郭高軒 , 侯泉林, 許 亮, 劉久榮, 辛寶東

1)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 北京 100049; 2)北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì), 北京 100195

我國(guó)657個(gè)城市中, 有400多個(gè)以地下水為供水水源, 目前越來(lái)越嚴(yán)重的地下水環(huán)境惡化問(wèn)題已經(jīng)引起了各方的高度重視。2003年以來(lái)實(shí)施的全國(guó)地下水環(huán)境地質(zhì)調(diào)查專(zhuān)項(xiàng)表明, 我國(guó) 90%的城市地下水不同程度地遭受著有機(jī)和無(wú)機(jī)有毒有害污染物的污染(環(huán)境保護(hù)部, 2011; 張新鈺等, 2011)。2011年環(huán)境保護(hù)部、國(guó)土資源部、水利部和財(cái)政部四部委首次聯(lián)合開(kāi)展的《全國(guó)地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況調(diào)查評(píng)估》表明, 華北地區(qū)地下水污染問(wèn)題尤為突出。北京作為華北地區(qū)的特大型都市, 65%以上的供水來(lái)自地下水, 其危急形勢(shì)不言而喻。2013年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的環(huán)境保護(hù)部、國(guó)土資源部、水利部和住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合編制的《華北平原地下水污染防治工作方案》中, “潮白河沖洪積扇單元”同時(shí)被列為“地下水污染治理單元”和“地下水污染防控單元”(環(huán)境保護(hù)部等, 2013)。以往研究者多通過(guò)構(gòu)建三維地質(zhì)模型來(lái)表征該區(qū)域含水層的空間形態(tài)(蔡向民等, 2009; 田芳等, 2012)、也有通過(guò)地下水水位動(dòng)態(tài)變化來(lái)研究地下水的分布和蘊(yùn)藏特征(劉記來(lái)等, 2010; 趙薇等, 2012; 劉元章等, 2013a)。這些方法和手段對(duì)于潮白河山前傾斜沖洪積扇這樣的復(fù)雜系統(tǒng)而言, 較多地偏重地下水動(dòng)力場(chǎng)的研究, 而水化學(xué)場(chǎng)的探討相對(duì)較少。也有些研究者僅依靠較少量的環(huán)境同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了區(qū)域尺度上的地下水循環(huán)更新速率的探討(宋獻(xiàn)方等, 2007; 鄭躍軍等,2012; 劉元章等, 2013b)。事實(shí)上, 從地下水水化學(xué)的角度探討區(qū)域地下水循環(huán)與演化特征, 對(duì)于地下水資源的保護(hù)、開(kāi)發(fā)與管理更為重要(郇環(huán)等, 2011;翟遠(yuǎn)征等, 2011; 楊麗芝等, 2013; 周迅等, 2014)。通過(guò)對(duì)水化學(xué)場(chǎng)的研究, 不僅能摸清當(dāng)下“臟水”與“凈水”的分布, 而且能夠了解“臟水”污染的程度、遭受污染的機(jī)理和潛在的風(fēng)險(xiǎn)。地下水化學(xué)場(chǎng)的研究成果, 能夠?yàn)楹侠聿贾玫叵滤廴痉乐喂こ?、劃定地下水源保護(hù)范圍、設(shè)定安全取水層位, 保障供水安全提供科學(xué)的依據(jù)。本文擬采用多樣本、多層位、多組分的地下水采樣數(shù)據(jù), 探討北京潮白河沖洪積扇地下水水化學(xué)特征, 為本區(qū)域地下水污染防治、安全持續(xù)供水保障起到借鑒和支撐的重要作用。

