北京市泉水监测网的优化设计研究_张院.pdf

doi:10.3969/j.issn.1007-1903.2023.02.004Vol.18 No.02 June,2023第 18 卷 第2期 2023 年 6 月http:/ 100195）摘 要：泉水是重要的水资源，同时具有景观价值和文化价值。随着北京地区泉流量的衰减，泉水对生产与生活、生态与环境的支撑作用有所减弱。大泉名泉断流，景观价值、文化价值消减。为涵养保护泉水资源，恢复生态景观，满足生产生活所需，需要掌握泉水动态变化规律。泉水动态监测能够为泉水资源管理和保护提供及时准确的数据信息。北京现有的泉水监测点仅有10个，不能掌握全市泉水资源量动态变化规律，不能满足地下水管理精度的需求。根据最新泉水调查成果，以掌握泉水资源动态变化规律，维护生态景观，更好地为人民生产生活服务为目的，分析北京市泉水出露的地质条件、分布状况、流量特征、水质特征、开发利用现状等，研究北京市泉水监测网的优化设计。按照全面覆盖、重点突出、继承发展、方便管理的原则，结合泉水实际情况，选取了126个监测泉点，涉及不同的泉水类型，兼顾泉水管理、研究的监测目的，优化组建了新的北京市泉水监测网，形成分布合理、功能完善的北京市泉水监测体系。关键词：北京；泉点调查；地下水资源；泉水动态监测网；优化设计Optimization design of Beijing Spring Water Monitoring NetworkZHANG 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 fa-mous 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 bet-ter serve peoples 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.Fol-lowing 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收稿日期：2023-02-26；修回日期：2023-04-11基金项目：北京地区泉水调查（PXM2019_158305_000014）资助作者简介：张院（1979-），女，硕士，高级工程师。主要从事水文地质、地下水资源工作。E-mail：引用格式：张院，2023.北京市泉水监测网的优化设计研究J.城市地质，18（2）：144-152144张院 北京市泉水监测网的优化设计研究http:/ 北京市泉水概况北京市泉水主要分布于山区及山区与平原区交界地带。历史上北京平原区冲积扇前缘存在大量泉，但随着城市的发展，地下水溢出带水位不断下降，平原区的泉逐渐消失（邓辉等，2011）。20世纪70年代后，北京经历了降水补给减少、城镇迅速扩张、地下水大量开采、地下水位不断下降的过程（崔一娇等，2021），泉水动态发生了较大改变，泉流量锐减甚至断流。20 世纪80 年代初，北京市共有在流泉点1 347个，随着生态环境的变化，至2022年在流泉点为880个。泉流量的减少使上清水泉、秦城泉等以往作为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，文化价值、生态价值减弱。根据2022年最新调查成果，北京山区大流量泉并不多见，流量大于10 Ls-1的泉仅43个，多数泉点流量小于1 Ls-1，部分泉点由于水位下降，泉口扩孔成池（井），虽终年不干涸，但已无法向外溢流或只在雨季短时溢流。1.1 泉水的分类依据地下水的赋存特征及泉水出露的地层岩性将泉分为 5 类，分别为岩溶泉、碎屑岩裂隙泉、火山岩裂隙泉、变质岩裂隙泉、松散孔隙泉，在流泉水分类统计见表1。