城市化進(jìn)程中地下水水質(zhì)年內(nèi)變化特征研究
——以北京市為例

趙 微

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

城市化進(jìn)程中地下水水質(zhì)年內(nèi)變化特征研究
——以北京市為例

趙 微

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

采用單因子評價(jià)法、統(tǒng)計(jì)分析法，以主要超標(biāo)指標(biāo)總硬度、溶解性總固體和穩(wěn)定指標(biāo)氯化物為特征指標(biāo)，對北京平原區(qū)城市化進(jìn)程初期、中期淺層和中層的地下水年內(nèi)變化特征進(jìn)行了分析和研究。對比結(jié)果表明，豐水期的水質(zhì)劣于枯水期。選取2012年水質(zhì)數(shù)據(jù)，分析溶解性總固體的變化分布特征，分析結(jié)果表明：上升區(qū)范圍主要分布在大興和通州的南部地區(qū)，平原區(qū)濃度上升區(qū)面積大于濃度下降區(qū)。

水質(zhì)評價(jià)；地下水； 年內(nèi)變化特征；北京平原

0 引言

城市化是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然結(jié)果，是人類社會文明程度提高的重要標(biāo)志。改革開放以來，我國城市化進(jìn)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(jìn)程以 1980 年為分界線，1961～1980 年為城市化進(jìn)程慢速時(shí)期，1981以后為城市化進(jìn)程快速時(shí)期[2]。城市化過程中土地覆蓋的變化導(dǎo)致水分循環(huán)的變化，進(jìn)而影響水量在空間分布上的變化；同時(shí)人口的增加、規(guī)模的增大，使城市用水量增大，造成水資源緊缺，同時(shí)造成水環(huán)境污染嚴(yán)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(fā)展中扮演越來越重要的角色。我國北方城市化發(fā)展很快，但該區(qū)水資源嚴(yán)重短缺，地下水環(huán)境問題日益突出，其中地下水超采與水質(zhì)惡化現(xiàn)象，成為城市環(huán)境地質(zhì)問題中最廣泛、最嚴(yán)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(huán)境質(zhì)量的研究，多為水質(zhì)現(xiàn)狀的調(diào)查及污染評價(jià)，其中對地下水質(zhì)量變化特征的研究多為年際對比，分析年內(nèi)變化特征的研究較少。郭高軒[7]結(jié)合2006年的水質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，從超標(biāo)面積上對北京市平原區(qū)枯、豐水期的總體質(zhì)量進(jìn)行了對比，沒有對典型離子組分濃度升高程度進(jìn)行量化，也沒有從空間方面對水質(zhì)變化特征進(jìn)行對比。由于包氣帶巖性的不同，各地區(qū)受降水影響后水質(zhì)響應(yīng)有所不同。為分析年內(nèi)水質(zhì)變化特征，研究地下水化學(xué)場的演化規(guī)律，精確刻畫地下水水化學(xué)特征，本文以北京市平原區(qū)為例，選取枯、豐水期水質(zhì)數(shù)據(jù)，分析城市化進(jìn)程初期及中期地下水年內(nèi)變化特征，為城市供水、地下水資源開發(fā)利用和保護(hù)提供依據(jù)。

1 評價(jià)方法及指標(biāo)

1.1 評價(jià)方法

地下水水質(zhì)對比評價(jià)的方法較多，包括單因子評價(jià)法、綜合污染指數(shù)法、參數(shù)分級評分疊加指數(shù)法、層次分析評價(jià)法、統(tǒng)計(jì)分析方法、灰色聚類法、模糊數(shù)學(xué)法、物元可拓集法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法方法等[8～9]，多與背景值或?qū)φ罩颠M(jìn)行對比。

各評價(jià)方法均有優(yōu)缺點(diǎn)，由于年內(nèi)水質(zhì)對比評價(jià)中，水質(zhì)數(shù)據(jù)間隔時(shí)間較短，不適宜與背景值進(jìn)行對比，因此本次采用單因子評價(jià)法和統(tǒng)計(jì)分析方法，從濃度變幅和升降比例兩方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取典型指標(biāo)進(jìn)行單因子評價(jià)，最后對單因子統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行綜合對比分析，研究地下水年內(nèi)水質(zhì)變化特征。

