北京潮白河沖洪積扇地下水水化學的分層分帶特征

郭高軒 , 侯泉林, 許 亮, 劉久榮, 辛寶東

1)中國科學院大學地球科學學院, 北京 100049; 2)北京市水文地質工程地質大隊, 北京 100195

我國657個城市中, 有400多個以地下水為供水水源, 目前越來越嚴重的地下水環境惡化問題已經引起了各方的高度重視。2003年以來實施的全國地下水環境地質調查專項表明, 我國 90%的城市地下水不同程度地遭受著有機和無機有毒有害污染物的污染(環境保護部, 2011; 張新鈺等, 2011)。2011年環境保護部、國土資源部、水利部和財政部四部委首次聯合開展的《全國地下水基礎環境狀況調查評估》表明, 華北地區地下水污染問題尤為突出。北京作為華北地區的特大型都市, 65%以上的供水來自地下水, 其危急形勢不言而喻。2013年國務院批準的環境保護部、國土資源部、水利部和住房和城鄉建設部聯合編制的《華北平原地下水污染防治工作方案》中, “潮白河沖洪積扇單元”同時被列為“地下水污染治理單元”和“地下水污染防控單元”(環境保護部等, 2013)。以往研究者多通過構建三維地質模型來表征該區域含水層的空間形態(蔡向民等, 2009; 田芳等, 2012)、也有通過地下水水位動態變化來研究地下水的分布和蘊藏特征(劉記來等, 2010; 趙薇等, 2012; 劉元章等, 2013a)。這些方法和手段對于潮白河山前傾斜沖洪積扇這樣的復雜系統而言, 較多地偏重地下水動力場的研究, 而水化學場的探討相對較少。也有些研究者僅依靠較少量的環境同位素數據進行了區域尺度上的地下水循環更新速率的探討(宋獻方等, 2007; 鄭躍軍等,2012; 劉元章等, 2013b)。事實上, 從地下水水化學的角度探討區域地下水循環與演化特征, 對于地下水資源的保護、開發與管理更為重要(郇環等, 2011;翟遠征等, 2011; 楊麗芝等, 2013; 周迅等, 2014)。通過對水化學場的研究, 不僅能摸清當下“臟水”與“凈水”的分布, 而且能夠了解“臟水”污染的程度、遭受污染的機理和潛在的風險。地下水化學場的研究成果, 能夠為合理布置地下水污染防治工程、劃定地下水源保護范圍、設定安全取水層位, 保障供水安全提供科學的依據。本文擬采用多樣本、多層位、多組分的地下水采樣數據, 探討北京潮白河沖洪積扇地下水水化學特征, 為本區域地下水污染防治、安全持續供水保障起到借鑒和支撐的重要作用。

潮白河是流經北京的第二大河流, 整個流域總面積19354 km2, 北京市域內流域面積為6531 km2。其自北部懷柔、密云流經平原區的順義、通州區, 往南流過大興進入河北。在流域上游地表水形成密云水庫、懷柔水庫, 下游地區巨大的沖洪積扇分布有第八水廠、第五水廠、兩河水源地、懷柔應急水源地等大大小小地下水水源地十幾處(圖1)。潮白河沖洪積平原第四系年地下水供水量超過4.5×108m3/a。潮白河河道歷史上大致經歷了三次擺動, 形成了規模不等的古河道(李華章, 1995)。依據其地層結構和水文地質條件, 整個潮白河沖洪積扇可以劃分為上游(扇頂)、中游(扇中)和下游(扇緣)地區(圖1)。在上游地區, 地層主要由厚度較大的砂卵礫石組成, 顆粒粗大, 透水性好, 構成單一的含水層。上游和中游基本以承壓水含水層分界線為界。中游地層變為礫砂、粗砂和粘土、亞粘土的多層結構。中游和下游界線則大致與順義區和通州區的行政界一致。在這一界線南部, 第四系厚度顯著增大,最厚處位于張家灣一帶, 厚度達 600余米。組成含水層的顆粒更細, 厚度更小, 基本變為細砂、粉砂與粘土、亞粘土互層的多層含水層結構(圖 2)(北京市地質礦產勘查開發局等, 2008)。

1 地下水采樣

北京平原區的第四系地下水可分為淺層、中層和深層。淺層地下水遍布整個平原區, 主要為潛水,直接接受大氣降水補給, 與上覆包氣帶聯系緊密,含水層富水性由上游到下游差異較大。中層地下水是目前主要的開采層, 許多農業灌溉用水主要來自這一層。深層地下水埋深較大, 更新速率較慢, 補給以側向徑流和越流補給為主, 是許多地區生產、生活的取水層。