北京市含水岩组分区及典型泉分布见图1。1）岩溶泉：出露于灰岩、白云岩地层中的泉水。该类泉点的成因及分布特征：在灰岩、白云岩裸露区域，因岩溶裂隙发育，岩溶水接受降水补给后迅速渗入地下，一部分向低处排泄，一部分进入深部循环，故山区泉水稀少，沟谷干枯，地下水埋藏深，地表缺水严重，很多大泉断流。深循环地下水遇断裂受阻后，有温泉出露，如古北口温泉出露于蓟县系硅质白云岩破碎带。奥陶系灰岩地层溶洞发育，富水性好、泉流量较大，如万佛堂泉、上清水泉；寒武系灰岩地层仅在西山出露且条带状分布，泉水出露的不多，如河北泉、饮马鞍泉；长城系高于庄组、蓟县系雾迷山组白云岩出露广泛，岩溶裂隙普遍发育，泉流量较大，如平谷黄草洼、小东沟泉、峨眉山泉等，怀柔水龙窟泉，莲花池泉、响水湖、旺泉峪泉等，延庆的黑龙潭、黄龙潭泉，照山洼145第 18 卷 第2期 2023 年 6 月表1 泉点分类统计Tab.1 Exposed spring points of each water-bearing rock formation行政区名称海淀区、丰台区房山区门头沟区昌平区怀柔区密云区顺义区平谷区延庆区合计可溶岩岩溶泉/个13416743501110127非可溶岩碎屑岩裂隙泉/个25118720280197152火山岩裂隙泉/个22137338207641065483变质岩裂隙泉/个00031169014097松散沉积物松散孔隙泉/个001010304321合计/个25981085529116914885880图1 北京市含水岩组分区及典型泉点分布Fig.1 Zoning of water-bearing formations and distribution of typical spring in Beijing146张院 北京市泉水监测网的优化设计研究http:/ 泉水水质岩溶泉以HCO3-CaMg、HCO3-Ca、HCO3SO4-CaMg型为主，蓟县系铁岭组白云岩中Cl-、SO42-浓度较高；碎屑岩裂隙泉以HCO3-CaMg、HCO3SO4-Ca型为主，Ca2+浓度高于Mg2+浓度；火山岩裂隙泉水化学类型为HCO3-CaMg型，伴有少量氟化物，HCO3-浓度较低，TDS较低；变质岩裂隙泉水化学类型为HCO3SO4-Ca型，HCO3-浓度较低，TDS较低。大部分泉水水质良好，其中32个泉水水质超出地下水质量标准III类水标准，不适合饮用。北部山区片麻岩、花岗岩地层中出露的泉水有个别氟化物超标，如塘泉沟温泉、佛峪口温泉、汉家川温泉、黑山寨寿泉；西部山区含煤地层部分泉水硫酸盐超标，如房山的大村涧泉、瞧煤涧泉，门头沟马兰村东南泉。靠近生活区、旅游区的部分泉点受人类活动影响，硝酸盐氮、亚硝酸盐氮超标，如密云区东龙十八潭、白马关泉、门头沟跃进泉、密云萝卜峪泉等。1.3 泉水开发利用根据2022年79月泉水测流结果，北京市79月份泉水资源总量约31104 m3d-1，房山区、怀柔区泉水资源量占比较大，平谷区、延庆区、门头沟区次之。北京市在流泉点880个，泉水开发利用方式分为生态用水、生产用水、生活用水。生态用水泉点442个，其中修建景区的泉点46个，自然景观泉点396个；生产用水泉点74个，包括农业灌溉64个，渔业养殖8个，矿泉水生产2个；生活用水泉点364个，包括集中供水127个，零星用水237个。2022 年 7 9 月 生 态 景 观 泉 点 流 量 总 计23.84104 m3d-1，占总资源量的76%。用于生产的泉点147第 18 卷 第2期 2023 年 6 月泉流量总计1.26104 m3d-1，占总资源量的4%；用于生活的泉点流量总计5.97104 m3d-1，占总资源量的20%。