劉元章　吳芮欣　王旭　王樹芳　王麗亞　崔一嬌　郭彬彬　孫趙爽　杜璇

摘 要：選擇受人類活動(dòng)影響較小的北京山區(qū)基巖水（包括泉水）和北京平原區(qū)隱伏基巖水進(jìn)行取樣測試，分析水質(zhì)的影響因素及其分布演化規(guī)律。分析結(jié)果：一是地層巖性對(duì)水質(zhì)起到一定的控制作用，不同巖性介質(zhì)中的水質(zhì)會(huì)有不同特點(diǎn);二是運(yùn)移時(shí)間長短的不同，會(huì)影響水質(zhì)特點(diǎn);三是人類活動(dòng)對(duì)地下水的原始狀況產(chǎn)生了較大的影響。故背景值的選取應(yīng)盡量避開地層巖性、運(yùn)移時(shí)間、人類活動(dòng)的影響。基于上述認(rèn)識(shí)，提出了本區(qū)地下水背景值選取的3種方案并進(jìn)行了對(duì)比探討，包括：（1）工業(yè)化之前的大氣降水;（2）工業(yè)化之前的地下水;（3）當(dāng)前水質(zhì)最好的地下水。經(jīng)綜合分析研判，基于極限推理的方法，認(rèn)為可參照工業(yè)化之前的大氣降水水質(zhì)濃度值作為地下水環(huán)境背景值，這在原理上更加符合背景值的含義，同時(shí)便于不同巖性區(qū)（包括第四系）統(tǒng)一對(duì)比，方便使用。通過資料收集，初步給出了一套可作為北京地區(qū)地下水環(huán)境背景值的主要離子濃度值，同時(shí)在有機(jī)指標(biāo)方面也進(jìn)行了分析探討。

關(guān)鍵詞：地下水;環(huán)境背景值;山區(qū)基巖水;隱伏基巖水;北京地區(qū)

中圖分類號(hào)：P641? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1007-1903（2019）04-0010-07

Abstract： This study takes Beijing as the study area， and the bedrock water （including spring water） in the mountainous area of Beijing and the hidden bedrock water in the plain area of Beijing were sampled and tested， and the influencing factors and distribution and evolution law of water quality were analyzed. The results are as follows： firstly， the lithology of strata plays a dominant role for the water quality， water in different rocks will have different characteristics; secondly， different migration time will affect water quality characteristics; thirdly， human activities have a greater impact on the original condition of groundwater. Therefore， when we select the background values， the above three effects including lithology， migration time， and human activities should be avoided as far as possible. Based on the above understandings， three selection schemes of groundwater background values in this area are proposed and compared， including： （1） Precipitation before industrialization; （2） Groundwater before industrialization; （3） Groundwater with the best water quality at present. Through comprehensive analysis and comparison， based on the method of limit reasoning， it is considered that the atmospheric precipitation water quality before industrialization can be selected as the background value of groundwater quality， which is more in line with the meaning of background values in principle， and is convenient for the unified comparison of different lithologic zones （including Quaternary） and easy to be used. Through data collection， a set of main ion concentration values that can be used as background values of groundwater environment in Beijing area are preliminarily proposed， also the organic indexes are analyzed and discussed.

Keywords： Groundwater; Environmental background value; Bedrock water in mountainous area; Beijing area

0 引言

地下水環(huán)境背景值是地下水質(zhì)量評(píng)判和污染程度評(píng)價(jià)的重要標(biāo)尺。當(dāng)前隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，地下水環(huán)境不斷惡化。但要具體定量化描述地下水污染的程度，必須要基于一定的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上才能判定污染的程度及范圍，并提出相應(yīng)的治理措施。1975年，美國人康納率先提出了環(huán)境背景值的概念（中國環(huán)境保護(hù)總站，1990）。地下水環(huán)境背景值又稱為地下水環(huán)境本底值，是地下水中各個(gè)化學(xué)組分在未受污染的情況下的自然含量（耿婷婷等，2018）。隨著對(duì)地下水污染問題的日益重視，關(guān)于地下水環(huán)境背景值的研究也紛紛展開。Mike Edmunds和Paul Shand（2008）出版了《天然地下水水質(zhì)》（Natural Groundwater Quality），對(duì)12個(gè)國家25個(gè)含水層進(jìn)行了背景值實(shí)例研究，是含水層天然水質(zhì)背景值的重要參考資料（龐忠和，2009）。

