“井水不犯河水”水文地質(zhì)學(xué)含義初步探討

劉元章，武 強(qiáng)，劉久榮，林 沛，邢立亭，劉守強(qiáng)

(1.中國(guó)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(duì)，北京，100195)

中國(guó)有句古話叫“井水不犯河水”，是說(shuō)井水和河水往往是互不影響的。實(shí)踐中也經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣的實(shí)例，如位于河邊河漫灘上的大口井的水位往往會(huì)與河水有著明顯的水位差;水質(zhì)也會(huì)明顯不同于河水，因?yàn)楹芏嗝裼蒙钏褪前尤∷?duì)于這其中的道理，一般認(rèn)為是滲透作用所造成的“滯后性”使得井水與河水可能會(huì)水位變化不同步;地層的過(guò)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(jìn)一步地分析探討。

對(duì)于河水對(duì)河邊井水的影響，在不同的河段會(huì)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(huì)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(shuō)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(huì)不同。本文主要對(duì)河流下游段的幾處影響較小的情況進(jìn)行一定的分析探討。

以往對(duì)地下水和河水關(guān)系此類問(wèn)題的研究多集中在傍河取水方面，主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M或數(shù)值模擬進(jìn)行分析研究。如劉國(guó)東等［1］通過(guò)砂槽實(shí)驗(yàn)對(duì)傍河強(qiáng)采地下水的物理過(guò)程進(jìn)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(duì)地下水與河水的水力聯(lián)系進(jìn)行了模擬分析。李鐸等(2000)認(rèn)為河床下的地層不同則情況會(huì)不同，并將河水補(bǔ)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(yùn)移模型，并結(jié)合實(shí)例，對(duì)某傍河水源地的污染狀況進(jìn)行了模擬與預(yù)測(cè)［2］;

以往此類問(wèn)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(guò)水化學(xué)分析及同位素測(cè)試(氚、氘、氧－18)等手段進(jìn)行研究分析，以期得到對(duì)“井水不犯河水”這一現(xiàn)象更深一層的、半定量的認(rèn)識(shí)。這同時(shí)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(shí)踐意義。

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

1 取樣與測(cè)試

位于順義縣城南的河南村有兩個(gè)分層封井、分層觀測(cè)的分層專門監(jiān)測(cè)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(xì)，以粘性土夾細(xì)砂為主。該處取樣點(diǎn)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(diǎn)位置示意圖

圖2 河南村監(jiān)測(cè)井結(jié)構(gòu)示意圖

潮白河由于受上游水庫(kù)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(cè)井對(duì)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(guò)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(guò)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(kù)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(cè)試中心測(cè)定;氚由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所測(cè)定;氘和18O由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所測(cè)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(cè)定，精密度σ≤0.6TU;氘同位素分析方法:鋅法，以V－SMOW為標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)譜儀型號(hào)MAT253，分析精度±2‰;18O分析方法:平衡法，以V－SMOW為標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)譜儀型號(hào)MAT253測(cè)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(shí)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?yàn)楹铀蛔兓皇呛艽螅绕涫呛髞?lái)受攔河壩及魚塘圍建的影響幾乎是靜水，而兩監(jiān)測(cè)井的水位總體是持續(xù)下降的，尤其是深井下降趨勢(shì)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(diǎn)，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(cè)井水位變化曲線圖

2.1.2 水質(zhì)對(duì)比

通過(guò)河南村兩井、潮白河水及潮白河上游密云水庫(kù)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(cè)井與密云水庫(kù)、潮白河水質(zhì)對(duì)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(kù)水為HCO3－Ca型，Piper圖上距離較遠(yuǎn)，差別較大。密云水庫(kù)水圖上位置比較集中，多年變化不大。密云水庫(kù)的水作為儲(chǔ)存起來(lái)的地表徑流，水質(zhì)在一定程度上可以反映未修建水庫(kù)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(yuǎn)，明顯不同于現(xiàn)今河水。但距離密云水庫(kù)水的位置更近，表明與未受嚴(yán)重污染時(shí)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(lái)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(lái)自未受污染(我國(guó)60年代工業(yè)化之前的)的河水的補(bǔ)給，而25 m淺井主要是受80年代以后的河水的補(bǔ)給，已受到近些年來(lái)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(cè)井及密云水庫(kù)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(yàn)時(shí)代，提供了確定現(xiàn)代水的氚輸入信號(hào)，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(yàn)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(dá)5－10TU［5］。

由于多種信息的疊加和混合，使得據(jù)氚值對(duì)地下水年齡的定量計(jì)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(biāo)準(zhǔn)［6］及氚的半衰期(12.43年)，并考慮到現(xiàn)在的實(shí)際及取樣時(shí)間(2006)，可選定出本次研究的以下幾個(gè)較為謹(jǐn)慎的氚值方面的界定標(biāo)準(zhǔn):

＜0.5TU 1952年前補(bǔ)給的地下水

0.5～2.0TU 1952年前補(bǔ)給與后來(lái)補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)給的降水，補(bǔ)給年代較前者新。密云水庫(kù)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(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院的鄭躍軍、王瑞久等(2007年)通過(guò)對(duì)北京平原周邊基巖和地表水的水化學(xué)及同位素取樣測(cè)試，對(duì)北京地區(qū)地下水的補(bǔ)給方式進(jìn)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(duì)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(diǎn)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(duì)比樣板圖

