劉廣偉，尹煥玲

(1.山東金山地質(zhì)勘探股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264000；2.山東省煙臺(tái)第二中學(xué)，山東 煙臺(tái) 264000)

0 引言

北京作為嚴(yán)重缺水的城市，水資源人均占有量不足200 m3，不及全國(guó)人均占有量的10%；同時(shí)本來(lái)匱乏的地表水也正在連續(xù)衰減，水污染等問(wèn)題不斷惡化，使得北京地區(qū)水資源的供需矛盾更加突出，因此，必須加大對(duì)巖溶水等其他地下水類型的研究和利用。

據(jù)水利部門統(tǒng)計(jì)分析，作為主要供水源之一的巖溶地下水，年補(bǔ)給量約5×108m3，年開(kāi)采量約2.5×108m3，開(kāi)采潛力相當(dāng)巨大。目前，受區(qū)域差異性較大等因素的影響，北京地區(qū)不同區(qū)域巖溶地下水的研究程度和研究成果不盡一致，尚未形成一套系統(tǒng)的勘查、開(kāi)采和監(jiān)測(cè)理論體系。

因此，必須結(jié)合其他地區(qū)研究成果，綜合論述地下水循環(huán)的重要性，進(jìn)一步加大對(duì)北京地區(qū)巖溶地下水的研究，為緩解北京地區(qū)地下水供需矛盾提供理論支持。

1 北京地區(qū)巖溶地下水概況

按巖溶地下水分類標(biāo)準(zhǔn)，北京地區(qū)的巖溶地下水屬于北方巖溶類，主要發(fā)育：裂隙巖溶水。奧陶系、寒武系及中(新)元古界的碳酸巖地層為巖溶地下水的發(fā)育創(chuàng)造了儲(chǔ)藏空間，后期經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成一系列北東向構(gòu)造斷裂，控制了地下巖溶水的分布和系統(tǒng)特征。

進(jìn)入90年代，特別是隨著“應(yīng)急水源地”建設(shè)工程的啟動(dòng)，北京巖溶地下水開(kāi)放力度不斷加大，研究程度也不斷加深。經(jīng)多年研究，目前，北京地區(qū)巖溶地下水被劃分成7個(gè)主要分布區(qū)(圖1)，各個(gè)分區(qū)之間既相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系。每個(gè)分區(qū)以往投入的實(shí)物工作量不同，研究程度亦不同，房山、西山及大興等地區(qū)的研究程度相對(duì)較高，已基本形成一套相對(duì)完整的理論體系；其他分區(qū)研究程度相對(duì)不足，尚未形成系統(tǒng)的認(rèn)知，給巖溶地下水資源儲(chǔ)量的估算和開(kāi)采，帶來(lái)較大困擾。

因此，通過(guò)結(jié)合其他地區(qū)巖溶地下水研究成果，對(duì)地下水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行整體剖析，為北京地區(qū)巖溶地下水的研究，提供更多理論和技術(shù)支持。

圖1 北京市巖溶地下水分布示意圖

2 地下水循環(huán)系統(tǒng)

加大對(duì)地下水循環(huán)的研究程度，是合理估算、開(kāi)采地下水資源，緩解地下水供需矛盾的重要基礎(chǔ)，地下水循環(huán)包含補(bǔ)給、徑流和排泄三個(gè)主要階段，是研究其他問(wèn)題的前提。目前，主要通過(guò)地下水化學(xué)成分、同位素方法進(jìn)行定性—半定量分析；各種水文地球化學(xué)模擬方法進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

2.1 地下水化學(xué)成分

地下水化學(xué)成分的形成是在地質(zhì)、水文、物理-化學(xué)平衡等因素綜合影響下化學(xué)元素長(zhǎng)期遷移的結(jié)果。通過(guò)采集不同時(shí)期、不同位置的地下水樣品，分析地下水類型、礦化度(M)、各主要離子的時(shí)空變化規(guī)律，以及各離子間的相關(guān)關(guān)系，從而掌握地下水循環(huán)信息，全面分析地下水水文地質(zhì)特征。

加大對(duì)地下水化學(xué)成分的分析，有助于對(duì)地下水水源地、化學(xué)類型、海水入侵和油田地下水等方面研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。目前常用的研究方法有：Piper三角圖示法、巖性影響分析法、相關(guān)性分析法、聚類分析法、總?cè)芙夤腆w分析法等。

通過(guò)對(duì)大量的研究成果進(jìn)行總結(jié)、綜合分析，認(rèn)為：從補(bǔ)給區(qū)到徑流區(qū)，再到排泄區(qū)，巖溶地下水的水化學(xué)特征呈現(xiàn)以下規(guī)律：

