北京市泉水監測網的優化設計研究

摘 要：泉水是重要的水資源，同時具有景觀價值和文化價值。隨著北京地區泉流量的衰減，泉水對生產與生活、生態與環境的支撐作用有所減弱。大泉名泉斷流，景觀價值、文化價值消減。為涵養保護泉水資源，恢復生態景觀，滿足生產生活所需，需要掌握泉水動態變化規律。泉水動態監測能夠為泉水資源管理和保護提供及時準確的數據信息。北京現有的泉水監測點僅有10個，不能掌握全市泉水資源量動態變化規律，不能滿足地下水管理精度的需求。根據最新泉水調查成果，以掌握泉水資源動態變化規律，維護生態景觀，更好地為人民生產生活服務為目的，分析北京市泉水出露的地質條件、分布狀況、流量特征、水質特征、開發利用現狀等，研究北京市泉水監測網的優化設計。按照全面覆蓋、重點突出、繼承發展、方便管理的原則，結合泉水實際情況，選取了126個監測泉點，涉及不同的泉水類型，兼顧泉水管理、研究的監測目的，優化組建了新的北京市泉水監測網，形成分布合理、功能完善的北京市泉水監測體系。

關鍵詞：北京；泉點調查；地下水資源；泉水動態監測網；優化設計

Optimization design of Beijing Spring Water Monitoring Network

ZHANG Yuan

（Beijing Institute of Geo-Environment Monitoring， Beijing， 100195， China）

Abstract： Spring water is an important water resource with significant landscape and cultural values. With the decline of spring flow， the supporting role of spring water on production and life， ecology and environment is weakening in Beijing. Major and famous springs have stopped flowing and their cultural and landscape values have decreased. To conserve and protect spring water resources， restore ecological landscapes， and meet the needs of production and life， it is necessary to understand the dynamic changes of spring water. Dynamic spring monitoring can provide timely and accurate data for spring resource management and protection. There are only 10 existing spring water monitoring points in Beijing， which cannot grasp the dynamic change pattern of spring water resources in the whole city， and meet the precision demand of groundwater management. Based on the latest spring survey results， this article aims to grasp the dynamic changes in spring resources， maintain ecological landscapes， and better serve people's production and life. It analyzes the geological conditions， distribution， flow， water quality， and development and utilization of spring water in Beijing， and presents the optimization design of the Beijing spring water monitoring network. Following the principle of comprehensive coverage with special focus， inheritance and development， and convenient management， combined with the situation of spring water in Beijing， 126 monitoring spring points were selected from different spring types to serve the dual purposes of management and research. A new Beijing spring monitoring network has been designed， optimized and established with reasonable distribution and multiple functions.

Keywords： Beijing; spring survey; groundwater resource; spring water monitoring network; optimization design

泉水作為重要的水源，為生產、生活及生態景觀提供重要支撐。20世紀80年代初，由于無計劃地大量開采巖溶水，山東、山西大泉名泉泉水流量大大減少（李傳謨，1985），水質變差，文物古跡安全受到威脅，濟南趵突泉、山西晉祠泉一度斷流。近年來隨著生態文明建設的開展，泉水的管理與保護成為研究的重點。山東濟南開展了泉水保護（高明志等，2003；商廣宇等，2007）和山水價值研究（程秀明等，2007），劃分了巖溶水系統（孫斌等，2016），監測巖溶泉域地下水水質（張建芝，2011），分析泉水水質變化特征，進行巖溶含水層易污性評價（高贊東等，2008）。山西開展了巖溶泉水資源保護問題的探討，泉水動態監測及保護措施（高列波，2018；趙偉麗，2014），泉域巖溶地下水風險性評價（張佩，2016），晉祠泉地下水超采治理（常建忠，2021），研究提出了泉域生態修復的方法和制度。北京開展了斷層泉水化學特征分析（高玲等，2015），北京巖溶水系統劃分及特征分析（王曉紅等，2016），西山泉域巖溶水系統分析（趙春紅等，2017），對黑龍關泉（南英華等，2019；唐春雷等，2016）、甘池下營泉群（許雅琴等，2014）進行流量與降水關系的研究，玉泉山泉補給源及復涌條件分析（楊平等，1984；王莉蛟等，2016；董殿偉等，2021），北京市海淀區泉水生態保護措施研究與泉水相關的研究（楊帆等，2014；楊天明等，2008）。中國北方巖溶地下水的研究已經到了生態修復與合理開發利用與保護的階段（梁永平等，2022），泉水的變化反映了生態環境的變化，要研究地下水的合理開發利用及生態修復，需要有泉水動態監測數據，全面掌握泉水的變化情況。

