趙 微,楊巧鳳,林 健,楊 慶,江 岳

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

北京平原區(qū)地下水承壓含水層組防污性能評價(jià)

趙 微,楊巧鳳,林 健,楊 慶,江 岳

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

防污性能研究是保護(hù)地下水環(huán)境工作的基礎(chǔ)，為加強(qiáng)對承壓含水層地下水資源的保護(hù)，本文分別對北京市平原區(qū)3個(gè)承壓含水層組的固有防污性能進(jìn)行評價(jià)。選取隔水層的巖性、厚度、連續(xù)性，含水層的巖性、分層狀況和相鄰含水層的水頭差等要素，構(gòu)建承壓含水層組防污性能評價(jià)指標(biāo)體系，采用評價(jià)指標(biāo)評分加權(quán)計(jì)算的方法，開展分層評價(jià)，最終將防污性能劃分為好、較好、中等、較差和極差5個(gè)等級。結(jié)果表明，由第一承壓水層向深層，防污性能逐漸增強(qiáng)；每個(gè)層組的防污性能均具有一定的區(qū)域分布性，整體來看，平谷區(qū)防污性能差，大興區(qū)和通州區(qū)防污性能好。

防污性能；承壓含水層組；分層評價(jià)；北京平原區(qū)

0 前言

近年來，由于城市化進(jìn)程的加快，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，許多地區(qū)出現(xiàn)了水位下降、地下水污染、地面沉降等地質(zhì)環(huán)境問題，對地下水資源的安全和可持續(xù)利用帶來了威脅和挑戰(zhàn)。目前地下水資源的保護(hù)和污染防控已引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，2013年北京市人民政府發(fā)布了“北京市地下水保護(hù)和污染防控行動(dòng)方案”，2015年國務(wù)院發(fā)布了《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，在地下水污染防控成為研究熱點(diǎn)的大環(huán)境下，作為世界上水資源最緊缺的特大型首都城市，有效防止和治理地下水污染的工作任重道遠(yuǎn)。

地下水占全市供水量的60%以上，是北京市的重要供水水源，即使南水北調(diào)水進(jìn)京后，地下水仍占全市供水量的50%左右（張壽全，2012），由于人類活動(dòng)的影響，北京地下水已出現(xiàn)由點(diǎn)向面、由城市向郊區(qū)、由淺層向深層、由無機(jī)向有機(jī)的污染趨勢。淺層地下水是深層地下水的主要補(bǔ)給來源，淺層地下水的污染將對深層地下水造成極大的威脅，目前北京市南部及中部的通州區(qū)、大興區(qū)和朝陽區(qū)的部分地區(qū)由于污水排放、歷史污灌等影響，淺層地下水污染嚴(yán)重，不得不開采深層承壓水滿足供水需求。由于承壓水具有更新速度慢，交替程度弱，自凈能力低等特點(diǎn)，一旦受到污染，修復(fù)難度較大（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，2014），因此加強(qiáng)對承壓水的保護(hù)已勢在必行。

地下水防污性能研究是保護(hù)地下水環(huán)境工作的基礎(chǔ)，研究成果可以為風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、環(huán)境保護(hù)區(qū)劃以及地下水污染防控提供依據(jù)，從而達(dá)到有效保護(hù)地下水資源的目的。近年來，孟素花、雷靜、劉春華等學(xué)者對國內(nèi)多個(gè)省市淺層地下水的防污性能開展了研究工作（孟素花，2011；雷靜等，2003；劉春華等，2014；李定龍,2013；狄效斌，2008；張翼龍等，2012），郭高軒、黃棟、王存政等對北京市平原區(qū)的淺層地下水防污性能進(jìn)行了評價(jià)（郭高軒，2014；黃棟，2009；王存政等，2014），但針對第四系承壓含水層組的研究工作較少，而承壓水是目前北京市的重要供水水源之一，是地下水的重點(diǎn)保護(hù)層位，因此開展承壓水層的防污性能研究工作至關(guān)重要。

目前國內(nèi)對承壓水層的研究相對較少，僅2006年武強(qiáng)對北大港油氣田區(qū)、2009年李貴明對項(xiàng)城、2010年孟憲萌對山東省濟(jì)寧市以及2014年韓德村對武漢市東西湖區(qū)進(jìn)行了承壓含水層的脆弱性評價(jià)。本文在綜合考慮北京市水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，分別對平原區(qū)不同承壓含水層組對上覆含水層組的防污性能進(jìn)行綜合評價(jià)，為地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、環(huán)境功能區(qū)的劃分及制定環(huán)境保護(hù)措施提供依據(jù)，為政府主管部門環(huán)境管理提供技術(shù)支撐。