在濃度變幅和升降比例統(tǒng)計(jì)過程中，首先確定評價(jià)指標(biāo)測試過程中的標(biāo)準(zhǔn)偏差，由于水質(zhì)測試過程中均存在一定的標(biāo)準(zhǔn)偏差，為避免或減小標(biāo)準(zhǔn)偏差對水質(zhì)變幅的影響，將變幅在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)的水質(zhì)點(diǎn)定為水質(zhì)不變點(diǎn)，變幅大于標(biāo)準(zhǔn)偏差的定為上升或下降。

濃度變幅或升降比例統(tǒng)計(jì)時(shí)，首先計(jì)算典型指標(biāo)豐水期與枯水期濃度變幅，統(tǒng)計(jì)濃度變幅大于標(biāo)準(zhǔn)偏差的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)，分別計(jì)算濃度上升和下降的監(jiān)測點(diǎn)占年內(nèi)評價(jià)點(diǎn)數(shù)的百分比；對濃度變幅大于標(biāo)準(zhǔn)偏差的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行差值計(jì)算，并統(tǒng)計(jì)濃度變化均值。

1.2 評價(jià)指標(biāo)

參與水質(zhì)對比評價(jià)的指標(biāo)可以選取地下水質(zhì)量評價(jià)結(jié)果中超標(biāo)較嚴(yán)重指標(biāo)，也可選取地下水中相對較穩(wěn)定的指標(biāo)。我國地下水中，北方地區(qū)的總硬度、溶解性總固體超標(biāo)范圍較廣，在松花江和遼河流域，鐵錳超標(biāo)明顯[10]；華北平原地下水" 三氮" 污染普遍[11]；由于鐵、錳等指標(biāo)屬天然化學(xué)作用的結(jié)果，不適宜參與評價(jià)；因此可選取總硬度、溶解性總固體、“三氮”等指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。另外在地下水中，氯化物廣泛分布，但其電負(fù)性高，相對穩(wěn)定，不易與地下水中其他物質(zhì)發(fā)生離子交換[12]，可作為典型指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)對比評價(jià)。

多年來，北京市平原區(qū)地下水主要超標(biāo)指標(biāo)為總硬度、溶解性總固體、硝酸鹽氮[13～14]；其中，總硬度超標(biāo)范圍最大，且從1965年以來超標(biāo)范圍呈持續(xù)擴(kuò)大趨勢[15]。

根據(jù)北京市平原區(qū)地下水環(huán)境監(jiān)測結(jié)果，2011年和2012年總硬度和溶解性總固體超標(biāo)面積顯著大于其他指標(biāo)，自監(jiān)測以來超標(biāo)范圍呈逐年擴(kuò)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(biāo)分析水質(zhì)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(fā)生相互轉(zhuǎn)化[18]，數(shù)據(jù)變化較大，因此本次不參與評價(jià)。

此外，氯化物在平原區(qū)地下水中雖僅以點(diǎn)狀超標(biāo)的形式存在，但由于其穩(wěn)定，不易與其他物質(zhì)發(fā)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(xiàng)指標(biāo)為典型指標(biāo)開展評價(jià)工作。

2 評價(jià)數(shù)據(jù)選取

北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)最早于1973年建成了城近郊區(qū)的地下水水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)，通過逐年完善，監(jiān)測網(wǎng)在1980年覆蓋了全市平原區(qū)，至2007年水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)共320個(gè)，僅對平原區(qū)生活飲用水層進(jìn)行監(jiān)測。1981年至1985年每年于枯水期和豐水期各監(jiān)測1次，之后每年枯水期監(jiān)測一次，監(jiān)測指標(biāo)約20余項(xiàng)。

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

2.1 評價(jià)時(shí)段

表1 地下水監(jiān)測層組劃分表

為分析城市化進(jìn)程對地下水水質(zhì)年內(nèi)變化特征的影響，選取城市化進(jìn)程快速發(fā)展的初期且監(jiān)測數(shù)據(jù)較豐富的1981～1985年，以及城市化快速發(fā)展30年后的2011～2012年為典型時(shí)間段，分析北京市平原區(qū)年內(nèi)水質(zhì)變化特征。

