北京西山巖溶水系統(tǒng)滲透系數(shù)計算及富水性分析

劉崇軍，劉全國，于 洋，王小松

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100048）

北京西山巖溶水系統(tǒng)滲透系數(shù)計算及富水性分析

劉崇軍，劉全國，于 洋，王小松

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100048）

在北京西山巖溶水系統(tǒng)243個簡易抽水試驗的基礎(chǔ)上，分析了巖溶含水層的出水能力，應(yīng)用穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流方法計算了含水層的滲透系數(shù)。通過對比分析，確定了北京西山地區(qū)巖溶水系統(tǒng)富水區(qū)域為房山拒馬河流域十渡—馬安泉及張坊地區(qū)、大石窩鎮(zhèn)半壁店村附近和甘池泉附近的薊縣系霧迷山組含水巖組，房山大石河流域河北鎮(zhèn)、房山巖體南側(cè)簍子水村附近、西山山前三廠水源地及海淀山后溫泉鎮(zhèn)地區(qū)的寒武奧陶系含水巖組。本次工作彌補了西山地區(qū)巖溶水水文地質(zhì)參數(shù)的空白與偏差，為巖溶水資源評價和開發(fā)利用提供了數(shù)據(jù)支撐。

北京西山；巖溶水系統(tǒng)；抽水試驗；滲透系數(shù)；富水性

0 前言

巖溶水是北京市水資源的重要組成部分，是北京市重要的戰(zhàn)略應(yīng)急后備水源，為查明北京地區(qū)巖溶水資源賦存、分布及富集規(guī)律，建設(shè)巖溶水監(jiān)測體系，評價巖溶水資源量和持續(xù)開發(fā)能力，建立巖溶水應(yīng)急后備水源地，制定開發(fā)利用規(guī)劃和保護規(guī)劃，完善北京市水資源保障體系建設(shè)，2011年北京市開始實施北京巖溶水資源勘查評價工程項目。抽水試驗作為一項基礎(chǔ)性水文地質(zhì)工作，在巖溶水資源評價中起著至關(guān)重要的作用。

北京西山地區(qū)巖溶水開發(fā)利用程度較高，建立了多個巖溶水水源地，開鑿了大量自備井，是該區(qū)主要的生活飲用水源。圍繞著這些水源地的建設(shè)，該地區(qū)陸續(xù)開展了小范圍和點狀的抽水試驗工作，時間和空間上僅限于局部地區(qū)，取得的各種數(shù)據(jù)在精度和時間上缺乏系列性。抽水試驗手段與方法缺乏統(tǒng)一性，得出的試驗結(jié)果可對比性較差。在沒有建立水源地的區(qū)域，存在巖溶水參數(shù)空白區(qū)。由于帶觀測孔的抽水試驗過程復(fù)雜、費用較高，考慮到不可能為每口抽水井都打觀測井，因此在一定條件下，人們更傾向于利用單井穩(wěn)定流抽水試驗確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)（劉忠賢等，2005；G.Y.納姆等，1981；石中平，2000；馮華生等，2008；劉璟等，2012)。

由于巖溶水水井一般較深，工程造價較高，本次抽水試驗工作選取現(xiàn)有巖溶水井進行，沒有布置觀測孔，采用單孔無觀測井的簡易抽水試驗方式進行。本次研究在西山巖溶水系統(tǒng)布置243個單孔無觀測井簡易抽水試驗，主要目的是查清北京西山巖溶水系統(tǒng)的水井出水能力，巖溶含水層的水文地質(zhì)參數(shù)及富水性。

1 西山巖溶水系統(tǒng)

北京西山巖溶水系統(tǒng)分布在張坊、潭柘寺、沿河城、雁翅、軍莊、四季青一帶，西北以白羊石虎地表分水嶺為界，北部至橫嶺背斜軸部、於白斷裂，東北界為南口斷裂，東南邊界至黃莊—高麗營斷裂，南部邊界為拒馬河地表分水嶺，西部邊界北段以水峪尖地表分水嶺為界，南段為鎮(zhèn)廠河地表分水嶺。該系統(tǒng)分為5個次一級巖溶水子系（王曉紅等，2016）。

（1）十渡—長溝巖溶水子系統(tǒng)

分布在馬鞍村—張坊—甘池—云水洞一帶，北部邊界以富合村—莊戶臺—鴿子臺水庫為界；西邊界為鎮(zhèn)廠河地表分水嶺，南邊界為拒馬河地表分水嶺，東北界至北嶺向斜西南翼的青白口系下馬嶺組頁巖，為相對阻水邊界；東南部邊界以牛口峪—長溝逆斷層為界，斷裂東南側(cè)為石炭—二疊系頁巖、砂巖，形成相對隔水邊界。上部邊界，山區(qū)薊縣系霧迷山組、鐵嶺組白云巖裸露于地表，直接接受大氣降水補給，山前地區(qū)霧迷山組白云巖隱伏于第四系之下，厚度小于30m。補給來源為大氣降水入滲和少量的河渠滲漏，徑流方向由西北向東南，排泄方式以人工開采為主，豐水年份拒馬河兩側(cè)的地下水向河中排泄，枯水年份來水量少的情況下，地表水會向地下水補給。已建水源地為張坊應(yīng)急水源地。