1 地理概況

北京市位于華北平原的北部，毗鄰天津市和河北省，全市總面積16410.54km2，平原區(qū)面積約6528km2，地勢西北高東南低。

平原區(qū)第四系孔隙水主要賦存于由永定河、潮白河、溫榆河、大石河和泃河等河流沖、洪積作用形成的砂及砂卵礫石中，成層性較好。從沖洪積扇頂部至沖洪積平原，含水層結(jié)構(gòu)由單一層逐漸過渡到多層，地下水類型由潛水逐漸過渡為承壓水。

依據(jù)地層沉積規(guī)律、地下水含水層結(jié)構(gòu)、地下水開發(fā)利用狀況等，在垂向上將平原區(qū)第四系的含水層劃分為4個(gè)含水層組（趙微等，2012），由于淺層承壓水與上覆潛水之間隔水層不完全連續(xù)，水位埋深相差較小，水力聯(lián)系密切，因此將單一潛水區(qū)及含水層底板埋深小于50m的淺層承壓水區(qū)合并定名為第一含水層組；第二至第四層組含水層底板埋深分別為80～120m、150～180m和300m左右，為承壓含水層組，分別定名為第一承壓含水層組，第二承壓含水層組和第三承壓含水層組。

2 評價(jià)方法及指標(biāo)選取

地下水防污性能（脆弱性）概念是Margat于1968年首次提出，但當(dāng)時(shí)并沒有對其做進(jìn)一步的解釋，目前應(yīng)用較廣的是1993年美國國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)提出的定義：地下水脆弱性是污染物到達(dá)最上層含水層某特定位置的傾向性與可能性。分為本質(zhì)脆弱性和特殊脆弱性，其中本質(zhì)脆弱性指不考慮特定的人類活動(dòng)和污染物分布，只考慮含水層內(nèi)部水文地質(zhì)因素對污染的易損性；特殊脆弱性指地下含水層對某一特定污染源或人類活動(dòng)的脆弱性（Gogu R C et al，2000；National Research Council，1993；鐘佐燊，2005）。

根據(jù)定義及研究對象，本次地下水防污性能評價(jià)研究的是污染物到達(dá)特定承壓水層特定位置的傾向性與可能性，即本質(zhì)脆弱性（也稱固有防污性能），只考慮自然地質(zhì)因素引起含水層污染的易損性。由于地表污染物到達(dá)承壓水的可能性遠(yuǎn)小于潛水或淺層承壓水，因此本文主要是將上一層的地下水作為潛在污染源，研究其下覆的含水層組對其的防護(hù)能力。

2.1 評價(jià)方法的選取

地下水防污性能的評價(jià)方法較多，包括迭置指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法、過程數(shù)值模擬法和統(tǒng)計(jì)方法等，前兩種方法適用于固有防污性能評價(jià)，后兩種方法適用于特殊防污性能評價(jià)（李月興等，2013；張昕等，2010；楊旭東等，2006；姜桂華，2002）。

迭置指數(shù)法主要是通過對選取的評價(jià)指標(biāo)賦予相應(yīng)的分指數(shù)，之后進(jìn)行迭加，根據(jù)迭加得到的綜合指數(shù)進(jìn)行評價(jià)，得到的結(jié)果為定性或半定量的。該方法適用于較大范圍地下水的固有脆弱性或固有與特殊脆弱性相結(jié)合的評價(jià)，又分為水文地質(zhì)背景參數(shù)法和參數(shù)系統(tǒng)法（姜桂華，2002），其中參數(shù)系統(tǒng)法應(yīng)用最廣，包括Drastic、PI、GOD法等。

模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法是首先確定評價(jià)因子及分級標(biāo)準(zhǔn)，之后對因子賦以相應(yīng)權(quán)重，再通過單因子模糊評判和模糊綜合評判來分析地下水的脆弱程度。目前，國內(nèi)楊彥（2013）、周金龍（2004）、孟素花（2011）等學(xué)者采用模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法或模糊數(shù)學(xué)與其他方法相結(jié)合的評價(jià)方法對常州和華北平原等地區(qū)的防污性能進(jìn)行了評價(jià)。

