裸露和浅埋藏型岩溶含水系统渗透特征研究——以北京市房山蓟县系岩溶含水层为例

2023-01-15

我国有60%以上的城市以地下水为供水水源, 目前越来越严重的第四系地下水环境问题造成了部分城市供水安全问题[1], 而岩溶水具有更新快、富水性好、易污染差等优点常作为应急备用水源地。尤其我国北方丰富的岩溶地下水资源对城市供水、农业生产及能源基地建设具有至关重要的作用[2]。近年来, 由于自然和人类活动等因素的共同影响, 岩溶地下水环境地质问题日益突出。因此开展北方岩溶地下水调查与研究有重要的理论和实践意义[3]。

2011年至2013年开展的北京市重大水资源勘查项目“北京岩溶水资源勘查评价工程”在房山地区进行了水文地质调查面积11500km2, 建设了42眼勘探井及探采结合井, 进行抽水试验16200个台班, 建立了重点勘查区的数值模拟模型等大量的工作, 获取了有史以来最为丰富、最全面的北京岩溶地质和岩溶水文地质资料。

以往研究发现第四系含水层中, 在水平方向上, 上游地区地层主要是由厚度较大的砂卵砾石层组成, 颗粒粗大, 中游变为砂砾、粗砂、粘土和亚粘土互层岩性, 下游主要是细砂和粘土层, 渗透性由上游至下游大逐渐变小;对于裂隙含水层渗透性的研究主要集中于水库、大坝坝址区、水渠、涵管以及隧道等方面[4], 且以往裂隙岩体渗透性研究多集中于垂向上[5], 而对于渗透性在补给、径流和排泄各区域关系研究较少。

在岩溶水含水层中, 一般认识是在补给区渗透性小, 在径流区渗透性中等, 在排泄区渗透性大, 但渗透系数的大小不仅与取决于岩石的性质而且与渗透液体的物理性质有关, 以房山区蓟县系雾迷山含水岩组为例, 对岩溶含水系统的渗透特征进行了研究。

1. 研究区概况

研究区位于北京市西南部山区及南部平原区, 地理坐标为东经115°31′-115°56′, 北纬39°30′-39°47′。属暖温带大陆性季风气候, 多年平均降水量为580.8mm, 年平均气温11~12℃。研究区地势西北高, 东南低, 地貌属于中 (>800m) 、低山 (200-800m) 及平原地貌, 山区为太行山脉, 平原区由拒马河河流冲洪积作用形成, 属华北平原与太行山脉的过渡地带。

区内蓟县系雾迷山组碳酸盐岩主要以裸露山区为主, 岩性主要以灰色厚层硅质条带白云岩、白云质灰岩为主, 夹有石英砂岩 (图1) , 岩性厚度1600-2400m。在山前张坊-大石窝浅埋于第四系之下, 第四系覆盖厚度从几米到30m左右, 平原区埋藏于青白口系页岩和石英砂岩及侏罗系安山岩、砾岩和砂岩之下。构造上属大石河背斜的西端和霞云岭-龙门台复向斜的南翼。

2. 数据来源及处理

本次数据来源于2011年至2013年开展的北京市重大水资源勘查项目“北京岩溶水资源勘查评价工程”—“抽水试验”的简易抽水试验数据。试验按照《供水水文地质勘察规范》技术要求进行, 对房山区蓟县系雾迷山组含水岩层进行了94组简易抽水试验, 抽水井分别部署于山区补给区、径流区以及平原排泄区。

岩溶含水岩组渗透性非均质强且各向异性, 理论要求有观测孔, 但由于北方岩溶供水井的现状造成在试验井周很难找到观测井进行观测, 故未能获取各向异性渗透系数。本次参数计算过程中, 全部按照均质各向同性条件进行参数计算。在影响半径范围内有定水头边界或者隔水边界条件, 按照镜像法原理对其进行映射进行参数求解。属于承压水稳定流条件的按照完整井公式 (1) 和非完整井公式 (2) 进行参数计算:

其中:Q—出水量 (m3/d) ;S—降深 (m) ;M—含水层厚度 (m) ;R—影响半径 (m) ;r—井半径 (m) 。

其中:Q—出水量 (m3/d) ;S—降深 (m) ;M—含水层厚度 (m) ;R—影响半径 (m) ;r—井半径 (m) ;L—滤水管长度 (m) 。

属潜水稳定流条件按照完整井公式 (3) 和非完整井公式 (4) 进行计算:

其中:Q—出水量 (m3/d) ;H—自然状态时含水层厚度 (m) ;h—抽水时含水层厚度 (m) ;R—影响半径 (m) ;r—井半径 (m)

