李 露，秦大军,3，郭 艺，孙 杰

(1.中国科学院地质与地球物理研究所/中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029；2.中国科学院大学地球与行星科学学院，北京100049；3.三亚学院翟明国院士工作站，海南 三亚 572022)

中国北方岩溶水富集、水质良好，在城市供水中发挥关键作用。岩溶泉为河水、湖泊、湿地的源头，具有不可或缺的生态功能。北京西山岩溶水是北京市重要的水源地，已有研究工作多侧重于补给来源、水流特征[1]，水资源评价、循环特征、可更新能力[2]和优势地下水流通道、岩溶系统的不均一性以及深埋岩溶水系统导水机制[3]等方面。而西山岩溶水水质状况及影响因素等方面的研究较少。

1 水文地质条件

研究区位于北京市西部，包括山区和平原区两部分，地势西北高、东南低，总面积约为280 km2。属半干旱温带大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。年平均气温为11.5℃，月平均最高气温为28.2℃(7月)，月平均最低气温为-16.8℃(1月)。年平均降水量为600 mm，降水分布很不均匀，超过85%的降水集中在7—9月。海河水系的支流永定河，贯穿整个研究区域。

北京西山岩溶水赋水层位为寒武系、奥陶系灰岩，上覆石炭系和二叠系砂岩、黏土岩，下伏地层为青白口薄层灰岩夹页岩。区内褶皱和断裂构造发育(图1)，香峪向斜、八大处背斜、永定河断裂、八宝山断裂和黄庄断裂控制着岩溶含水层的导水性。大气降水和地表水是区域岩溶含水层的主要补给来源，岩溶水总体流向为西南向东北，与构造走向近于平行，以人工开采和径流(局部地区对第四系地下水的顶托补给、侧向径流)的方式排泄。区域岩溶水有军庄和潭柘寺两大补给区，军庄地区主要接受大气降水和永定河河水补给，潭柘寺地区主要接受大气降水的垂直入渗补给；径流过程中香峪向斜具有明显的阻水作用，军庄地区岩溶水不能以深循环的形式通过该向斜，永定河断裂则是重要的导水通道，军庄地区岩溶水接受补给后，分两条路径进行排泄：(1)沿永定河断裂向八宝山断裂进行径流，并最终向玉泉山泉地区排泄；(2)沿着香峪向斜北翼向永丰屯地区径流。基于此径流条件的认识，该区域岩溶水的径流路径主要有3条：军庄—永丰屯、军庄—古城—玉泉山泉、潭柘寺—四季青[3]。

图1 北京西山水文地质及水样品分布图Fig.1 Hydrogeological map of Xishan karst groundwater system in Beijing and cocation of the sampling sites1—露头奥陶系灰岩；2—第四系沉积物覆盖下的奥陶系灰岩；3—石炭系-二叠系砂岩夹黏土岩；4—第四系沉积物；5—断裂；6—向斜；7—泉；8—河流；9—岩溶水样品；10—第四系水样品；11—河水样品

2 样品采集与测试

本次共采集水样品47个(图1)。河水样品4个，其中3个样品(65、66、68)的取样时间为2012年11月，样品69取样时间为2013年6月11日。第四系水样品7个，其中6个样品的取样时间为2012年6—9月，样品71取样时间为2012年12月5日。岩溶水样品共采集36个，样品74取样时间为2013年1月5日，其余35个样品的取样时间为2012年6—9月。

采样过程中，使用WTW便携式多参数测量仪现场测试了T、DO、EC、pH等参数。在实验室内，使用离子色谱仪测定水化学离子含量，D和18O稳定同位素采用MAT253质谱仪测定，结果以相对于标准平均海洋水比率的千分偏差(δ值)表示。硝酸盐的15N稳定同位素采用反硝化细菌法测定，结果以相对于大气中氮气比率的千分偏差(δ值)表示。

3 结果与讨论

3.1 氢氧稳定同位素特征

样品的数据统计结果见表1。河水样品中δD的最小值为-61.4‰，最大值为-36‰，均值为-50.47‰；δ18O的最小值为-7.52‰，最大值为-5.66‰，均值为-6.32‰。第四系水样品中δD最小值为-77‰，最大值为-49.4‰，均值为-60.21‰；δ18O的最小值为-10.61‰，最大值为-5.87‰，均值为-7.84‰。岩溶水样品中δD最小值为-75.5‰，最大值为-55.4‰，均值为-64.49‰；δ18O的最小值为-10.27‰，最大值为-6.47‰，均值为-8.65‰。总体看，水样的氢氧同位素富集特征为：河水>第四系水>岩溶水。河水受蒸发作用强烈，氢氧稳定同位素较第四系水和岩溶水更加富集。

表1 样品水化学和同位素数据统计表Table 1 Statistical results of hydrochemical and isotopic data

由图2可知，氢氧同位素点均位于全球大气降水线GMWL[22]下方。河水样品66，采自三家店水库，为水库滞留水，受强烈的蒸发作用，氢氧同位素富集，位于全球大气降水线上。LMWL线(y=7.6x+ 3.8)为当地大气降水线[3]。依据水样中氢氧同位素值点在图中的分布情况，将北京西山地区水样品分为三组：Ⅰ组水样点位于当地大气降水线(LMWL)上，包括部分岩溶水和3个第四系水。Ⅱ组水样点均为岩溶水。Ⅲ组水样点包括3个河水、4个第四系水和5个岩溶水。

图2 水样品的氢氧同位素关系Fig.2 Relationship between hydrogen and oxygen isotopes in water samples from the Xishan area

3.2 岩溶水浓度和分布

图3 西山岩溶水分布图Fig.3 Distribution of the Xishan karst aquifer1—露头奥陶系灰岩；2—第四系沉积物覆盖下的奥陶系灰岩；3—石炭系—二叠系砂岩夹黏土岩；4—第四系沉积物；5—断裂；6—向斜；7—泉；8—河流

Ni=N0×(Ci/C0)

(1)

C0——径流途径上第1个样品的Cl-浓度；

Ci——第i个样品的Cl-浓度；

图4 军庄—永丰屯径流浓度计算值与测量值比较Fig.4 Comparison of the calculated along the Junzhuang—Yongfengtun flow path

图5 军庄—古城—玉泉山泉径流浓度计算值与测量值比较Fig.5 Comparison of the calculated along the Junzhuang—Gucheng—Yuquanshan Spring flow path

图6 潭柘寺—四季青径流浓度计算值与测量值比较Fig.6 Comparison of the calculated along the Tanzhesi—Sijiqing flow path

3.4 西山岩溶水中来源

图7 岩溶水δ15N值与之间关系Fig.7 Relationship of δ15N and in the karst groundwater▲:军庄-古城-玉泉山；◇:潭柘寺-四季青；○:军庄-永丰屯

(2)

3.5 岩溶水中不同来源占比估算

(3)

式中：n——组合数量；

i——增量参数；

s——来源数量。

图8 岩溶水中来源贡献率Fig.8 Percent fraction of sources in the karst groundwater

4 结论