永定河上游山間盆地地下水質量評價與水化學特征分析

何鐵柱，楊玉春

（1.北京市地質工程勘察院，北京 100037；2.北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

永定河上游山間盆地地下水質量評價與水化學特征分析

何鐵柱1，楊玉春2

（1.北京市地質工程勘察院，北京 100037；2.北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

為準確掌握永定河上游山間盆地地下水質量狀況，并從水化學角度探討其分布特征。基于研究區的地質和水文地質條件，將2008年6月采集的65個地下水樣分為淺、中、深層。按照F值評分法進行了分層綜合質量評價。并采用數理統計方法，分別計算了上游、中游和下游每一個含水層特征指標算數平均值和方差。開展了TDS、Ca2+、NO3-和硬度與取樣深度的相關性分析。結果表明，延慶盆地內水樣基本均屬于偏堿性水，垂向上，延慶盆地地下水由淺到深，地下水水質逐漸變好，且隨著深度增大，水樣的pH值有增大趨勢。橫向上，上游地下水水質好于中游，中游好于下游；深層地下水已經出現較差和極差點。在上游地區基本以HCO3-Ca·Mg為主，水質趨同性好，分層特征較弱；在中游地區，大部分中層地下水中的Na+濃度升高，開始出現HCO3-Ca·Na·Mg型，水質分層特征明顯。到了下游地區，Na+和Mg2+濃度快速升高，許多水樣表現為HCO3-Na·Mg·Ca型和HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型。越往下游，地下水的化學組分更趨于復雜，一方面表征了其多源輸入的特征，另一方面反映了人類活動影響強度的增強。

地下水質量評價；地下水水化學；延慶盆地；F值法

北京市是嚴重缺水的特大型城市，目前人均水資源量已經不足100m3，遠低于國際公認的缺水警戒線1000m3。北京2/3以上的供水來自地下水，近年來人口急劇增加、經濟快速發展，加之連續枯水年份使得地下水開采深度越來越大、開采量居高不下、地下水位降落漏斗進一步擴展，相繼引發了一些地下水環境地質問題。特別是第四系地下水水質惡化直接威脅到地區的供水安全。自2003年以來，中國地調局、北京市政府等多部門先后在北京平原實施了多個地下水環境調查與評價的項目：文獻[1～2]的工作精度為1∶25萬，文獻[3]的工作精度為1∶10萬，由于多種原因，以上項目都不包含永定河上游山間盆地，使得這一區域的地下水環境調查與研究基礎相對較弱。2007～2009年，在整個北京市平原區6900km2實施了近20年來最大規模、精度最高（1∶5萬）的地下水污染調查與評價項目。本文以永定河上游山間盆地作為研究區，利用數理統計學方法，分層分區進行了質量評價，開展了地下水水化學特征分析，以期準確刻畫地下水水化學場，探討自然因素和人類活動對地下水水質的影響，為地區地下水資源的合理開發與保護提供支撐，為保障安全供水提供依據。

1 自然地理概況

研究區地理坐標為：115°44′～116°34′，北緯40°16′～40°47′，位于北京市的西北部，距城區約70km，以往稱永定河上游山間盆地，也有學者稱延慶盆地[4]，總面積1993.75km2，山區面積占72.8%，平原面積占26.2%。區內多年平均氣溫8℃，多年平均降水量為493mm，降水量時空分布不均，6～8月份降水量占全年總降水量的72%，地域上分布也不均，東部山區多于西部山區，山區多于平原區。媯水河是研究區內最大的河流，流域面積1064.3km2，自東北流向西南。