其中:Q—出水量 (m3/d) ;H—自然状态时含水层厚度 (m) ;h—抽水时含水层厚度 (m) ;—自然状态时和抽水状态时含水层厚度平均值;R—影响半径 (m) ;r—井半径 (m)

3. 参数分析

将简易抽水试验结果分布于地质图上 (图3) , 依据本次研究区内2013年3月枯水期水位观测资料, 绘制房山区蓟县系雾迷山组含水层等水位线图, 可以确定地下水流向由山区向平原区流动, 在中部地区地下水由北向南流动, 在东部地区, 由西北向东南流动。在中部地区地下水水力坡度较小, 在其他地区地下水水力坡度较大。

通过对比分析蓟县系雾迷山组相同含水层, 即在地质历史沉积过程中处于相同沉积条件且后期无大型地质构造应力作用影响条件下的岩溶含水层中的渗透系数大小关系。

通过图可以看出, 蓟县系雾迷山组含水系统的渗透性主要可以分为三个区, 第一区位于房山区的东部山区;第二区位于房山区的南部山区;第三区位于房山区西山区。

在第一区, 岩溶含水系统的渗透系数从岩溶地下水的流向由0.1m/d、0.2 m/d、0.3 m/d逐渐过渡到0.4 m/d和0.5 m/d, 有明显的分带性特征, 其成因很可能受岩溶发育分带性的影响。补给区常形成垂直的落水洞和垂直的裂隙等, 虽然导水性好, 但是储水性差。径流区常常可以形成水平流, 尤其是在靠近下游地区即浅山排泄区, 地下水流线密集, 岩溶发育最为强烈, 成为渗透性非常好的含水层。

在第二区, 含水层的渗透性也受到岩溶发育的影响, 而岩溶发育又受到背斜构造的影响。背斜走向约为北东60°方向。背斜的轴部以长城系的高于庄组和蓟县系杨庄组为主, 两翼为蓟县系雾迷山组。由于高于庄组砂岩和泥晶白云岩和杨庄组泥晶白云岩渗透性较雾迷山组白云岩差, 雾迷山组地下水由北西方向流到背斜核部受阻, 流线高度集中, 另外由于背斜的核部裂隙发育, 在背斜的核部及北西翼岩溶相对发育, 渗透系数最大达到0.63m/d。

在第三区, 含水层的渗透性受一条北西—南东向断裂的影响非常大。在断裂带上及其附近, 渗透系数最大可达5.6 m/d, 最小也为0.4m/d左右, 远离断裂的地区渗透系数相对较小, 由0.3 m/d过渡0.03m/d。

4. 结论与建议

(1) 在水动力场中, 在不考虑含水岩组是否为相同含水层段的条件下, 渗透系数随地下水流向方向逐渐增大。在含水岩组系统中相同含水岩组在不同部位, 即在补给区和排泄区渗透系数不同, 相同含水岩组在补给区的渗透性较排泄区的渗透系数大。

(2) 在含水岩组系统中相邻且水力联系较弱的两组含水岩组在不同部位相对比, 在补给区上层含水岩组渗透性较平原区排泄区上层含水岩组渗透性大, 平原区排泄区上层含水岩组渗透性较补给区上层含水岩组渗透性大。

(3) 房山区蓟县系雾迷山组含水系统的渗透性主要可以分为三个区, 第一区位于房山区的东部山区;第二区位于房山区的南部山区;第三区位于房山区西山区。

(4) 在后期工作中应对其他地区岩溶含水岩组进行对比分析, 以期获取不同岩溶含水岩组是否具有相同的渗透性变化规律。

摘要：岩溶含水层岩性特殊, 岩溶裂隙发育, 含水层渗透性具有很强的不均一性。为探讨裸露区和浅埋藏区岩溶含水层的渗透性特征, 依据地层结构和水文地质条件, 通过2011年至2013年开展的北京市重大水资源勘查项目“北京岩溶水资源勘查评价工程”, 利用稳定流公式计算了94组简易抽水试验数据, 结合地下水位和地质剖面, 对房山区蓟县系雾迷山组白云岩含水岩组的裸露区和浅埋藏 (径流、排泄区) 的渗透性进行了分析。通过分析, 得出房山区蓟县系雾迷山组含水系统的渗透性主要可以分为三个区, 第一区位于房山区的东北部山区;第二区位于房山区的南部山区;第三区位于房山区西山区;在水动力场中, 在不考虑含水岩组是否为相同含水层段的条件下, 渗透系数随地下水流向方向逐渐增大。

关键词：岩溶水,裸露岩溶,浅埋藏岩溶,渗透性