地下水開采引起水質變化的機理
——以北京懷柔應急水源地為例

楊 楠，周 俊，李世君，潘 懋

(1.北京大學造山帶與地殼演化教育部重點實驗室，北京 100871;2.北京大學地球與空間科學學院，北京 100871;3.北京市地質工程勘察院，北京 100048)

2003 年開始，北京市先后建立了懷柔、平谷、張坊、馬池口等應急水源地以緩解城市供水問題。調查表明，懷柔應急水源地自開采以來，平均應急開采量約為1.2 億m3/a［1］，其在為城市供水提供保障的同時，也引起了地下水動力場和水化學場的變化，最直接的表現是地下水位持續下降、地下水水質指標(硬度、礦化度)持續升高等。

1 研究區水文地質概況

北京市懷柔應急水源地位于潮白河沖洪積扇的中上部，區內第四系沉積物廣泛分布于平原和山間溝谷，沉積層呈北薄南厚、東薄西厚的特點;巖性呈典型的沖洪積扇分布特征。根據松散層的沉積規律和埋藏條件，區內含水層由上到下分為潛水含水層(小于45 m)、淺層承壓含水層(45 ～120 m)和深層承壓含水層(大于120 m)，其中，潛水含水層與淺層承壓含水層之間沒有連續隔水層，水力聯系較為密切，通常統一定義為淺層含水層，而埋深超過120 m的含水層為深層含水層，地下水水化學類型為HCO3-Ca·Mg［2-4］。

懷柔應急水源地共布設42 眼水源井，其中深、淺層開采井各21 眼，圖1 所示為懷柔應急水源地范圍及水源井位置。

圖1 懷柔應急水源地范圍及水源井分布

2 地下水水質變化情況

2.1 地下水水質隨時間的變化

懷柔應急水源地地下水在自然條件和人為條件的共同作用下，其水質變化可分為如下3 個階段。

a. 1981—1998 年為水質穩定時期。在這一時期，懷柔應急水源地地下水硬度的平均年變化率約為6%，礦化度平均年變化率約為5%，雖然年際間礦化度和硬度有所波動，但總體趨勢保持不變，甚至在1993—1994 年礦化度和硬度有明顯下降趨勢，如圖2 所示。

圖2 懷柔應急水源地開采前水質動態分布

b. 1999—2002 年為水質陡變時期。在這一階段，水質指標變化幅度突然加大，前橋梓地區和懷柔自來水的礦化度變化率分別達到70%和74%，硬度變化率達到79%和22%。另外，在這一階段，北京一直處于干旱時期，降水量不足加上地下水開采量增大，導致研究區內水位降幅增大。

c. 2003 年至今為水質平穩變化階段。在這一時期，區內水源井水質的變化較為平緩，但總體呈上升趨勢(圖3)，2010 年監測到的淺井平均硬度較開采前增加了約29%，平均礦化度較開采前增加了32%。水源深井的礦化度和硬度變化相對較小，與開采前相比，2010 年監測的深井平均硬度上升了4.5%，平均礦化度增加了為8.7%。

2.2 地下水水質空間上的變化

懷柔應急水源地水源井空間上呈倒“Y”字形，中心位置為15 號井。圖4(a)所示為2003 年地下水硬度分布圖，圖4(b)為2010 年地下水硬度分布圖，表1為懷柔應急水源地開采前和2010 年地下水硬度空間分布規律;礦化度與硬度的分布規律相似。

表1 懷柔應急水源地開采前和2010 年地下水硬度分布對比

圖3 懷柔應急水源地多年水質變化曲線

懷柔應急水源地自2003 年投入使用以來，水源地中心(15 號井)的開采量最大，向水源地四周開采量逐漸降低，即地下水的開采量與2010 年地下水硬度的空間分布規律相同。

3 地下水開采與水質變化的關系

國內外許多學者就地下水長期過量開采導致地下水硬度和礦化度呈逐年上升這一問題展開了討論，一般認為，地下水硬度和礦化度升高的原因有以下幾種:①自然界和地下水中的CO2分壓增加和鹽效應作用;②與地下水過量開采有關;③鹽污染產生的陽離子交換作用［5-6］。