首先，密云水庫(kù)水表現(xiàn)出了強(qiáng)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(bǔ)給的河水進(jìn)入平原河道后入滲補(bǔ)給區(qū);結(jié)合前面氚值的分析，可認(rèn)為主要是1952年之前較為天然狀態(tài)下的潮白河水入滲補(bǔ)給的;

HN－1(25 m)位于平原降水入滲補(bǔ)給區(qū)，體現(xiàn)出不同的高程效應(yīng)。推測(cè)主要是由于上游水庫(kù)及攔河閘的修建，特別是1982年密云水庫(kù)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(bǔ)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(bǔ)給。

綜合以上分析，可得出距河50 m處25 m的淺井，主要是來(lái)自1982年之后河水的補(bǔ)給(尚含有少量的1951～1976年之間補(bǔ)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(cè)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(bǔ)給，受目前河水影響甚微。推測(cè)河水滲透作用在67 m深度上滯后大致估計(jì)約50年左右。

2.2 北運(yùn)河邊井

本次研究還收集了北運(yùn)河及位于河邊的2組(2組10個(gè)，井深均為20 m)污染監(jiān)測(cè)井的水質(zhì)資料［13］(表3)。北運(yùn)河從清末就成為北京市的主要排水河，近幾十年來(lái)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(cè)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(xì)的沖積平原區(qū)，20 m以上地層在楊堤村處以粉細(xì)砂為主，和合站村為粘性土為主。兩組污染監(jiān)測(cè)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(yuǎn)進(jìn)行編號(hào))(圖6)。

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

圖6 北運(yùn)河楊堤、和合站污染監(jiān)測(cè)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(yùn)河水質(zhì)較為穩(wěn)定;同時(shí)由于污灌及人為污染等原因，使得各監(jiān)測(cè)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(cè)井的水質(zhì)相對(duì)更相似于污水河水，而和合站村南的5監(jiān)測(cè)井水質(zhì)與河水差異稍大。這可從地層巖性的不同來(lái)加以解釋，楊堤村附近20 m以上的地層以粉細(xì)砂為主，顆粒較粗，而和合站處以粘性土為主，顆粒教細(xì)。

該處的其他相關(guān)研究經(jīng)過(guò)對(duì)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(huì)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(yùn)河水及楊堤、和合站污染監(jiān)測(cè)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(xì)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(zhǎng)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)，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(dá)到111 mg/L，鉀鈉離子濃度達(dá)到117.6 mg/L，河道水在近二三十年來(lái)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(gè)水井加以對(duì)比分析。其中1號(hào)井距離河邊約2 m，2號(hào)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(xì)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(hào)井水質(zhì)已嚴(yán)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?yàn)樽詮?005年以來(lái)尤其是2008年奧運(yùn)會(huì)期間加大了涼水河治理力度，水質(zhì)有所改善，1號(hào)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(hào)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。可見，該處在排污近四十年以來(lái)，影響范圍也較小。

3 原因分析

對(duì)于某些地點(diǎn)河水與井水水質(zhì)差異一般較大這一現(xiàn)象，一方面是因?yàn)榈貙拥奈健⑦^(guò)濾等作用的影響，另一方面可解釋為河水滲透作用的嚴(yán)重滯后性。這些地點(diǎn)河水滲透作用滯后嚴(yán)重的原因，可從粘土地層的滲透系數(shù)和地層的沉積壓實(shí)兩方面來(lái)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(shí)的粘土層的滲透系數(shù)應(yīng)該會(huì)更小。如按10－7cm/s計(jì)，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(shí)的粘土層的滲透系數(shù)還會(huì)更小，可見具有很強(qiáng)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(huì)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(qiáng)的隔水性;對(duì)于水平方向，由于陸相沉積地層的復(fù)雜多變而不時(shí)會(huì)有粘土類地層出現(xiàn)，也會(huì)產(chǎn)生明顯的阻擋效果;

另一方面，是地層的沉積壓實(shí)作用會(huì)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(shí)作用下其通透性也會(huì)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(huì)被壓扁，水流減小，如外部壓力足夠大，水流將會(huì)完全停止。在上覆地層的不斷沉積壓實(shí)過(guò)程中，含水層的滲透性整體就會(huì)降低。另外，地層在沉積過(guò)程中由于松軟程度不同而總會(huì)有差異性沉降，即有些地方壓實(shí)地厲害，這些地方便會(huì)形成“瓶頸”或完全封堵［12］。這樣也會(huì)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(huì)很大。照此分析，越往深處，地層滲透性會(huì)越小，影響會(huì)越加微小，到一定深度后就可能會(huì)真的完全“井水不犯河水”了。

通過(guò)以上分析可看出，在沉積顆粒較細(xì)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(huì)有“井水不犯河水”的說(shuō)法。以上分析只是針對(duì)第四系中的情況，對(duì)于基巖井的情況有待另加分析;另外值得強(qiáng)調(diào)的是，以上的分析大部分是針對(duì)監(jiān)測(cè)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(huì)加大，速度會(huì)加快，這有待進(jìn)一步的研究。

4 主要結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)潮白河邊距河50 m的河南村兩分層監(jiān)測(cè)井的水位、水質(zhì)及同位素等方面進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為25 m深的淺井主要是受1982年之后的河水入滲補(bǔ)給，而67m深井主要是1952年之前的河水入滲補(bǔ)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(guò)對(duì)北京平原其他幾處污水河(北運(yùn)河、箭桿河及勝利干渠)河邊井與相應(yīng)河水水質(zhì)的對(duì)比分析，均得出這些地點(diǎn)的污水河在排污幾十年后，對(duì)其河邊的水井水質(zhì)影響一般不是很大;

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

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