0 引言

饮用天然矿泉水是在特定地质-水文地质条件和水文地球化学环境下形成的深层地下循环水，与一般生活饮用水相比，具有纯净无污染的特点。随着社会经济的发展以及水资源的不断开采利用，地表水以及浅层地下水在一定程度上受到污染，纯净的饮用天然水需求量逐年上升，饮用天然水的开发利用及水源地调查评价在现阶段具有重要意义（高国华等，1990）。

2015 年 10 月在河北省和承德市重大决策部署下，笔者通过实地踏勘、收集数据、采集水样、综合分析等工作手段，发现了岗子矿泉水。2019年1月，经中国民族卫生协会相关专家评定，将承德评为 “中国·（承德）生态好水源聚集区”，其中岗子矿泉水为此次参评水源地之一，其位于承德市丰宁满族自治县鱼儿山镇岗子村西南，中心地理坐标东经 116°05'34.34″，北纬41°43'01.90″。

承德市地处燕山腹地，天然矿泉水资源丰富， 20世纪 90年代，一些专家学者研究了冀北、承德地区矿泉水特征、赋存规律，对矿泉水的形成机理进行了初探（崔石林，1995；张俊德，1995；郑喜珍， 1995；赵广涛等，1996）。近年来，承德市立足“京津水源涵养功能区、绿色发展先行区”的战略定位，开展了大量的天然矿泉水勘查工作，研究程度高，前人从矿泉水成因、形成的地球化学条件及资源优势等方面做了研究（黄保全和种广方，2006；多晓松等，2019，2020；苏宏建等，2019；多晓松，2020；徐一鸣等，2020）。还有一些学者分析了承德市富锶地下水与地质建造相关性、含锶矿泉水空间分布、开采量估算等方面（贾凤超等，2020；朱雪芹等，2020）。但对坝上高原地区研究程度相对较低，本文综合研究了水文地质调查、水文地质试验、水质检测等工作成果，对岗子矿泉水水源地水文地质条件、水化学特征进行了分析，对区内矿泉水资源潜力进行了初步评价，并对下一步开发利用提出了建议，为矿泉水开发利用、矿业权设置提供科学依据，并为今后在坝上地区开展矿泉水水源地勘查起到一定参考作用。

1 地质-水文地质背景

1.1 区域地质概况

研究区大地构造上属中朝准地台（Ⅰ₂）内蒙地轴（Ⅱ₂ ¹）东段南缘的沽源陷断束（Ⅲ₂ ² ）大滩中断束 （Ⅳ₂ ³），基底为太古界变质岩系组成。自元古宙— 古生代长期处于上升状态。中生代后期，由于燕山运动的强烈影响，伴随断裂活动有大量火山熔岩活动。晚白垩世火山停止活动，开始接受沉积，沉积了下白垩统地层，后又相继沉积了新生界上新统和第四系（徐一鸣等，2020）。

出露地层及岩性主要为：中古界侏罗系张家口组二段流纹岩、球粒流纹岩，三段凝灰质砾岩、凝灰质砂岩、流纹质熔结凝灰岩，白垩系青石砬组灰色、灰白色砾岩；新生界上新统砖红色泥岩或棕黄色砾岩、砂砾岩，第四系冲积、洪积、冲洪积、残坡积及风积砂土、砂砾石、黏性土、碎石土及黄土状土。

岩浆岩主要有二长斑岩、正长斑岩、流纹斑岩、花岗岩，为燕山期晚侏罗世第三—第五次侵入岩 （朱大刚等，1999）。

根据物探资料及钻孔资料，水源地范围内有两条断层 F1 和 F2，F1 断层走向 41°，倾向北西，倾角82 °，F2断层走向68°，倾向北西，倾角较陡。

1.2 区域水文地质概况

研究区地处构造剥蚀高原，全区地形东高西低，南高北低，海拔标高 1400～1960 m，流域最高点海拔标高 1958. 08 m，矿泉水井 ZK1 海拔标高 1460.69 m。水源地为一沉积盆地，含水层岩性主要为古近系—新近系砾岩、白垩系砂砾岩，根据ZK1 抽水试验，该含水层渗透系数0.16～0.23 m/d，单位涌水量0.503～0.622 m³ /h·m，富水性较好。地下水类型为基岩风化裂隙水和构造裂隙水，补给来源为大气降水，受地形控制，大气降水深入地下后，由南东向北西方向径流，排泄方式主要为人为开采（图1）。

