAT253測定，分析精度 ±0.2‰。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 潮白河邊井

2.1.1 水位方面

水位是地下水系統(tǒng)較為宏觀的特征。取樣時淺井水位低于河水約5 m左右，深井低約32 m左右。三者存在明顯差異。

從兩井的水位變化曲線(圖3)中首先可以看出，兩者的水位變化應(yīng)該是基本不受河水直接影響的，因為河水水位變化不是很大，尤其是后來受攔河壩及魚塘圍建的影響幾乎是靜水，而兩監(jiān)測井的水位總體是持續(xù)下降的，尤其是深井下降趨勢更為明顯。其水位經(jīng)分析與農(nóng)業(yè)灌溉有著較好的相關(guān)性，每年的4－6及10－12月存在低水位點，隨著抽取量的增加而水位持續(xù)下降。

圖3 河南村兩分層監(jiān)測井水位變化曲線圖

2.1.2 水質(zhì)對比

通過河南村兩井、潮白河水及潮白河上游密云水庫的多年水質(zhì)資料數(shù)據(jù)(表1)及Piper三線圖上的位置［3］(圖4)可看出:

圖4 河南村監(jiān)測井與密云水庫、潮白河水質(zhì)對比三線圖

表1 水化學(xué)數(shù)據(jù)表

(a)現(xiàn)今河道水質(zhì)為Na－HCO3型，而水庫水為HCO3－Ca型，Piper圖上距離較遠，差別較大。密云水庫水圖上位置比較集中，多年變化不大。密云水庫的水作為儲存起來的地表徑流，水質(zhì)在一定程度上可以反映未修建水庫及攔河閘之前的河道水水質(zhì)。而現(xiàn)今順義縣城附近的河道水由于人為作用的影響，已經(jīng)很大程度上不同于天然狀態(tài)下的河道水，所以水質(zhì)有較明顯不同;

(b)河南村淺井(HN－1)距離潮白河水(CB－07)的位置較遠，明顯不同于現(xiàn)今河水。但距離密云水庫水的位置更近，表明與未受嚴重污染時的80年代左右的地表水水質(zhì)較為相似，而與現(xiàn)今河水水質(zhì)相差較大。

從污染程度方面看，以Cl－為例，可以看出25m淺井也已稍微受到了后來污染較重河水的一定程度的影響。

(c)深層的河南村(HN－2)位置明顯不同于80年代后的地表水及現(xiàn)今河水，從氯離子方面看也沒有受到污染，即尚未受到80年代以后河水的明顯影響。

從水質(zhì)方面分析，初步推斷67 m深井應(yīng)主要是來自未受污染(我國60年代工業(yè)化之前的)的河水的補給，而25 m淺井主要是受80年代以后的河水的補給，已受到近些年來污染較重河水的較輕的影響，但仍與當(dāng)前的河水有較大差別，表明受當(dāng)前河水的影響較小。

2.1.3 同位素方面

下表為順義河南村分層觀測井及密云水庫水同位素分析數(shù)據(jù)(表2)。

表2 同位素分析數(shù)據(jù)

(a)氚值方面1951年5月到1976年為全球熱核爆炸試驗時代，提供了確定現(xiàn)代水的氚輸入信號，到1963年使得大氣降水中出現(xiàn)一明顯峰值。從最后一次核爆試驗至1990年左右，由于放射性衰減和海洋的吸收，大氣中的氚含量已接近核爆前的水平［4］。大氣降雨中的天然氚濃度隨地區(qū)和季節(jié)不同而不同，北半球可達5－10TU［5］。

由于多種信息的疊加和混合，使得據(jù)氚值對地下水年齡的定量計算很困難，這樣，只做出定性解釋。參照Clark等1997年給出的大陸地區(qū)的定性解釋標準［6］及氚的半衰期(12.43年)，并考慮到現(xiàn)在的實際及取樣時間(2006)，可選定出本次研究的以下幾個較為謹慎的氚值方面的界定標準:

＜0.5TU 1952年前補給的地下水

0.5～2.0TU 1952年前補給與后來補給的混合

＞10TU 存在核爆氚

河南村深井氚值較小(1TU，當(dāng)前的檢出限)，則主要為核爆炸前(1952年前)補給的水，混入了少量1952年之后的降水;而淺井氚值為12.5TU，存在核爆氚，即含有1951～1976年之間補給的降水，補給年代較前者新。密云水庫自1959年開始蓄水，由于是多年的混合水，含氚值更高，含有更多量的核爆氚。

(b)氫氧穩(wěn)定同位素方面 中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院的鄭躍軍、王瑞久等(2007年)通過對北京平原周邊基巖和地表水的水化學(xué)及同位素取樣測試，對北京地區(qū)地下水的補給方式進行了研究，給出了北京市平原區(qū)及山區(qū)地區(qū)地下水δD～δ18O關(guān)系的對比樣板圖［7，8］，結(jié)合其分析結(jié)論，其比照樣板及本次樣點在全球大氣降水線附近的位置可如下圖所示(圖5):