2008年, 北京市平原區地下水污染調查與評價項目根據水文地質條件, 在平原區的 1035眼水井中分豐、枯水期進行了三次分層采樣, 現場測試了EC和pH, 49項無機組分由北京市水文地質工程地質大隊水質化驗室測試。本文研究區采樣位置及數量見圖1和表1(辛寶東等, 2010)。

2 組分統計特征

本次選取總硬度、溶解性總固體、氨氮、鐵、氟、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氯化物、重碳酸根、硫酸根 10項組分進行統計(表 2)。淺層地下水, 除了NO3–外, 其余9種組分的算術均值均呈現由上游到中下游增大的趨勢, 均方差則中游較上游和下游大,說明中游地區淺層地下水樣的濃度分布范圍大, 差異特征明顯。中層地下水除 HCO3–、Cl–、F–、TDS(溶解性總固體)呈上升趨勢外, 其它組分差異不是特別明顯, 但是中層地下水所有組分的均方差則呈現出由上游到下游增大的趨勢, 規律明顯。對深層地下水而言, 除TDS呈現有規律上升外, 其它組分無明顯規律。

3 地下水化學類型

在研究區的上游, 淺層地下水多為HCO3–Ca·Mg型, 只有極個別點存在 HCO3·SO4-Ca·Mg型或者HCO3·NO3-Ca·Mg 型水。有一些 SO42–和 NO3–含量較高的點, 多位于工業開發區周邊, 或者屬于農用灌溉的淺井。中游地區, 仍然以 HCO3-Ca·Mg型為主, 但開始出現HCO3·Cl-Ca·Mg型水。到了下游, 淺層地下水中的 Na+、Cl–濃度顯著升高, HCO3·Cl-Ca·Mg 樣本數明顯增多, 而且許多井點表現為 HCO3·SO4-Ca·Mg型。

表1 第四系地下水含水層位劃分及采樣統計表Table 1 Classification of Quanertry aquifers and distribution of groundwater samples

圖2 潮白河沖洪積扇水文地質剖面圖(剖面AA’見圖1)Fig.2 Hydrogeological section of Chaobai River alluvial-proluvial fan(see section AA’ in Fig.1)

表2 潮白河沖洪積扇地下水化學組分統計表Table 2 Statistics of main chemical constituents of groundwater samples within Chaobai River alluvial-proluvial fan

中層地下水在上游基本仍以HCO3-Ca·Mg為主,個別點 NO3–和 SO42–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(圖 3)。

對深層地下水而言, 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。

從水樣分布的集中度來看, 絕大部分水樣分布在派珀三線圖中的5區, 即碳酸鹽硬度超過50%的區域。無論淺層地下水, 還是中、深層地下水, 其上游水樣的集中度均好于中游地區, 中游地區好于下游。在上游地區, 單一的砂卵礫石層上下貫通,水動力條件好, 水質均一性好。下游地區, 含水層轉變為多層結構, 水質分異特征明顯。從分帶性來看, 在上游地下水蒸發微弱, 溶濾強烈, 礦化度低;隨著徑流, 到中游地區, 蒸發逐漸加強, 礦化度逐漸升高, 水中的 SO42–、Cl–和 Na+濃度逐漸增高, 這與水化學類型演變具有很好的吻合性(王大純等,1995; Jeevanandam et al., 2007)。

圖3 潮白河沖洪積扇淺層地下水(a)、中層地下水(b)、深層地下水(c)派珀三線圖Fig.3 Piper plot of groundwater samples in shallow groundwater(a), middle groundwater(b), deep groundwater(c)of Chaobai River alluvial-proluvial fan

4 組分濃度與深度的關系

在前文所述的10種組分中, 我們選取TDS、硬度、Cl–、NO3–組分以及現場測試的pH和電導率進行濃度與取樣深度關系分析, 并采用指數模型進行了擬合(圖 4)。可以看出: (1)無論是 TDS、硬度、Cl–,還是 NO3–, 其分布集中度呈現出上游好于中游, 中游好于下游。從圖形的縱向上看, 上游水樣的濃度分布范圍更窄, 中游分布范圍稍寬, 下游分布范圍則更廣; (2)濃度的分布特征是, 淺層水樣的濃度>中層水樣>深層水樣, 也就是說在橫向上, 淺層的水樣更靠右一些; (3)超標水樣大部分為中下游的淺層水樣和部分的中層水樣; (4)單純從統計意義上來看, 除pH外, 其余5項組分含量均與深度成反相關關系(郭高軒, 2009)。

