城市化進程中地下水水質年內變化特征研究
——以北京市為例

趙 微

（北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

城市化進程中地下水水質年內變化特征研究
——以北京市為例

趙 微

（北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

采用單因子評價法、統計分析法，以主要超標指標總硬度、溶解性總固體和穩定指標氯化物為特征指標，對北京平原區城市化進程初期、中期淺層和中層的地下水年內變化特征進行了分析和研究。對比結果表明，豐水期的水質劣于枯水期。選取2012年水質數據，分析溶解性總固體的變化分布特征，分析結果表明：上升區范圍主要分布在大興和通州的南部地區，平原區濃度上升區面積大于濃度下降區。

水質評價；地下水； 年內變化特征；北京平原

0 引言

城市化是社會經濟發展的必然結果，是人類社會文明程度提高的重要標志。改革開放以來，我國城市化進程顯著加快，1978 年中國城市化率僅為19.8%，至2008 年中國城市化率提高到44.9%[1]。北京城市化進程以 1980 年為分界線，1961～1980 年為城市化進程慢速時期，1981以后為城市化進程快速時期[2]。城市化過程中土地覆蓋的變化導致水分循環的變化，進而影響水量在空間分布上的變化；同時人口的增加、規模的增大，使城市用水量增大，造成水資源緊缺，同時造成水環境污染嚴重[3～4]。

世界許多城市以地下水作為部分甚至唯一的供水水源，地下水在城市發展中扮演越來越重要的角色。我國北方城市化發展很快，但該區水資源嚴重短缺，地下水環境問題日益突出，其中地下水超采與水質惡化現象，成為城市環境地質問題中最廣泛、最嚴重的兩大問題[5]。北京市地下水供水量占城市供水的2/3以上[6]，重要性不言而喻。

目前對地下水環境質量的研究，多為水質現狀的調查及污染評價，其中對地下水質量變化特征的研究多為年際對比，分析年內變化特征的研究較少。郭高軒[7]結合2006年的水質調查數據，從超標面積上對北京市平原區枯、豐水期的總體質量進行了對比，沒有對典型離子組分濃度升高程度進行量化，也沒有從空間方面對水質變化特征進行對比。由于包氣帶巖性的不同，各地區受降水影響后水質響應有所不同。為分析年內水質變化特征，研究地下水化學場的演化規律，精確刻畫地下水水化學特征，本文以北京市平原區為例，選取枯、豐水期水質數據，分析城市化進程初期及中期地下水年內變化特征，為城市供水、地下水資源開發利用和保護提供依據。

1 評價方法及指標

1.1 評價方法

地下水水質對比評價的方法較多，包括單因子評價法、綜合污染指數法、參數分級評分疊加指數法、層次分析評價法、統計分析方法、灰色聚類法、模糊數學法、物元可拓集法及人工神經網絡法方法等[8～9]，多與背景值或對照值進行對比。

各評價方法均有優缺點，由于年內水質對比評價中，水質數據間隔時間較短，不適宜與背景值進行對比，因此本次采用單因子評價法和統計分析方法，從濃度變幅和升降比例兩方面進行統計分析，選取典型指標進行單因子評價，最后對單因子統計結果進行綜合對比分析，研究地下水年內水質變化特征。

在濃度變幅和升降比例統計過程中，首先確定評價指標測試過程中的標準偏差，由于水質測試過程中均存在一定的標準偏差，為避免或減小標準偏差對水質變幅的影響，將變幅在標準偏差范圍內的水質點定為水質不變點，變幅大于標準偏差的定為上升或下降。

濃度變幅或升降比例統計時，首先計算典型指標豐水期與枯水期濃度變幅，統計濃度變幅大于標準偏差的監測點數，分別計算濃度上升和下降的監測點占年內評價點數的百分比；對濃度變幅大于標準偏差的監測點進行差值計算，并統計濃度變化均值。

1.2 評價指標

參與水質對比評價的指標可以選取地下水質量評價結果中超標較嚴重指標，也可選取地下水中相對較穩定的指標。我國地下水中，北方地區的總硬度、溶解性總固體超標范圍較廣，在松花江和遼河流域，鐵錳超標明顯[10]；華北平原地下水" 三氮" 污染普遍[11]；由于鐵、錳等指標屬天然化學作用的結果，不適宜參與評價；因此可選取總硬度、溶解性總固體、“三氮”等指標進行評價。另外在地下水中，氯化物廣泛分布，但其電負性高，相對穩定，不易與地下水中其他物質發生離子交換[12]，可作為典型指標進行水質對比評價。