潮白河是流經(jīng)北京的第二大河流, 整個(gè)流域總面積19354 km2, 北京市域內(nèi)流域面積為6531 km2。其自北部懷柔、密云流經(jīng)平原區(qū)的順義、通州區(qū), 往南流過(guò)大興進(jìn)入河北。在流域上游地表水形成密云水庫(kù)、懷柔水庫(kù), 下游地區(qū)巨大的沖洪積扇分布有第八水廠(chǎng)、第五水廠(chǎng)、兩河水源地、懷柔應(yīng)急水源地等大大小小地下水水源地十幾處(圖1)。潮白河沖洪積平原第四系年地下水供水量超過(guò)4.5×108m3/a。潮白河河道歷史上大致經(jīng)歷了三次擺動(dòng), 形成了規(guī)模不等的古河道(李華章, 1995)。依據(jù)其地層結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件, 整個(gè)潮白河沖洪積扇可以劃分為上游(扇頂)、中游(扇中)和下游(扇緣)地區(qū)(圖1)。在上游地區(qū), 地層主要由厚度較大的砂卵礫石組成, 顆粒粗大, 透水性好, 構(gòu)成單一的含水層。上游和中游基本以承壓水含水層分界線(xiàn)為界。中游地層變?yōu)榈[砂、粗砂和粘土、亞粘土的多層結(jié)構(gòu)。中游和下游界線(xiàn)則大致與順義區(qū)和通州區(qū)的行政界一致。在這一界線(xiàn)南部, 第四系厚度顯著增大,最厚處位于張家灣一帶, 厚度達(dá) 600余米。組成含水層的顆粒更細(xì), 厚度更小, 基本變?yōu)榧?xì)砂、粉砂與粘土、亞粘土互層的多層含水層結(jié)構(gòu)(圖 2)(北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局等, 2008)。

1 地下水采樣

北京平原區(qū)的第四系地下水可分為淺層、中層和深層。淺層地下水遍布整個(gè)平原區(qū), 主要為潛水,直接接受大氣降水補(bǔ)給, 與上覆包氣帶聯(lián)系緊密,含水層富水性由上游到下游差異較大。中層地下水是目前主要的開(kāi)采層, 許多農(nóng)業(yè)灌溉用水主要來(lái)自這一層。深層地下水埋深較大, 更新速率較慢, 補(bǔ)給以側(cè)向徑流和越流補(bǔ)給為主, 是許多地區(qū)生產(chǎn)、生活的取水層。

2008年, 北京市平原區(qū)地下水污染調(diào)查與評(píng)價(jià)項(xiàng)目根據(jù)水文地質(zhì)條件, 在平原區(qū)的 1035眼水井中分豐、枯水期進(jìn)行了三次分層采樣, 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了EC和pH, 49項(xiàng)無(wú)機(jī)組分由北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)水質(zhì)化驗(yàn)室測(cè)試。本文研究區(qū)采樣位置及數(shù)量見(jiàn)圖1和表1(辛寶東等, 2010)。

2 組分統(tǒng)計(jì)特征

本次選取總硬度、溶解性總固體、氨氮、鐵、氟、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氯化物、重碳酸根、硫酸根 10項(xiàng)組分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表 2)。淺層地下水, 除了NO3–外, 其余9種組分的算術(shù)均值均呈現(xiàn)由上游到中下游增大的趨勢(shì), 均方差則中游較上游和下游大,說(shuō)明中游地區(qū)淺層地下水樣的濃度分布范圍大, 差異特征明顯。中層地下水除 HCO3–、Cl–、F–、TDS(溶解性總固體)呈上升趨勢(shì)外, 其它組分差異不是特別明顯, 但是中層地下水所有組分的均方差則呈現(xiàn)出由上游到下游增大的趨勢(shì), 規(guī)律明顯。對(duì)深層地下水而言, 除TDS呈現(xiàn)有規(guī)律上升外, 其它組分無(wú)明顯規(guī)律。

3 地下水化學(xué)類(lèi)型

在研究區(qū)的上游, 淺層地下水多為HCO3–Ca·Mg型, 只有極個(gè)別點(diǎn)存在 HCO3·SO4-Ca·Mg型或者HCO3·NO3-Ca·Mg 型水。有一些 SO42–和 NO3–含量較高的點(diǎn), 多位于工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)周邊, 或者屬于農(nóng)用灌溉的淺井。中游地區(qū), 仍然以 HCO3-Ca·Mg型為主, 但開(kāi)始出現(xiàn)HCO3·Cl-Ca·Mg型水。到了下游, 淺層地下水中的 Na+、Cl–濃度顯著升高, HCO3·Cl-Ca·Mg 樣本數(shù)明顯增多, 而且許多井點(diǎn)表現(xiàn)為 HCO3·SO4-Ca·Mg型。

表1 第四系地下水含水層位劃分及采樣統(tǒng)計(jì)表Table 1 Classification of Quanertry aquifers and distribution of groundwater samples

圖2 潮白河沖洪積扇水文地質(zhì)剖面圖(剖面AA’見(jiàn)圖1)Fig.2 Hydrogeological section of Chaobai River alluvial-proluvial fan(see section AA’ in Fig.1)