1.3 水源ZK1动态特征

1.3.1 水位动态

ZK1 钻孔为承压自流孔，孔口安装压力表对动态进行一个水文年的监测，再根据压力表读数换算水头高度，结果显示，最高水头+3.20 m，出现在 2018年2月10日，最低水头+2.60 m，出现在2017年 5月20日，一个水文年内的水头高度基本稳定，变幅 0.6 m（图2）。

1.3.2 水质动态

经枯、丰、平水期水质检测分析，其主要成分 K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-、SO₄ ^2-、溶解性总固体基本稳定，变化范围在 20% 以内，Na⁺ 及 Cl^-出现变幅超过 20% 的情况，但其超出范围并不大（表1）。分析其原因为该井位于季节性河流头道河的河床北侧，其补给区为头道河河谷的中上游地区，河谷两侧山体为出露于地表的张性裂隙发育的晚侏罗世二长斑岩，沟谷中岩性为粉砂等第四系松散堆积物，这些地质条件利于大气降水的渗入，在抽水过程中可能与矿泉水发生了混合，所以造成了该矿泉水井水质动态变化较大的结果。

2 工作方法与样品采集

研究区水质样品采集按照《饮用天然矿泉水检验方法》（GB/T8538-2008）的要求和方法进行，样品采集自矿泉水井 ZK1 和丰 4 共 2 眼，民井 8 眼，分别为 GZ002、GZ003、GZ016、GZ025、GZ026、GZ029、 GZ059、GZ062，取样位置见图1。

矿泉水测试项目为《饮用天然矿泉水标准》 （GB/T8537-2008）规定的项目，水质分析在国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心进行，分别采用等离子体发射光谱仪（iCAP6300）和低本底 αβ测量仪（BH1227）进行测试；地下水测试项目为《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）规定的常规指标项目，水质分析在河北省水环境监测实验中心进行，检测仪器主要为电感耦合等离子体发射光谱仪 （Optima8000）、原子吸收分光光度计（TAS-990Super）、紫外可见分光光度计（T6）及离子色谱仪 （CIC-160）。

3 水化学特征

3.1 常量组分

由研究区地下水化学组分统计表（表2）可以看出，所有水点 pH 为 7.52～7.97，属于中性水，矿泉水中主要离子为 K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-、Cl^-、 SO₄ ^2-、NO₃ ^2- 等，其中阴离子以 HCO₃^- 为主，含量 110.6～144.7 mg/L，毫克当量百分数为 71.4%～80.89%，其次为 Cl^-，含量 5.60～8.38 mg/L，毫克当量百分数为6.30%～8.19%。阳离子以Ca²⁺ 为主，含量29. 00～33.21 mg/L，毫克当量百分数为55.6%～61.4%，其次为 Na⁺，含量 15.55～17. 00 mg/L，毫克当量百分数为24.64%～28.30%，矿化度为218.8～247.9 mg/L；民井地下水中阴离子以 HCO₃^- 为主，含量127. 0～178.8 mg/L，毫克当量百分数为52.2%～82.7%，其次为SO₄ ^2-，含量10.80～52.80 mg/L，毫克当量百分数为 4.1%～23.2%。阳离子以 Ca²⁺ 为主，含量43.5～77.5 mg/L，毫克当量百分数为60.9%～76. 0%，其次为 Na⁺，含量 10. 06～29.50 mg/L，毫克当量百分数为 14.8%～21.8%，矿化度为 279. 0～442. 0 mg/L。根据舒卡列夫分类，水化学类型为 1-A 型，即矿化度小于 1.5 g/L 的 HCO₃-Ca 型水，为沉积岩地区的溶滤水。