由于普遍存在缺乏歷史資料的問題，我國當(dāng)前已有的相關(guān)研究中背景值的選取主要有3種方法（郭高軒等，2010）：（1）類比法：選取與工作區(qū)自然條件相似的、沒有污染或污染相對(duì)較輕的鄰區(qū)作為對(duì)照區(qū)，以其地下水質(zhì)作為背景值。也可取污染較輕的深層地下水作為背景值;（2）歷時(shí)曲線法：在收集長序列水質(zhì)資料基礎(chǔ)上，研究其演化過程，當(dāng)?shù)叵滤心骋换蚰承┙M分濃度出現(xiàn)階躍性變化時(shí)，說明地下水環(huán)境發(fā)生了較大的變化，以變化前的水質(zhì)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)作為背景值;（3）數(shù)理統(tǒng)計(jì)法：是目前應(yīng)用最多的方法。通過取樣測試后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，首先對(duì)樣本數(shù)據(jù)的分布類型進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除異常值，然后根據(jù)不同的分布類型來選用不同的背景值取值方法。如組分濃度服從正態(tài)分布時(shí)，可取其算術(shù)平均值（夏晨等，2006），也可選均值±S或±2S（標(biāo)準(zhǔn)差）作為上下限（羅格平，1990;樊麗芳等，2004;宇慶華等，1991;齊萬秋等，1994;高迪等，2006）;當(dāng)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)，取幾何平均值;當(dāng)服從偏態(tài)分布時(shí)，則取累計(jì)頻率為50%處的濃度值（齊萬秋等，1994）。

由于當(dāng)前的某次取樣并不能反應(yīng)工業(yè)化之前的較為天然狀態(tài)下的真實(shí)狀況，故以往的研究在原理上均存在一定的偏差。本次研究在進(jìn)一步分析探討地下水質(zhì)演化規(guī)律的基礎(chǔ)上，盡量收集早期歷史水質(zhì)資料，力爭給出更加符合原理、更加逼近天然狀態(tài)下的背景值標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在有機(jī)指標(biāo)方面也進(jìn)行了一定的探討。

1 區(qū)域概況

北京地形西北高，東南低。西部為太行山脈，北部為燕山山脈，東南是一緩傾平原，主要由永定河和潮白河沖洪積扇組成。平原面積約占全市的39%，山地面積占61%。北京地區(qū)屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫11.7℃;年降水量在300～800mm之間，多集中在6—9月（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等，2018）。

北京地區(qū)屬于華北地層分區(qū)，除普遍缺失震旦系、奧陶系上統(tǒng)、志留系、泥盆系、石炭系下統(tǒng)、白堊系上統(tǒng)及新近系古新統(tǒng)外，從太古界古老變質(zhì)巖到第四系均有分布。侵入巖主要分布在昌平、延慶、懷柔、密云等縣及西山地區(qū)，平原區(qū)也有一定分布（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，1991）。

2 取樣測試

本次主要對(duì)受人類活動(dòng)影響較小的北京山區(qū)基巖水（包括泉水）和北京平原區(qū)隱伏基巖水進(jìn)行取樣測試，共計(jì)260件。取樣點(diǎn)分布如圖1所示。

檢測無機(jī)指標(biāo)包括一般全分析和特殊指標(biāo)，共39項(xiàng);檢測有機(jī)物種類為鹵代烴、單環(huán)芳烴、氯代苯、多環(huán)芳烴、有機(jī)氯農(nóng)藥5類，共計(jì)39項(xiàng)指標(biāo)。水樣參照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》（GB/T 5750-2006）進(jìn)行分析測試。本次主要依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-2017）對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行了分析研究。

3 水質(zhì)分布規(guī)律分析

本研究對(duì)所有水樣的取水層位進(jìn)行了細(xì)致界定，對(duì)由于封井結(jié)構(gòu)不了解等原因而層位不清的水樣進(jìn)行了剔除;同時(shí)為避免不同巖層之間地下水由于徑流而相互混合，盡量選取位于流域頂端的水井樣進(jìn)行分析。通過對(duì)各層組的水樣測試數(shù)據(jù)的分析，大致得出以下3條規(guī)律：

