趙亞茜，李 曉

(成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

地下水在徑流過(guò)程中與周圍介質(zhì)不斷發(fā)生水巖相互作用，水中的化學(xué)成分隨著地下水的運(yùn)動(dòng)不斷發(fā)生變化。因此，通過(guò)水化學(xué)資料可以探尋地下水的賦存環(huán)境、徑流途徑及物質(zhì)交換等重要信息，從而揭示地下水的循環(huán)規(guī)律[1]。北京市的供水來(lái)源主要是地下水，其人類用水的百分之七十以上來(lái)自于地下水資源，而平谷地區(qū)有著王都莊以及中橋兩個(gè)應(yīng)急水源地，在水資源緊缺的首都地區(qū)，保證其不被污染就顯得尤為重要。

由于平谷區(qū)獨(dú)特的地理位置以及其重要的經(jīng)濟(jì)地位使得該地區(qū)關(guān)于地下水以及地下水化學(xué)的研究頗多。姜體勝等[2]對(duì)平谷區(qū)淺層地下水開(kāi)展水化學(xué)特征及成因分析，識(shí)別該區(qū)域地下水系統(tǒng)循環(huán)更新路徑，分析了淺層地下水的成因；早在1980年，張振春等[3]開(kāi)展了平谷山區(qū)農(nóng)田供水水文地質(zhì)勘察工作,對(duì)平谷地區(qū)構(gòu)造體系進(jìn)行了詳細(xì)勘察，并對(duì)平谷地區(qū)構(gòu)造體系控水規(guī)律有了一些初步研究。徐海珍等[4]建立了平谷盆地的三維地下水流動(dòng)特征的數(shù)值模型，分析不同地區(qū)的開(kāi)采潛力，對(duì)平谷區(qū)應(yīng)急水源地不同的開(kāi)采方案進(jìn)行模擬。何付兵[5]在通過(guò)對(duì)平谷新生代盆地地層巖性、水文條件、深部構(gòu)造盆地形態(tài)特征綜合分析，提出平谷盆地并非第四紀(jì)斷陷盆地，而是巖溶塌陷盆地的新認(rèn)識(shí)。高勇，李勝濤[6-7]通過(guò)分析平谷地區(qū)雨洪資源時(shí)空分布特征、水質(zhì)特征；建立地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用模式的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)平谷地區(qū)地下水資源利用提出適宜性分析。

平谷區(qū)作為首都的應(yīng)急水源地，研究其地下水化學(xué)特征對(duì)人類健康及社會(huì)發(fā)展具有重要意義。本文在北京市平谷區(qū)基礎(chǔ)水文地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，充分分析平谷區(qū)地下水水化學(xué)基礎(chǔ)特征，為保護(hù)該地水資源現(xiàn)狀，改善地下水水質(zhì)，合理規(guī)劃利用地下水提供依據(jù)，從而促進(jìn)人類健康與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

平谷區(qū)隸屬于北京市轄區(qū)，位于北京市的東北部，地處華北平原北部與燕山南麓的相交地帶。其北部與北京市密云區(qū)接界，西邊毗鄰順義區(qū)，與河北省三河市接壤，地理坐標(biāo)為116°55′E-117°24′E，，40°1′N-40°22′N。平谷盆地是一個(gè)斷陷盆地，平谷區(qū)的東部，西部，南部均屬于中、低山地貌，其西南處與華北平原相連接。整體地勢(shì)北東高，西南低，山區(qū)面積占比大于平原面積占比。主要水系為泃河、汝河、金雞河。

平谷區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單。由于研究區(qū)的大部分?jǐn)鄬右约榜薨櫨植加谏絽^(qū)地區(qū)，構(gòu)造方向主要是北北東向，北西向，地下水沿著斷褶帶形成的導(dǎo)水通道補(bǔ)給沖洪積扇邊緣的地下水。地下水以松散層孔隙水為主，沿著沖洪積扇在盆地內(nèi)廣泛分布，賦存在因地表沖洪積所用下生成的含水層之中，水位埋深5～25 m左右，強(qiáng)富水區(qū)單井出水量可達(dá)5 000 m3/d，弱富水區(qū)單井出水量不足1 000 m3/d。裂隙巖溶水主要賦存在山區(qū)以及下伏基巖之中，埋深深度大于40 m。地下水主要補(bǔ)給來(lái)源是大氣降水，地下水的徑流流向和地表水的流向基本一致，地下水排泄主要是人工用水開(kāi)采，蒸發(fā)以及地下水的自然溢出，地下水的自然溢出主要表現(xiàn)在地下水盆地西南地區(qū)的出口向外排泄。研究區(qū)采樣點(diǎn)圖如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集

