郭高轩 , 侯泉林, 许 亮, 刘久荣, 辛宝东

1)中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049; 2)北京市水文地质工程地质大队, 北京 100195

我国657个城市中, 有400多个以地下水为供水水源, 目前越来越严重的地下水环境恶化问题已经引起了各方的高度重视。2003年以来实施的全国地下水环境地质调查专项表明, 我国 90%的城市地下水不同程度地遭受着有机和无机有毒有害污染物的污染(环境保护部, 2011; 张新钰等, 2011)。2011年环境保护部、国土资源部、水利部和财政部四部委首次联合开展的《全国地下水基础环境状况调查评估》表明, 华北地区地下水污染问题尤为突出。北京作为华北地区的特大型都市, 65%以上的供水来自地下水, 其危急形势不言而喻。2013年国务院批准的环境保护部、国土资源部、水利部和住房和城乡建设部联合编制的《华北平原地下水污染防治工作方案》中, “潮白河冲洪积扇单元”同时被列为“地下水污染治理单元”和“地下水污染防控单元”(环境保护部等, 2013)。以往研究者多通过构建三维地质模型来表征该区域含水层的空间形态(蔡向民等, 2009; 田芳等, 2012)、也有通过地下水水位动态变化来研究地下水的分布和蕴藏特征(刘记来等, 2010; 赵薇等, 2012; 刘元章等, 2013a)。这些方法和手段对于潮白河山前倾斜冲洪积扇这样的复杂系统而言, 较多地偏重地下水动力场的研究, 而水化学场的探讨相对较少。也有些研究者仅依靠较少量的环境同位素数据进行了区域尺度上的地下水循环更新速率的探讨(宋献方等, 2007; 郑跃军等,2012; 刘元章等, 2013b)。事实上, 从地下水水化学的角度探讨区域地下水循环与演化特征, 对于地下水资源的保护、开发与管理更为重要(郇环等, 2011;翟远征等, 2011; 杨丽芝等, 2013; 周迅等, 2014)。通过对水化学场的研究, 不仅能摸清当下“脏水”与“净水”的分布, 而且能够了解“脏水”污染的程度、遭受污染的机理和潜在的风险。地下水化学场的研究成果, 能够为合理布置地下水污染防治工程、划定地下水源保护范围、设定安全取水层位, 保障供水安全提供科学的依据。本文拟采用多样本、多层位、多组分的地下水采样数据, 探讨北京潮白河冲洪积扇地下水水化学特征, 为本区域地下水污染防治、安全持续供水保障起到借鉴和支撑的重要作用。

潮白河是流经北京的第二大河流, 整个流域总面积19354 km2, 北京市域内流域面积为6531 km2。其自北部怀柔、密云流经平原区的顺义、通州区, 往南流过大兴进入河北。在流域上游地表水形成密云水库、怀柔水库, 下游地区巨大的冲洪积扇分布有第八水厂、第五水厂、两河水源地、怀柔应急水源地等大大小小地下水水源地十几处(图1)。潮白河冲洪积平原第四系年地下水供水量超过4.5×108m3/a。潮白河河道历史上大致经历了三次摆动, 形成了规模不等的古河道(李华章, 1995)。依据其地层结构和水文地质条件, 整个潮白河冲洪积扇可以划分为上游(扇顶)、中游(扇中)和下游(扇缘)地区(图1)。在上游地区, 地层主要由厚度较大的砂卵砾石组成, 颗粒粗大, 透水性好, 构成单一的含水层。上游和中游基本以承压水含水层分界线为界。中游地层变为砾砂、粗砂和粘土、亚粘土的多层结构。中游和下游界线则大致与顺义区和通州区的行政界一致。在这一界线南部, 第四系厚度显著增大,最厚处位于张家湾一带, 厚度达 600余米。组成含水层的颗粒更细, 厚度更小, 基本变为细砂、粉砂与粘土、亚粘土互层的多层含水层结构(图 2)(北京市地质矿产勘查开发局等, 2008)。

1 地下水采样

北京平原区的第四系地下水可分为浅层、中层和深层。浅层地下水遍布整个平原区, 主要为潜水,直接接受大气降水补给, 与上覆包气带联系紧密,含水层富水性由上游到下游差异较大。中层地下水是目前主要的开采层, 许多农业灌溉用水主要来自这一层。深层地下水埋深较大, 更新速率较慢, 补给以侧向径流和越流补给为主, 是许多地区生产、生活的取水层。

