北京市朝陽區地下水化學特征及其變化規律

2012-11-27 07:10:34李炳華崔學慧朱亞雷鄭凡東

水資源保護 2012年5期

李炳華，崔學慧，朱亞雷，鄭凡東

(1.北京市水利科學研究所，北京 100048;2.中國石油大學理學院，北京 102249;3.北京市朝陽區水務局，北京 100026)

地下水在徑流過程中與周圍介質不斷發生水巖相互作用，水中的化學成分隨著地下水的運動不斷發生變化。因此，通過水化學資料可以探尋地下水的賦存環境、徑流途徑及物質交換等重要信息，從而揭示地下水的循環規律。近年來，北京朝陽區的區域水循環各要素在自然和人為因素的共同作用下已發生了重大變化，如連續多年偏枯、地表水體大幅度減少、地下水位持續下降等。在這些因素的影響下，作為自然環境因子和水循環組成要素的地下水的補給和演化條件也發生了改變，重新判定該區域地下水的水化學演化規律十分必要。

1 研究區域概況

朝陽區位于北京城區東部，總面積為470.8 km2，年最大降水量和最小降水量分別為1088.6mm和306.7 mm，1956—2009年平均降水量為566.5 mm，降雨多集中在5—9月份，1956—2009年平均水面蒸發量為1200 mm。整體地勢西北高、東南低，地面坡度為1/1000～1/2500。地貌屬沖洪積相，大致可以分為:沖積扇平原、扇緣洼地和河流沖積平原3種類型，其中沖洪積平原屬永定河沖洪積扇的中下部地帶，約占全區總面積的80%。第四系堆積過程中受到不同規模的冰期作用，造成該區的水文地質條件復雜，總體上第四系松散沉積物厚度由西向東逐漸加厚。根據鉆孔資料，西部含水層巖性主要為砂礫石，而東部以砂層為主，厚度為20～70 m，各地段富水性相差懸殊。潛水含水層主要接受大氣降水、灌溉入滲及河流側向補給，排泄方式主要是人工開采及向深部含水層越流補給[1]。承壓含水層有數層厚度不等的砂、砂礫石組成，主要接受永定河沖洪積扇前部及潮白河沖洪積扇側向徑流補給、潛水含水層越流補給[2]。由于長期超采，淺層地下水埋深下降20～30m。朝陽區的地下水水流方向的總體趨勢為自西南向東北，局部地段存在降落漏斗，西側和南側接受鄰區的地下水側向補給，東側有少量的流出。

2 采樣與分析

2007—2009年，每年4月(枯水期)和9月(豐水期)采集區內24眼觀測井(其中淺井12眼，井深80～150 m;深井12眼，井深150～300 m)水樣各1次，即每年采集48個地下水樣品，3年合計144個，取樣井分布見圖1。

采集水樣時，先用地下水樣清洗樣品瓶3次，所有采集的地下水樣品均在北京市水文總站水化學分析實驗室中監測，測試的項目包括:、、HC－、、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、pH值和電導率，其中和HC的測試方法為酸堿滴定法、Cl－和的測試方法為離子色譜法，Ca2+、Mg2+的測試方法為 EDTA 滴定法，K+、Na+的測試方法為火焰原子吸收分光光度法，pH值用電位法測定，電導率用電導儀測定。

圖1 地下水取樣井分布

根據監測的水化學數據，利用SPSS18.0軟件開展水化學組分統計分析和相關性分析，應用Aquachem軟件分析朝陽區地下水水化學類型，結合地下水水化學資料和文獻，研究朝陽區地下水水化學演化原因。

3 結果與討論

3.1 枯、豐水期對地下水水化學組分影響

為反映枯、豐水期對地下水化學組分的影響，對2007—2009年地下水枯、豐期水的監測數據進行統計分析，各年度枯、豐水期水化學組分監測結果相差不大:地下水中各主要組分在枯、豐水期的含量有一定程度變化，但變化幅度較小。以2009年的水化學組分為例，枯、豐水期Cl－和質量濃度均值相差較小，分別為0.8 mg/L、3.1 mg/L和14.2 mg/L，約占各組分濃度的2%、2.1%和5%，并且3種陰離子枯、豐期變異系數差值也較小，不超過7%。相對于陰離子變化，陽離子枯、豐期均值差稍大，Mg2+、Ca2+和Na+的質量濃度分別為6.8 mg/L、12.2 mg/L和15.1 mg/L，占各組分的22% ～34%之間;從各組分的變異系數看，陽離子中K+、Na+和Mg2+均超過10%，而Ca2+相對較小，為6.3%。從主要陰陽離子的標準偏差看，枯、豐水期的最大，均在85%以上，K+最小，均小于1%，其他陰陽離子大多在20%～40%之間，反映含量偏離算術均值較多，而K+的偏離較少(表1)。