北京的泉水受人為因素和自然因素的影響，泉流量衰減甚至斷流。近年來生態涵養保護力度加大，豐水年后泉流量變大，斷流泉復涌。北京現有監測點密度不能及時反映全域泉水資源動態，不能代表全域泉流量變化規律，不能進行全域泉水恢復條件分析，因此迫切需要開展泉水監測網的優化設計，滿足泉水保護和資源管理的需求。本文分析了北京市泉水出露的地質條件、分布狀況、流量特征、水質特征、開發利用現狀，優化組建北京市泉水監測網，形成分布合理、功能完善的北京市泉水監測體系。

1" 北京市泉水概況

北京市泉水主要分布于山區及山區與平原區交界地帶。歷史上北京平原區沖積扇前緣存在大量泉，但隨著城市的發展，地下水溢出帶水位不斷下降，平原區的泉逐漸消失（鄧輝等，2011）。20世紀70年代后，北京經歷了降水補給減少、城鎮迅速擴張、地下水大量開采、地下水位不斷下降的過程（崔一嬌等，2021），泉水動態發生了較大改變，泉流量銳減甚至斷流。20世紀80 年代初，北京市共有在流泉點1 347個，隨著生態環境的變化，至2022年在流泉點為880個。泉流量的減少使上清水泉、秦城泉等以往作為供水水源的泉已失去供水能力，白浮泉、玉泉山泉、潭柘寺泉等名泉消逝，文化價值、生態價值減弱。

根據2022年最新調查成果，北京山區大流量泉并不多見，流量大于10 L·s-1的泉僅43個，多數泉點流量小于1 L·s-1，部分泉點由于水位下降，泉口擴孔成池（井），雖終年不干涸，但已無法向外溢流或只在雨季短時溢流。

1.1" 泉水的分類

依據地下水的賦存特征及泉水出露的地層巖性將泉分為5類，分別為巖溶泉、碎屑巖裂隙泉、火山巖裂隙泉、變質巖裂隙泉、松散孔隙泉，在流泉水分類統計見表1。北京市含水巖組分區及典型泉分布見圖1。

1）巖溶泉：出露于灰巖、白云巖地層中的泉水。該類泉點的成因及分布特征：在灰巖、白云巖裸露區域，因巖溶裂隙發育，巖溶水接受降水補給后迅速滲入地下，一部分向低處排泄，一部分進入深部循環，故山區泉水稀少，溝谷干枯，地下水埋藏深，地表缺水嚴重，很多大泉斷流。深循環地下水遇斷裂受阻后，有溫泉出露，如古北口溫泉出露于薊縣系硅質白云巖破碎帶。奧陶系灰巖地層溶洞發育，富水性好、泉流量較大，如萬佛堂泉、上清水泉；寒武系灰巖地層僅在西山出露且條帶狀分布，泉水出露的不多，如河北泉、飲馬鞍泉；長城系高于莊組、薊縣系霧迷山組白云巖出露廣泛，巖溶裂隙普遍發育，泉流量較大，如平谷黃草洼、小東溝泉、峨眉山泉等，懷柔水龍窟泉，蓮花池泉、響水湖、旺泉峪泉等，延慶的黑龍潭、黃龍潭泉，照山洼泉，房山的高莊泉、甘池泉，昌平的九龍泉、秦城泉，順義的金雞泉等。該類泉點分布廣，大泉多，在流泉水共計127個。