（1）地層巖性不同，對(duì)水質(zhì)起到一定的控制作用。

如太古界變質(zhì)巖和花崗巖可溶成分較少，故其中的地下水硬度相對(duì)較小;灰?guī)r類地層中，如長城系、薊縣系、寒武系及奧陶系，巖層可溶性鈣鎂成分相對(duì)較多，水質(zhì)類型多為HCO3 -Ca·Mg型，pH值稍高，呈堿性，電導(dǎo)率較高;侏羅系及白堊系部分火山沉積巖中的可溶成分相對(duì)較少，故硬度也較小;白堊系為陸相沉積巖，由于成巖歷史較短，可溶性成分較多，水質(zhì)成分較為復(fù)雜，電導(dǎo)率較高。另外，如果地層中含有煤層，則SO、Fe3+、Mn離子濃度往往會(huì)很高，并且具有較低的pH值;如經(jīng)過硫磺礦，則水質(zhì)會(huì)受到更大的影響，如昌平禾子澗井，硬度達(dá)1170mg/L，SO濃度達(dá)1010mg/L，而該村另一未經(jīng)硫磺礦影響的井水質(zhì)良好?？梢?，所屬基巖介質(zhì)的成分特點(diǎn)對(duì)其中地下水的水質(zhì)有著明顯的控制作用。

（2）運(yùn)移時(shí)間長短的不同，也會(huì)影響水質(zhì)的特點(diǎn)。

降水開始進(jìn)入地層后，在運(yùn)移過程中會(huì)和地層產(chǎn)生不斷地可溶成分的溶入、離子交換及吸附等過程，運(yùn)移時(shí)間越長，進(jìn)入其中的離子成分就會(huì)越多。這一特點(diǎn)從泉水樣和隱伏基巖樣、地?zé)崴畼拥膶?duì)比中可以發(fā)現(xiàn)。

泉水多屬于淺表性循環(huán)過程，運(yùn)移時(shí)間較短;而隱伏基巖水運(yùn)移時(shí)間一般相對(duì)較長。本次所取14個(gè)泉水樣的平均硬度值為250mg/L，而所取的16個(gè)隱伏基巖水的平均硬度值為380mg/L，大致反應(yīng)出這一特征。地?zé)峋乃|(zhì)明顯不同于其他井水，也反映出這一特點(diǎn)。

（3）人類活動(dòng)對(duì)地下水的原始狀況產(chǎn)生了較大的影響。

如淺表的泉水和變質(zhì)巖及花崗巖風(fēng)化層中的地下水，由于其風(fēng)化層一般較薄，地下水埋藏較淺，較容易受到大氣污染物及其他人類活動(dòng)的污染，使得SO、Cl-濃度容易出現(xiàn)較高的現(xiàn)象。奧陶系巖溶裂隙發(fā)育，貫通性較好，水質(zhì)也易受外界干擾，變化較大。

4 背景值選取方案探討

4.1 無機(jī)指標(biāo)部分

通過上述分析，大氣降水開始進(jìn)入地層后，便開始朝著不同的方向發(fā)生演化，由于基巖介質(zhì)的不同，及運(yùn)移時(shí)間長短的不同，水質(zhì)便會(huì)不同。另外，后期的人類活動(dòng)也會(huì)大大改變地下水的原始狀況。因此，要選取背景值，應(yīng)當(dāng)盡量選取避開這3種影響的、初始狀態(tài)的水，則可有以下3種選擇。

（1）工業(yè)化之前的大氣降水

從上述分析可知，大氣降水一旦進(jìn)入到地下，由于介質(zhì)的不同便會(huì)發(fā)生不同的離子交換、吸附等的物理化學(xué)過程，而產(chǎn)生出不同的水質(zhì)。不同區(qū)域的地下水只有降水剛進(jìn)入到地下時(shí)的初始狀態(tài)的水質(zhì)狀況是相同的。因此，可將未受污染的天然狀態(tài)下的大氣降水的水質(zhì)情況作為背景值，以對(duì)不同演化方向的地下水的變化情況作出評(píng)價(jià)。

本次收集到1973年開始對(duì)北京地區(qū)大氣降水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測研究的資料，該研究共取樣10余次，采集樣點(diǎn)41個(gè)，分析項(xiàng)目共計(jì)28項(xiàng)（王健民，1979）。

