北京昌平新城地區(qū)地?zé)崃黧w質(zhì)量評(píng)價(jià)

孫杰夫，雷曉東，李 晨，張哲峰，孟美杉

（1. 北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院，北京 102218；2. 北京市規(guī)劃和國土資源管理委員會(huì)，北京 100045）

0 引言

地?zé)豳Y源作為替代傳統(tǒng)化石能源的綠色能源之一，是節(jié)能減排的重要手段，對(duì)治理霧霾起著重要作用（汪集旸，2015；周巡等，2006）。北京地區(qū)中低溫地?zé)豳Y源儲(chǔ)量較大，現(xiàn)已探明延慶、小湯山、京西北等10大地?zé)崽铮ɡ讜詵|等，2017）。昌平新城是北京重點(diǎn)建設(shè)的11個(gè)新城之一，位于北京市平原區(qū)西北部，一直未開展過系統(tǒng)的地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)。地?zé)崃黧w質(zhì)量評(píng)價(jià)是地?zé)豳Y源開發(fā)的基礎(chǔ)和依據(jù)之一。地?zé)崃黧w質(zhì)量評(píng)價(jià)在對(duì)地?zé)崃黧w采樣進(jìn)行全分析基礎(chǔ)上進(jìn)行，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括地?zé)崃黧w的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、微生物含量等，應(yīng)依據(jù)不同用途按有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本次在昌平新城及周邊地區(qū)選取有代表性的地?zé)峋|(zhì)資料，分析水化學(xué)類型，開展地?zé)崴煌猛驹u(píng)價(jià)、腐蝕性和結(jié)垢性評(píng)價(jià)，為昌平新城規(guī)劃和建設(shè)可持續(xù)利用地?zé)豳Y源提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

北京市平原區(qū)西北部，在大地構(gòu)造位置上屬于中朝準(zhǔn)地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶內(nèi)密懷中隆斷（Ⅲ2）和西山迭坳褶（Ⅲ5）的結(jié)合部位。兩個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元以南口-孫河斷裂（圖1，F(xiàn)1）為界。南口-孫河斷裂帶是北京地區(qū)規(guī)模最大的一條NW向第四紀(jì)活動(dòng)斷裂（張培震，2013；陳長(zhǎng)云，2016；嘉世旭等，2005），大量研究表明，該斷裂在北京平原區(qū)表現(xiàn)為樞紐特性，其NW段自昌平南口至北七家，斷面傾向南西，控制了馬池口-沙河第四紀(jì)凹陷的發(fā)育，且是小湯山地?zé)崽锖途┪鞅钡責(zé)崽锏姆纸鐢嗔眩掳亓郑?009；張磊等，2016）。本次研究區(qū)范圍為116° 03′～116°25′，40°06′～40°15′，覆蓋了該斷裂的NW段。在此區(qū)域南口-孫河斷裂截切了燕山早期形成的北小營(yíng)-昌平向斜和一系列NE向斷裂。區(qū)域上熱儲(chǔ)層以薊縣系霧迷山組白云巖為主，在南口-孫河斷裂以北，熱儲(chǔ)層埋深一般小于200m；斷裂以南埋深變化大，從幾百米至2000多米不等。在影壁山逆沖斷裂以東，化莊至西沙屯一帶，因薊縣系推覆到侏羅系之上，熱儲(chǔ)層呈現(xiàn)“雙層結(jié)構(gòu)”。蓋層為第四系松散層、白堊系、侏羅系火山巖、石炭—二疊系砂頁巖和青白口系砂頁巖等，不同區(qū)域蓋層組合型式差異較大；研究區(qū)西部南口至馬池口一帶形成的斷陷盆地其沉降中心第四系厚度大于800m，加上北小營(yíng)-昌平向斜核部分布有幾百米至數(shù)千米厚的火山巖地層，構(gòu)成了良好的隔熱蓋層。馬池口以東至沙河、鄭各莊一帶，第四系蓋層厚度略變薄，同時(shí)也缺失中生代地層。研究區(qū)南部和西南部燕山期侵入巖如陽坊花崗巖、花塔石英二長(zhǎng)巖、葛村閃長(zhǎng)巖等巖體形成了熱儲(chǔ)層的隔水邊界（雷曉東等，2016）。區(qū)內(nèi)地?zé)峥灼骄咨?800m，平均出水溫度54℃，熱水主要來源于西山高崖口—南口和北山十三陵—桃峪口兩大巖溶水系統(tǒng)大氣降水補(bǔ)給（郭高軒等，2011）。

圖1 研究區(qū)基巖地質(zhì)構(gòu)造及井位分布圖Fig.1 Locations of boleholes and tectonic background of survey area

