北京市朝陽區(qū)地下水化學(xué)特征及其變化規(guī)律

李炳華，崔學(xué)慧，朱亞雷，鄭凡東

(1.北京市水利科學(xué)研究所，北京 100048;2.中國石油大學(xué)理學(xué)院，北京 102249;3.北京市朝陽區(qū)水務(wù)局，北京 100026)

地下水在徑流過程中與周圍介質(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動不斷發(fā)生變化。因此，通過水化學(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。近年來，北京朝陽區(qū)的區(qū)域水循環(huán)各要素在自然和人為因素的共同作用下已發(fā)生了重大變化，如連續(xù)多年偏枯、地表水體大幅度減少、地下水位持續(xù)下降等。在這些因素的影響下，作為自然環(huán)境因子和水循環(huán)組成要素的地下水的補給和演化條件也發(fā)生了改變，重新判定該區(qū)域地下水的水化學(xué)演化規(guī)律十分必要。

1 研究區(qū)域概況

朝陽區(qū)位于北京城區(qū)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(fā)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(qū)總面積的80%。第四系堆積過程中受到不同規(guī)模的冰期作用，造成該區(qū)的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，總體上第四系松散沉積物厚度由西向東逐漸加厚。根據(jù)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(cè)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(shù)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(cè)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(qū)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(cè)和南側(cè)接受鄰區(qū)的地下水側(cè)向補給，東側(cè)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(qū)內(nèi)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(xué)分析實驗室中監(jiān)測，測試的項目包括:、、HC－、、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、pH值和電導(dǎo)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(dǎo)率用電導(dǎo)儀測定。

圖1 地下水取樣井分布

根據(jù)監(jiān)測的水化學(xué)數(shù)據(jù)，利用SPSS18.0軟件開展水化學(xué)組分統(tǒng)計分析和相關(guān)性分析，應(yīng)用Aquachem軟件分析朝陽區(qū)地下水水化學(xué)類型，結(jié)合地下水水化學(xué)資料和文獻(xiàn)，研究朝陽區(qū)地下水水化學(xué)演化原因。

3 結(jié)果與討論

3.1 枯、豐水期對地下水水化學(xué)組分影響

為反映枯、豐水期對地下水化學(xué)組分的影響，對2007—2009年地下水枯、豐期水的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，各年度枯、豐水期水化學(xué)組分監(jiān)測結(jié)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(xué)組分為例，枯、豐水期Cl－和質(zhì)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(shù)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(zhì)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)均值較多，而K+的偏離較少(表1)。

表1 2009年北京市朝陽區(qū)枯、豐水期地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(n=2×24)

通常地下水接受不同的補給來源，其電導(dǎo)率變化很大[3]。仍以2009年枯、豐水期地下水電導(dǎo)率的監(jiān)測值為例，絕大部分小于1000 μS/cm，而且大部分枯水期電導(dǎo)率值大于豐水期電導(dǎo)率值，僅CY10、CY11和CY14地下水井電導(dǎo)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(zhì)較差，而且由于河道清淤，加強了涼水河與地下水的聯(lián)系，從電導(dǎo)率值可以推測CY14很可能受到?jīng)鏊拥挠绊?。從深度角度看，深層地下水受季?jié)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(xué)組分相對穩(wěn)定的特征(圖2)。

3.2 地下水主要水化學(xué)組分特征及形成原因

鑒于季節(jié)變化對不同深度地下水化學(xué)組分的影響相對較小，此次研究取各年地下水主要組分監(jiān)測結(jié)果平均后統(tǒng)計分析，可以看到:2007—2009年朝陽區(qū)地下水陰離子以、Cl－為主，其中的質(zhì)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(zhì)量濃度相對較低，均值僅為1.6～2.2 mg/L。從各組分質(zhì)量濃度3 a的變異系數(shù)看，陰離子中 Cl－各年度的變異系數(shù)最大(95.7% ～131.6%)，說明其含量變化較大，是隨環(huán)境因素而變化的敏感因子，其次為(57.9% ～70.5%)，而的變異系數(shù)相對較小，說明其含量相對穩(wěn)定;4種陽離子中變異系數(shù)中Ca2+年際間相對變化較小，而Na+的變化稍大，說明Na+受環(huán)境影響相對較大。從標(biāo)準(zhǔn)偏差看，總體上陰離子的大于陽離子的，說明陰離子質(zhì)量濃度偏離其算術(shù)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(dǎo)率值變化