2）碎屑巖裂隙泉：出露于砂巖、頁巖地層中的泉水。該類泉點的成因及分布特征：在礫巖、砂巖、粉砂巖、頁巖裸露區域，泉水出露較多，流量不大，分布分散。長城系常州溝組、侏羅系九龍山組砂巖大面積裸露，巖性堅硬致密，表面裂隙發育，泉流量極小，如平谷馬家溝泉、山門溝泉、魚子山泉等。青白口系下馬嶺組頁巖出露區，一般不含水，在適宜構造部位有構造裂隙水，泉水流量較大，如房山寶水泉、秋林鋪北泉、霞云嶺涼水泉，門頭溝沿河城泉、澗溝水站泉、西落坡泉等。該類泉點主要分布于平谷、房山、門頭溝山區，此類型在流泉水共計154個。

3）火山巖裂隙泉：出露于含火山巖、巖漿巖中的泉水。該類泉點的成因及分布特征：在花崗巖、侏羅系火山巖裸露區域，泉水出露較少，流量不大，多為淺表循環，多季節性泉。侏羅系火山巖多分布在北京西山，構成向斜核部，泉水在低洼處出露，流量不大，如門頭溝的黃安泉、簡昌泉。花崗巖在密云、懷柔、昌平大面積出露，泉點較多，流量不大，如懷柔的石湖峪泉、管家營泉，昌平的慈悲峪泉、碓臼峪泉。在花崗巖出露區由于構造作用，有溫泉出露，如佛峪口溫泉，塘泉溝溫泉、漢家川溫泉。該類泉點主要分布于門頭溝、密云、懷柔、昌平山區，此類型在流泉水在流泉點共計483個。

4）變質巖裂隙泉：出露于太古宇片麻巖中的泉水。該類泉點的成因及分布特征：在片麻巖變質巖裸露區域，泉水出露較少，流量不大。主要分布在密云、懷柔、平谷區。片麻巖風化裂隙發育，易形成較厚的風化殼，在地勢低洼處有泉水出露，泉點較多，流量不大，流量較大的有平谷關上泉、御景泉、東牛角峪泉，密云丑山子泉。片麻巖出露區由于構造作用，也有溫泉出露，如北堿廠溫泉。該類泉點主要分布于密云區山區，此類型在流泉水在流泉點共計97個。

5）松散孔隙泉：出露于第四系松散沉積物中的泉水。該類泉點的成因及分布特征：山區大的溝谷中，堆積著各種第四系松散沉積物，多為黏性土夾碎石坡洪積物，也有砂卵礫石沖積物，富水性不均一，山間溝谷出口處有泉水出露。如懷柔杏樹臺、琉璃廟泉，延慶永紅泉、平谷梨樹溝泉等。平原區泉水主要分布于溢出帶附近，昆明湖、紫竹院、右安門至南苑一帶，南口以下至百泉莊、四家莊、亭子莊（段天順，1985）一帶。無序開采已經使平原區溢出帶消失，泉水消失（王小娜等，2010）。該類泉點主要分布于懷柔、延慶、平谷山區，此類型在流泉水在流泉點共計21個。

1.2" 泉水水質

巖溶泉以HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca、HCO3·SO4-Ca·Mg型為主，薊縣系鐵嶺組白云巖中Cl-、SO42-濃度較高；碎屑巖裂隙泉以HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca型為主，Ca2+濃度高于Mg2+濃度；火山巖裂隙泉水化學類型為HCO3-Ca·Mg型，伴有少量氟化物，HCO3-濃度較低，TDS較低；變質巖裂隙泉水化學類型為HCO3·SO4-Ca型，HCO3-濃度較低，TDS較低。大部分泉水水質良好，其中32個泉水水質超出地下水質量標準III類水標準，不適合飲用。北部山區片麻巖、花崗巖地層中出露的泉水有個別氟化物超標，如塘泉溝溫泉、佛峪口溫泉、漢家川溫泉、黑山寨壽泉；西部山區含煤地層部分泉水硫酸鹽超標，如房山的大村澗泉、瞧煤澗泉，門頭溝馬蘭村東南泉。靠近生活區、旅游區的部分泉點受人類活動影響，硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮超標，如密云區東龍十八潭、白馬關泉、門頭溝躍進泉、密云蘿卜峪泉等。