筆者重點探討地下水開采與水質變化的關系，因此通過對懷柔應急水源地水源井的平均水位、硬度與礦化度資料進行收集，分析水源井地下水水位與水質的相關關系，擬合它們之間的關系式(圖5)。

分析地下水開采引起水質變化的機理主要有如下兩點:

a. 懷柔應急水源地水源淺井的硬度與水位的相關系數平方數為0.907 3，礦化度與地下水位的相關系數平方數為0.934 1;水源深井硬度與地下水位的相關系數平方數為0.920 6，礦化度與地下水位的相關系數的平方數為0.688 9，以上相關系數均為正值。懷柔應急水源地地下水水位與硬度、礦化度均呈正相關關系，說明地下水開采導致地下水位埋深增加，進而導致地下水硬度和礦化度增大，根據已有數據可以計算出水源深井和水源淺井與水質變化的定量公式。

水源淺井:

圖4 地下水硬度空間分布(單位:mg/L)

圖5 地下水水位與水質關系

水位與硬度y=0.0363x2-0.2123x+203.59

水位與礦化度 y=0.1347x2-4.2523x+378.72

水源深井:

水位與硬度y=94.901exp(0.009 5x)

水位與礦化度 y = 0.073 7x2- 4.041 1x +298.08

式中:y 為水位;x 為硬度或礦化度。

按照這種趨勢，分別對2012—2014 年的水位、硬度和礦化度進行預測，預測結果見表2。由此判斷，如果繼續以目前的開采規模和方式開采地下水，懷柔應急水源地地下水的水質指標將持續升高。

表2 懷柔應急水源地地下水埋深與水質預測

b. 懷柔應急水源地含水層在垂向上的分為淺層和深層含水層，地下水開采是兩者水質變化的主要原因之一，但兩者水質的變化原理略有不同。

因為潛水與淺層承壓水之間為不連續的隔水層，形成天窗，隨著地下水的開采，地下水水位低于潛水與淺層承壓水之間的不連續隔水層(圖6)，因此硬度和礦化度相對較高的潛水越流補給硬度和礦化度相對較低的淺層承壓水，使水源井開采的地下水水質變差。

圖6 潛水越流補給淺層承壓水示意圖

地下水埋深的大小反映了包氣帶的厚薄:水位下降，地下水埋深大，包氣帶厚度增大，補給水源入滲的途徑變長使淋濾距離大，作為補給來源的水與包氣帶及土壤的相互作用時間及距離增加，因此進入淺層地下水中的礦物離子也隨之增加，源井開采的地下水水質發生變化［7-10］。懷柔應急水源地地下水質變化的機理主要有兩點:①地下水的大量開采導致地下水位下降、地下水埋深大，包氣帶厚度增大，補給水源入滲的途徑變長，使淋濾距離大;②潛水與淺層承壓水之間為不連續的隔水層，形成天窗，隨著地下水的開采，地下水水位低于潛水與淺層承壓水之間的不連續隔水層，因此硬度和礦化度相對較高的潛水越流補給硬度和礦化度相對較低的淺層承壓水，使水源井開采的地下水水質變差。

4 結 語

通過以上分析，除了降雨、農業灌溉等因素影響外，在北京連續干旱年的時段中，懷柔應急水源地中經過8 年多的持續開采，使得區域地下水位普遍下降，這是該地區地下水水質惡化的重要原因，根據預測，2014 年水源深井的礦化度、硬度將分別達到383.8 mg/L 和186.6 mg/L，水源淺井的礦化度、硬度將分別達到623.8 mg/L 和326.9 mg/L，如不能對地下水水質進行有效控制，最終可能導致相應水質指標超出國家飲用水標準而使得水源地的水不能作為生活飲用水繼續開采。

基于以上分析，建議在南水北調工程的水資源進京后對懷柔應急水源地進行停采，利用一切回灌設施進行人工回灌恢復地下水水位，保障懷柔應急水源地在以后持續發揮應急備用功能，保障首都的供水安全。

［1］周俊，李世君.北京市懷柔應急水源地地下水動態檢測報告(2010)［R］. 北京:北京市地質工程勘察院，2004-2011.

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