多年來，北京市平原區地下水主要超標指標為總硬度、溶解性總固體、硝酸鹽氮[13～14]；其中，總硬度超標范圍最大，且從1965年以來超標范圍呈持續擴大趨勢[15]。

根據北京市平原區地下水環境監測結果，2011年和2012年總硬度和溶解性總固體超標面積顯著大于其他指標，自監測以來超標范圍呈逐年擴大的趨勢[16～17]；因此選取總硬度和溶解性總固體作為典型指標分析水質變化特征。由于硝酸鹽氮在地下水中易與亞硝酸鹽和氨氮等發生相互轉化[18]，數據變化較大，因此本次不參與評價。

此外，氯化物在平原區地下水中雖僅以點狀超標的形式存在，但由于其穩定，不易與其他物質發生離子交換，是人類活動影響較好的指示劑，因此本次選擇上述3項指標為典型指標開展評價工作。

2 評價數據選取

北京市水文地質工程地質大隊最早于1973年建成了城近郊區的地下水水質監測網，通過逐年完善，監測網在1980年覆蓋了全市平原區，至2007年水質監測點共320個，僅對平原區生活飲用水層進行監測。1981年至1985年每年于枯水期和豐水期各監測1次，之后每年枯水期監測一次，監測指標約20余項。

2007～2009年，整合和新建部分監測井，建成了由822眼監測井組成的區域地下水環境立體分層監測網絡，將地下水分為四層開展監測[19]（表1），并于2011年開始分別在5～6月份和9～10月份各監測1次，監測無機指標32項。

2.1 評價時段

表1 地下水監測層組劃分表

為分析城市化進程對地下水水質年內變化特征的影響，選取城市化進程快速發展的初期且監測數據較豐富的1981～1985年，以及城市化快速發展30年后的2011～2012年為典型時間段，分析北京市平原區年內水質變化特征。

根據北京站1959年-2012年9月降水量統計資料，降水量在時間上分布不均衡，全年降雨多集中在6～9月，其間降水量占年降水量的85%以上[16]。根據北京市不同月份降水量分布狀況，將5～6月定為枯水期，9～10月定為豐水期，分析平原區年內枯水期、豐水期的水質變化特征。

2.2 評價層位

本次將第一監測層組定為淺層，第二監測層組定為中層，第三和第四層組定為深層。

淺層地下水易接受大氣降水補給，循環交替迅速，可直接通過包氣帶與地表系統發生水力聯系，水質變化受降水影響較大。中層是北京市平原區目前主要的含水層，由于大量開采井及含水層天窗的存在，使淺層地下水和中層地下水之間產生一定的水力聯系。

根據《地下水質量標準》（GB/T14848-93），以Ⅲ類標準限值為評價依據，北京市平原區地下水2011年和2012年主要超標層位為淺層和中層，深層地下水水質較好，超標范圍較小。因此本次僅選取淺層和中層作為評價層位開展分析和研究。

2.3 評價數據

（1）城市化快速發展初期

城市化快速發展初期即1980年—1985年期間，僅對平原區的生活飲用水層開展了水質監測，但各區縣監測密度不同，其中城近郊區的海淀、豐臺和朝陽監測點較多，監測密度較大；而遠郊區縣監測點較少，監測密度較小。為準確反映平原區地下水的水質變化特征，對監測點進行了分層和篩選，確保監測點的各個水期均有水質數據，共選取淺層監測點14個，中層監測點10個（圖1）。

（2）城市化快速發展中期

城市化快速發展中期主要是選取2011年和2012年兩個年份同時監測點的水質數據進行對比。

由于監測網淺層和中層監測點中，城近郊區的監測密度較大，為提高監測點的代表性，對城近郊區的監測點進行了篩選，使參與評價的點密度與遠郊區縣基本一致。數據分析過程中，對水質濃度變幅與周邊監測數據差別較大的異常點進行剔除，本次共選取淺層井264眼，中層井164眼進行分析（圖1）。

圖1 城市化初期及中期評價點圖

3 水質變化特征分析

3.1 濃度變化特征

參考中華人民共和國地質礦產行業標準《地下水質檢驗方法》（DZ/T0064.1～0064.80-93）[20]，將總硬度、溶解性總固體和氯化物的標準偏差分別確定為5mg/L、20mg/L和3mg/L。

（1）城市化快速發展初期

通過對典型指標濃度變幅與水質檢驗標準偏差的對比，城市化快速發展初期，總硬度和溶解性總固體的升高比例多大于降低比例，監測濃度多呈豐水期高于枯水期的現象；氯化物濃度雖豐水期較枯水期下降的次數較多，但從多年的濃度變幅看，豐水期仍較枯水期有所上升（表2）。