本次研究數(shù)據(jù)由北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局采集，選取數(shù)據(jù)為2018年四個(gè)季度采樣數(shù)據(jù)，取樣點(diǎn)58個(gè)，基本覆蓋了平谷區(qū)的平原區(qū)。58個(gè)采樣點(diǎn)位于不同的含水層深度，其中第一含水層(底板埋深50m左右)的采樣點(diǎn)共有31個(gè)，第二含水層(底板埋深80～120 m)的采樣點(diǎn)共計(jì)14個(gè)，第三含水層(底板埋深150～180 m)的采樣點(diǎn)一共8個(gè)，第四含水層(底板埋深300 m)采樣點(diǎn)4個(gè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)類型

研究區(qū)Piper三線圖如圖2示。據(jù)圖分析，枯水期，豐水期地下水化學(xué)成分較為相似，水化學(xué)類型變化不大。只有S46號(hào)井?dāng)?shù)據(jù)出現(xiàn)異常。除S46號(hào)井之外，其他水樣中主要陽(yáng)離子為Ca2+，其毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)之和超過(guò)陽(yáng)離子的60%，主要陰離子為HCO3-、 CO3-，其毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)超過(guò)陰離子的80%，為HCO3-Ca型水，；部分水樣Mg2+毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)超過(guò)25%，所以是典型的HCO3-Ca·Mg型水。從靠近山區(qū)到平原區(qū)，SO42-濃度的占比略有上升，但對(duì)總體水化學(xué)類型的影響不大。

S46號(hào)及其周邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)處水樣水化學(xué)類型出現(xiàn)明顯的變化，主要表現(xiàn)是在SO42-的含量突然增大，S46號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在平谷垃圾填埋場(chǎng)處，所以其容易受到人類活動(dòng)影響，致使其水化學(xué)類型與其他水樣不同。其主要陽(yáng)離子為Ca2+占比超過(guò)40%，Mg2+占比超過(guò)40%，主要陰離子為SO42-，占比超過(guò)60%，HCO3-和 CO3-占比超過(guò)25%，水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Ca·Mg型水。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)圖

圖2 水樣Piper三線圖

3.2 水化學(xué)特征

統(tǒng)計(jì)本次的主要離子的數(shù)據(jù)如表1所示，每種離子的濃度差值相差較大。研究區(qū)內(nèi)水樣pH在7～9.37之間，平均值為7.93，呈弱堿性。HCO3-，TDS的濃度變化比較小，其他各離子在不同位置濃度變化較明顯。最大值點(diǎn)均在S45、S46，說(shuō)明在該位置地下水化學(xué)出現(xiàn)異常。SO42-的變化值最大，Ca2+，Mg2+具有相似的變化情況。雖然單獨(dú)來(lái)看每種離子的最大值均出現(xiàn)異常，但就其均值來(lái)看，各離子的指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)。

從表1可知，SO42-，Cl-的變異系數(shù)都大于1，表明離子離散程度大，對(duì)外界條件的變化極其敏感、不穩(wěn)定。K+、Na+、Mg2+的變異系數(shù)超過(guò)0.5，說(shuō)明其分布極不均勻。由于研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)以及地形地貌條件相似，所以說(shuō)明人類活動(dòng)導(dǎo)致這些指標(biāo)的變化。

圖3要展示了研究區(qū)地下水主要化學(xué)參數(shù)的濃度空間分布特征。由圖可知，Ca2+、Cl-、HCO3-、SO42-的分布均在平谷東鹿角村附近濃度最高，該處主要為建設(shè)的垃圾填埋場(chǎng)以及工業(yè)園區(qū)，故該地區(qū)的地下水污染程度較高，各離子濃度均比較高。HCO3-在區(qū)域內(nèi)的前芮營(yíng)村，平谷縣城南的檢出濃度最高，并且以該兩點(diǎn)為點(diǎn)源向四周擴(kuò)散。HCO3-下游區(qū)域的濃度聚集，經(jīng)過(guò)充分的水巖相互作用，整體高于上游區(qū)域。SO42-在S46檢出濃度最高，該處為中心點(diǎn)源向四周擴(kuò)散。SO42-的變異系數(shù)達(dá)到3.06，濃度在人類活動(dòng)影響下變化大，工業(yè)園區(qū)SO42-濃度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。

表2列出了同一采樣點(diǎn)不同含水層的主要離子數(shù)據(jù)，從表中可以看出，K+隨含水層深度的變化濃度變化不大，含水層深度越深，K+濃度稍有上升。因?yàn)镵+濃度與地表植物有關(guān)，植物容易吸收K+，使得其濃度降低。而Na+，Ca2+，Mg2+三種陽(yáng)離子隨深度的增加濃度均降低。近地表CO2濃度較高，所以在接近地表的地下水HCO3-較大。Cl-，SO42-在同一點(diǎn)位的濃度變化較小，但是在不同位置的濃度差異卻很大，Cl-，SO42-隨深度增加濃度降低。pH隨著含水層深度的增加而變大，但是變化不大，均呈堿性。