1.3" 泉水開發利用

根據2022年7—9月泉水測流結果，北京市7—9月份泉水資源總量約31×104 m3·d-1，房山區、懷柔區泉水資源量占比較大，平谷區、延慶區、門頭溝區次之。

北京市在流泉點880個，泉水開發利用方式分為生態用水、生產用水、生活用水。生態用水泉點442個，其中修建景區的泉點46個，自然景觀泉點396個；生產用水泉點74個，包括農業灌溉64個，漁業養殖8個，礦泉水生產2個；生活用水泉點364個，包括集中供水127個，零星用水237個。

2022年7—9月生態景觀泉點流量總計23.84×104 m3·d-1，占總資源量的76%。用于生產的泉點泉流量總計1.26×104 m3·d-1，占總資源量的4%；用于生活的泉點流量總計5.97×104 m3·d-1，占總資源量的20%。

2" 泉水監測現狀與問題

2020年北京市地下水監測網擴建，在北京市山區選擇10個具有典型性、代表性的泉，作為泉水監測點。10個監測點分別為不同類型、不同流量的泉，其中黃草洼、馬刨泉為巖溶大泉，東胡林泉為碎屑巖裂隙泉，東牛角峪為變質巖裂隙泉，蓮花村泉為巖溶裂隙泉。2021年開始監測，泉流量監測頻率每月3次，水質監測頻率每年2次，積累了2年的監測數據。

根據泉流量動態監測數據，分析泉流量變化規律。

總體上泉流量年變化趨勢為年初受上一年降水量的影響，一般年初至6月份，降水量較少，用水量增加，區域地下水位和泉水流量降至最低；7—9月份，降水集中，農業灌溉量減少，泉水流量達到峰值；10月份以后，降水又逐漸減少，地下水位和泉水流量又會延續降低的過程。

從圖2、圖3可看出，泉流量變化相當劇烈，泉流量出現峰值的時間均不相同，泉流量與補給及開采的關系復雜。

大流量巖溶泉在4—7月份易出現斷流和復涌的情況，例如：平谷黃草洼泉最大流量（36 960 m3·d-1）出現在2021年10月20日，2021年6月出現過斷流，2022 年7月測量泉流量為5 000 m3·d-1；房山馬刨泉最大流量（46 833 m3·d-1）出現在2021年8月10日，2021年6—8月出現過斷流。

小流量的裂隙泉日流量小，很少出現斷流情況。例如：門頭溝區東胡林泉最大流量（50 m3·d-1）出現在2021年9月15日，2022年7月測得泉流量不足10 m 3·d-1；門頭溝區蓮花村泉最大流量（41.37 m3·d-1）出現在2021年5月30日，2022年7月測得泉流量不足15 m3·d-1。

同時靠近河道易受其他補水方式影響，流量動態又不同于其他泉點，門頭溝區蓮花村泉位于永定河附近，受到永定河生態補水影響，流量峰值在5月份出現，同時受降水的影響流量波動明顯。泉流量受不同因素的影響，同一時間有較大的差異，10個監測點流量監測不能滿足地下水管理的精度要求。

泉水水質易受大氣及地表污染物的影響，Cl-和SO42-濃度往往會受到較明顯的影響，變化較大。

3" 泉水監測網布設研究

3.1" 監測需求

泉水監測需要考慮5點需求：

1）為保護和修復泉水，需要開展泉水動態監測，掌握泉水變化規律，有效促進泉水復涌。泉水承載著歷史文化同時具有生態價值，如白浮泉、玉泉山泉、潭柘寺泉、九龍泉、小湯山溫泉、溫泉村溫泉等，這些名泉多數斷流。2016年后北京市開始河湖生態補水，2021年降水豐沛，泉水流量明顯增大，斷流的泉開始復涌，包括秦城泉、連山石大水泉、陳家莊泉、水口子泉、王家堡泉等，生態環境風貌得以修復和改善。