（2）魚谷洞巖溶水子系統(tǒng)

分布于蘆子水—東村一帶，北部為侏羅系火山碎屑巖，東至寶水地表分水嶺，西至省界，南、西南部邊界為下馬嶺組頁巖。巖溶水補給來源為大氣降水，由東向西徑流，以地下潛流形式流出系統(tǒng)。

（3）潭柘寺—玉泉山巖溶水子系統(tǒng)

分布在南辛房—四季青、軍莊—溫泉，西北界為髫髻山向斜地表分水嶺，東北至南口斷裂，東南界為黃莊—高麗營斷裂，西界為黑龍關(guān)泉域的東部邊界北峪—佛子莊，南界為大石河背斜軸部河北鎮(zhèn)—三福村。含水巖組為奧陶系灰?guī)r、寒武系白云質(zhì)灰?guī)r、薊縣系白云巖、洼里礫巖、景兒峪組泥灰?guī)r。主要取水層位為奧陶系含水巖組。奧陶系巖溶水在軍莊、魯家灘地區(qū)接受大氣降水補給和永定河水滲漏補給，總體上由西南向東北徑流，排泄量以人工開采為主，主要的水源地有水源三廠、石景山、航天三院、門頭溝等。

（4）黑龍關(guān)—磁家務(wù)巖溶水子系統(tǒng)

分布于楊林水—紅煤廠、霞云嶺—長操、南窖、南車營、磁家務(wù)、婁子水一帶，西以寶兒水地表分水嶺為界，西北邊界為百花山—髫髻山向斜軸部，東北部北段邊界為大安山—教軍場斷裂和下馬嶺組千枚巖，東北部南段邊界為大石河背斜軸部，東南至黃莊—高麗營斷裂。南部邊界為下馬嶺組頁巖。主要含水巖組為奧陶系和寒武系灰?guī)r、霧迷山組和鐵嶺組白云巖、景兒峪組泥灰?guī)r，接受大氣降水入滲補給，薊縣系含水巖組自西南向東北徑流，寒武奧陶系含水巖組由西北流向東南，以人工開采和泉的形式排泄。

（5）沿河城巖溶水子系統(tǒng)

分布于齊家莊—齋堂—雁翅、江水河—黃草梁—向陽口一帶，北以白羊石虎地表分水嶺為界，南至百花山—髫髻山向斜軸部分水嶺，西部以水峪尖地表分水嶺為界，東北至橫嶺背斜軸部、於白斷裂。主要含水巖組為奧陶系和寒武系灰?guī)r、霧迷山組和鐵嶺組白云巖、景兒峪組泥灰?guī)r，補給來源為大氣降水，徑流方向由北向南，向永定河排泄。

2 簡易抽水試驗

利用已有水井進行，在掌握試驗井孔結(jié)構(gòu)的前提下，進行1個臺班的非穩(wěn)定流抽水試驗。抽水試驗設(shè)備采用水泵，水位數(shù)據(jù)測量工具包括自制電測水位計、水位自動記錄儀。

西山巖溶水系統(tǒng)共布置簡易抽水試驗點243個：其中十渡—長溝巖溶水子系統(tǒng)，主要含水巖組為薊縣系霧迷山組碳酸巖鹽，布置試驗點92個；魚谷洞巖溶水子系統(tǒng)處于西部山區(qū)，人口較少，巖溶水水井數(shù)量較少，未布置試驗點；潭柘寺—玉泉山巖溶水子系統(tǒng)，含水巖組為奧陶系灰?guī)r、寒武系白云質(zhì)灰?guī)r、薊縣系白云巖、洼里礫巖、景兒峪組泥灰?guī)r，主要取水層位為奧陶系含水巖組，布置試驗點108個；黑龍關(guān)—磁家務(wù)巖溶水子系統(tǒng)，主要含水巖組為奧陶系和寒武系灰?guī)r、霧迷山組和鐵嶺組白云巖、景兒峪組泥灰?guī)r，布置試驗點31個；沿河城巖溶水子系統(tǒng)，主要含水巖組為奧陶系和寒武系灰?guī)r、霧迷山組和鐵嶺組白云巖、景兒峪組泥灰?guī)r，布置試驗點12個。