圖5 北京平原區(qū)地表及地下水δD～δ18O關(guān)系對比樣板圖

首先，密云水庫水表現(xiàn)出了強烈的蒸發(fā)作用［9］，因而與其他兩者表現(xiàn)出明顯不同;

HN－2(67 m)圖上位置位于山區(qū)補給的河水進入平原河道后入滲補給區(qū);結(jié)合前面氚值的分析，可認為主要是1952年之前較為天然狀態(tài)下的潮白河水入滲補給的;

HN－1(25 m)位于平原降水入滲補給區(qū)，體現(xiàn)出不同的高程效應(yīng)。推測主要是由于上游水庫及攔河閘的修建，特別是1982年密云水庫停止向天津、河北供水而潮白河斷流后，本段河水主要接受懷河、雁棲河、小東河等小支流的滲流補給，使得本段河水中山區(qū)降水比重很少，以平原降水為主。據(jù)此分析淺井主要是受1982年之后河水的補給。

綜合以上分析，可得出距河50 m處25 m的淺井，主要是來自1982年之后河水的補給(尚含有少量的1951～1976年之間補給的降水)，水質(zhì)已受到有一定污染的河水的影響，但程度不深。故推測河水的滲透作用影響在25 m深度上滯后約20年左右;而在67 m的深井主要是1952年之前的河水補給，受目前河水影響甚微。推測河水滲透作用在67 m深度上滯后大致估計約50年左右。

2.2 北運河邊井

本次研究還收集了北運河及位于河邊的2組(2組10個，井深均為20 m)污染監(jiān)測井的水質(zhì)資料［13］(表3)。北運河從清末就成為北京市的主要排水河，近幾十年來隨著城市建設(shè)及工業(yè)的發(fā)展，已成為北京市的主要排污河。

兩組污染監(jiān)測井分別位于北京市通州區(qū)的楊堤村與和合站村附近，地貌單元屬于沉積顆粒較細的沖積平原區(qū)，20 m以上地層在楊堤村處以粉細砂為主，和合站村為粘性土為主。兩組污染監(jiān)測井均沿垂直河道方向布設(shè)，距離河堤分別為5 m、10 m、20 m、40 m和80 m(井按距河道由近及遠進行編號)(圖6)。

表3 北運河水及楊堤、和合站污染監(jiān)測井水質(zhì)數(shù)據(jù)

圖6 北運河楊堤、和合站污染監(jiān)測井分布示意圖

從以上數(shù)據(jù)及Piper三線圖(圖7)可以看出，北運河水質(zhì)較為穩(wěn)定;同時由于污灌及人為污染等原因，使得各監(jiān)測井的水質(zhì)變化較為復(fù)雜，整體都受到了污水的影響，但是井水的水質(zhì)同河水的差異還是較為明顯。

位于楊堤的5監(jiān)測井的水質(zhì)相對更相似于污水河水，而和合站村南的5監(jiān)測井水質(zhì)與河水差異稍大。這可從地層巖性的不同來加以解釋，楊堤村附近20 m以上的地層以粉細砂為主，顆粒較粗，而和合站處以粘性土為主，顆粒教細。

該處的其他相關(guān)研究經(jīng)過對水位、水質(zhì)等的數(shù)值模擬，得出此段污水河在排污幾十年后的兩側(cè)水平影響范圍大致為60 m(粘性土為主)和150 m(粘性土為主)［13］，可見影響范圍較小、速度較慢。當(dāng)然，影響范圍的大小可能還會受到其他許多因素的影響，如河水水位高低、凹岸與凸岸等。

圖7 北運河水及楊堤、和合站污染監(jiān)測井水化學(xué)三線圖

2.3 箭桿河邊井

箭桿河是順義縣東部主要排水河道。在其河邊有一民用飲水井(井深70 m，上部封井30 m)，該井距離河道約30 m，如圖8所示。該處地層以砂質(zhì)粘土與中細砂為主，其中上部為20 m砂質(zhì)粘土。目前該井的水位埋深為35 m左右。

本研究收集了該井的長序列及箭桿河水水質(zhì)數(shù)據(jù)(表4，圖9)。

表4 箭桿河及河邊井水化學(xué)數(shù)據(jù)表

圖8 箭桿河及監(jiān)測井位置示意圖

圖9 箭桿河水及河邊井水水化學(xué)三線圖

從圖中可以看出，井水的水質(zhì)較為穩(wěn)定，以HCO3－Ca·Mg型水為主，整體滿足Ⅲ類飲用水標準，目前仍作居民為生活飲用水。而河道中水已明顯受到污染，氯離子濃度達到111 mg/L，鉀鈉離子濃度達到117.6 mg/L，河道水在近二三十年來受工業(yè)發(fā)展等的影響而受到一定污染。兩者的水質(zhì)差異較為明顯，表明此處70 m深的井水受到河水的影響至今仍不明顯。