2）全面掌握泉水資源量，監測各類型泉點流量，涵蓋的泉水類型包括巖溶泉、變質巖裂隙泉、火山巖裂隙泉、碎屑巖裂隙泉等。北京市在流泉點880個，流量大于10 L·s-1的泉點43個，泉水多出露于灰巖、白云巖中；流量小于1 L·s-1的泉點702個，泉水多出露于砂巖、花崗巖、片麻巖中。2022年7月，北京市泉水資源總量31×104 m3·d-1，可溶巖地層中泉水資源量24.7×104 m3·d-1，占泉水資源總量的81%。

3）監測泉水水量和水質，掌握泉水動態變化規律，保障供水安全。北京市的泉水用于生活用水的資源量占泉水總資源量20%，集中供水水源127處，集中供水泉流量占生活資源總量的87%。泉水流量隨季節變化顯著，枯水期山區生活用水很難保障。同時泉水水質的易污性決定了泉水作為供水水源的安全性較低。

4）北京市現有的10個泉水監測點，巖溶泉水量可觀，但是變化劇烈，其他地層出露的泉流量較小，也受季節影響顯著。泉水的年內動態變化規律各不相同，年際間流量變化也不同，現有監測點密度不能掌握北京市全域泉水資源動態，不能滿足地下水管理的精度要求，需要增加泉水監測點滿足泉水資源量監測精度要求。

5）泉是地下水的主要排泄方式之一（周訓等，2009），在區域地下水循環中起到了重要的作用。泉水流量動態以降水入滲-開采動態型為主，受地下水大量集中開采及區域水位大幅下降的影響，泉水流量峰值與降水量峰值滯后時間隨機性增大。大泉流量動態與降水量相關分析已應用于我國北方巖溶水資源評價中（李國敏等，1993；郭高軒等，2011）。北京巖溶水系統龐大，北京劃分了7個巖溶水系統。為了更好掌握各巖溶水系統資源量，研究泉水與地下水開采之間的關系，需要開展長期的泉水監測。

3.2" 設計原則

參考地下水監測網的設計原則（高志，2012），在泉水現狀及監測需求分析基礎上，確定泉水監測網設計原則：

1）全面覆蓋。選取各類型流量較大的泉，資源量控制率達到90%以上，全面掌握北京市泉水資源動態變化規律，滿足泉水資源管理精度。

2）重點突出。選擇各類型典型泉，滿足專項研究需求。如研究巖溶大泉、溫泉成因與演化，降水入滲系數研究等；研究泉水水質（污染）背景值，水化學運移轉化過程研究等。

3）繼承發展。以巖溶水系統為基礎，在巖溶水系統內，監測巖溶泉及其他裂隙泉流量，獲取巖溶水系統內泉水資源量動態變化數據，研究各巖溶水系統泉水資源變化特征及泉水流量與降水、地下水開采之間的關系。

4）方便管理。以保障人民生產生活為目標，在以泉水為飲用水源的人口密集的居民點、大型工業企業（礦山）區域，監測泉水流量及水質；以保護生態環境為目標，在水源保護區、風景名勝區、自然保護區選擇保護泉點。

3.3" 泉水監測點選取

根據泉水監測需求及泉水監測網設計原則，依據泉水調查現狀，對巖溶水系統中各類泉點進行選取。共選取監測點126個（圖4），其中巖溶泉59個，碎屑巖裂隙泉16個，火山巖裂隙泉39個，變質巖裂隙泉9個，松散孔隙泉3個，泉水資源量控制達到90%以上。

1）西山巖溶水系統。選取河流附近流量較大的巖溶泉，如拒馬河附近馬安泉、高莊泉、甘池泉、仙棲洞泉；大石河附近黑龍關泉、河北泉、萬佛堂泉、馬刨泉；清水河附近上清水泉、沿河口泉、洪水口泉、燕家臺泉、東龍門澗泉等；永定河附近的陳家莊泉、斜河間泉等。監測二疊系、侏羅系中出流量較大的裂隙泉，如門頭溝黃安東泉、簡昌泉、西落坡泉、澗溝水站泉等，房山霞云嶺涼水泉、南溝泉等，以及礦區附近的瞧煤澗、馬蘭東南泉等。