2 區域水文地質條件

整個研究區三面環山，是一個出口在西南形似喇叭狀的山間盆地（圖1）。盆地中部以湖相沉積為主，沉積總厚度主要受構造控制。總體來看，東薄西厚，沉積中心位于延慶鎮以西，厚度大于1000m，北部山前比南部山前厚度大，南部一般厚度100m，北部可達200m以上。山前平原沖洪積扇地區，含水層主要有砂、砂礫石、砂卵石組成。含水層厚度由沖洪積扇上部向下逐漸變厚，含水層顆粒由沖洪積扇頂向下由粗變細。山前地區排列有數個小型的沖洪積扇，山前到沖洪積扇底部，顆粒由粗變細，呈有規律的遞變。盆地中部主要為淤泥質粘性土夾薄層粉細砂層，粉細砂層多呈透鏡體分布[4]。

區域上地下水流向自西北流向東南。在沖洪積扇中上部地區，單井出水量可達3000m3/d。潛水分布于全區，承壓水主要分布于盆地中部，承壓水分界線基本沿后黑龍廟-靳家堡-后呂莊-北采-前呂莊-永寧-高廟屯-康莊鎮一線為界。該地區埋深30～50m以上含水層由薄層中細砂組成，50～100m以下有2～3層砂礫石層，厚約10m左右，含水層總厚度約20m左右（圖1）。

圖1 研究區地下水采樣點分布圖

工作區內地下水的補給、徑流和排泄受地形地貌、大氣降水、地層巖性及地質構造的影響。補給主要包括大氣降水、河水的垂直入滲、側向徑流以及山區基巖水的側向補給。在砂卵石為主要含水層地區，由于滲透性能好，地下水以接受地下徑流和大氣降水補給為主；北部山前的郎莊、付余屯和西辛莊一帶，主要接受山前泉水溢出補給，地下水位較淺；媯水河兩岸的老白廟、谷家營、西關和蓮花池一帶則接受河水側向徑流補給。排泄方式包括自然蒸發、泉、地下徑流及人工開采[5]。

3 數據與方法

2008年分豐、枯水期對平原區1035眼水井進行了采樣工作，共采集地下水樣品3400余組。在延慶盆地共布設采樣點65個，其中淺層地下水樣21個，主要采自潛水及承壓水分布區，含水層底板埋深小于50m的淺層具有微承壓性質的含水層組；中層水樣32個，主要來自承壓水區，含水層組底界深度80～120m，局部地區以基巖作為底界；深層地下水樣12個，主要取自承壓水區，含水層組底板埋深150～180m，局部地區以基巖作為底界。測試有機組分44項，無機組分49項（本文僅涉及無機組分評價），所有樣品在現場測試了pH、溶解氧、電導率，無機組分在北京市地質工程勘察院水質分析實驗室測試[6]。

地下水質量評價的方法通常有內梅羅指數法[7]、模糊數學法[8]、集對分析法、聚類分析法等[9～10]，已有諸多文獻，在此不再贅述。本文采用《地下水質量標準》[11]中應用最廣最簡單的F值評分法。本文利用2008年6月枯水期采集的水樣分析結果進行計算和評價。

4 地下水質量評價

表1 研究區地下水水質評價結果統計表

選擇總硬度、溶解性總固體、錳、氨氮、鐵、氟、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氯離子、硫酸根離子10項作為評價因子，利用F值評分法進行綜合質量評價（表1）。結果表明：永定河上游山間盆地的地下水質量較好，深層水質好于中層，中層好于淺層，這與師永霞等人在華北平原東部衡水地區的研究結果相似[12]。由沖洪積扇的頂部向中下游，地下水水質有變差的趨勢。特別是在城鎮聚集區的四周，地下水質量普遍較差[13]（表1，圖2）。

圖2 研究區地下水綜合質量評價結果

5 地下水水化學分層分帶特征

5.1 地下水化學組分的統計特征

從研究區內8種組分的統計結果表明：地下水的Ca2+、NH4+離子的濃度均值呈現出上游地區＞中游地區＞下游地區。Cl-濃度在上游高于中游，下到了下游地區，又再次升高。由于Cl-不為植物及細菌所吸收，不被土粒表面吸附，氯鹽溶解度大，不易沉淀析出，它是地下水中最穩定的離子。由于工業、生活污水及糞便中含有大量Cl-，因此，居民點附近礦化度不高的地下水中Cl-含量超過尋常，則說明地下水很有可能已經遭受了不同程度的污染[14-15]。