圖1 簡易抽水試驗位置圖Fig.1 Sim p le pum ping test location

依據(jù)含水巖組的劃分，地層自下向上巖溶水的簡易抽水試驗分布情況為：薊縣系霧迷山組含水巖組試驗點106個；青白口系含水巖組試驗點3個；寒武系含水巖組試驗點15個；奧陶系含水巖組試驗點114個，非主要巖溶含水層5個（圖1）。

3 滲透系數(shù)計算

3.1 計算方法

（1）計算方法的選擇

參數(shù)計算方法的選取，首先要確定以下幾個方面內(nèi)容：

完整井與非完整井：參與簡易抽水試驗抽水井為現(xiàn)有居民生活用水井和農(nóng)業(yè)用水井，取水層位為巖溶含水層。基巖井一般不鑿穿含水層，均為非完整井，因基巖井井深一般較大，故本次計算均視為完整井，含水層厚度按水井揭露的含水層厚度值確定。

潛水與承壓水：抽水試驗井按含水層的承壓性分為潛水和承壓水，其中49%水井位于山區(qū)及山前（裸露型），地下水類型為潛水；51%水井位于隱伏于平原區(qū)第四系之下（覆蓋型）或山區(qū)基巖隔水層下（埋藏型），地下水類型為承壓水。

邊界條件：分為存在河流、湖泊等水體的補給邊界，存在巖體、隔水巖層等隔水邊界，均勻介質(zhì)無限邊界。抽水試驗井附近存在河流、水庫、巖脈、巖體等特殊邊界的，先篩選出來，再以穩(wěn)定流相應(yīng)的計算公式算出影響半徑，若抽水試驗井與邊界的距離小于影響半徑，則確定該抽水試驗存在邊界條件影響。通過該方法，確定8個抽水試驗存在河流線性水體補給。

穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流：根據(jù)抽水試驗水位降深隨時間的變化曲線確定抽水試驗的穩(wěn)定時間，若抽水試驗較長時間甚至8小時內(nèi)一直未穩(wěn)定，則用非穩(wěn)定流相關(guān)方法計算滲透系數(shù)。否則，用穩(wěn)定流相關(guān)公式計算滲透系數(shù)。

（2）計算方法

本次參數(shù)計算方法分為穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流。對于均質(zhì)無限含水層承壓水完整井、均質(zhì)無限含水層潛水完整井、近河含水層承壓水完整井、近河含水層潛水完整井、隔水邊界附近含水層承壓水完整井和隔水邊界附近含水層潛水完整井,采用穩(wěn)定流公式計算。對于均質(zhì)無限含水層承壓水完整井，采用泰斯公式計算；對于均質(zhì)無限含水層潛水完整井，采用紐曼公式計算（中國地質(zhì)調(diào)查局，2012）。非穩(wěn)定流的計算，采用Aquifertest軟件完成（表1）。

表1 參數(shù)計算方法統(tǒng)計表Tab.1 Parameter calculation method statistical table

3.2 滲透系數(shù)計算

根據(jù)簡易抽水試驗井的不同水文地質(zhì)條件，采用適當?shù)挠嬎惴椒ǎ謩e計算滲透系數(shù)。

區(qū)內(nèi)簡易抽水試驗點243個，滲透系數(shù)小于0.1m/d的有70個，占總數(shù)的29%；0.1～0.5m/d之間的有90個，占總數(shù)的37%；0.5～1m/d之間的有30個，占總數(shù)的12%；大于1m/d的有53個，占總數(shù)的22%。

圖2 巖溶水滲透系數(shù)分區(qū)圖Fig.2 Karst water perm eability coeff cient partition

區(qū)內(nèi)巖溶含水巖組主要為薊縣系霧迷山組、寒武系和奧陶系。其中，薊縣系霧迷山組滲透系數(shù)在0.007～9.58m/d之間，平均滲透系數(shù)為1.00m/d；寒武系滲透系數(shù)在0.009～20.11m/d之間，平均滲透系數(shù)為2.58m/d；奧陶系滲透系數(shù)在0.006～13.5m/d之間，平均滲透系數(shù)為0.73m/d。

薊縣系霧迷山組含水巖組滲透系數(shù)大于1m/d的區(qū)域分布在十渡、張坊一帶以及馬安泉、甘池泉附近。寒武系、奧陶系含水巖組滲透系數(shù)大于1m/d的區(qū)域分布在河北鎮(zhèn)、簍子水村附近、四季青高莊村—門頭村—青龍橋村一帶以及海淀山后溫泉鎮(zhèn)地區(qū)（圖2）。

4 富水性分析

根據(jù)抽水試驗點的單位出水量繪制巖溶水富水性分區(qū)圖，分析巖溶含水層的富水性（圖3）。全區(qū)簡易抽水試驗點共243個，其中單位出水量小于50m3/d·m的有81個，占總數(shù)的23%；50～100 m3/d·m之間的有55個，占總數(shù)的33%；100～300 m3/d·m之間的有64個，占總數(shù)的26%；大于300 m3/d·m的有43個，占總數(shù)的18%。