2）昌平巖溶水系統。十三陵—桃峪口一帶有巖溶泉出露，監測秦城泉、連山石大水泉。監測燕山期花崗巖、太古宇片麻巖中出露的泉點，如碓臼峪泉、長峪城龍潭泉。

3）延慶巖溶水系統。監測巖溶泉永寧鎮黑龍潭、黃龍潭泉，王家堡泉、水口子泉，同時選取巖漿巖裂隙泉燒窯峪東北泉、佛峪口溫泉、漢家川溫泉等，以及出露于第四系松散孔隙沉積物的永紅泉。黑龍潭、黃龍潭為水源保護區泉點，王家堡泉、水口子泉為生活用水泉點。

4）千家店—九渡河巖溶水系統。監測流量較大的巖溶泉，千家店鎮照山洼泉，珍珠泉鄉珍珠泉，大莊科鎮的解字石泉，九渡河附近水龍窟泉、花木龍潭泉，琉璃河附近草場泉、蠟扦山泉，渤海鎮的響水湖泉、旺泉峪泉、洞臺泉，雁棲地區的蓮花池泉、濂泉等。同時選取燕山期花崗巖中出露的百泉山甜泉、龍廟溝泉。響水湖泉、花木龍潭泉、濂泉為景區泉點。

5）平谷巖溶水系統。監測黃草洼泉、海子泉、峨眉山泉，變質巖裂隙泉東牛角峪泉、關上泉、御景泉等，出露于第四系松散孔隙沉積物的泉水梨樹溝泉。峨眉山泉、東牛角峪泉、梨樹溝泉為生活用水泉。

6）懷柔區、密云區多為太古宇片麻巖和中燕山期石英砂巖，監測東帽灣泉、張家泉、上峪泉等生活用水泉。北堿廠溫泉、塘泉溝溫泉等用于溫泉監測研究，白馬關泉、金魚泉用于生態監測。

3.4" 布設結果

126個監測泉點流量控制為全區泉水總流量的93%。生態景觀監測點71個，其中11個人工景觀泉點，60個自然景觀泉，用于生態環境水質、水量動態監測；監測點主要分布于懷柔、延慶、房山山區，如懷柔的響水湖泉、濂泉，延慶的黑龍潭、黃龍潭，珍珠泉，房山高莊下營泉群、甘池泉群、馬安泉等，海淀的碧云寺泉、豐臺的北宮森林公園泉等。生產、生活監測點55個，用于進行水質、水量監測，保障人民生產、生活用水；監測點主要分布于北京各區縣山區，如門頭溝二帝山圣水泉、燕家臺泉、雙石頭泉黃安泉等，房山秋林鋪泉、瞧煤澗泉、寶水泉等，昌平碓臼峪泉、慈悲峪泉等，平谷峨嵋山泉、關上泉、海子泉等，延慶解字石泉、永紅泉、王家堡泉等，懷柔水龍窟泉、龍潭北泉等，密云北莊泉、金魚泉、白馬關泉等。

泉水監測網布設如圖5所示。泉水監測頻率與已有地下水監測網監測頻率保持一致，泉流量監測頻率每月3次，水質監測頻率每年2次，雨季可適當加密。生態景觀監測點多為巖溶大泉，側重于泉流量監測，泉流量監測頻率每月3次，水量監測雨季可適當加密，水質監測可減少為每年1次；生產、生活監測點多為集中供水泉點，側重于水質監測，流量監測的頻率可適當減少，泉流量監測頻率每月2次，水質監測頻率可每年2次。

4" 結論

泉水監測站網布設是在2022年泉點調查研究工作的基礎上，選取泉水監測點126個，包含了流量較大的、生產生活用水的泉點、生態景觀泉點，泉流量控制達到總流量的93%。泉水監測點的選取以巖溶水系統為基礎，以巖溶泉為主同時選取流量較大的其他類型裂隙泉。泉水動態監測網由126個泉構成，生態景觀監測點71個，生產生活監測點55個。生態景觀監測點多為巖溶大泉，側重于泉流量監測，流量監測每月3次雨季可適當加密，水質監測可減少為每1次；生產、生活監測點多為集中供水泉點，側重于水質監測，流量監測的頻率可適當減少每月2次，水質監測頻率可每年2次。通過改建和新建泉水監測點，形成分布合理、功能完善的北京泉水監測體系。

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