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(zhì)工程地質(zhì)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(huán)境惡化問題已經(jīng)引起了各方的高度重視。2003年以來實施的全國地下水環(huán)境地質(zhì)調(diào)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(huán)境保護部, 2011; 張新鈺等, 2011)。2011年環(huán)境保護部、國土資源部、水利部和財政部四部委首次聯(lián)合開展的《全國地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況調(diào)查評估》表明, 華北地區(qū)地下水污染問題尤為突出。北京作為華北地區(qū)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(wù)院批準的環(huán)境保護部、國土資源部、水利部和住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)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(huán)境保護部等, 2013)。以往研究者多通過構(gòu)建三維地質(zhì)模型來表征該區(qū)域含水層的空間形態(tài)(蔡向民等, 2009; 田芳等, 2012)、也有通過地下水水位動態(tài)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(fù)雜系統(tǒng)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(huán)境同位素數(shù)據(jù)進行了區(qū)域尺度上的地下水循環(huán)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(qū)域地下水循環(huán)與演化特征, 對于地下水資源的保護、開發(fā)與管理更為重要(郇環(huán)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(shè)定安全取水層位, 保障供水安全提供科學的依據(jù)。本文擬采用多樣本、多層位、多組分的地下水采樣數(shù)據(jù), 探討北京潮白河沖洪積扇地下水水化學特征, 為本區(qū)域地下水污染防治、安全持續(xù)供水保障起到借鑒和支撐的重要作用。

潮白河是流經(jīng)北京的第二大河流, 整個流域總面積19354 km2, 北京市域內(nèi)流域面積為6531 km2。其自北部懷柔、密云流經(jīng)平原區(qū)的順義、通州區(qū), 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(qū)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(yīng)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(jīng)歷了三次擺動, 形成了規(guī)模不等的古河道(李華章, 1995)。依據(jù)其地層結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)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(qū)(圖1)。在上游地區(qū), 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(gòu)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?yōu)榈[砂、粗砂和粘土、亞粘土的多層結(jié)構(gòu)。中游和下游界線則大致與順義區(qū)和通州區(qū)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?yōu)榧毶?、粉砂與粘土、亞粘土互層的多層含水層結(jié)構(gòu)(圖 2)(北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等, 2008)。

1 地下水采樣

北京平原區(qū)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(qū), 主要為潛水,直接接受大氣降水補給, 與上覆包氣帶聯(lián)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(nóng)業(yè)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(cè)向徑流和越流補給為主, 是許多地區(qū)生產(chǎn)、生活的取水層。

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

2 組分統(tǒng)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(tǒng)計(表 2)。淺層地下水, 除了NO3–外, 其余9種組分的算術(shù)均值均呈現(xiàn)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(qū)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(xiàn)出由上游到下游增大的趨勢, 規(guī)律明顯。對深層地下水而言, 除TDS呈現(xiàn)有規(guī)律上升外, 其它組分無明顯規(guī)律。

3 地下水化學類型

在研究區(qū)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(yè)開發(fā)區(qū)周邊, 或者屬于農(nóng)用灌溉的淺井。中游地區(qū), 仍然以 HCO3-Ca·Mg型為主, 但開始出現(xiàn)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(shù)明顯增多, 而且許多井點表現(xiàn)為 HCO3·SO4-Ca·Mg型。

表1 第四系地下水含水層位劃分及采樣統(tǒng)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(zhì)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(tǒng)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(qū), 大部分中層地下水中的 Na+濃度升高, 開始出現(xiàn)HCO3-Ca·Na·Mg 型。到了下游地區(qū), Na+和 Mg2+濃度快速升高, 許多水樣表現(xiàn)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(qū), 即碳酸鹽硬度超過50%的區(qū)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(qū), 中游地區(qū)好于下游。在上游地區(qū), 單一的砂卵礫石層上下貫通,水動力條件好, 水質(zhì)均一性好。下游地區(qū), 含水層轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬咏Y(jié)構(gòu), 水質(zhì)分異特征明顯。從分帶性來看, 在上游地下水蒸發(fā)微弱, 溶濾強烈, 礦化度低;隨著徑流, 到中游地區(qū), 蒸發(fā)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(guān)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(xiàn)場測試的pH和電導(dǎo)率進行濃度與取樣深度關(guān)系分析, 并采用指數(shù)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(xiàn)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(tǒng)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(guān)關(guān)系(郭高軒, 2009)。

圖4 潮白河水文地質(zhì)單元離子濃度與深度關(guān)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(qū)巖溶裂隙水的側(cè)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(fù)雜, 既有大氣降水, 又有地表水網(wǎng)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(jié)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(zhì)惡化問題引發(fā)了越來越多的關(guān)注和重視, 保護與防治工程的實施也必將引發(fā)更多的投入?；诘叵滤h(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)的地下水化學場的精細刻畫則是水資源保護、開發(fā)利用以及污染防治等諸多工作的基礎(chǔ)和關(guān)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(tǒng)采樣數(shù)據(jù), 運用統(tǒng)計學和 GIS技術(shù)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(zhì)結(jié)構(gòu)上, 潮白河沖洪積扇含水介質(zhì)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(tài); 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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)組分趨于復(fù)雜, SO42–和NO3–含量升高, 水的礦化度升高, 開始出現(xiàn) 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(qū), 水質(zhì)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(xiàn) HCO3·Cl-Ca·Mg 和HCO3·SO4-Ca·Mg 型水, 表現(xiàn)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(guān)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(guī)律。含量較高的樣點和超標點絕大多數(shù)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(zhì)均一性好, 絕大多數(shù)為低礦化度的Ⅰ至Ⅲ類水, 循環(huán)交替相對比較迅速。在沖洪積扇的中下游, 含水介質(zhì)顆粒變細、層數(shù)變多, 徑流速度變慢, 淺層蒸發(fā)強烈。河渠入滲、灌溉回滲等多源輸入補給。中深層除側(cè)向補給外增加了越流, 上部人類聚集區(qū)的強烈活動增加了“污染物”的輸入, 雙重因素導(dǎo)致地下水多數(shù)組分含量上升, 地下水Ⅳ、Ⅴ類水增加, 質(zhì)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(zhì)地下水資源評價、分層分帶有側(cè)重的地下水污染防控工程以及人類活動對地下水環(huán)境的影響研究等提供了科學參考。

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