2.4 勝利干渠河邊井

通州牛堡屯村東勝利干渠建成于70年代初，引水于北京重要的排污河涼水河。本研究選取位于干渠河邊的兩個水井加以對比分析。其中1號井距離河邊約2 m，2號井距離河道約30 m，兩井深度均為40 m。該處地層14 m以上為粘土質(zhì)粉砂，以下為中細砂。兩井位置如圖10所示。水質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表5和圖11所示。

圖10 勝利干渠及河邊兩井位置示意圖

表5 涼水河水與河邊兩井水質(zhì)數(shù)據(jù)

圖11 勝利干渠河水及河邊兩井水化學(xué)三線圖

可以看出，三者的水質(zhì)差異較為明顯。其中距離河邊較近的1號井水質(zhì)已嚴重受到污水的影響，Cl－及SO42－濃度甚至高于現(xiàn)今河水濃度，這可能是因為自從2005年以來尤其是2008年奧運會期間加大了涼水河治理力度，水質(zhì)有所改善，1號井水應(yīng)主要是受2005年以前污水的影響所致，這也體現(xiàn)出了滯后性。而2號井雖然也已受到一定程度的污染，但整體水質(zhì)尚佳，與河水的差異更為明顯?？梢?，該處在排污近四十年以來，影響范圍也較小。

3 原因分析

對于某些地點河水與井水水質(zhì)差異一般較大這一現(xiàn)象，一方面是因為地層的吸附、過濾等作用的影響，另一方面可解釋為河水滲透作用的嚴重滯后性。這些地點河水滲透作用滯后嚴重的原因，可從粘土地層的滲透系數(shù)和地層的沉積壓實兩方面來分析。

首先應(yīng)該是粘土類地層的阻水效果。粘土類地層具有非常小的滲透系數(shù)，以淤泥類土為例，滲透系數(shù)一般為10－6～10－8cm/s［10］，而純粘土則小于 10－9cm/s［11］，壓實的粘土層的滲透系數(shù)應(yīng)該會更小。如按10－7cm/s計，則1年的滲透量約為3 cm，照此速度，如有一30 m厚的粘土隔水層的話，則需要1000年才能完成滲透。而被厚層地層覆蓋、壓實的粘土層的滲透系數(shù)還會更小，可見具有很強的阻水效果。由于河流相沉積中，尤其是河邊河漫灘中一般會沉積有很多薄層的淤泥質(zhì)粘土，這就使得在垂直方向上具有很強的隔水性;對于水平方向，由于陸相沉積地層的復(fù)雜多變而不時會有粘土類地層出現(xiàn)，也會產(chǎn)生明顯的阻擋效果;

另一方面，是地層的沉積壓實作用會產(chǎn)生阻水效果。地下含水層一般是由各期的古河道砂體組成，主河道部分含水層雖然貫通性好，在上覆地層的壓實作用下其通透性也會大大降低。就如同消防員用的水管，如果在水管施加外部壓力(如放上一塊石頭)，水管將會被壓扁，水流減小，如外部壓力足夠大，水流將會完全停止。在上覆地層的不斷沉積壓實過程中，含水層的滲透性整體就會降低。另外，地層在沉積過程中由于松軟程度不同而總會有差異性沉降，即有些地方壓實地厲害，這些地方便會形成“瓶頸”或完全封堵［12］。這樣也會使得含水層的滲透性也大大降低。

上述各因素使得河水滲透作用非常緩慢，具有明顯的滯后性，以致河水滲透影響范圍不會很大。照此分析，越往深處，地層滲透性會越小，影響會越加微小，到一定深度后就可能會真的完全“井水不犯河水”了。

通過以上分析可看出，在沉積顆粒較細的河段，河水的影響范圍和程度是較為有限的，速度也是比較緩慢的，尤其是在粘土類地層為主的地方，所以會有“井水不犯河水”的說法。以上分析只是針對第四系中的情況，對于基巖井的情況有待另加分析;另外值得強調(diào)的是，以上的分析大部分是針對監(jiān)測井，而非抽水井，在抽水作用的影響下，河水影響范圍很可能會加大，速度會加快，這有待進一步的研究。

4 主要結(jié)論

(1)通過對潮白河邊距河50 m的河南村兩分層監(jiān)測井的水位、水質(zhì)及同位素等方面進行對比分析，認為25 m深的淺井主要是受1982年之后的河水入滲補給，而67m深井主要是1952年之前的河水入滲補給。即該處河水的滲透影響在25m深度上滯后大概20年左右，在67m深度上大約滯后50年左右;

(2)通過對北京平原其他幾處污水河(北運河、箭桿河及勝利干渠)河邊井與相應(yīng)河水水質(zhì)的對比分析，均得出這些地點的污水河在排污幾十年后，對其河邊的水井水質(zhì)影響一般不是很大;

(3)認為“井水不犯河水”的主要原因是這些地點存在滲透系數(shù)較小的粘土類地層，加上地層的沉積壓實作用，尤其是差異性沉降壓實所產(chǎn)生的“瓶頸”效應(yīng)，會引起局部水交替非常緩慢。

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