表2 2007—2009年北京市朝陽區(qū)地下水組分參數(shù)統(tǒng)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(tài)，在偏酸、偏堿及中性水中占優(yōu)勢，而朝陽區(qū)地下水pH監(jiān)測值范圍在7.6～8.5之間，為偏堿性水，因此朝陽區(qū)地下水中表現(xiàn)為含量占優(yōu)的特征。天然水中的Cl－濃度的變化主要是受水文循環(huán)中的混合以及蒸發(fā)、鹽的溶解、離子過濾和擴散等作用的影響。北京平原區(qū)工業(yè)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(qū)域性(北京地區(qū))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(fù)雜，主要包括降水?dāng)y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(qū)地下水ρ(Cl－)＞44 mg/L，由此可以推測朝陽區(qū)地下水Cl－受多種因素影響。另有資料表明，朝陽區(qū)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(huán)境，陰離子以為主，質(zhì)量濃度平均值為296.2 mg/L，陽離子以Ca2+、Na+為主，質(zhì)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(jiān)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(zhì)量濃度與地表水的相差10～30mg/L。綜合以上分析可知，朝陽區(qū)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(xué)組分存在著有機聯(lián)系，地下水各種組分之間的含量比例系數(shù)常用來研究某些水文地球化學(xué)問題[6]。γNa/γCl系數(shù)稱為地下水的成因系數(shù)，是表征地下水中Na+富集程度的一個水文地球化學(xué)參數(shù)。海水的γNa/γCl系數(shù)平均值為0.85，低礦化度水具有較高的γNa/γCl系數(shù)(γNa/γCl＞0.85)，高礦化度水具有較低的 γNa/γCl系數(shù)(γNa/γCl＜0.85)[7-8]。朝陽區(qū)地下水樣分析點大多位于直線1∶1以上，說明 γNa/γCl系數(shù)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(fēng)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(fā)生交換，從而使Na+含量大于 Cl－含量。γNa/γCl系數(shù)小于1的點基本分布在該區(qū)的西北和東南地段，很可能與這些地段工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致的污染入滲有關(guān)。從TDS與 γNa/γCl關(guān)系分析，朝陽區(qū)內(nèi) γNa/γCl系數(shù)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(jìn)行離子交換，導(dǎo)致地下水中的 Na+濃度減小，而 Cl－相對增加，導(dǎo)致 γNa/γCl系數(shù)下降(圖4)。

圖3 2009年豐水期 γNa與 γCl關(guān)系

圖4 2009年豐水期 γNa/γCl與 TDS關(guān)系

3.3 地下水TDS和主要化學(xué)組分的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析可揭示地下水水化學(xué)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(guī)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(jiān)測結(jié)果，利用SPSS18.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。2009年豐水期TDS監(jiān)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(guān)系

通常地下水流程越長，其TDS值越大，朝陽區(qū)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(qū)的明顯較高，約是其2倍。資料表明，當(dāng)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(qū)Ca2+、Mg2+與呈正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)較高。這點從TDS和(γCa2++γMg2+)關(guān)系也可看出，(γCa2++γMg2+)=0.0084ρ(TDS)+0.65，R2為0.8303(圖6)。從朝陽區(qū)內(nèi)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(dǎo)致TDS值偏低。朝陽區(qū)陰離子Cl－和與陽離子Ca2+和Mg2+的相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)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(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.83以上，而與K+和Na+相關(guān)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(guān)系

表3 2009年豐水期地下水樣中各組分的相關(guān)性分析(n=24)

3.4 地下水水化學(xué)類型及變化分析

表4 2007—2009地下水取樣井水化學(xué)類型

對照不同深度地下水化學(xué)類型變化，可以看到深層地下水化學(xué)類型變化較淺層的小，11個點中有5個地段未發(fā)生變化，另外，深層地下水陰離子僅有參與了水化學(xué)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(jì)80年代初，研究區(qū)地下水存在4類化學(xué)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(jié)果比較，朝陽區(qū)地下水化學(xué)類型發(fā)生了明顯變化，此次研究中地下水化學(xué)類型最多的是HCO3-NaCa。

地下水水化學(xué)成分的形成和演變主要受流經(jīng)巖(土)的種類、性質(zhì)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(tǒng)。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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)占絕對優(yōu)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(zhì)量分?jǐn)?shù)均在11%以下。西山組分以石灰?guī)r類為主，為永定河沖洪積扇系統(tǒng)，從扇頂至扇前緣，Ca2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈減少的趨勢，而Mg2+和Na+質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈增加趨勢，其中Na+質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加明顯;陰離子、Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)從剖面頂部至剖面前緣呈上升趨勢，質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍有下降[14]。朝陽區(qū)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(qū)地下水HCO3-NaCa型較多。此外，在工農(nóng)業(yè)區(qū)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(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯升高，導(dǎo)致 HCO3Cl和 HCO3SO4型地下水出現(xiàn)[15]。根據(jù)2007朝陽區(qū)地下水水質(zhì)評價報告，按照GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，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(jù)以上朝陽區(qū)地下水化學(xué)類型，結(jié)合朝陽區(qū)地下水流方向探討地下水類型演化。朝陽區(qū)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(jì)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(dǎo)致西半部水化學(xué)類型年際間發(fā)生變化，如 2007—2009 年 CY1、CY3、CY9、CY12和CY13等處水化學(xué)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(xué)類型較為穩(wěn)定，如2007—2009 年 CY4-2、CY5、CY6-1、CY8、CY20 和CY22等處，對應(yīng)各年的地下水化學(xué)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?？傮w上朝陽區(qū)西半部地下水化學(xué)類型變化較快，漏斗區(qū)以低礦化度的水化學(xué)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(xiàn)HCO3Cl和HCO3SO4型。

4 結(jié)論

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