我國的工業(yè)化開始較晚，到1973年時(shí)對(duì)大氣的污染相對(duì)較輕。因此，該數(shù)據(jù)可作為本區(qū)大氣降水水質(zhì)的本底值，同時(shí)也可作為本區(qū)地下水開始演化時(shí)的參照值。主要陰陽離子的平均值如表1所示。

（2）工業(yè)化之前的地下水

工業(yè)化之前的地下水水質(zhì)處于一種較為天然的狀態(tài)，受人類活動(dòng)的影響相對(duì)較小，故也可作為背景值來加以對(duì)比參照。

花崗巖類和侏羅系中的可溶解成分相對(duì)最少;加上其風(fēng)化層相對(duì)較薄，泉水的循環(huán)交替時(shí)間相對(duì)較短，故其中泉水的離子濃度相對(duì)較低，水質(zhì)特點(diǎn)最為接近大氣降水的成分。本次收集到臥佛寺泉（侏羅系九龍山組，J2j）的歷史水質(zhì)資料（1955.12）（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，1955），主要指標(biāo)如表2所示。

（3）當(dāng)前水質(zhì)最好的地下水

本次所取樣品中，水質(zhì)相對(duì)最好的是延慶區(qū)張山營鎮(zhèn)西大莊科村泉水，該泉位于偏遠(yuǎn)的西北部山區(qū)，巖性為花崗巖，基巖的可溶成分較少，污染相對(duì)較輕，且位于流域的頂端，未受徑流的干擾，總硬度69.4mg/L，電導(dǎo)率為140.5μS/cm，均為本次樣品中的最低，水質(zhì)相對(duì)最好。因此也可近似作為本區(qū)地下水水質(zhì)的背景值備選方案（表3）。

通過對(duì)以上3種水質(zhì)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，認(rèn)為可參照20世紀(jì)70年代大氣降水的平均水質(zhì)濃度值作為背景值，因?yàn)槠溆捕茸钚?，離子濃度較低，同時(shí)在原理上也更加合理，上述3種影響的程度也最低。在缺失歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)的前提下，是相對(duì)較為理想的背景值的一組參考值。

4.2 有機(jī)指標(biāo)部分

本次檢測有機(jī)物種類為鹵代烴（15項(xiàng)）、單環(huán)芳烴（5項(xiàng)）、氯代苯（5項(xiàng)）、多環(huán)芳烴（1項(xiàng)）、有機(jī)氯農(nóng)藥（11項(xiàng)）共5類，共計(jì)39項(xiàng)指標(biāo)。

本次所取樣品中，有機(jī)檢測項(xiàng)中，共有3類5項(xiàng)指標(biāo)在部分樣品中有檢出，主要包括：（1）鹵代烴中的三氯甲烷（44件）、二氯甲烷（18件）、溴二氯甲烷（1件）、三氯乙烯（1件）;（2）單環(huán)芳烴中的甲苯（3件）;（3）多環(huán)芳烴中的苯并芘（2件）。其中鹵代烴類的檢出最多，共64件，占比92.8%。參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-2017）各檢出項(xiàng)均只是檢出，有機(jī)指標(biāo)部分均滿足Ⅲ類地下水標(biāo)準(zhǔn)。

大氣中的有機(jī)物大部分都是化工生產(chǎn)的產(chǎn)物，但也有少量自然來源。如鹵代烴類絕大多數(shù)由人為產(chǎn)生，少量來源于自然排放（向武等，2003）;相關(guān)研究表明，生物作用會(huì)產(chǎn)生三氯甲烷（Haselmann，2003），天然成因的森林大火能產(chǎn)生氯甲烷和二氯甲烷等（向武等，2003）;苯、甲苯自然條件中不僅化石燃料的自燃可以產(chǎn)生，森林山火也可產(chǎn)生（白建輝等，2005）。科學(xué)家們通過對(duì)冰心空氣成分的研究，來推測工業(yè)革命以來大氣中各種鹵代烴類化合物的濃度變化。結(jié)果表明，人為來源占主要部分，自然源可忽略不計(jì)（Butler et al，1999;Sturges et al， 2001;Sturrock et al， 2002;Prinn et al， 2000），更深層古老冰心中觀測到的CCl4濃度僅為5ppt;但也有天然源較強(qiáng)者，CH3Cl的濃度比現(xiàn)在大氣中僅少10%～30%（張芳，2006）。