表2 潮白河沖洪積扇地下水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of main chemical constituents of groundwater samples within Chaobai River alluvial-proluvial fan

中層地下水在上游基本仍以HCO3-Ca·Mg為主,個(gè)別點(diǎn) NO3–和 SO42–濃度升高。在中游地區(qū), 大部分中層地下水中的 Na+濃度升高, 開(kāi)始出現(xiàn)HCO3-Ca·Na·Mg 型。到了下游地區(qū), Na+和 Mg2+濃度快速升高, 許多水樣表現(xiàn)為HCO3-Na·Mg·Ca型和HCO3·SO4-Na·Ca·Mg 型(圖 3)。

對(duì)深層地下水而言, 在上游以 HCO3-Ca·Mg為主, 中 下 游 逐 漸 由 HCO3-Ca·Na·Mg 過(guò) 渡 到HCO3·SO4-Na·Ca·Mg 型。

從水樣分布的集中度來(lái)看, 絕大部分水樣分布在派珀三線(xiàn)圖中的5區(qū), 即碳酸鹽硬度超過(guò)50%的區(qū)域。無(wú)論淺層地下水, 還是中、深層地下水, 其上游水樣的集中度均好于中游地區(qū), 中游地區(qū)好于下游。在上游地區(qū), 單一的砂卵礫石層上下貫通,水動(dòng)力條件好, 水質(zhì)均一性好。下游地區(qū), 含水層轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬咏Y(jié)構(gòu), 水質(zhì)分異特征明顯。從分帶性來(lái)看, 在上游地下水蒸發(fā)微弱, 溶濾強(qiáng)烈, 礦化度低;隨著徑流, 到中游地區(qū), 蒸發(fā)逐漸加強(qiáng), 礦化度逐漸升高, 水中的 SO42–、Cl–和 Na+濃度逐漸增高, 這與水化學(xué)類(lèi)型演變具有很好的吻合性(王大純等,1995; Jeevanandam et al., 2007)。

圖3 潮白河沖洪積扇淺層地下水(a)、中層地下水(b)、深層地下水(c)派珀三線(xiàn)圖Fig.3 Piper plot of groundwater samples in shallow groundwater(a), middle groundwater(b), deep groundwater(c)of Chaobai River alluvial-proluvial fan

4 組分濃度與深度的關(guān)系

在前文所述的10種組分中, 我們選取TDS、硬度、Cl–、NO3–組分以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的pH和電導(dǎo)率進(jìn)行濃度與取樣深度關(guān)系分析, 并采用指數(shù)模型進(jìn)行了擬合(圖 4)?？梢钥闯? (1)無(wú)論是 TDS、硬度、Cl–,還是 NO3–, 其分布集中度呈現(xiàn)出上游好于中游, 中游好于下游。從圖形的縱向上看, 上游水樣的濃度分布范圍更窄, 中游分布范圍稍寬, 下游分布范圍則更廣; (2)濃度的分布特征是, 淺層水樣的濃度>中層水樣>深層水樣, 也就是說(shuō)在橫向上, 淺層的水樣更靠右一些; (3)超標(biāo)水樣大部分為中下游的淺層水樣和部分的中層水樣; (4)單純從統(tǒng)計(jì)意義上來(lái)看, 除pH外, 其余5項(xiàng)組分含量均與深度成反相關(guān)關(guān)系(郭高軒, 2009)。

圖4 潮白河水文地質(zhì)單元離子濃度與深度關(guān)系圖Fig.4 Relationship between main chemical constituents and sampling depths

水樣的 pH值反映出潮白河沖洪積扇地下水均屬于偏堿性水, 并且隨著深度的增大, 水樣的 pH值有增大的趨勢(shì)。地下水 EC則隨著井深的增大而減小, 這一點(diǎn)在上游的地下水樣中尤為明顯。沖洪積扇上游地下水主要接受大氣降水入滲和山區(qū)巖溶裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給, EC較低, 在450 μs/cm左右; 到了中游地帶, EC升高到500 μs/cm, 方差也隨之變大,說(shuō)明水樣的補(bǔ)給來(lái)源趨于復(fù)雜, 既有大氣降水, 又有地表水網(wǎng)的滲漏補(bǔ)給; 到了下游, EC的均值達(dá)到了900 μs/cm, 特別是淺層和部分中層水樣的EC最高, 這與遭受人為污染致使礦化度升高具有明顯的一致性。

