北京昌平高崖口—南口巖溶水分布區水文地質特征

郭 彤，薛洪林，付昌鴻，牛升晟

（北京市地質勘察技術院，北京 102209）

北京平原區第四系地下水連續多年超采，水位持續下降，出現了一些環境地質問題[1]，1999年以來，又遭遇建國以來持續時間最長、旱情最為嚴重的干旱期。為解決北京市水資源緊缺，北京市水務局和北京市地質礦產勘查開發局根據多年水文地質勘察成果，在2013年實施了“北京巖溶水資源勘查評價工程”，進行巖溶水資源應急勘查工作。該項工程建設對緩解北京市水資源緊缺、保證城市居民生活用水和城市經濟建設可持續發展具有重要的意義。通過本工程可以查清巖溶水資源總量和可利用量；確定巖溶水應急后備水源地位置、范圍和規模，為進一步擴大資源開采潛力提供科學依據。本工程在北京昌平高崖口-南口巖溶水分布區布置了4眼勘探井進行巖溶水資源普查。本文在分析昌平高崖口-南口地區區域水文地質條件的基礎上，結合鉆井地層、抽水試驗、水質檢測等資料，計算水文地質參數，劃分水化學類型，并對地下水水質進行評價，根據該區隱伏巖溶水地質構造新的認識，提出了水源地靶區。

1 區域地質概況

1.1 地層

該區地質構造單元處于青白口中穹褶（Ⅳ10）、門頭溝迭陷褶（Ⅳ11）和昌（平）懷（柔）中穹斷（Ⅳ5）的交界部位。地貌上處于昌平西部山前傾斜平原地帶，屬于南口沖洪積扇的上部。該區為第四紀沉積凹陷—馬池口凹陷，區域基巖地層分布有中新元古界長城系、薊縣系，古生界寒武系和中生界侏羅系。工作區北部、南部出露較大的巖漿巖體[2]。

1.2 構造

工作區內褶皺構造為昌平北小營向斜，軸向北東，核部分布有侏羅系，南東翼在影壁山推覆構造作用下，薊縣系蓋在侏羅系之上；向斜被北西向的南口斷裂切割。發育北西向和北東向兩個構造體系，北西向發育南口—孫河斷裂，北東向發育南口山前斷裂和影壁山斷裂[2]，見圖1。

2 水文地質條件

根據地質構造條件，該區為昌平北小營向斜儲水構造，向斜核部地層為侏羅系，兩翼為霧迷山組，向斜軸向北東。受構造、巖漿等運動影響，薊縣系霧迷山組巖溶裂隙含水巖組的富水性均較好，一般單位涌水量可達300 m3/d。

圖1 昌平高崖口—南口巖溶水分布區基巖地質構造圖

2.1 巖溶水含水巖組

昌平高崖口—南口巖溶水分布區屬山前巖溶地下水分布區，第四系分布于平原區及溝谷地帶，基巖地層主要為中新元古界薊縣系霧迷山組。

本區取水目的層為薊縣系霧迷山組白云巖、白云質灰巖，該組厚度大于1000 m，分布廣，巖溶裂隙發育、滲透性好、導水性強，有利大氣降水入滲，巖溶水富水性好，巖溶水埋藏類型為覆蓋型承壓水。

2.2 地下水補、徑、排條件

大氣降水的入滲補給構成了高崖口—南口巖溶裂隙含水系統的主要補給來源。其次還有一定數量的碎屑巖裂隙水的間接補給［3］。

本區巖溶裂隙水通過裂隙、溶洞及斷裂破碎帶等以地下徑流的形式向下游流動。流動方向為由北向南、自西向東。

3 勘查成果分析

3.1 鉆孔

本次工作共鉆探4眼井，其中有三眼為勘探孔，一眼為探采結合孔。井位布置見圖1。

根據物探測井、巖屑錄井和巖礦鑒定資料綜合分析，本次勘查鉆遇地層分別為第四系、白堊系+侏羅系、薊縣系、侵入巖，各井實鉆揭露地層情況見表1。

3.2 抽水試驗

CG-K-3、CG-T-1井未進行抽水試驗。

CG-K-2抽水試驗成果：靜水位31.50m，降深53.60 m，涌水量1503.68m3/d，水溫35℃。

CG-K-1勘探井，共進行了3次抽水試驗，原因是該井“二開”施工遇薊縣系霧迷山組含水層，該井段泥漿漏失較大，孔壁坍塌掉塊現象嚴重，為防止孔內事故發生，保證施工安全及進度，完成勘查任務，在“二開”180.00～800.00m井段下入Ф177.8mm套管，繼續“三開”施工至設計井深1502m，裸眼成井。隨后進行抽水試驗，結果表明出水量小、降深大，富水性差，決定借鑒在油氣井完井