2 水化學(xué)類型

本次地?zé)崃黧w質(zhì)量評(píng)價(jià)共利用研究區(qū)及周邊8眼有代表性的地?zé)峋|(zhì)資料，按照地?zé)岬刭|(zhì)條件的差異，分4個(gè)區(qū)塊進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中曹莊—馬池口地區(qū)（A區(qū)）1眼、西沙屯—鄭各莊地區(qū)（B區(qū)）3眼、化莊—百善地區(qū)（C區(qū)）2眼、南口—昌平地區(qū)（D區(qū)）2眼，各地?zé)峋恢靡妶D1。

本次工作采用舒卡列夫分類方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

辛店—馬池口地區(qū)（A區(qū)）：依據(jù)“京昌-3”井水質(zhì)分析結(jié)果，其熱礦水的水化學(xué)類型屬于SO4·HCO3·Cl-Na型水。該井地?zé)崴V化度(TDS)為901.0mg/L，屬淡水；pH值7.50，總硬度155mg/L，屬于弱堿性、微硬水（表1）。

西沙屯—鄭各莊地區(qū)（B區(qū)）：根據(jù)“沙熱-7”、“沙熱-8”和“沙熱-12”井水質(zhì)全分析結(jié)果，本區(qū)熱礦水水化學(xué)類型屬于HCO3·SO4-Na·Ca、HCO3-Na·Ca型水。地?zé)崴V化度(TDS)為477～510mg/L，屬淡水；pH值7.49～7.79，總硬度143～178mg/L，屬于弱堿性、微硬水。

化莊—百善地區(qū)（C區(qū)）：根據(jù)“沙熱-3”和“昌熱-4”井水質(zhì)全分析結(jié)果，本區(qū)熱礦水水化學(xué)類型屬于HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca·Mg型水。地?zé)崴V化度(TDS)為315～511mg/L，屬淡水；pH值7.32～7.89，總硬度180mg/L左右，屬于弱堿性、微硬水。

陳莊—昌平地區(qū)（D區(qū)）：參考工作區(qū)內(nèi)“昌熱-1”及鳳山溫泉度假村“昌熱-7”井水質(zhì)全分析結(jié)果，熱礦水的水化學(xué)類型屬于HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3-Ca·Mg型水。該區(qū)地?zé)崴V化度（TDS）367～522mg/L，屬淡水；pH 值 7.60～7.82，總硬度197～200.2mg/L，屬于弱堿性、微硬水。

表1 工作區(qū)熱水水化學(xué)類型表Tab.1 Work area hot water chemical type table

3 地?zé)崴煌猛驹u(píng)價(jià)

3.1 熱礦水評(píng)價(jià)

根據(jù)《天然礦泉水地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB/T13727-2016）對(duì)該區(qū)地?zé)崴M(jìn)行評(píng)價(jià)。該區(qū)熱礦水氟離子普遍含量大于2mg/L，水溫大于34℃，礦化度小于1000mg/L，可命名為氟化物型淡溫泉水。從區(qū)域上看，曹莊—馬池口地區(qū)（A區(qū)）、西沙屯—鄭各莊地區(qū)（B區(qū)）和化莊—百善地區(qū)（C區(qū)）的東南部氟含量相對(duì)偏高，均在6mg/L以上，而在南口—昌平地區(qū)（D區(qū)）及化莊—百善地區(qū)（C區(qū)）的西北部氟含量相對(duì)較低，在1～3.2mg/L之間（表2）。

氟的攝取量對(duì)于維持骨骼的正常發(fā)育是很重要的，適量的氟可加速骨骼的形成，增加骨骼的硬度。但當(dāng)某一地區(qū)分布過高，人體攝入量偏多時(shí)又可引起特異的疾病——地方性氟病，或稱地方性氟中毒，造成氟斑釉齒和氟骨癥。

依據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB11615-2010）附錄E《理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，熱礦水中氟和偏硅酸含量較高，具有一定的醫(yī)療價(jià)值，普遍達(dá)到淡溫泉水、氟水的命名條件，其中沙熱-12井達(dá)到了硅水的命名條件（表2）。

其他井偏硅酸含量雖未達(dá)到定名標(biāo)準(zhǔn)，但也已達(dá)到具有醫(yī)療價(jià)值的濃度（偏硅酸＞25mg/L）。偏硅酸能提高皮膚的彈性，有助于骨的鈣化，有利于兒童骨骼的成長(zhǎng)，防止老年骨質(zhì)疏松，對(duì)人體主動(dòng)脈硬化具有軟化作用，對(duì)心臟病、高血壓、動(dòng)脈硬化、神經(jīng)功能紊亂、胃炎及消化道潰瘍具有一定的保健作用。另外，熱礦水中還含有多種對(duì)人體有益的微量元素，如：溴、鍶、鋰、鋇、氡等，經(jīng)常使用該熱礦水洗浴能起到良好的保健作用。