2 泉水监测现状与问题2020年北京市地下水监测网扩建，在北京市山区选择10个具有典型性、代表性的泉，作为泉水监测点。10 个监测点分别为不同类型、不同流量的泉，其中黄草洼、马刨泉为岩溶大泉，东胡林泉为碎屑岩裂隙泉，东牛角峪为变质岩裂隙泉，莲花村泉为岩溶裂隙泉。2021 年开始监测，泉流量监测频率每月 3 次，水质监测频率每年 2 次，积累了 2 年的监测数据。根据泉流量动态监测数据，分析泉流量变化规律。总体上泉流量年变化趋势为年初受上一年降水量的影响，一般年初至6月份，降水量较少，用水量增加，区域地下水位和泉水流量降至最低；79月份，降水集中，农业灌溉量减少，泉水流量达到峰值；10月份以后，降水又逐渐减少，地下水位和泉水流量又会延续降低的过程。从图2、图3可看出，泉流量变化相当剧烈，泉流量出现峰值的时间均不相同，泉流量与补给及开采的关系复杂。大流量岩溶泉在47月份易出现断流和复涌的情况，例如：平谷黄草洼泉最大流量（36 960 m3d-1）出现在 2021 年 10 月 20 日，2021 年 6 月出现过断流，2022 年7月测量泉流量为5 000 m3d-1；房山马刨泉最大流量（46 833 m3d-1）出现在2021年8月10日，2021年68月出现过断流。小流量的裂隙泉日流量小，很少出现断流情况。例如：门头沟区东胡林泉最大流量（50 m3d-1）出现在 2021 年 9 月 15 日，2022 年 7 月测得泉流量不足10 m 3d-1；门头沟区莲花村泉最大流量（41.37 m3d-1）出现在 2021 年5月30日，2022年7月测得泉流量不足15 m3d-1。同时靠近河道易受其他补水方式影响，流量动态又不同于其他泉点，门头沟区莲花村泉位于永定河附近，受到永定河生态补水影响，流量峰值在5月份出现，同时受降水的影响流量波动明显。泉流量受不同因素的影响，同一时间有较大的差异，10个监测点流量监测不能满足地下水管理的精度要求。泉水水质易受大气及地表污染物的影响，Cl-和SO42-浓度往往会受到较明显的影响，变化较大。3 泉水监测网布设研究3.1 监测需求泉水监测需要考虑5点需求：1）为保护和修复泉水，需要开展泉水动态监测，掌握泉水变化规律，有效促进泉水复涌。泉水承载着历史文化同时具有生态价值，如白浮泉、玉泉山泉、潭柘寺泉、九龙泉、小汤山温泉、温泉村温泉等，这些名泉多数断流。2016 年后北京市开始河湖生态补水，2021年降水丰沛，泉水流量明显增大，断流的泉开始复涌，包括秦城泉、连山石大水泉、陈家庄泉、水口子泉、王家堡泉等，生态环境风貌得以修复和改善。2）全面掌握泉水资源量，监测各类型泉点流量，图2 黄草洼泉、马刨泉流量曲线图Fig.2 Flow curve of Huangcaowa Spring and Mapao Spring图3 东胡林泉、莲花泉流量曲线图Fig.3 Flow curve of Donghulin Spring and Lianhua Spring148张院 北京市泉水监测网的优化设计研究http:/ 880 个，流量大于 10 Ls-1的泉点 43 个，泉水多出露于灰岩、白云岩中；流量小于1 Ls-1的泉点702个，泉水多出露于砂岩、花岗岩、片麻岩中。2022年7月，北京市泉水资源总量31104 m3d-1，可溶岩地层中泉水资源量24.7104 m3d-1，占泉水资源总量的81%。3）监测泉水水量和水质，掌握泉水动态变化规律，保障供水安全。北京市的泉水用于生活用水的资源量占泉水总资源量20%，集中供水水源127处，集中供水泉流量占生活资源总量的87%。泉水流量随季节变化显著，枯水期山区生活用水很难保障。