2008年, 北京市平原区地下水污染调查与评价项目根据水文地质条件, 在平原区的 1035眼水井中分丰、枯水期进行了三次分层采样, 现场测试了EC和pH, 49项无机组分由北京市水文地质工程地质大队水质化验室测试。本文研究区采样位置及数量见图1和表1(辛宝东等, 2010)。

2 组分统计特征

本次选取总硬度、溶解性总固体、氨氮、铁、氟、硝酸盐、亚硝酸盐、氯化物、重碳酸根、硫酸根 10项组分进行统计(表 2)。浅层地下水, 除了NO3–外, 其余9种组分的算术均值均呈现由上游到中下游增大的趋势, 均方差则中游较上游和下游大,说明中游地区浅层地下水样的浓度分布范围大, 差异特征明显。中层地下水除 HCO3–、Cl–、F–、TDS(溶解性总固体)呈上升趋势外, 其它组分差异不是特别明显, 但是中层地下水所有组分的均方差则呈现出由上游到下游增大的趋势, 规律明显。对深层地下水而言, 除TDS呈现有规律上升外, 其它组分无明显规律。

3 地下水化学类型

在研究区的上游, 浅层地下水多为HCO3–Ca·Mg型, 只有极个别点存在 HCO3·SO4-Ca·Mg型或者HCO3·NO3-Ca·Mg 型水。有一些 SO42–和 NO3–含量较高的点, 多位于工业开发区周边, 或者属于农用灌溉的浅井。中游地区, 仍然以 HCO3-Ca·Mg型为主, 但开始出现HCO3·Cl-Ca·Mg型水。到了下游, 浅层地下水中的 Na+、Cl–浓度显著升高, HCO3·Cl-Ca·Mg 样本数明显增多, 而且许多井点表现为 HCO3·SO4-Ca·Mg型。

表1 第四系地下水含水层位划分及采样统计表Table 1 Classification of Quanertry aquifers and distribution of groundwater samples

图2 潮白河冲洪积扇水文地质剖面图(剖面AA’见图1)Fig.2 Hydrogeological section of Chaobai River alluvial-proluvial fan(see section AA’ in Fig.1)

表2 潮白河冲洪积扇地下水化学组分统计表Table 2 Statistics of main chemical constituents of groundwater samples within Chaobai River alluvial-proluvial fan

中层地下水在上游基本仍以HCO3-Ca·Mg为主,个别点 NO3–和 SO42–浓度升高。在中游地区, 大部分中层地下水中的 Na+浓度升高, 开始出现HCO3-Ca·Na·Mg 型。到了下游地区, Na+和 Mg2+浓度快速升高, 许多水样表现为HCO3-Na·Mg·Ca型和HCO3·SO4-Na·Ca·Mg 型(图 3)。

对深层地下水而言, 在上游以 HCO3-Ca·Mg为主, 中 下 游 逐 渐 由 HCO3-Ca·Na·Mg 过 渡 到HCO3·SO4-Na·Ca·Mg 型。

从水样分布的集中度来看, 绝大部分水样分布在派珀三线图中的5区, 即碳酸盐硬度超过50%的区域。无论浅层地下水, 还是中、深层地下水, 其上游水样的集中度均好于中游地区, 中游地区好于下游。在上游地区, 单一的砂卵砾石层上下贯通,水动力条件好, 水质均一性好。下游地区, 含水层转变为多层结构, 水质分异特征明显。从分带性来看, 在上游地下水蒸发微弱, 溶滤强烈, 矿化度低;随着径流, 到中游地区, 蒸发逐渐加强, 矿化度逐渐升高, 水中的 SO42–、Cl–和 Na+浓度逐渐增高, 这与水化学类型演变具有很好的吻合性(王大纯等,1995; Jeevanandam et al., 2007)。

图3 潮白河冲洪积扇浅层地下水(a)、中层地下水(b)、深层地下水(c)派珀三线图Fig.3 Piper plot of groundwater samples in shallow groundwater(a), middle groundwater(b), deep groundwater(c)of Chaobai River alluvial-proluvial fan

4 组分浓度与深度的关系

在前文所述的10种组分中, 我们选取TDS、硬度、Cl–、NO3–组分以及现场测试的pH和电导率进行浓度与取样深度关系分析, 并采用指数模型进行了拟合(图 4)。可以看出: (1)无论是 TDS、硬度、Cl–,还是 NO3–, 其分布集中度呈现出上游好于中游, 中游好于下游。从图形的纵向上看, 上游水样的浓度分布范围更窄, 中游分布范围稍宽, 下游分布范围则更广; (2)浓度的分布特征是, 浅层水样的浓度>中层水样>深层水样, 也就是说在横向上, 浅层的水样更靠右一些; (3)超标水样大部分为中下游的浅层水样和部分的中层水样; (4)单纯从统计意义上来看, 除pH外, 其余5项组分含量均与深度成反相关关系(郭高轩, 2009)。