兩種方法對比，迭置指數(shù)法的指標(biāo)數(shù)據(jù)比較容易獲得，方法簡單并易于掌握。由于首次在北京地區(qū)開展承壓含水層組的防污性能研究，數(shù)據(jù)資料和研究程度有限，因此本次選取應(yīng)用最廣泛的疊置指數(shù)法進(jìn)行評價(jià)，參照Drastic評價(jià)方法和思路確定評價(jià)指標(biāo)、評分體系，再根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重疊加計(jì)算綜合指數(shù)，確定防污性能評價(jià)結(jié)果，綜合指數(shù)值越大，防污性能越差，地下水越易被污染，反之亦然。

式中：A為指標(biāo)評分，W為指標(biāo)權(quán)重。

2.2 評價(jià)指標(biāo)的選取

（1）影響因素

由于人工開采承壓水導(dǎo)致水頭下降，誘發(fā)淺層含水層中遭受污染的地下水通過天然天窗或因?yàn)榛鞂娱_采、成井工藝差、止水效果不好等導(dǎo)致的人為天窗進(jìn)入承壓水層，造成地下水污染。因此，承壓含水層的脆弱性取決于自身的屬性、隔水層屬性、地下水動(dòng)力條件以及人類活動(dòng)對含水層的影響。

（2）指標(biāo)選取

根據(jù)承壓含水層防污性能的影響因素進(jìn)行指標(biāo)的選取和體系構(gòu)建，指標(biāo)體系的選取需遵循3個(gè)原則，首先應(yīng)盡可能全面反映研究區(qū)的自然因素與人為因素對防污性能的影響，避免指標(biāo)重合；其次評價(jià)指標(biāo)須具有代表性；再次需考慮各指標(biāo)質(zhì)量等級量化及數(shù)據(jù)采集的難易程度和可靠性，以保證指標(biāo)的真實(shí)性和可操作性（韓德村等，2014）。

目前對承壓含水層的脆弱性評價(jià)較少，因此指標(biāo)的選取主要是在參考借鑒其他學(xué)者成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合承壓水的自身及人為影響因素進(jìn)行確定。

綜合來看，承壓含水層防污性能評價(jià)選取的指標(biāo)主要是反映隔水層和含水層等屬性指標(biāo)以及人為影響指標(biāo)，其中個(gè)別指標(biāo)雖有所不同，但有一定的相關(guān)性，如導(dǎo)水系數(shù)與含水層巖性指標(biāo)；潛水與承壓水水頭差和承壓水開采強(qiáng)度指標(biāo)。

根據(jù)本次的研究對象，反映隔水層屬性的指標(biāo)主要是選取隔水層巖性、厚度、連續(xù)性，這幾個(gè)因子主要考慮污染潛水向下越流問題，隔水層不連續(xù)，污染潛水很容易通過天窗越流進(jìn)入承壓含水層，隔水層顆粒粗或厚度小，污染潛水就比較容易越流進(jìn)入承壓含水層；含水層屬性指標(biāo)選取含水層巖性，通常含水層介質(zhì)的顆粒越大，滲透性越強(qiáng)，防污性能差；反映人為影響指標(biāo)選取相鄰含水層的水頭差，其體現(xiàn)的是人類開采地下水的強(qiáng)度，差值的大小反映了污染物進(jìn)入承壓含水層驅(qū)動(dòng)力的大小，差值越大，污染遷移可能性越大，防污性能越差。

另外由于各承壓含水層組均是由多個(gè)含水層組成，層數(shù)多少對于防污性能存在一定影響，層數(shù)越多，說明隔水層越多，污染物向下遷移能力越弱，防污性能越強(qiáng)，因此本次評價(jià)時(shí)增加含水層層數(shù)指標(biāo)（圖1）。

表1 評價(jià)指標(biāo)及其分級表Tab.1 Ranges and ratings of evaluation features

圖1 防污性能評價(jià)指標(biāo)體系圖Fig. 1 Index system of antifouling property

2.3 評價(jià)指標(biāo)的量化分級

地下水防污性能指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)主要是通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解不同指標(biāo)對地下水防污性能的影響程度，針對研究區(qū)現(xiàn)狀初步確定評價(jià)指標(biāo)分級及其特征值，之后向水文地質(zhì)專家進(jìn)行咨詢和論證，根據(jù)對地下水防污性能影響的大小確定各評價(jià)指標(biāo)特征值，分值越高，影響越大，防污性能越差（表1）。