注：测试单位为自然资源部地下水矿泉水及环境监测中心、河北省水环境监测实验中心。

Piper三线图解（Piper，1944）可以直观反映水化学溶质主离子的相对含量和分布特征，常用于分析水化学成分的演化规律，辨别水化学形成与演化的控制因素（Capo et al.，1998；贾凤超等，2020）。如图3 所示，研究区所有水点阴离子以 HCO₃^- 为主，阳离子以 Ca²⁺ 为主，水化学类型均为重碳酸-钙（HCO₃-Ca）型，矿泉水与民井地下水均落在菱形中的 5 区，具有相同的化学特性，属于碳酸盐硬度超过50%的区域（王大纯等，1995），可以说明研究区地下水化学成分的基本成因为溶滤水，其径流途径短，流动速度较快，溶滤作用发育，多形成低矿化度的重碳酸盐水。机民井与矿泉水井水质成分相近，含量差别不大，由于机民井普遍深度 30 m 以内，地下水循环深度小，偏硅酸低于矿泉水井。

3.2 有益组分

根据多期水质资料分析，矿泉水偏硅酸含量为 30.89～35.82 mg/L，锶含量 0.138～0.150 mg/L，水温7. 0～7.8℃，按《饮用天然矿泉水》标准（GB 8537-2018），该矿泉水中界限指标偏硅酸含量大于30 mg/ L，达到矿泉水的标准；限量指标均在国家标准规定的限量范围之内；污染物指标均低于国家标准，表明该泉水未受污染；微生物指标均低于国家标准，矿泉水卫生条件良好，所以该泉水为偏硅酸型饮用天然矿泉水。

4 矿泉水资源量评价

根据《天然矿泉水资源地质勘查规范》（GB/T13727-2016）对于矿泉水水源地的资源量评价一般只计算允许开采量，本次研究利用 ZK1钻孔抽水试验资料进行计算。

4.1 涌水量方程的选取

依据丰水期、平水期、枯水期抽水试验数据，绘制三期抽水试验出水量Q-水位降深S曲线，为确保计算出允许开采量的准确性，本次计算选取枯水期抽水试验数据，采用曲线拟合误差判别法确定涌水量方程，拟合误差越小，越适合，曲线拟合误差 C 可用下式确定：

注：测试单位为自然资源部地下水矿泉水及环境监测中心、河北省水环境监测实验中心。

式（1）中：∆₂、∆₁ 为一阶商差，足标为商差的顺序。

一阶商差计算公式为：

ZK1 抽水资料为：S₁=88.40 m，Q₁=44.46 m³ /h； S₂=69.89 m，Q₂=36.64 m³ /h；S₃=39.30 m，Q₃=20.16 m³ /h。

分别对抛物线方程、指数方程、对数方程及直线方程的适合情况进行拟合计算，计算结果见表3。比较发现，对数方程拟合误差最小，仅为 7.55%，故该抽水试验适合于对数曲线方程：Q=a+b×lgS。

4.2 参数的确定

对数曲线方程中的参数采用一般方法确定，公式如下：

利用枯水期抽水试验S₂、S₃和Q₂、Q₃等数据进行参数计算，得到该钻孔对数曲线方程参数为：a=-84.93，b=65.91。故ZK1钻孔的涌水量方程为：Q=-84.93+65.91×lgS。

4.3 可靠性评价

为确保涌水量方程的可靠性，将枯水期抽水试验 3个落程的降深 S数据带入方程进行反算得到计算涌水量Q'，将计算结果与抽水试验时的实际涌水量Q进行对比，计算得到相对误差为0~2.46%，满足相应要求，因此该涌水量方程可靠性较高，可以用于该钻孔的涌水量计算。

4.4 允许开采量的确定

允许开采量的计算采用枯水期抽水试验参数所确定的涌水量方程计算，该矿泉水中偏硅酸含量 30.89～35.82 mg/L，处于临界值附近，为保证水质，在开发利用时应尽量避免第四系水的混入。

勘查结果表明，探采结合井ZK1在69～95 m处有一厚大隔水层，综合考虑水质、开采成本及地下水资源开采对环境的影响，故在利用涌水量方程计算允许开采量 Q _允时将其降深 S _允控制在 68 m，计算得出该矿泉水水源地允许开采量为 36.39 m³ /h，日允许开采量为 873.36 m³，年允许开采量为 31.88× 10⁴ m³，该矿泉水单井开采量已达到中型规模。