中應用廣泛的套管射孔完井技術，將套管射孔完井技術首次應用于在CG-K-1井180.00～800.00m井段。因此對800.00～1502.00m井段、180.00～800.00m井段、180.00～1502.00m井段分別進行了3次抽水試驗，其流量Q-降深S曲線見圖2。

表1 勘查井揭露地層表

圖2 CG-K-1勘查井不同井段抽水試驗Q-S曲線

抽水試驗數據見下：

（1）800～1502m井段：靜水位44.70 m，降深46.10 m，涌水量1133.28 m3/d，水溫28℃。

（2）180～1502m井段：靜水位45.35 m，降深3.75 m，涌水量1815.00m3/d ，水溫24℃。

（3）180～800m井段：靜水位45.32 m，降深4.73 m，涌水量1763.00 m3/d ，水溫 21℃。

3次抽水試驗的降深與流量的關系曲線進行對比,可以更直觀的反映勘查井含水層的性質: 180.00～800.00m射孔井段與180.00～1502.00m井段的降深與流量曲線形態較為相似，而與800.00～1502.00m 井段段曲線相差較大，也說明了180.00～800.00m井段含水層富水性較好，對本井涌水量的貢獻大。

3.3 水文地質參數計算

考慮在沒有補給的條件下，利用抽水井的雙對數降深(s)-時間(t)曲線，使用配線法計算滲透系數，采用下列公式：

其中：W(u)為標準井函數；

K：滲透系數（m/d）；

Q：抽水井出水量（m3/d）；

M：承壓含水層厚度（m）；

rw：抽水孔過濾器的半徑（m）；

s: 降深配線值。

CG-K-1、CG-K-2兩井的滲透系數K和導水系數T，結果見表2：

表2 配線法計算結果表

上述數據說明：

（1）CG-K-1井800m以上含水層K值遠大于800m以下含水層的K值，說明該井上部巖溶裂隙發育、滲透好、導水性強。下部巖溶裂隙不發育、滲透差、導水性弱；

（2）CG-K-1井、CG-K-2井分布于南口—孫河斷裂兩側，CG-K-1井處于上升盤，CG-K-2井處于下降盤，CGK-1井的K值遠大于CG-K-2井K值，反映了南口—孫河斷裂兩側不同深度的水文地質參數及巖溶裂隙發育情況，表明了南口—孫河斷裂上升盤上部800m以淺最為適合基巖巖溶水經濟開發。

3.4 地下水化學類型

CG-K-1、CG-K-2 、CG-K-3取水樣進行水質檢測，CG-T-1未取水樣進行水質檢測，勘查井水化學成份（陽、陰離子）主要結果表3，按舒卡列夫分類：

CG-K-1井水化學類型屬于HCO3-Ca?Mg(重碳酸鈣鎂）型水，無色無味無渾濁物，PH值為7.98，礦化度為333mg/L，總硬度為167mg/L，屬于弱堿性、微硬水。

CG-K-2該巖溶水的水化學類型屬于CO3?SO4-Na(重碳酸?硫酸鈉）型水。

3.5 水質評價

根據國家《地下水質量標準》（GB/T14848—93）對所取水樣采用單項組分評價：

表3 勘查井水化學成份（陽、陰離子）含量表

（1）CG-K-1井所化驗的項目大多數達到Ⅰ～Ⅱ類水質標準，僅硫酸鹽、揮發性酚類、氨氮、鋇4項組分略微超過Ⅱ類指標要求，為Ⅲ類，因此地下水質量評價為Ⅲ類，該水質適用于集中式生活飲用水水源及工、農業用水。

（2）CG-K-2井所化驗的項目大多數達到Ⅰ～Ⅲ類水質標準，色度、肉眼可見物、溶解性總固體、固體、氟化物4項組分含量高，為Ⅴ類，因此地下水質量評價為Ⅴ類，該水不宜飲用，但可根據使用目的選用。

（3）CG-K-3井水所化驗的項目大多數達到Ⅰ～Ⅲ類水質標準，渾濁度為Ⅳ類，溶解性總固體、硫酸鹽、氟化物含量高，為Ⅴ類，因此地下水質量評價為Ⅴ類，該水不宜飲用，可根據使用目的選用。