根據(jù)北京站1959年-2012年9月降水量統(tǒng)計(jì)資料，降水量在時(shí)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(jù)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(qū)年內(nèi)枯水期、豐水期的水質(zhì)變化特征。

2.2 評價(jià)層位

本次將第一監(jiān)測層組定為淺層，第二監(jiān)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(bǔ)給，循環(huán)交替迅速，可直接通過包氣帶與地表系統(tǒng)發(fā)生水力聯(lián)系，水質(zhì)變化受降水影響較大。中層是北京市平原區(qū)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(chǎn)生一定的水力聯(lián)系。

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

2.3 評價(jià)數(shù)據(jù)

（1）城市化快速發(fā)展初期

城市化快速發(fā)展初期即1980年—1985年期間，僅對平原區(qū)的生活飲用水層開展了水質(zhì)監(jiān)測，但各區(qū)縣監(jiān)測密度不同，其中城近郊區(qū)的海淀、豐臺和朝陽監(jiān)測點(diǎn)較多，監(jiān)測密度較大；而遠(yuǎn)郊區(qū)縣監(jiān)測點(diǎn)較少，監(jiān)測密度較小。為準(zhǔn)確反映平原區(qū)地下水的水質(zhì)變化特征，對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行了分層和篩選，確保監(jiān)測點(diǎn)的各個(gè)水期均有水質(zhì)數(shù)據(jù)，共選取淺層監(jiān)測點(diǎn)14個(gè)，中層監(jiān)測點(diǎn)10個(gè)（圖1）。

（2）城市化快速發(fā)展中期

城市化快速發(fā)展中期主要是選取2011年和2012年兩個(gè)年份同時(shí)監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

由于監(jiān)測網(wǎng)淺層和中層監(jiān)測點(diǎn)中，城近郊區(qū)的監(jiān)測密度較大，為提高監(jiān)測點(diǎn)的代表性，對城近郊區(qū)的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行了篩選，使參與評價(jià)的點(diǎn)密度與遠(yuǎn)郊區(qū)縣基本一致。數(shù)據(jù)分析過程中，對水質(zhì)濃度變幅與周邊監(jiān)測數(shù)據(jù)差別較大的異常點(diǎn)進(jìn)行剔除，本次共選取淺層井264眼，中層井164眼進(jìn)行分析（圖1）。

圖1 城市化初期及中期評價(jià)點(diǎn)圖

3 水質(zhì)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(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地下水質(zhì)檢驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)偏差分別確定為5mg/L、20mg/L和3mg/L。

（1）城市化快速發(fā)展初期

通過對典型指標(biāo)濃度變幅與水質(zhì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差的對比，城市化快速發(fā)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(jiān)測濃度多呈豐水期高于枯水期的現(xiàn)象；氯化物濃度雖豐水期較枯水期下降的次數(shù)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(fā)展中期

通過對城市化快速發(fā)展中期2011年和2012年主要超標(biāo)指標(biāo)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(biāo)指標(biāo)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(shù)據(jù)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(tǒng)計(jì)表

表3 2011年—2012年豐水期與枯水期濃度變化統(tǒng)計(jì)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(fā)展以來，豐水期的水質(zhì)劣于枯水期。

由于不同的區(qū)域受降水的淋溶或稀釋作用不同，水質(zhì)對降水的響應(yīng)也有所不同。為了解地下水水質(zhì)對降水入滲的響應(yīng)結(jié)果，本文以2012年水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取濃度變化程度居中的溶解性總固體為特征指標(biāo)，應(yīng)用GIS的空間分析功能，繪制水質(zhì)變幅的濃度分區(qū)圖，分析淺層和中層地下水的水質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)偏差以內(nèi)即20mg/L以內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)定為濃度基本不變點(diǎn)，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(qū)約48%的地區(qū)濃度基本不變，濃度上升區(qū)約占36%，濃度下降區(qū)約占16%(表4)。

表4 2012年溶解性總固體濃度變化情況統(tǒng)計(jì)表 （單位：%）

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

上層劣質(zhì)水和地表污染物（垃圾填埋場、污水河道、滲漏罐等） 進(jìn)入地下水的強(qiáng)度增大， 進(jìn)入后隨之?dāng)U散，使水質(zhì)濃度有所上升。