表1 地下水主要水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)表

圖3 主要離子濃度分布圖

3.3 成因分析

離子比例系數(shù)可以指示不同成因或者不同條件下形成的地下水，也可以分析地下水中某些化學(xué)元素的來(lái)源[8]。選取近山前(S13、S19、S11)到平原(S50、S9、S2)的地下水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行離子比例系數(shù)的分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

γCl-/γCa2+刻畫(huà)水動(dòng)力條件，其值大小反映了地區(qū)地下水流動(dòng)作用、溶濾作用程度[9]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，因采樣點(diǎn)高差不大，所以γCl-/γCa2+整體變化不大，局部出現(xiàn)起伏。γCl-/γCa2+在0.05～0.21之間，普遍較小，說(shuō)明該地含水層富水性強(qiáng)，水巖作用強(qiáng)烈，地層滲透性好，溶濾作用進(jìn)行充分。

地下水Ca2+，Mg2+，Na+能夠與土壤或者圍巖中的元素發(fā)生陽(yáng)離子交替吸附作用。γCa2+/γMg2+在1～2.5之間，均大于1；γNa2+/γMg2+比值穩(wěn)定而且數(shù)值比較小，說(shuō)明陽(yáng)離子交替吸附作用并不明顯，Na+含量少。因?yàn)?<γCa2+/γMg2+<2，說(shuō)明地下水中的Ca2+、Mg2+的來(lái)源是地下水中的石灰?guī)r或者白云巖的溶濾、風(fēng)化、溶解作用。

γNa+/γCl-是表征地下水成因的系數(shù)，γNa+/γCl-越小，反映地層水受滲入水的影響越弱[10]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，近山區(qū)的γNa+/γCl->0.85，即研究區(qū)地下水無(wú)海相水的成分，近山處γNa+/γCl-近似等于1，說(shuō)明地下水主要是經(jīng)由含鹽地區(qū)溶濾形成。趨于盆地邊緣γNa+/γCl-逐漸升高，但整體Na+，Cl-含量相當(dāng)，變化不大，進(jìn)一步說(shuō)明研究區(qū)的地下水溶濾作用強(qiáng)烈，同時(shí)說(shuō)明地層具有較強(qiáng)的滲透性和良好的富水性。

表2 不同含水層的離子濃度

表3 不同含水層的離子濃度

Gibbs將天然水組分的控制因素分為三個(gè)類型： 降雨作用控制型、巖石風(fēng)化控制型與蒸發(fā)作用控制型[11]。如圖4所示，水樣點(diǎn)幾乎均落在巖石風(fēng)化區(qū)內(nèi)，說(shuō)明平谷區(qū)地下水化學(xué)類型主要影響因素是巖石風(fēng)化作用。TDS濃度基本上處于300～1 000 mg/L之間，只有個(gè)別濃度大于1 000 mg/L，橫坐標(biāo)偏向左側(cè)，(Na/Na+Ca)<0.5，(Cl/Cl+HCO3)<0.4，說(shuō)明地下水化學(xué)成分來(lái)源主要是大氣降水以及上游地下水補(bǔ)給流經(jīng)圍巖并與圍巖充分進(jìn)行水巖相互作用，研究區(qū)地下水主要補(bǔ)給來(lái)源是大氣降水補(bǔ)給，側(cè)向補(bǔ)給以及河流入滲補(bǔ)給，Ca2+及HCO3-含量相對(duì)較高，主要是由于山區(qū)廣泛分布有白云巖等碳酸鹽巖，降雨入滲使得CO2隨水體進(jìn)入地下水之中，使得地下水中HCO3-富集， HCO3-溶蝕圍巖，使得Ca2+濃度不斷增加。

圖4 研究區(qū)Gibbs圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)研究區(qū)的主要水化學(xué)成分為HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg型水，在平谷城區(qū)由于泃河出現(xiàn)污染，SO42-的濃度增大，出現(xiàn)HCO3·SO4-Ca·Mg型水。

(2)主要離子分布圖顯示，各離子具有相似的分布特征，即沿羅莊—平谷鎮(zhèn)—前芮營(yíng)村的分布濃度含量最高，向周圍擴(kuò)散。在東鹿角村由于人類活動(dòng)造成SO42-濃度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，地下水水質(zhì)差。離子濃度與地下水埋深有關(guān)，由于植物呼吸作用造成K+在地表處濃度較低，HCO3-濃度隨埋深增大而降低，其他各離子隨地下水埋深濃度增大。

(3)根據(jù)離子比例系數(shù)法進(jìn)行地下水水動(dòng)力條件分析，結(jié)果表明研究區(qū)水巖作用強(qiáng)烈，地層滲透性好，溶濾作用進(jìn)行的較為充分，陽(yáng)離子交替吸附作用較弱，離子主要來(lái)自于巖鹽的溶濾。地下水主要補(bǔ)給來(lái)源是大氣降雨。