2.4 評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定

參照DRASTIC方法中權(quán)重的確定原則，并咨詢部分水文地質(zhì)專業(yè)的專家，經(jīng)綜合匯總確定每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重（表2）。

表2 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重Tab.2 Assigned weights of evaluation features

3 分層防污性能評價(jià)

在各單指標(biāo)評價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上，應(yīng)用MAPGIS的空間分析功能，對各指標(biāo)對應(yīng)的評分圖按相應(yīng)權(quán)重進(jìn)行疊加分析，參照公式（1）對各評價(jià)指標(biāo)評分值進(jìn)行線性加權(quán)求和計(jì)算，得到各含水層組的綜合評價(jià)分區(qū)圖。綜合指數(shù)的理論值為29～145，為了便于不同承壓水含水層組防污性能對比，將地下水防污性能統(tǒng)一劃分為5個(gè)區(qū)（表3）。

表3 防污性能分區(qū)表Tab.3 Partition table of antifouling property

3.1 第一承壓含水層組評價(jià)結(jié)果

第一承壓含水層組防污性能主要以中等和較差類別為主（圖2和表4）。

圖2 第一承壓含水層組防污性能分區(qū)圖Fig. 2 Zone map of the fi rst conf i ned aquifer antifouling property

表4 第一承壓含水層組防污性能分區(qū)統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Partition table of the fi rst conf i ned aquifer antifouling property

防污性能好和較好區(qū)分布范圍較小，其中防污性能好區(qū)僅分布在海淀山后的小部分地區(qū)，約占評價(jià)區(qū)的0.33%。較好區(qū)占評價(jià)區(qū)的23.9%，主要分布在大興東部、順義北部、昌平中部、海淀北部和延慶西南部；其中大興東部地區(qū)主要是由于含水層組顆粒細(xì)、層數(shù)多，水頭差??；昌平中部、海淀北部和延慶西南部地區(qū)主要是由于隔水層厚度大，水頭差小；順義北部地區(qū)主要是由于水頭差小。

防污性能中等區(qū)的分布范圍最大，占評價(jià)區(qū)的40.84%，主要分布在通州大部、大興西部、順義東部和昌平東部等地區(qū)。

防污性能較差區(qū)占評價(jià)區(qū)的24.57%，主要分布在城區(qū)、房山、朝陽西北、通州北部、平谷和順義的部分地區(qū)；防污性能差區(qū)分布范圍較小，占評價(jià)區(qū)的10.36%，主要分布在朝陽南部、順義西南和平谷北部等部分地區(qū)。城近郊區(qū)、房山、順義和平谷的大部分地區(qū)防污性能差或較差，其中城近郊區(qū)和房山地區(qū)主要是由于隔水層厚度小、含水層層數(shù)少、巖性顆粒粗；順義西部和通州北部主要是由于與上覆含水層水頭差大；平谷和順義東部主要是由于隔水層厚度小、水頭差大及含水層顆粒粗、層數(shù)少。

3.2 第二承壓含水層組評價(jià)結(jié)果

第二承壓含水層組防污性能以好和較好為主（圖3和表5）。

圖3 第二承壓含水層組防污性能分區(qū)圖Fig.3 Zone map of the second conf i ned aquifer antifouling property

表5 第二承壓含水層組地下水防污性能分區(qū)統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Partition table of the second conf i ned aquifer antifouling property

防污性能好區(qū)占評價(jià)區(qū)的35.9%，主要分布在大興、延慶、昌平西南部和通州西南部，主要受隔水層厚度大、水頭差小等影響。

防污性能較好區(qū)占評價(jià)區(qū)的30.56%，主要分布在昌平東部、順義大部、朝陽中部，其中昌平東部地區(qū)主要是由于相鄰含水層水頭差??；順義大部分地區(qū)主要是由于隔水層厚度大、水頭差??；朝陽中部地區(qū)主要是由于隔水層厚度大。

防污性能中等區(qū)占評價(jià)區(qū)的20.75%，主要分布在通州東部、順義中北部和中南部及海淀西南部和朝陽的部分地區(qū)。

防污性能較差區(qū)分布范圍較小，占評價(jià)區(qū)的10.41%，主要分布在平谷、通州北部和東南部；防污性能差區(qū)分布范圍最小，僅占評價(jià)區(qū)的2.38%，分布在通州北部地區(qū)，其中平谷地區(qū)防污性能差總體較差，主要是由于隔水層厚度小、含水層巖性顆粒粗、層數(shù)少；通州地區(qū)防污性能較差和差主要是由于隔水層厚度小、水頭差大。