（2）城市化快速發展中期

通過對城市化快速發展中期2011年和2012年主要超標指標濃度的對比分析，除氯化物豐水期濃度較枯水期略有下降外，總硬度和溶解性總固體的濃度均有所升高。

從主要超標指標濃度變幅的比例看出，氯化物變幅小，其次為溶解性總固體，總硬度相對變化最大；從升降比例看，豐水期與枯水期相比，除2011年淺層的氯化物和中層總硬度，濃度降低的比例大于升高的比例外，其他數據均顯示豐水期較枯水期濃度上升的比例大于降低的比例（表3）。

表2 1981年—1985年豐水期與枯水期濃度變化統計表

表3 2011年—2012年豐水期與枯水期濃度變化統計表

圖2 淺層地下水溶解性總固體變幅圖

3.2 空間分布特征

從濃度變幅和濃度升降比例兩方面綜合分析表明，城市化快速發展以來，豐水期的水質劣于枯水期。

由于不同的區域受降水的淋溶或稀釋作用不同，水質對降水的響應也有所不同。為了解地下水水質對降水入滲的響應結果，本文以2012年水質數據為基礎，選取濃度變化程度居中的溶解性總固體為特征指標，應用GIS的空間分析功能，繪制水質變幅的濃度分區圖，分析淺層和中層地下水的水質變化特征。

圖3 中層地下水溶解性總固體變幅圖

為精確對比分析溶解性總固體的濃度變化程度，將濃度變幅在標準偏差以內即20mg/L以內的監測點定為濃度基本不變點，濃度變幅在20～50 mg/L之間的定為輕微變化，濃度變幅在50mg/L以上的定為顯著變化。

從2012年淺層和中層地下水中溶解性總固體的濃度變幅來看（圖2～3），平原區約48%的地區濃度基本不變，濃度上升區約占36%，濃度下降區約占16%(表4)。

表4 2012年溶解性總固體濃度變化情況統計表 （單位：%）

濃度基本不變區主要分布在平原區的北部和朝陽東部地區，濃度下降區主要分布在城區、豐臺東部，大興、順義和房山等部分地區；濃度上升區則主要集中在通州和大興的南部，造成這種結果的主要原因是在豐水期，降雨增多，地表垂向入滲增強，在地下水下滲過程中，

上層劣質水和地表污染物（垃圾填埋場、污水河道、滲漏罐等） 進入地下水的強度增大， 進入后隨之擴散，使水質濃度有所上升。

4 結語

本文以北京市平原區地下水監測數據為基礎，選取總硬度、溶解性總固體和穩定指標氯化物，選取直接對比法和統計分析法，從水質濃度和空間分布兩方面，對城市化進程以來的平原區淺層和中層地下水年內水質狀況進行了對比，對比結果表明：

（1）城市化進程以來，豐水期的水質劣于枯水期，表現在豐水期總硬度、溶解性總固體和氯化物的濃度均值高，濃度升高點的比例大。

（2）2012年，淺、中層地下水濃度下降區約占16%，上升區約占36%，濃度上升區主要分布在通州和大興。

（3）通州和大興分布有大范圍的污水或再生水灌溉區，灌溉歷史悠久。豐水期降水入滲造成地表污染物和包氣帶污染質的下滲，造成該地區豐水期水質濃度升高。

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[20] DZ/T0064.1～0064.80～93,地下水質檢驗方法[S].

Characteristics of Groundwater Annual Variations During Process of Urbanization—Take Beijing as an Example

ZHAO Wei

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

In this paper, three indicators such as hardness, TDS (total dissolved solids) and Cl- were used to analyze the variations of groundwater quality of shallow aquifer and mid-aquifer in the early and mid-urbanization respectively by single factor evaluation and statistical analysis. The comparison results showed that the assessment of groundwater quality of Beijing plain in rainy season is worse than that in dry season. Also the evaluation result of TDS by data in 2012 show that the area in which concentration of TDS increasing mainly located in the southern parts of Daxing and Tongzhou. The total area with the increasing concentration is greater than that of the decreasing concentration.

Quality assessment；Groundwater；Annual variations；Beijing plain

X832

A

1007-1903（2014）01-0021-05

北京市財政專項經費項目（PXM2013_158305_000004）、地下水環境功能區劃定方案項目（HCZB-2012-BJ1188）．

趙 微( 1979 - ) ，女，碩士，工程師，研究方向：水文地質、環境地質．