5 討論與結(jié)論

相比地下水的動(dòng)力場(chǎng), 地下水化學(xué)場(chǎng)能夠更為直接的揭示其分布、蘊(yùn)藏與演化特征(Chan, 2001)。日益凸顯的地下水水質(zhì)惡化問(wèn)題引發(fā)了越來(lái)越多的關(guān)注和重視, 保護(hù)與防治工程的實(shí)施也必將引發(fā)更多的投入?；诘叵滤h(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)的地下水化學(xué)場(chǎng)的精細(xì)刻畫(huà)則是水資源保護(hù)、開(kāi)發(fā)利用以及污染防治等諸多工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵(郭高軒, 2012)。本文以典型的山前緩傾斜沖洪積平原——潮白河沖洪積扇為例, 基于系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù), 運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)和 GIS技術(shù)從地下水化學(xué)角度探討了第四系地下水在空間上的分層分帶特征。得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

1)地質(zhì)結(jié)構(gòu)上, 潮白河沖洪積扇含水介質(zhì)較好分層分帶特征。上—中游界線(xiàn)基本以單一的含水層為界, 大致沿廟城—龍王頭—馬坊—孝德村一線(xiàn)形成下凸形態(tài); 中—下游大致位于金盞—葛渠—翟里一線(xiàn), 分界線(xiàn)往南, 含水層更薄, 含水介質(zhì)顆粒更細(xì)。

2)潮白河沖洪積扇第四系地下水水化學(xué)分帶特征明顯。在沖洪積扇的上游, 各層水質(zhì)組分濃度相當(dāng), 方差小, 水化學(xué)類(lèi)型基本均為低礦化度的HCO3-Ca·Mg型水, 水質(zhì)均一性良好, 補(bǔ)給迅速、上下貫通, 水動(dòng)力條件較好。在沖洪積扇的中游, 水質(zhì)組分趨于復(fù)雜, SO42–和NO3–含量升高, 水的礦化度升高, 開(kāi)始出現(xiàn) HCO3-Ca·Na·Mg 型水, 各含水層的組分差別較大。隨著深度增大, 硬度和總礦化度減小, 各組分的方差也逐漸減小。下游地區(qū), 水質(zhì)分層特征更加明顯, 各組分含量差別更大, SO42–和Cl–進(jìn) 一 步 升 高, 開(kāi) 始 出 現(xiàn) HCO3·Cl-Ca·Mg 和HCO3·SO4-Ca·Mg 型水, 表現(xiàn)出多源輸入的特征。

3)地下水水化學(xué)場(chǎng)分層特征明顯。組分濃度與取樣深度關(guān)系分析表明, 各層水樣濃度差別較大。其中TDS、硬度、Cl–、NO3–、EC隨著深度增大呈減小趨勢(shì), pH則隨著深度增大而增大。測(cè)試組分濃度的分布范圍則有: 淺層水樣>中層水樣>深層水樣。從組分的絕對(duì)值來(lái)看, 仍然具有上述規(guī)律。含量較高的樣點(diǎn)和超標(biāo)點(diǎn)絕大多數(shù)為淺層水樣, 在中下游尤為突出, 是人為輸入增強(qiáng)的表征。

4)在沖洪積扇上游, 地下水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給, 溶濾作用為主, 水質(zhì)均一性好, 絕大多數(shù)為低礦化度的Ⅰ至Ⅲ類(lèi)水, 循環(huán)交替相對(duì)比較迅速。在沖洪積扇的中下游, 含水介質(zhì)顆粒變細(xì)、層數(shù)變多, 徑流速度變慢, 淺層蒸發(fā)強(qiáng)烈。河渠入滲、灌溉回滲等多源輸入補(bǔ)給。中深層除側(cè)向補(bǔ)給外增加了越流, 上部人類(lèi)聚集區(qū)的強(qiáng)烈活動(dòng)增加了“污染物”的輸入, 雙重因素導(dǎo)致地下水多數(shù)組分含量上升, 地下水Ⅳ、Ⅴ類(lèi)水增加, 質(zhì)量變差。

作為北京平原第二大沖洪積扇, 潮白河沖洪積扇上建有大大小小十余處重要的供水水源地。從地下水水化學(xué)角度闡明其所具有的分層分帶特征, 為下一步開(kāi)展分質(zhì)地下水資源評(píng)價(jià)、分層分帶有側(cè)重的地下水污染防控工程以及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水環(huán)境的影響研究等提供了科學(xué)參考。

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