同时泉水水质的易污性决定了泉水作为供水水源的安全性较低。4）北京市现有的10个泉水监测点，岩溶泉水量可观，但是变化剧烈，其他地层出露的泉流量较小，也受季节影响显著。泉水的年内动态变化规律各不相同，年际间流量变化也不同，现有监测点密度不能掌握北京市全域泉水资源动态，不能满足地下水管理的精度要求，需要增加泉水监测点满足泉水资源量监测精度要求。5）泉是地下水的主要排泄方式之一（周训等，2009），在区域地下水循环中起到了重要的作用。泉水流量动态以降水入渗-开采动态型为主，受地下水大量集中开采及区域水位大幅下降的影响，泉水流量峰值与降水量峰值滞后时间随机性增大。大泉流量动态与降水量相关分析已应用于我国北方岩溶水资源评价中（李国敏等，1993；郭高轩等，2011）。北京岩溶水系统庞大，北京划分了7个岩溶水系统。为了更好掌握各岩溶水系统资源量，研究泉水与地下水开采之间的关系，需要开展长期的泉水监测。3.2 设计原则参考地下水监测网的设计原则（高志，2012），在泉水现状及监测需求分析基础上，确定泉水监测网设计原则：1）全面覆盖。选取各类型流量较大的泉，资源量控制率达到90%以上，全面掌握北京市泉水资源动态变化规律，满足泉水资源管理精度。2）重点突出。选择各类型典型泉，满足专项研究需求。如研究岩溶大泉、温泉成因与演化，降水入渗系数研究等；研究泉水水质（污染）背景值，水化学运移转化过程研究等。3）继承发展。以岩溶水系统为基础，在岩溶水系统内，监测岩溶泉及其他裂隙泉流量，获取岩溶水系统内泉水资源量动态变化数据，研究各岩溶水系统泉水资源变化特征及泉水流量与降水、地下水开采之间的关系。4）方便管理。以保障人民生产生活为目标，在以泉水为饮用水源的人口密集的居民点、大型工业企业（矿山）区域，监测泉水流量及水质；以保护生态环境为目标，在水源保护区、风景名胜区、自然保护区选择保护泉点。3.3 泉水监测点选取根据泉水监测需求及泉水监测网设计原则，依据泉水调查现状，对岩溶水系统中各类泉点进行选取。共选取监测点126个（图4），其中岩溶泉59个，碎屑岩裂隙泉16个，火山岩裂隙泉39个，变质岩裂隙泉9个，松散孔隙泉3个，泉水资源量控制达到90%以上。1）西山岩溶水系统。选取河流附近流量较大的岩溶泉，如拒马河附近马安泉、高庄泉、甘池泉、仙栖洞泉；大石河附近黑龙关泉、河北泉、万佛堂泉、马刨泉；清水河附近上清水泉、沿河口泉、洪水口泉、燕家台泉、东龙门涧泉等；永定河附近的陈家庄泉、斜河间泉等。监测二叠系、侏罗系中出流量较大的裂隙泉，如门头沟黄安东泉、简昌泉、西落坡泉、涧沟水站泉等，房山霞云岭凉水泉、南沟泉等，以及矿区附近的瞧煤涧、马兰东南泉等。2）昌平岩溶水系统。十三陵桃峪口一带有岩溶泉出露，监测秦城泉、连山石大水泉。监测燕山期花岗岩、太古宇片麻岩中出露的泉点，如碓臼峪泉、长峪城龙潭泉。3）延庆岩溶水系统。监测岩溶泉永宁镇黑龙潭、黄龙潭泉，王家堡泉、水口子泉，同时选取岩浆岩裂隙泉烧窑峪东北泉、佛峪口温泉、汉家川温泉等，以及出露于第四系松散孔隙沉积物的永红泉。黑龙潭、黄龙潭为水源保护区泉点，王家堡泉、水口子泉为生活用水泉点。149第 18 卷 第2期 2023 年 6 月4）千家店九渡河岩溶水系统。监测流量较大的岩溶泉，千家店镇照山洼泉，珍珠泉乡珍珠泉，大庄科镇的解字石泉，九渡河附近水龙窟泉、花木龙潭泉，琉璃河附近草场泉、蜡扦山泉，渤海镇的响水湖泉、旺泉峪泉、洞台泉，雁栖地区的莲花池泉、濂泉等。同时选取燕山期花岗岩中出露的百泉山甜泉、龙庙沟泉。响水湖泉、花木龙潭泉、濂泉为景区泉点。5）平谷岩溶水系统。监测黄草洼泉、海子泉、峨眉山泉，变质岩裂隙泉东牛角峪泉、关上泉、御景泉等，出露于第四系松散孔隙沉积物的泉水梨树沟泉。