3.6 Piper三線圖

根據設計要求，鉆探施工在氣舉反循環鉆進開始階段、抽水試驗開始及結束時各取一件水樣，進行水質分析。該區勘查井CG-K-1（800～1502m）、CG-K-1（180～800m）、CG-K-1（180～1502m）3個深度水樣、CG-K-2井1個水樣，共計4件抽水結束時水質Piper圖，見圖3。

根據Piper三線圖解分區，總共劃分為9個區，落在菱形中的不同區域的水樣具有不同的化學特性。

(1)CG-K-1井抽水結束前3個井段水樣其水化學值位于1、3、5區，水樣總體上堿土金屬離子超過堿金屬離子，弱酸根超過強酸根，水樣中碳酸硬度（超過50%），地下水化學性質以堿土金屬離子和弱酸根離子為主。

圖3 勘探區水化學三線圖

(2)CG-K-2井抽水結束前水樣其水化學值位于2、3、9區，水樣總體上堿金屬離子超過堿土金屬離子，弱酸根超過強酸根，水樣中以堿金屬離子和弱酸根離子為主，該區任一對陰陽離子含量均不超過50%毫克當量百分數。

(3)本次勘探工作CG-K-1、CG-K-2井布置于南口—孫河斷裂的兩側，根據兩井的水質化驗資料（表3）證實，兩井水化學成分總硬度（以CaCO3計）接近，但水化學類型不同，CG-K-2井的溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、氟化物、鈉離子明顯高于CG-K-1井，說明其深部水交替及溶濾作用變弱，薊縣系霧迷山組含水層中形成礦化度較高的硫酸鹽水。即地下水運移的路徑有所不同，礦化程度不同。

4 結論

本次勘探工作CG-K-1、CG-K-2井布置于南口—孫河斷裂的兩側，CG-K-3井布設于影壁山斷裂的北側，CG-T-1井布設于南口山前斷裂的南側，目的是查明主要巖溶含水層的分布、埋藏特征及其巖溶地下水的賦存規律，通過本次工作獲得了以下初步認識：

（1）西部曹莊CG-K-3勘探井鉆遇燕山期花崗二長巖，該巖體巖性致密，構造裂隙不發育，初步查明了該區火成巖類裂隙水富水性差。

西南部CG-T-1勘探井第四系下伏侏羅系（J）地層及燕山期花崗閃長巖體。該巖體巖性致密，構造裂隙不發育，富水性差。

由此，區域上表明該巖溶水分布區受到多處隱伏巖體的侵入，不僅大大占據了巖溶含水層空間，還阻斷了山區巖溶水補給的通道，形成了大范圍的隔水邊界，使巖溶水資源開發潛力受到制約。

（2）巖溶水分布區東北部的南口孫河斷裂兩側，CG-K-1、CG-K-2井鉆探表明分布有薊縣系霧迷山組巖溶含水層。斷裂南西側的下降盤薊縣霧迷山組巖溶裂隙較為不發育、滲透性一般、富水性一般；斷裂東北側的上升盤上部800m以淺區域，巖溶裂隙發育、滲透好、導水性強，涌水量大，地下水水質適合于集中式生活飲用水源，最為適合基巖巖溶水經濟開發，沿孫河斷裂東北側展布的線狀區域可選作水源地靶區進一步勘查。

（3）本次工作對馬池口第四系凹陷有了新認識，第四系凹陷有兩個沉降中心，第四系厚度均超過800m，南口西南沉降中心位于曹莊附近，馬池口沉降中心位于七間房村附近。以往認為馬池口沉降中心第四系最厚處在馬池口附近，地震鉆孔揭露厚度601m，下伏為侏羅系。本次位于馬池口西北的七間房村CG-K-2井，查明基巖埋深超過800m。總的來看，這兩個沉降中心基底呈鏟形，靠近南口斷裂第四系厚度大，向西南逐漸翹起。

[1]郭高軒，劉文臣，辛寶東等.北京巖溶水勘查開發的現狀與思考［J］,南水北調與水利科技，2011,9（2）：33～35.

[2]劉清曉等.北京市平原區基巖立體地質調查成果報告2007年11月30日 98，140～142.

[3]張如滿等.北京巖溶水資源勘查評價工程實施方案（送審稿）.2010年11月，53.

[4]中華人民共和國國家標準 GB 50027-2001供水水文地質勘查規范［S］.北京:中國計劃出版社，2001.

[5]中華人民共和國國家標準 GB/T14848—93《地下水質量標準》［S］.北京:中國標準出版社，1994.