組分濃度的均方差統計結果為：淺層和中層地下水的Cl-、NO3-、硬度和TDS均有上游＜中游＜下游的特點，說明在盆地的上游和中部地區，地下水水質的趨同性更強。這與地層結構具有較好的吻合性，在上游地區，地層多為單一的砂卵礫石層結構，垂向的水力聯系密切，交換相對容易。下游地區，地層轉為多層結構，水質分異現象更為顯著。對于深層地下水而言，除硬度與硝酸根外，Cl-和TDS也大致呈現出了上述規律。

延慶縣城位于延慶盆地的中下游地區，因此下游地區Cl-升高很有可能與城區及周邊地下水人為污染有關。

5.2 地下水水化學類型變化

圖3為盆地內淺、中、深層地下水水化學Piper三線圖。可以看出幾乎70%以上的地下水樣落在了三線圖中的“5”區，即碳酸鹽硬度超過了50%。上游地區淺層地下水化學類型多為HCO3-Ca?Mg型，只有在極個別點存在HCO3?SO4-Ca?Mg或者HCO3?NO3-Ca?Mg 型水。這些硫酸根和硝酸根含量較高的點多位于工業開發區周邊，或者是一些農用灌溉的淺井。中游地區仍然以HCO3-Ca?Mg型為主，但開始出現HCO3?Cl-Ca?Mg型水。下游地區，淺層地下水中的Na+、Cl-濃度升高，HCO3?Cl-Ca?Mg樣本數增多，而且許多井點表現為HCO3?SO4-Ca?Mg型。中層地下水在上游基本仍以HCO3-Ca?Mg為主，個別點NO32-和濃度升高。在中游地區，大部分中層地下水中的Na+濃度升高，開始出現HCO3-Ca?Na?Mg型。到了下游地區，Na+和Mg2+濃度快速升高，許多水樣表現為HCO3- Na?Mg?Ca型和HCO3?SO4-Na?Ca? Mg型。

深層地下水而言，在上游以HCO3-Ca?Mg為主，中下游逐漸由HCO3-Ca?Na?Mg過渡到HCO3?SO4- Na?Ca?Mg型。

圖3 研究區淺層（a）、中層（b）、深層（c）地下水水化學派珀三線圖

圖4 研究區典型離子組分與深度關系曲線圖

5.3 水樣濃度與采樣深度分析

將該研究區地下水系統劃分為上、中、下游3個區，并采用二次指數模型對離子濃度和水樣深度進行了擬合（圖4）。從圖中可以看出：①在盆地沖洪積扇的上部、中部和下游地區，水樣的集中度上部好于中部，中部集中度好于下游；②從深度上來看，隨著深度的增大，各組分的濃度均有下降的趨勢。以硬度和溶解性總固體（TDS）為例，超標的水樣點均為深度小于50m左右的的淺井。硬度超標點（＞500mg/L）也均為深度小于50m左右的淺井；③從分帶性上來看，高值點和超標點大多屬于下游水樣（圖4）。④pH值統計表明盆地內水樣基本均屬于偏堿性水，并隨著深度增大，pH有增大趨勢；⑤水樣的EC（電導率）值隨著井深的增大呈減小趨勢，這一點在上游表現的尤為明顯。在沖洪積扇的上游，地下水主要接受大氣降水入滲和山區巖溶裂隙水補給，EC值在450us/cm左右。到了中游，地下水的EC值升高到500us/cm，均方差增大，表明水樣的補給來源更趨于復雜，可能既有大氣降水，又有地表水網的滲漏補給。到了下游地區，EC均值達到了780us/ cm。特別是淺層和部分中層水樣的EC值最高，這與其遭受人類活動影響礦化度升高具有明顯的一致性。從上游到中游再到下游，同樣是淺層水樣，其EC值逐漸增大[15]。事實上，地下水的這種分層分帶特征也會在水位動態及地下水的年齡上表現出來。許多學者通過水位動態數據[16]和氫氧同位素[17～18]分析探討了北京平原潮白河山前沖洪積扇第四系地下水的這種分布特征。