3.2 礦泉水評(píng)價(jià)

除昌熱-4井外，該區(qū)熱礦水氟離子含量普遍大于2mg/L，超過國家《飲用天然礦泉水》（GB8537-2008）規(guī)定的限量指標(biāo)（氟＜2.0mg/L），因此大部分地區(qū)地?zé)崴荒茏鳛樘烊坏V泉水飲用。

表2 理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與已有地?zé)峋|(zhì)對(duì)比表Tab. 2 Physiotherapy hot mineral water quality standards and existing geothermal well water quality comparison table

3.3 生活飲用水評(píng)價(jià)

根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB/5749-2006）對(duì)該區(qū)地?zé)崴M(jìn)行評(píng)價(jià)。

（1）一般化學(xué)指標(biāo)

除靠近山前的昌熱-7井外，本區(qū)Fe2++Fe3+含量超過一般化學(xué)指標(biāo)（鐵含量＜0.3mg/L）要求。

（2）毒理學(xué)指標(biāo)

該區(qū)熱礦水中氟（F-）含量均超過毒理學(xué)指標(biāo)（氟＜1.0mg/L）要求。

綜上所述，該區(qū)熱礦水一般化學(xué)指標(biāo)、毒理學(xué)指標(biāo)兩項(xiàng)沒有達(dá)到生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，不適于作為生活飲用水。

3.4 漁業(yè)用水評(píng)價(jià)

根據(jù)《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB11607-1989）對(duì)該區(qū)地?zé)崴M(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)比見表3，除C區(qū)昌熱-4井外，其余地區(qū)地?zé)峋‵-）單項(xiàng)組分均大于標(biāo)準(zhǔn)限值，鎘、銅、鋅、鎳、砷偶有超標(biāo)，大部分組分滿足漁業(yè)水質(zhì)國家標(biāo)準(zhǔn)，因此重點(diǎn)對(duì)氟（F-）進(jìn)行處理后可作漁業(yè)生產(chǎn)用水。

3.5 農(nóng)業(yè)灌溉用水評(píng)價(jià)

根據(jù)《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB5084-2005）對(duì)該區(qū)地?zé)崴M(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)比見表4，各地區(qū)熱水井所化驗(yàn)的水質(zhì)項(xiàng)目，除水溫單項(xiàng)組分大于標(biāo)準(zhǔn)限值外，其余組分均滿足農(nóng)田灌溉水質(zhì)國家標(biāo)準(zhǔn)，因此僅需對(duì)水溫進(jìn)行降溫處理后便可作農(nóng)田灌溉生產(chǎn)用水。

4 地?zé)崴g性、結(jié)垢性評(píng)價(jià)

4.1 腐蝕性評(píng)價(jià)

地?zé)崃黧w中因含有氯根、硫酸根、游離二氧化碳根和硫化氫等組分而對(duì)金屬有一定的腐蝕性，可通過掛片試驗(yàn)等測(cè)定其腐蝕率，對(duì)其腐蝕性做出評(píng)價(jià)，也可參照工業(yè)上計(jì)算腐蝕系數(shù)的方法來衡量地?zé)崴母g性：

若腐蝕系數(shù)Kk＞0，稱為腐蝕性水；腐蝕系數(shù)Kk＜0，并且Kk+0.0503Ca2+＞0，稱為半腐蝕性水；腐蝕系數(shù)Kk＜0，并且Kk+0.0503Ca2+＜0，稱為非腐蝕性水。

腐蝕性系數(shù)的計(jì)算：

表3 漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與已有地?zé)峋|(zhì)對(duì)比表Tab.3 Fishery water quality standards and existing geothermal well water quality comparison table

表4 農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與地?zé)峋|(zhì)對(duì)比表Tab.4 Farmland irrigation water quality standards and existing geothermal well water quality comparison table

對(duì)堿性水： Kk=1.008（rMg2+-）

其中：r是表示離子含量的每升毫克當(dāng)量數(shù)（毫摩爾數(shù)mmol/L）；Ca2+對(duì)鈣離子濃度以毫克每升（mg/L）表示。

經(jīng)計(jì)算，為非腐蝕性水和半腐蝕性水（表5）。

4.2 結(jié)垢性評(píng)價(jià)

地下熱水在使用中，當(dāng)溫度降低時(shí)，會(huì)使溶解其中的有些固體物質(zhì)超過飽和度而在系統(tǒng)中產(chǎn)生結(jié)垢，引起井管口徑減小，換熱設(shè)備傳熱效率降低，輸送地?zé)崴到y(tǒng)的阻力增加，能耗加大，嚴(yán)重者甚至造成換熱設(shè)備及管道的阻堵，為此，應(yīng)采取防結(jié)垢的措施。