由于缺乏降水水質(zhì)有機(jī)測試的歷史資料，對(duì)于有機(jī)指標(biāo)部分，可選取當(dāng)前水質(zhì)最好的地下水作為背景值。本次所取260個(gè)水樣中，水質(zhì)最好的為花崗巖類中的地下水，電導(dǎo)率和TDS均較低。本次花崗巖類9個(gè)地下水樣中，有機(jī)指標(biāo)檢測項(xiàng)均未有檢出。因此，可初步選定本次39項(xiàng)有機(jī)檢測項(xiàng)的地下水環(huán)境背景值均為不得檢出。

5 討論

為給出北京地區(qū)地下水質(zhì)的監(jiān)測與評(píng)價(jià)的參照標(biāo)準(zhǔn)，本次研究重點(diǎn)對(duì)受人類活動(dòng)影響較小的北京山區(qū)基巖水（包括泉水）和北京平原區(qū)隱伏基巖水進(jìn)行了取樣測試，對(duì)取水巖層層位進(jìn)行了嚴(yán)格的界定，盡量選取流域頂端、受人類活動(dòng)影響較小地區(qū)的水樣進(jìn)行測試分析。在對(duì)水質(zhì)的分布演化規(guī)律進(jìn)行了研究的基礎(chǔ)上，對(duì)本區(qū)地下水環(huán)境背景值選取方案進(jìn)行了一定的探討。

經(jīng)對(duì)本次取樣數(shù)據(jù)的分析，初步得出影響水質(zhì)演化的3個(gè)方面的主要影響因素，因此在選取背景值時(shí)就應(yīng)當(dāng)盡量避開上述3種影響，或者使3種影響程度達(dá)到最低。

基于極限推理的思想，認(rèn)為在無法獲取原始地下水水化學(xué)數(shù)據(jù)的情況下，可參照工業(yè)化之前雨水成分的濃度值，因?yàn)橛晁鳛椤叭鞭D(zhuǎn)化的起點(diǎn)，是所有地下水循環(huán)的開始，雨水一旦進(jìn)入地下后便開始不同的水巖作用而沿不同的方向加以演化。雨水的各項(xiàng)指標(biāo)濃度均較低，作為一個(gè)反推的極限值，具有一定的合理性的。這在原理上也較符合背景值的含義，同時(shí)便于不同巖性區(qū)（包括第四系）的統(tǒng)一對(duì)比，方便今后使用。

隨著今后對(duì)監(jiān)測工作的推進(jìn)，可選取水文地質(zhì)條件相對(duì)簡單獨(dú)立、有代表性的巖溶水子系統(tǒng)或基巖裂隙水子系統(tǒng)，從流域頂端到下游，對(duì)不同巖性含水層中地下水的演化規(guī)律加以研究，爭取提出不同巖性條件下的背景值。

6 結(jié)論

（1）通過對(duì)受人類活動(dòng)影響較小的北京山區(qū)基巖水（包括泉水）和平原區(qū)隱伏基巖水取樣測試分析，發(fā)現(xiàn)影響基巖水質(zhì)演化的主要因素大致有3個(gè)：一是地層巖性;二是運(yùn)移時(shí)間;三是人類活動(dòng)。故選取背景值時(shí)應(yīng)盡量使這3種影響達(dá)到最小。

（2）基于上述認(rèn)識(shí)，提出了3種背景值選取方案：工業(yè)化之前的大氣降水;工業(yè)化之前的地下水;以及當(dāng)前水質(zhì)最好的地下水。并進(jìn)行了對(duì)比探討，依據(jù)極限推理的方法，認(rèn)為可參照工業(yè)化之前的大氣降水濃度值作為本區(qū)地下水環(huán)境背景值。這在原理上更加符合背景值的含義，同時(shí)便于不同巖性區(qū)（包括第四系）統(tǒng)一對(duì)比，方便使用。

（3）通過收集本區(qū)最早的大氣降水水質(zhì)數(shù)據(jù)，初步給出了一套可作為北京地區(qū)地下水背景值的主要離子濃度值，并對(duì)有機(jī)指標(biāo)的背景值也進(jìn)行了分析探討。

致謝：感謝編輯部老師和專家給予的寶貴意見和建議。

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