6 結 論

（1）從垂向上看，研究區地下水水質深層好于中層，中層地下水又好于淺層。橫向上，沖洪積扇上游總體水質好于中游，中游地下水好于下游。組分濃度和水化學類型表明：上游地區水質的趨同性強，水化學類型比較單一，這與上游地區含水層單一結構，顆粒粗大及良好的水動力條件相一致。中下游地區，地層轉為多層結構，補給源也變得復雜，上下含水層聯系相對弱，地下水濃度分布范圍更廣，水化學類型也趨于復雜。

（2）研究區中下游城市聚集區，Cl-、NO3-、硬度和TDS濃度顯著升高，高濃度點和超標點多屬于中下游的淺層水樣，這是人類活動污染物輸入強度的表征，特別是在延慶縣城及近郊一帶，生活污染是引起下游淺層地下水水質惡化的主要因素。

（3）數理統計、綜合質量評價和水化學類型判別等方法研究表明研究區地下水具有較好的分層分帶特征，這為科學合理布置地下水源保護和污染防控工作提供了依據。不足的是，本次沒有將這種特征與區域內地下水水位動態、環境同位素的研究進行對比，這將是下一步要開展的工作。

（4）地下水水化學場的刻畫與研究是地下水系統時空研究中最為直接、最為可靠的手段之一，也是關系到供水安全最為關鍵的工作內容。建議本地區的水資源開發與管理部門要加強污水、垃圾等污染源的監測與控制，研究更為合理開采模式，以持續安全利用本區地下水資源。

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Assessment of groundwater quality and its chemical characteristics analysis in Yongding River mountain basin

HE Tiezhu1, YANG Yuchun2

( 1.Beijing institute of geological and prospecting engineering, Beijing 100037; 2.Hydrogeology and Engineering Geology Team of Beijing, Beijing 100195)

In order to evaluate the groundwater quality of Yongding River upstream mountain basin and to discuss the characteristics of its distribution by the view of hydrochemistry, a total of 65 groundwater samples, collected within YanQing basin in the dry period of 2008 according to the geological and hydrogeololgical condition of Yanqing basin, were classify shallow, middle and deep groundwater respectively. Based on the data, the groundwater quality is evaluated by the method of F value. The mean and variance of main chemical constituens of groundwater samples were presented.. Also , the relationship between the depth of the samples and the concentration of TDS，Ca2+, Cl-, NO3-,pH, EC, hardness were analysed. The results show that most groundwater belong to Alkaline water. From shallow to middle, and then to deep, the quality of groundwater in Beijing is getting better. In the horizontal, from the fanhead area to middle area and then to the edge of the fan, groundwater become worse. The worst groundwater samples, i.e. V class of groundwater have been appeared in deep groundwater aquifer.At the fanhead area, the consternation of groundwater is low, the Layered characteristics is not very obvious, the watertype is HCO3-Ca·Mg mainly. At the middle area of the basin, the consternation of Na+and Cl- become higher, HCO3-Ca·Na·Mg water appear, the difference of different aquifers is becoming obvious. The groundwater at the edge of the fan appeared complex relatively, several samples were HCO3- Na·Mg·Ca and HCO3· SO4-Na·Ca·Mg, this results is identical with the Characteristics of the multi-source input on the other hand, this ref ect the inf uence of human activities intensity enhancement.

groundwater quality assessment;Yanqing Basin; statistics; method of F value

X143

A

1007-1903（2014）01-0038-05

何鐵柱（1978- ），男，工程師，主要從事地熱資源勘查與評價方面的工作，Email：htz13811495178@126.com