峨眉山泉、东牛角峪泉、梨树沟泉为生活用水泉。6）怀柔区、密云区多为太古宇片麻岩和中燕山期石英砂岩，监测东帽湾泉、张家泉、上峪泉等生活用水泉。北碱厂温泉、塘泉沟温泉等用于温泉监测研究，白马关泉、金鱼泉用于生态监测。3.4 布设结果126 个监测泉点流量控制为全区泉水总流量的93%。生态景观监测点71个，其中11个人工景观泉点，60个自然景观泉，用于生态环境水质、水量动态监测；监测点主要分布于怀柔、延庆、房山山区，如怀柔的响水湖泉、濂泉，延庆的黑龙潭、黄龙潭，珍珠泉，房山高庄下营泉群、甘池泉群、马安泉等，海淀的碧云寺泉、丰台的北宫森林公园泉等。生产、生活监测点55个，用于进行水质、水量监测，保障人民生产、生活用水；监测点主要分布于北京各区县山区，如门头沟二帝山圣水泉、燕家台泉、双石头泉黄安泉等，房山秋林铺泉、图4 泉水监测点选取Fig.4 Selection of Spring Water Monitoring Points150张院 北京市泉水监测网的优化设计研究http:/ 3 次，水量监测雨季可适当加密，水质监测可减少为每年1次；生产、生活监测点多为集中供水泉点，侧重于水质监测，流量监测的频率可适当减少，泉流量监测频率每月2次，水质监测频率可每年2次。4 结论泉水监测站网布设是在2022年泉点调查研究工作的基础上，选取泉水监测点126个，包含了流量较大的、生产生活用水的泉点、生态景观泉点，泉流量控制达到总流量的93%。泉水监测点的选取以岩溶水系统为基础，以岩溶泉为主同时选取流量较大的其他类型裂隙泉。泉水动态监测网由126个泉构成，生态景观监测点71个，生产生活监测点55个。生态景观监测点多为岩溶大泉，侧重于泉流量监测，流量监测每月3次雨季可适当加密，水质监测可减少为每1次；生产、生活监测点多为集中供水泉点，侧重于水质监测，流量监测的频率可适当减少每月2次，水质监测频率可每年2次。通过改建和新建泉水监测点，形成分布合理、功能完善的图5 泉水监测网泉点布设Fig.5 The spring water monitoring network151第 18 卷 第2期 2023 年 6 月北京泉水监测体系。参考文献常建忠，2021.山西省岩溶大泉地下水超采治理保护措施与经验 J.中国水利（7）：43-45.程秀明，赵玉祥，彭玉明，2007.济南山水泉价值研究 C/安徽省地质学会.加强地质工作促进社会经济和谐发展：2007年华东六省一市地学科技论坛论文集.合肥工业大学出版社：494-496.崔一娇，杜旋，孙赵爽，尚子琦，王树芳，2021.城市发展模式变化对地下水补给的影响：以北京市大兴区为例 J.城市地质，16（1）：9-17.邓辉，罗潇，2011.历史时期分布在北京平原上的泉水与湖泊 J.地理科学，31（11）：1355-1361.董殿伟，马如林，李玉虎，林佳旭，2021.北京西郊玉泉山泉水复涌条件及方案预测分析 J.城市地质，16（2）：139-146.段天顺，1985.北京的泉 J.海河水利（1）：53-57.高列波，2018.娘子关泉水流量监测的数据分析 J.陕西水利（5）：35-36.高玲，吕毅夫，皮海燕，周永刚，2015.北京地区断层泉水文地球化学特征 J.地震地磁观测与研究，36（6）：53-59.高明志，尚宇宁，李岚，梁凤英，2003.济南泉水恢复与开发利用探讨 C/山东省科学技术协会.地质与可持续发展：华东六省一市地学科技论坛文集：133-135.高赞东，段秀铭，王庆兵，徐慧珍，殷秀兰，李文鹏，周仰效，2008.济南岩溶泉域地下水水质监测 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