表1 2009年北京市朝陽區枯、豐水期地下水水化學參數統計(n=2×24)

通常地下水接受不同的補給來源，其電導率變化很大[3]。仍以2009年枯、豐水期地下水電導率的監測值為例，絕大部分小于1000 μS/cm，而且大部分枯水期電導率值大于豐水期電導率值，僅CY10、CY11和CY14地下水井電導率大于1000μS/cm，其中CY10、CY11為淺井(注:本文以150 m深為界，將地下水井劃分為淺井和深井)，明顯已受到降水入滲的影響，而CY14離涼水河較近，涼水河為北京市主要的排污河道，水質較差，而且由于河道清淤，加強了涼水河與地下水的聯系，從電導率值可以推測CY14很可能受到涼水河的影響。從深度角度看，深層地下水受季節影響較淺層的小，反映出深層地下水接受補給源簡單、水化學組分相對穩定的特征(圖2)。

3.2 地下水主要水化學組分特征及形成原因

鑒于季節變化對不同深度地下水化學組分的影響相對較小，此次研究取各年地下水主要組分監測結果平均后統計分析，可以看到:2007—2009年朝陽區地下水陰離子以、Cl－為主，其中的質量濃度最高，均值在290.8～301.1 mg/L;其次是，均值約為63.4～76.6 mg/L;Cl－均值相對較小，約為44.6～57.4 mg/L。陽離子則以Na+、Ca2+為主，均值分別為 53.8～71.4 mg/L和49.9～61.1 mg/L;其次是Mg2+，均值為17.8～19.9 mg/L;而K+質量濃度相對較低，均值僅為1.6～2.2 mg/L。從各組分質量濃度3 a的變異系數看，陰離子中 Cl－各年度的變異系數最大(95.7% ～131.6%)，說明其含量變化較大，是隨環境因素而變化的敏感因子，其次為(57.9% ～70.5%)，而的變異系數相對較小，說明其含量相對穩定;4種陽離子中變異系數中Ca2+年際間相對變化較小，而Na+的變化稍大，說明Na+受環境影響相對較大。從標準偏差看，總體上陰離子的大于陽離子的，說明陰離子質量濃度偏離其算術均值大而陽離子的較小(表2)。

圖2 枯、豐水期取樣井地下水電導率值變化

表2 2007—2009年北京市朝陽區地下水組分參數統計(n=3×24)

通常地下水中pH值的大小直接影響碳酸存在的形態，在偏酸、偏堿及中性水中占優勢，而朝陽區地下水pH監測值范圍在7.6～8.5之間，為偏堿性水，因此朝陽區地下水中表現為含量占優的特征。天然水中的Cl－濃度的變化主要是受水文循環中的混合以及蒸發、鹽的溶解、離子過濾和擴散等作用的影響。北京平原區工業化前的地下水中Cl－的輸入值小于或等于6.8 mg/L;大氣輕微污染條件下的降水Cl－輸入在6.8～20 mg/L之間，可以近似地把ρ(Cl－)≤20 mg/L定為區域性(北京地區)大氣輕微污染條件下的降水 Cl－輸入;而ρ(Cl－)＞20 mg/L的地下水，輸入來源就比較復雜，主要包括降水攜帶大氣和地面污染物入滲、降水和地表污染水體入滲，以及礦物溶解[4]。2007—2009年朝陽區地下水ρ(Cl－)＞44 mg/L，由此可以推測朝陽區地下水Cl－受多種因素影響。另有資料表明，朝陽區東北部溫榆河對地下水有一定的補給，河水pH平均值為7.86，呈偏堿性環境，陰離子以為主，質量濃度平均值為296.2 mg/L，陽離子以Ca2+、Na+為主，質量濃度平均值分別為58.63 mg/L 和55.04 mg/L[5]，與之對照，2009 年監測靠近溫榆河的淺井CY6-1，陰、陽離子也是以HCO3－、Ca2+和Na+為主，且各離子質量濃度與地表水的相差10～30mg/L。綜合以上分析可知，朝陽區地下水受大氣降水和地表水的入滲補給影響。