4 結(jié)語

本文以北京市平原區(qū)地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取總硬度、溶解性總固體和穩(wěn)定指標(biāo)氯化物，選取直接對比法和統(tǒng)計(jì)分析法，從水質(zhì)濃度和空間分布兩方面，對城市化進(jìn)程以來的平原區(qū)淺層和中層地下水年內(nèi)水質(zhì)狀況進(jìn)行了對比，對比結(jié)果表明：

（1）城市化進(jìn)程以來，豐水期的水質(zhì)劣于枯水期，表現(xiàn)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(diǎn)的比例大。

（2）2012年，淺、中層地下水濃度下降區(qū)約占16%，上升區(qū)約占36%，濃度上升區(qū)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(qū)，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(zhì)的下滲，造成該地區(qū)豐水期水質(zhì)濃度升高。

[1]王玉芳,任金剛,黃 磊等. 城市化對水文水資源的影響[J].海河水利, 2011, (2)：11～13.

[2]王喜全,王自發(fā),齊彥斌等. 城市化進(jìn)程對北京地區(qū)冬季降水分布的影響[J]. 中國科學(xué), 2008,31(11)： 1438～1443.

[3]劉國成,完顏華. 中國城市化進(jìn)程中水資源與水環(huán)境問題研究[J]. 能源與環(huán)境, 2009, (10)：26～27.

[4]曾曉燕,牟瑞芳,許順國. 城市化對區(qū)域水資源的影響[J].資源環(huán)境與工程, 2005, 19(4)：318～322.

[5]于開寧,萬 力,都沁軍. 城市化影響地下水水質(zhì)的正負(fù)效應(yīng)[J]. 地球科學(xué)，2003, 28(3)：333～336.

[6]周 磊,王翊虹,林 健等. 北京平原區(qū)地下水水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008,(2)：1～9.

[7]郭高軒.北京市平原區(qū)地下水分層質(zhì)量評價(jià)[J].中國地質(zhì),2012,39(2)：518～523.

[8]劉書田,葉 飛,肖 潔等.水污染評價(jià)方法研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境管理,2008,(6)：76～80.

[9]馬振民,石 冰,高宗軍. 泰安市地下水污染現(xiàn)狀與成因分析[J]. 山東地質(zhì),2002,18(2)：24～28,41.

[10]唐克旺,侯 杰,唐 蘊(yùn).中國地下水質(zhì)量評價(jià)（ⅳ）—平原區(qū)地下水水化學(xué)特征[J].水資源保護(hù),2006,22(2)：1～5.

[11]張兆吉,費(fèi)宇紅,郭春艷,等.華北平原區(qū)域地下水污染評價(jià)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版）,2012,42(5)：1456～1461.

[12]何建華,張 金,丁貞玉.Cl-指示的石羊河流域地下水演化[J].資源科學(xué),2011,33(3)：416～421.

[13]李炳華,彭 博,祁生林. 北京市平原區(qū)地下水特征污染物分布變化及成因[J]. 北京水務(wù),2012(6)：35～38,44.

[14]張玉晨,林 健. 北京市平原區(qū)地下水水質(zhì)概況[J]. 北京地質(zhì),2000(1)：8～17.

[15]陳忠榮,林 健,趙 微等.北京地下水污染調(diào)查評價(jià)[R],2010年.

[16]林 健,陳忠榮,趙 微等. 北京市平原區(qū)地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行2012年度成果報(bào)告[R]. 北京：北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),2012.

[17]林 健,陳忠榮,趙 微等. 北京市平原區(qū)地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行2011年度成果報(bào)告[R]. 北京：北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),2011.

[18]許 可,陳鴻漢.地下水中三氮污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究進(jìn)展[J]. 中國人口·資源與環(huán)境,,2011,21(12)：421～424.

[19]趙 微,林 健,郭高軒等. 北京市地下水環(huán)境分層監(jiān)測和專項(xiàng)監(jiān)控網(wǎng)的建立[J].南水北調(diào)與水利科技,2012,10(2)：60～64.

[20] DZ/T0064.1～0064.80～93,地下水質(zhì)檢驗(yàn)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(cái)政專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（PXM2013_158305_000004）、地下水環(huán)境功能區(qū)劃定方案項(xiàng)目（HCZB-2012-BJ1188）．

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