3.3 第三承壓含水層組評價(jià)結(jié)果

第三承壓含水層組防污性能以好為主（圖4和表6）。

圖4 第三承壓含水層組防污性能分區(qū)圖Fig. 4 Zone map of the third conf i ned aquifer antifouling property

表6 第三承壓含水層組地下水防污性能分區(qū)統(tǒng)計(jì)表Tab.6 Partition table of the third conf i ned aquifer antifouling property

防污性能好的地區(qū)占評價(jià)區(qū)的51.76%，主要分布在延慶、大興、通州南部、順義西南部、昌平東北部和朝陽東部的部分地區(qū)，影響因素主要是由于隔水層厚度大，水頭差小。

防污性能較好的地區(qū)占評價(jià)區(qū)的18.25%，主要分布在昌平、朝陽和通州的部分地區(qū)。

防污性能中等的地區(qū)占評價(jià)區(qū)的21.78%，主要分布在通州中部、朝陽和海淀的部分地區(qū)。

防污性能差的地區(qū)占評價(jià)區(qū)的3.91%，主要分布在通州和順義的小部分地區(qū)，影響因素主要是隔水層厚度；防污性能差的地區(qū)占評價(jià)區(qū)的4.30%，主要分布在平谷，影響因素包括隔水層厚度小，含水層巖性粗、層數(shù)少以及水頭差小。

4 結(jié)論

（1）本文參照Drastic評價(jià)方法和思路確定評價(jià)指標(biāo)、評分體系。選取隔水層厚度、巖性、連續(xù)性、含水層巖性、分層狀況及相鄰含水層水頭差等指標(biāo)，才確定各指標(biāo)權(quán)重和評分的基礎(chǔ)上，采用疊置指數(shù)法對防污性能進(jìn)行評價(jià)，初步查明了北京市平原區(qū)地下水承壓含水層組的防污性能。

（2）從總體來說，平谷區(qū)由于隔水層厚度小，總體防污性能最差；大興區(qū)、通州區(qū)南部等地區(qū)由于含水層層數(shù)多、隔水層厚度大等原因防污性能較好；由第一承壓層組向深層，防污性能總體呈現(xiàn)變好的趨勢。

目前國內(nèi)對地下水承壓水層的防污性能研究工作開展較少，本次針對北京市平原區(qū)的承壓水層開展分層評價(jià)尚屬首次嘗試，其評價(jià)結(jié)果受評價(jià)方法、評價(jià)指標(biāo)的選取及收集數(shù)據(jù)資料的完整性影響，有待完善的空間，本文僅拋磚引玉，供其他學(xué)者借鑒。

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Antifouling Property Evaluation of Conf i ned Aquifer Group in Beijing Plain

ZHAO Wei, YANG Qiaofeng, LIN Jian,YANG Qing, JIANG Yue

(Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195)

Antifouling property research is the basis to protect groundwater environments. To strengthen to protect the confined aquifer groundwater resources, the inherent antifouling property of the three groups of confined aquifers in Beijing plain was evaluated separately in the paper. We selected several features such as aquifuge lithology, thickness, continuity, and aquifer lithology, stratification, and hydraulic head difference of adjacent aquifers, constructing conf i ned aquifer group antifouling property evaluation system, and used weighted evaluation score calculation to carry out stratified evaluation. Eventually antifouling property is divided into five levels.The results indicate that from the shallow conf i ned aquifer to the deep, antifouling property gradually increased.Antifouling property of each layer shows some regional distribution. Overall, poor antifouling property is located in Pinggu district and good antifouling property in Daxing and Tongzhou districts.

Antifouling property; Conf i ned aquifer group; Stratif i ed evaluation; Beijing plain

A

1007-1903（2017）03-0064-07

北京市財(cái)政專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（PXM2015_158305_000010），北京市環(huán)境保護(hù)局綜合研究項(xiàng)目（HCZB-2012-BJ1188）

趙 微(1979- )，女，碩士，高工，主要研究方向?yàn)榈叵滤h(huán)境監(jiān)測與評價(jià)。E-mail:zhaoweimsb@163.com