在地下水流場中，地下水各化學組分存在著有機聯系，地下水各種組分之間的含量比例系數常用來研究某些水文地球化學問題[6]。γNa/γCl系數稱為地下水的成因系數，是表征地下水中Na+富集程度的一個水文地球化學參數。海水的γNa/γCl系數平均值為0.85，低礦化度水具有較高的γNa/γCl系數(γNa/γCl＞0.85)，高礦化度水具有較低的 γNa/γCl系數(γNa/γCl＜0.85)[7-8]。朝陽區地下水樣分析點大多位于直線1∶1以上，說明 γNa/γCl系數大于 1(圖3)。通常地下水在徑流過程中不斷通過水解和酸作用使巖石礦物風化溶解，使Na+從長石中釋放出來，同時水中Ca2+和土壤巖石中Na+發生交換，從而使Na+含量大于 Cl－含量。γNa/γCl系數小于1的點基本分布在該區的西北和東南地段，很可能與這些地段工農業生產導致的污染入滲有關。從TDS與 γNa/γCl關系分析，朝陽區內 γNa/γCl系數基本上隨著TDS的增加呈下降的趨勢，說明在低礦化度水體中，隨著地下水流程和滯留時間的增長，Na+開始與含水層中黏土礦物吸附的Ca2+、Mg2+進行離子交換，導致地下水中的 Na+濃度減小，而 Cl－相對增加，導致 γNa/γCl系數下降(圖4)。

圖3 2009年豐水期 γNa與 γCl關系

圖4 2009年豐水期 γNa/γCl與 TDS關系

3.3 地下水TDS和主要化學組分的相關性分析

相關性分析可揭示地下水水化學組分的相似相異性及來源的一致性和差異性，而TDS值代表了水中溶解物含量，從TDS值的大小可以看出地下水的演化規律[9]。筆者研究選取了2009年豐水期24個地下水樣品 Cl－、、、、K+、Na+、Ca2+、Mg2+和TDS的監測結果，利用SPSS18.0軟件進行相關性分析。2009年豐水期TDS監測值大多在276～600 mg/L，均值為449.4 mg/L，僅有4個樣品TDS值大于600 mg/L，無論是淺井還是深井，TDS值總體均較低(圖5)。

圖5 2009年豐水期地下水TDS和井深關系

通常地下水流程越長，其TDS值越大，朝陽區絕大部分位于永定河沖洪積扇的中下部沖積平原，與永定河沖洪積扇上部地下水TDS值比較(均值230 mg/L)，朝陽區的明顯較高，約是其2倍。資料表明，當TDS小于600 mg/L時，難以生成方解石(CaCO3)和白云石(CaMg(CO3)2)的沉淀，因此朝陽區Ca2+、Mg2+與呈正相關，且相關系數較高。這點從TDS和(γCa2++γMg2+)關系也可看出，(γCa2++γMg2+)=0.0084ρ(TDS)+0.65，R2為0.8303(圖6)。從朝陽區內TDS值分布看，東北部和東部的相對較低，其原因可能是這些地段存在地下水降落漏斗，水交替作用強烈，導致TDS值偏低。朝陽區陰離子Cl－和與陽離子Ca2+和Mg2+的相關性顯著，相關系數在0.67以上，表明Ca2+和Mg2+主要來自各種硫酸鹽，氯酸鹽和重碳酸鹽[10-11]。研究顯示，TDS與Cl－、Ca2+和Mg2+為顯著正相關關系，相關系數達到0.83以上，而與K+和Na+相關性較差，說明TDS大小主要受Cl－、Ca2+和Mg2+控制(表3)。

圖6 2009年豐水期地下水TDS與(γCa2++γMg2+)關系

表3 2009年豐水期地下水樣中各組分的相關性分析(n=24)