5 讨论

5.1 矿泉水成因分析

天然矿泉水中化学成分的形成与赋存介质所含元素的地球化学性质及所处的水文地球化学环境有密切关系，是地下水与含水介质在一定条件下长期作用的结果（沈照理等，1993；李桂玲等，2007； 罗铏，2016）。矿泉水化学组分主要来自地下水径流过程中的各种岩石、矿物的溶解（文冬光等， 1998）。该矿泉水水中矿物质主要来源于区域岩石中铝硅酸盐矿物和二氧化硅矿物，这些在高温、高压条件下形成的矿物在地下水流动过程中，不断地与周围空气、水、生物等进行接触，产生一系列风化、水解等地球化学作用。研究区头道河河谷的中上游地区接受大气降水的补给后，沿风化裂隙入渗，汇流到构造破碎带中，形成较大规模的风化-构造裂隙含水系统，这为矿物运移提供通道，矿物质在通道中历经长时间的迁移、不断地发生一系列水岩作用，使得偏硅酸得以聚集，形成偏硅酸型矿泉水，最终经钻孔揭露（图4）。

5.2 区域资源潜力评价

5.2.1 水文地质概念模型及计算方法

为掌握区域资源量情况，为岗子矿泉水允许开采量计算提供一定保证，采用水文分析法，计算评价该系统地下水天然资源量。研究区处于鱼儿山镇岗子村及其上游汇水范围内，包含了一个相对完整的水文地质单元，勘查区东、南、西为地表分水岭，西北部为河流边界，构成一个相对完整的水文地质单元，汇水面积 208.81 km²。故其天然资源量就是该区域内的降雨入渗补给量。

计算公式：

式（5）中：Q _天—天然资源量（10⁴ m³ /a）；Q _渗—降水入渗补给量（10⁴ m³ /a）；α_i —大气降水入渗系数（无量纲）；P—区域内多年平均大气降水量（m/a）；F_i — 接受降水入渗补给的面积（m²）。

5.2.2 计算参数的选取

本次地下水资源评价中涉及到的水文地质参数主要有降水量 P、大气降水入渗系数 α 等。降水量P采用多年平均值436.9 mm/a。大气降水入渗系数α参照《区域水文地质普查报告（冀北地区）》中各分区的经验值，具体数值见表4。

5.2.3 计算结果

此次计算将孔隙含水区和基岩裂隙水区按含水层不同岩性划分为4个小区，经计算，研究区矿泉水资源潜力为9.451×10⁶ m³ /a。

5.3 开发利用建议

矿泉水水源地允许开采量为 31.88 ×10⁴ m³ /a，达到中型规模，资源潜力为9.451×10⁶ m³ /a。水源地交通便利，距离丰宁县城106 km，508县道从区内通过，距离张承高速公里大滩出入口20 km，得天独厚的地理位置，定能变资源优势为经济优势，作为饮用天然矿泉水开发前景十分广阔。

开发利用建议，除探采结合孔 ZK1 外，可沿主要含水断裂F1走向221°左右进行新井的开发，成井后进行第四系水封堵。但在开采矿泉水的同时应注意对矿泉水的水量、水温、水质动态进行长期监测。

6 结论

（1）岗子矿泉水为偏硅酸型饮用天然矿泉水，水化学类型为重碳酸-钙（HCO₃-Ca）型，含水层岩性主要为古近系—新近系砾岩、白垩系砂砾岩，地下水类型为基岩风化裂隙水和构造裂隙水，补给来源为大气降水，受地形控制，大气降水深入地下后，由南东向北西方向径流，排泄方式主要为人为开采。

（2）矿泉水形成机理为该矿泉水接受头道河河谷的中上游地区的大气降水补给后，入渗到岩石风化裂隙及构造破碎带中，沿断裂深处运移，随着温度、压力的不断变化，地下水与周围岩石发生了一系列水岩反应而形成矿泉水。

（3）矿泉水水源地允许开采量为 31.88×10⁴ m³ / a，达到中型规模，资源潜力为9.451×10⁶ m³ /a。水源地交通便利，作为饮用天然矿泉水开发前景十分广阔。但在开采矿泉水的同时应注意对矿泉水的水量、水温、水质动态进行长期监测。

参考文献