(1)地下水化學(xué)類型：一般從HCO3-類型過(guò)渡到SO42--HCO3-類型，再過(guò)渡到SO42-類型；Ca2+和HCO3-含量逐漸降低；Na+、Mg2+、Cl-和SO42-含量逐漸升高。此外，白云石、硬石膏的溶解會(huì)引起Mg2+、SO42-含量增加，陽(yáng)離子交換作用會(huì)引起Na+含量增加，Ca2+含量受礦物溶解沉淀、離子交換作用的共同影響會(huì)降低。

(2)地下水礦化度：從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)，地下水礦化度呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，同時(shí)隨著礦化度的增大，不同離子的增減速度也明顯不同。

(3)地下水水質(zhì)：鈉離子、氯化物、硫酸根含量隨水流路徑逐漸升高，地下水水質(zhì)出現(xiàn)逐漸惡化的趨勢(shì)。

2.2 同位素方法

同位素技術(shù)是研究地下水補(bǔ)給、徑流和排泄特征的先進(jìn)手段之一，通過(guò)對(duì)采集的地下水樣品進(jìn)行同位素分析，可有效示蹤地下水循環(huán)。常用的同位素主要有氘(D)～氧(O)同位素、放射性同位素等。

2.2.1 氘(D)～氧(O)同位素

在地下水循環(huán)過(guò)程中，大氣降水的同位素組成及地下循環(huán)過(guò)程共同制約著地下水的同位素組成。未經(jīng)同位素交換的地下水，其同位素組成與補(bǔ)給水一致，當(dāng)與圍巖發(fā)生水-巖交換反應(yīng)后，地下水的同位素組成就會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。同位素技術(shù)正是通過(guò)對(duì)此變化進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)研究地下水的變化情況。在研究地下水循環(huán)的眾多方法中，示蹤水循環(huán)最理想的環(huán)境穩(wěn)定同位素是D和18O，主要是通過(guò)氘(D)～氧(O)同位素技術(shù)建立研究對(duì)象的大氣降水線(MWL)，分析補(bǔ)給來(lái)源、區(qū)分補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)等。

針對(duì)北京地區(qū)的大氣降水，翟遠(yuǎn)征等人提出大氣降水線方程為δD=6.931δ18O+3.927，宋獻(xiàn)方等人提出的潮白河流域的大氣降水線方程為δD=6.68δ18O+1.91。以上兩個(gè)方程均對(duì)北京地區(qū)地下水循環(huán)的研究具有重要的指導(dǎo)意義。

通過(guò)利用氘(D)～氧(O)同位素技術(shù)對(duì)不同地區(qū)地下水循環(huán)進(jìn)行研究，主要得出以下認(rèn)識(shí)：

1)地下水中的氫氧同位素的特征存在季節(jié)性變化的特點(diǎn)，即：冬季D富集、18O貧化，夏季D貧化、18O富集。

2)在大氣降水線曲線上，降水線和蒸發(fā)線交點(diǎn)附近的水樣點(diǎn)，代表形成地下水之初降水中氫氧同位素的特征；當(dāng)δD、δ18O值明顯低于大氣降水平均值時(shí)，表明地下水來(lái)源除了大氣降水外，還有山區(qū)降水、農(nóng)業(yè)灌溉水等。

3)地下水中D含量

(1)在垂向上表現(xiàn)出淺部松散孔隙水中的氚含量普遍高于深部基巖裂隙水中的D含量的特征；(2)在大氣降水線上，代表深層水的點(diǎn)普遍比代表淺層水的點(diǎn)更靠近降水線的左下角；(3)在水平方向上出現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，但并不是嚴(yán)格意義上的遞減，而是在總體下降的基礎(chǔ)上，在趨勢(shì)線上下波動(dòng)。

2.2.2 放射性同位素

在放射性同位素中，14C的含量是推算地下水年齡最有效的記年計(jì)，它為地下水補(bǔ)、徑、排關(guān)系的確認(rèn)、地下水平均流速的估算，提供了最直接的依據(jù)。

通過(guò)對(duì)14C在地下水測(cè)年中的應(yīng)用進(jìn)行分析，認(rèn)為其存在明顯的空間變化特征，即：(1)在垂向上，地下水中14C年齡隨深度增加而增大，深層孔隙水比淺層孔隙水14C年齡大；(2)在水平方向上，沿地下水流向，14C年齡逐漸增大。

此外，還可利用對(duì)S同位素的研究，確定地下水中硫酸鹽的來(lái)源；把87Sr/86Sr結(jié)果作為各種巖石礦物之間相互作用的有效示蹤劑，評(píng)價(jià)地下水中各種礦物參與水～巖作用的程度。

2.3 水文地球化學(xué)模擬

對(duì)地下水化學(xué)成分的研究，和同位素方法的應(yīng)用，為地下水循環(huán)的研究做了定性～半定量分析；而水文地球化學(xué)模擬方法的提出，將地下水循環(huán)的研究程度提高到定量化階段，使得地下水研究成果的可信度大大提高。