表5 工作區(qū)熱水腐蝕性評(píng)價(jià)Tab.5 Evaluation of Hot Water Corrosion in Work Area

對(duì)于地?zé)崃黧w中所含二氧化硅、鈣和鐵等組分因溫度變化而產(chǎn)生結(jié)垢，可通過試驗(yàn)，也可以通過計(jì)算對(duì)碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)做出判斷。

對(duì)氯離子含量高（超過25%摩爾當(dāng)量，如京昌-3井）的地?zé)崃黧w，可采用拉申指數(shù)（LI）判斷碳酸鈣結(jié)垢的趨勢(shì)和腐蝕性程度。拉申指數(shù)（LI）按下式計(jì)算：

式中：Cl為氯化物或鹵化物濃度；SO4為硫酸鹽濃度；ALK為總堿度。3項(xiàng)均以等當(dāng)量的CaCO3，單位為毫克每升（mg/L）表示；當(dāng)LI＞0.5，不結(jié)垢，有腐蝕性；當(dāng)LI＜0.5，可能結(jié)垢，沒有腐蝕性；當(dāng)0.5＜LI＞3.0，有輕腐蝕性；當(dāng)3.0＜LI＞10.0，有強(qiáng)腐蝕性。

經(jīng)過計(jì)算：LI=（177.9+164.7）/197.0=1.7，根據(jù)上述的標(biāo)準(zhǔn)，京昌-3井地?zé)崴唤Y(jié)垢。

當(dāng)?shù)責(zé)崃黧w中氯離子含量較低（小于25%摩爾當(dāng)量）時(shí)，可根據(jù)雷茲諾指數(shù)（R1）定性估計(jì)地?zé)崃黧w碳酸鈣的結(jié)垢趨勢(shì)。雷茲諾指數(shù)（R1）按下式計(jì)算：

式中：RI為雷茲諾指數(shù)；pHc為計(jì)算出的pH值；pHa為地?zé)崃黧w實(shí)測(cè)的pH值；[Ca2+]為地?zé)崃黧w中鈣離子的摩爾濃度；[ALK]為總堿度，即重碳酸根離子摩爾濃度；Ke為常數(shù)（當(dāng)總固形物200～6000mg/L時(shí)，取值1.8～2.6之間，溫度大于100℃取低值，低于50℃取高值）。

當(dāng)RI＜4.0，結(jié)垢非常嚴(yán)重；RI= 4.0～5.0，結(jié)垢嚴(yán)重；RI= 5.0～6.0，結(jié)垢中等；RI= 6.0～7.0，結(jié)垢輕微；RI＞ 7.0，不結(jié)垢。

本區(qū)其它地?zé)峋捎美灼澲Z指數(shù)評(píng)價(jià)。由表6的評(píng)價(jià)結(jié)果來看，本區(qū)已有地?zé)峋乃|(zhì)結(jié)垢趨勢(shì)為“不結(jié)垢”或“輕微結(jié)垢”。從分區(qū)上看，A區(qū)西部、D區(qū)為“不結(jié)垢”，這些地區(qū)儲(chǔ)層埋藏相對(duì)較淺；B區(qū)鄭各莊—沙河一帶、C區(qū)昌平老城東部為“輕微結(jié)垢”，這些地區(qū)儲(chǔ)層埋藏相對(duì)較深。

表6 工作區(qū)熱水結(jié)垢性評(píng)價(jià)Tab.6 Evaluation of hot water fouling in work area

5 結(jié)論

研究區(qū)地?zé)釋儆谥械蜏責(zé)岬V水，水化學(xué)類型有 HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca·Mg 、HCO3·SO4-Na·Ca 、SO4·HCO3·Cl-Na型水等。礦化度一般300～900mg/L、pH值7.5～7.9，總硬度140～200mg/L，可以稱為低礦化、弱堿性、微硬水。氟（F-）含量普遍大于2mg/L，達(dá)到了命名礦水標(biāo)準(zhǔn)，可命名為氟水；偏硅酸（H2SiO3）含量普遍大于25mg/L，達(dá)到了礦水濃度，有醫(yī)療價(jià)值。本區(qū)地?zé)崴荒茏鳛樘烊坏V泉水、生活飲用水使用，對(duì)氟處理后可作漁業(yè)生產(chǎn)用水，對(duì)水溫進(jìn)行降溫處理后可作農(nóng)田灌溉生產(chǎn)用水。腐蝕性評(píng)價(jià)結(jié)果為“非腐蝕性水”和“半腐蝕性水”，結(jié)垢性評(píng)價(jià)結(jié)果為“不結(jié)垢”或“輕微結(jié)垢”。