圖4 潮白河水文地質單元離子濃度與深度關系圖Fig.4 Relationship between main chemical constituents and sampling depths

水樣的 pH值反映出潮白河沖洪積扇地下水均屬于偏堿性水, 并且隨著深度的增大, 水樣的 pH值有增大的趨勢。地下水 EC則隨著井深的增大而減小, 這一點在上游的地下水樣中尤為明顯。沖洪積扇上游地下水主要接受大氣降水入滲和山區巖溶裂隙水的側向補給, EC較低, 在450 μs/cm左右; 到了中游地帶, EC升高到500 μs/cm, 方差也隨之變大,說明水樣的補給來源趨于復雜, 既有大氣降水, 又有地表水網的滲漏補給; 到了下游, EC的均值達到了900 μs/cm, 特別是淺層和部分中層水樣的EC最高, 這與遭受人為污染致使礦化度升高具有明顯的一致性。

5 討論與結論

相比地下水的動力場, 地下水化學場能夠更為直接的揭示其分布、蘊藏與演化特征(Chan, 2001)。日益凸顯的地下水水質惡化問題引發了越來越多的關注和重視, 保護與防治工程的實施也必將引發更多的投入。基于地下水環境調查數據的地下水化學場的精細刻畫則是水資源保護、開發利用以及污染防治等諸多工作的基礎和關鍵(郭高軒, 2012)。本文以典型的山前緩傾斜沖洪積平原——潮白河沖洪積扇為例, 基于系統采樣數據, 運用統計學和 GIS技術從地下水化學角度探討了第四系地下水在空間上的分層分帶特征。得到以下幾點認識:

1)地質結構上, 潮白河沖洪積扇含水介質較好分層分帶特征。上—中游界線基本以單一的含水層為界, 大致沿廟城—龍王頭—馬坊—孝德村一線形成下凸形態; 中—下游大致位于金盞—葛渠—翟里一線, 分界線往南, 含水層更薄, 含水介質顆粒更細。

2)潮白河沖洪積扇第四系地下水水化學分帶特征明顯。在沖洪積扇的上游, 各層水質組分濃度相當, 方差小, 水化學類型基本均為低礦化度的HCO3-Ca·Mg型水, 水質均一性良好, 補給迅速、上下貫通, 水動力條件較好。在沖洪積扇的中游, 水質組分趨于復雜, SO42–和NO3–含量升高, 水的礦化度升高, 開始出現 HCO3-Ca·Na·Mg 型水, 各含水層的組分差別較大。隨著深度增大, 硬度和總礦化度減小, 各組分的方差也逐漸減小。下游地區, 水質分層特征更加明顯, 各組分含量差別更大, SO42–和Cl–進 一 步 升 高, 開 始 出 現 HCO3·Cl-Ca·Mg 和HCO3·SO4-Ca·Mg 型水, 表現出多源輸入的特征。

3)地下水水化學場分層特征明顯。組分濃度與取樣深度關系分析表明, 各層水樣濃度差別較大。其中TDS、硬度、Cl–、NO3–、EC隨著深度增大呈減小趨勢, pH則隨著深度增大而增大。測試組分濃度的分布范圍則有: 淺層水樣>中層水樣>深層水樣。從組分的絕對值來看, 仍然具有上述規律。含量較高的樣點和超標點絕大多數為淺層水樣, 在中下游尤為突出, 是人為輸入增強的表征。

4)在沖洪積扇上游, 地下水主要接受大氣降水入滲補給, 溶濾作用為主, 水質均一性好, 絕大多數為低礦化度的Ⅰ至Ⅲ類水, 循環交替相對比較迅速。在沖洪積扇的中下游, 含水介質顆粒變細、層數變多, 徑流速度變慢, 淺層蒸發強烈。河渠入滲、灌溉回滲等多源輸入補給。中深層除側向補給外增加了越流, 上部人類聚集區的強烈活動增加了“污染物”的輸入, 雙重因素導致地下水多數組分含量上升, 地下水Ⅳ、Ⅴ類水增加, 質量變差。

作為北京平原第二大沖洪積扇, 潮白河沖洪積扇上建有大大小小十余處重要的供水水源地。從地下水水化學角度闡明其所具有的分層分帶特征, 為下一步開展分質地下水資源評價、分層分帶有側重的地下水污染防控工程以及人類活動對地下水環境的影響研究等提供了科學參考。

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