图4 潮白河水文地质单元离子浓度与深度关系图Fig.4 Relationship between main chemical constituents and sampling depths

水样的 pH值反映出潮白河冲洪积扇地下水均属于偏碱性水, 并且随着深度的增大, 水样的 pH值有增大的趋势。地下水 EC则随着井深的增大而减小, 这一点在上游的地下水样中尤为明显。冲洪积扇上游地下水主要接受大气降水入渗和山区岩溶裂隙水的侧向补给, EC较低, 在450 μs/cm左右; 到了中游地带, EC升高到500 μs/cm, 方差也随之变大,说明水样的补给来源趋于复杂, 既有大气降水, 又有地表水网的渗漏补给; 到了下游, EC的均值达到了900 μs/cm, 特别是浅层和部分中层水样的EC最高, 这与遭受人为污染致使矿化度升高具有明显的一致性。

5 讨论与结论

相比地下水的动力场, 地下水化学场能够更为直接的揭示其分布、蕴藏与演化特征(Chan, 2001)。日益凸显的地下水水质恶化问题引发了越来越多的关注和重视, 保护与防治工程的实施也必将引发更多的投入。基于地下水环境调查数据的地下水化学场的精细刻画则是水资源保护、开发利用以及污染防治等诸多工作的基础和关键(郭高轩, 2012)。本文以典型的山前缓倾斜冲洪积平原——潮白河冲洪积扇为例, 基于系统采样数据, 运用统计学和 GIS技术从地下水化学角度探讨了第四系地下水在空间上的分层分带特征。得到以下几点认识:

1)地质结构上, 潮白河冲洪积扇含水介质较好分层分带特征。上—中游界线基本以单一的含水层为界, 大致沿庙城—龙王头—马坊—孝德村一线形成下凸形态; 中—下游大致位于金盏—葛渠—翟里一线, 分界线往南, 含水层更薄, 含水介质颗粒更细。

2)潮白河冲洪积扇第四系地下水水化学分带特征明显。在冲洪积扇的上游, 各层水质组分浓度相当, 方差小, 水化学类型基本均为低矿化度的HCO3-Ca·Mg型水, 水质均一性良好, 补给迅速、上下贯通, 水动力条件较好。在冲洪积扇的中游, 水质组分趋于复杂, SO42–和NO3–含量升高, 水的矿化度升高, 开始出现 HCO3-Ca·Na·Mg 型水, 各含水层的组分差别较大。随着深度增大, 硬度和总矿化度减小, 各组分的方差也逐渐减小。下游地区, 水质分层特征更加明显, 各组分含量差别更大, SO42–和Cl–进 一 步 升 高, 开 始 出 现 HCO3·Cl-Ca·Mg 和HCO3·SO4-Ca·Mg 型水, 表现出多源输入的特征。

3)地下水水化学场分层特征明显。组分浓度与取样深度关系分析表明, 各层水样浓度差别较大。其中TDS、硬度、Cl–、NO3–、EC随着深度增大呈减小趋势, pH则随着深度增大而增大。测试组分浓度的分布范围则有: 浅层水样>中层水样>深层水样。从组分的绝对值来看, 仍然具有上述规律。含量较高的样点和超标点绝大多数为浅层水样, 在中下游尤为突出, 是人为输入增强的表征。

4)在冲洪积扇上游, 地下水主要接受大气降水入渗补给, 溶滤作用为主, 水质均一性好, 绝大多数为低矿化度的Ⅰ至Ⅲ类水, 循环交替相对比较迅速。在冲洪积扇的中下游, 含水介质颗粒变细、层数变多, 径流速度变慢, 浅层蒸发强烈。河渠入渗、灌溉回渗等多源输入补给。中深层除侧向补给外增加了越流, 上部人类聚集区的强烈活动增加了“污染物”的输入, 双重因素导致地下水多数组分含量上升, 地下水Ⅳ、Ⅴ类水增加, 质量变差。

作为北京平原第二大冲洪积扇, 潮白河冲洪积扇上建有大大小小十余处重要的供水水源地。从地下水水化学角度阐明其所具有的分层分带特征, 为下一步开展分质地下水资源评价、分层分带有侧重的地下水污染防控工程以及人类活动对地下水环境的影响研究等提供了科学参考。

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