3.4 地下水水化學類型及變化分析

表4 2007—2009地下水取樣井水化學類型

對照不同深度地下水化學類型變化，可以看到深層地下水化學類型變化較淺層的小，11個點中有5個地段未發生變化，另外，深層地下水陰離子僅有參與了水化學類型的劃分，而淺層地下水中部分地段Cl－和所占比例較大。20世紀80年代初，研究區地下水存在4類化學類型:HCO3-CaMg、HCO3-CaNaMg、HCO3Cl-CaMg 和 HCO3Cl-CaNaMg，其中以前兩類為主[12]，和此次研究結果比較，朝陽區地下水化學類型發生了明顯變化，此次研究中地下水化學類型最多的是HCO3-NaCa。

地下水水化學成分的形成和演變主要受流經巖(土)的種類、性質以及其他各種作用所控制[13]。已有研究表明:燕山組分以花崗巖、片麻巖類為主，為潮白河沖洪積扇系統。在潮白河沖洪積扇剖面上，Ca2+、Mg2+和Na+濃度在剖面中部均開始大幅度升高，但總體而言，Ca2+、Mg2+質量分數從剖面頂部到剖面邊緣逐漸下降，而Na+濃度增加明顯，陰離子質量分數占絕對優勢(80%以上)，從剖面頂部至剖面邊緣含量稍有下降，而Cl－和略有增加趨勢，但Cl－和質量分數均在11%以下。西山組分以石灰巖類為主，為永定河沖洪積扇系統，從扇頂至扇前緣，Ca2+質量分數總體呈減少的趨勢，而Mg2+和Na+質量分數均呈增加趨勢，其中Na+質量分數增加明顯;陰離子、Cl－質量分數從剖面頂部至剖面前緣呈上升趨勢，質量分數稍有下降[14]。朝陽區西部為永定河沖洪積扇前緣，東北部除受永定河沖洪積影響外，還受到潮白河沖洪積的影響。因此，朝陽區地下水HCO3-NaCa型較多。此外，在工農業區域附近，由于受人為活動的影響，淺層地下水受到污染，Cl－和質量分數明顯升高，導致 HCO3Cl和 HCO3SO4型地下水出現[15]。根據2007朝陽區地下水水質評價報告，按照GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》，CY10、CY11 和CY12所在地段地下水已受人為污染，地下水中Cl－含量較高，為Ⅳ類水[16]。

根據以上朝陽區地下水化學類型，結合朝陽區地下水流方向探討地下水類型演化。朝陽區地下水總體流向為西南－東北，其中中部和東北部存在地下水降落漏斗，西半部分第四紀巖性相對較粗，地下水除易接受地表水或降水入滲補給，同時接受鄰近邊界地下水補給，從而導致西半部水化學類型年際間發生變化，如 2007—2009 年 CY1、CY3、CY9、CY12和CY13等處水化學類型變化依次為HCO3-NaCa→HCO3-NaCaMg→HCO3-CaMg、HCO3-CaMg →HCO3SO4-CaMg→HCO3-CaMg、HCO3-Na→HCO3Cl-NaCa→HCO3Cl-CaMg、HCO3Cl-NaCaMg→HCO3SO4-CaMg→HCO3-CaMg和 HCO3-NaCa→HCO3Cl-NaCa→HCO3-NaCaMg;而在中部和東北部由于地下水降落漏斗的存在，水交替迅速，含水層中易溶組分如Cl－、、Na+、K+等不斷被淋濾并由地下徑流帶走，形成低礦化度的 HCO3-Na、HCO3-NaCa、HCO3-MgCa型為主的地下水，且水化學類型較為穩定，如2007—2009 年 CY4-2、CY5、CY6-1、CY8、CY20 和CY22等處，對應各年的地下水化學類型依次為HCO3-NaCa→HCO3-NaCa→HCO3-NaCa、HCO3-NaCa→HCO3-NaCa→HCO3-NaCa、HCO3-NaCa→HCO3-NaCa→HCO3-NaCa、HCO3-NaCa→HCO3-Na→HCO3-NaCa、HCO3-NaCa→ HCO3-Na→ HCO3-NaCa 和HCO3-Na→HCO3-Na→HCO3-Na。總體上朝陽區西半部地下水化學類型變化較快，漏斗區以低礦化度的水化學類型為主，其他部分地段由于受人類活動的影響，淺層地下水出現HCO3Cl和HCO3SO4型。