從圖3可知，薊縣系霧迷山組單位出水量一般在5～1313m3/d·m之間，平均單位出水量為173m3/d·m；寒武系單位出水量一般在5～2222m3/d·m之間，平均單位出水量為334m3/d·m；奧陶系單位出水量一般在2～3429m3/d·m之間，平均單位出水量為248 m3/d·m。

圖3 巖溶水富水性分區(qū)圖Fig.3 Karst water enrichment partition

本區(qū)單位出水量大于300 m3/d·m的主要有以下幾個區(qū)域：位于薊縣系霧迷山組含水巖組的有拒馬河流域十渡—馬安泉及張坊地區(qū)、大石窩鎮(zhèn)半壁店村附近和甘池泉附近；位于寒武系、奧陶系含水巖組的有大石河流域河北鎮(zhèn)、房山巖體南側(cè)簍子水村附近，西山山前三廠水源地、海淀山后溫泉鎮(zhèn)地區(qū)。

5 結(jié)論

（1）北京西山巖溶水系統(tǒng)主要巖溶含水巖組包括：薊縣系霧迷山組含水巖組、寒武系含水巖組和奧陶系含水巖組。薊縣系霧迷山組平均滲透系數(shù)為1.00m/d，平均單位出水量為173m3/d·m；寒武系平均滲透系數(shù)為2.58m/d，平均單位出水量為334m3/d·m；奧陶系平均滲透系數(shù)為0.73m/d，平均單位出水量為248 m3/d·m。

（2）北京西山巖溶水系統(tǒng)主要含水層滲透系數(shù)大于1m/d的區(qū)域主要有：拒馬河流域十渡、張坊一帶以及馬安泉和甘池泉附近的薊縣系霧迷山組含水巖組。大石河流域河北鎮(zhèn)、房山巖體南側(cè)簍子水村附近、海淀西山山前高莊村—門頭村—青龍橋村一帶和海淀山后溫泉鎮(zhèn)地區(qū)寒武系、奧陶系含水巖組。

（3）北京西山巖溶水系統(tǒng)主要富水區(qū)為房山拒馬河流域十渡—馬安泉及張坊地區(qū)、大石窩鎮(zhèn)半壁店村附近和甘池泉附近的薊縣系霧迷山組含水巖組，房山大石河流域河北鎮(zhèn)、房山巖體南側(cè)簍子水村附近、西山山前三廠水源地及海淀山后溫泉鎮(zhèn)地區(qū)的寒武奧陶系含水巖組。

（4）本次計算成果精度受多方面因素影響，主要有現(xiàn)有井的成井質(zhì)量、由于無觀測井導致的抽水干擾，巖溶水含水層裂隙分布的不均一性等。但整體上可以反映西山巖溶水系統(tǒng)的特征，建議進一步開展精細化的研究工作。

G.Y.納姆，郭純青，1981．應(yīng)用單井多次抽水試驗數(shù)據(jù)估算導水系數(shù)和井損常數(shù)[J].石家莊經(jīng)濟學院學報,4(4)：85-91.

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Permeability Coeff cient Calculation and Aquiferous Property Analysis on Karst Water System in the West Hill of Beijing

LIU Chongjun, LIU Quanguo, YU Yang, WANG Xiaosong

(Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering, Beijing100048)

On the basis of 243 simple pumping tests on karst water system in the West Hill of Beijing, the water discharge capacity of karst aquifer is analyzed, and the aquifer permeability coeff cient is calculated by steady fow and unsteady fow methods. Through comparative analysis, the rich-bearing water areas are determ ined. One is the Juma River drainage areas in Fangshan District, including Shidu-Maanquan, Zhangfang, and Banbidian Village of Dshiwo Town , Ganquanchi, which aquifer strata are the Wum ishan Fm.; the other is the Dashi River drainage areas in Fangshan District, including Hebei Town, Louzishui Village in the south of Fangshan rockbody, Sanchang water source area near the West Hill, Wenquan Town in Haidian, which aquifer strata are the Cambrian and Ordovician Systems. This work makes up for the blank and deviation of hydrogeological parameters of karst water in the West Hill area, which provides data support for the evaluation and development of karst water resources.

The West Hill of Beijing; Karst water system; Pumping test; Permeability coefficient; Aquiferous property

A

1007-1903（2017）02-0073-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.014

北京巖溶水資源勘查評價工程（京發(fā)改[2011]1215號）

劉崇軍（1969- ），男，工程師，主要研究方向水文地質(zhì)。E-mail：lcj5@sohu.com