目前，常用的水文地球化學(xué)模型主要分為三類：地下水組份分布模型、質(zhì)量平衡模型，以及反應(yīng)路徑模型。

2.3.1 地下水組份分布模型

地下水組份分布模型，是假設(shè)各種組份以不同形式存在,對(duì)每一個(gè)元素建立一套物質(zhì)平衡方程,定義單個(gè)組份的系數(shù)。一般的離子絡(luò)合模型中,往往包含數(shù)十個(gè)元素和數(shù)百個(gè)組份,通過(guò)對(duì)這些非線性方程組求解,即可得到元素的不同存在形式和含量。

其中：飽和指數(shù)(SI)是地下水水化學(xué)研究中應(yīng)用最多的一個(gè)指標(biāo)，當(dāng)?shù)V物在水溶液中處于平衡狀態(tài)時(shí)，SI=0；當(dāng)?shù)V物溶解時(shí)，SI<0；當(dāng)?shù)V物沉淀時(shí)，SI>0。組份分布模型可以為質(zhì)量平衡、物質(zhì)遷移和反應(yīng)路徑的計(jì)算提供有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3.2 質(zhì)量平衡模型

質(zhì)量平衡模型可以采用以下方程式來(lái)表達(dá)：

初始水溶液組分+反應(yīng)物→終點(diǎn)水溶液組分+生成物

大量學(xué)者均對(duì)此模型進(jìn)行了深入研究，目前，已在地下水水質(zhì)惡化、水～巖作用、咸淡水混合問(wèn)題，以及定量化不同來(lái)源地下水的混合比鄧方面得到較好應(yīng)用。

2.3.3 反應(yīng)路徑模型

反應(yīng)路徑模型主要是為了確定反應(yīng)途中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)生的水化學(xué)成份,一般分為正向模擬、反向模擬。

正向模擬，需要在給定初始水樣水化學(xué)成分的基礎(chǔ)上,假定一個(gè)反應(yīng),通過(guò)反應(yīng)路徑推算水-巖作用過(guò)程。該模型比較適用于預(yù)測(cè)地下水的組份、礦物溶解、沉淀和質(zhì)量轉(zhuǎn)移等方面。

反向模擬，主要根據(jù)反應(yīng)途徑上兩個(gè)水溶液組份之間的差異,推測(cè)可能的地球化學(xué)作用。它建立在質(zhì)量守恒模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)測(cè)的初始和終點(diǎn)的同位素資料、水化學(xué)組份等因素，推算出系統(tǒng)所發(fā)生的質(zhì)量遷移。該模型比較適用于解決某一流場(chǎng)地下水演化途徑。

3 地下水循環(huán)對(duì)北京巖溶地下水研究的啟示

隨著對(duì)北京巖溶地下水的不斷研究，和對(duì)地下水資源的不斷開(kāi)采，資源儲(chǔ)量估算不準(zhǔn)確、地下水污染嚴(yán)重、水質(zhì)惡化、地面塌陷、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不完善等問(wèn)題日益突出。目前，針對(duì)北京地區(qū)巖溶地下水，尚未形成一套完整有效的勘查、開(kāi)采、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

在今后對(duì)北京地區(qū)巖溶地下水的研究工作中，應(yīng)借鑒其他地區(qū)對(duì)地下水循環(huán)模式的研究成果，進(jìn)行總結(jié)整理、分析匯總；同時(shí)結(jié)合北京地區(qū)不同巖溶地下水分區(qū)的勘查開(kāi)采資料，對(duì)不同分區(qū)內(nèi)的巖溶地下水循環(huán)問(wèn)題做重點(diǎn)研究，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)巖溶地下水系統(tǒng)邊界、水源地、環(huán)境演化機(jī)制和三水轉(zhuǎn)化問(wèn)題等做進(jìn)一步研究。此外，在后期的開(kāi)發(fā)利用中，還需加大對(duì)水資源量和環(huán)境脆弱性等問(wèn)題的研究，以及對(duì)水位、水質(zhì)、水溫及巖溶大泉流量等的長(zhǎng)期觀測(cè)。并對(duì)不同分區(qū)之間的聯(lián)系和區(qū)別進(jìn)行探討，最終形成一套針對(duì)北京地區(qū)巖溶地下水勘查、開(kāi)采和監(jiān)測(cè)的完整理論體系。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)北京地區(qū)巖溶地下水現(xiàn)狀和研究成果的綜合分析，結(jié)合其他地區(qū)對(duì)地下水循環(huán)方法的研究成果，指導(dǎo)北京地區(qū)巖溶地下水的勘查、開(kāi)采、監(jiān)測(cè)，以求緩解北京地區(qū)地下水供-需矛盾，為合理、有效利用地下水提供依據(jù)。