北京通州區(qū)潛水水化學特征及形成分析

藍天杉，苗晉杰，白耀楠，平世飛，王福剛，曹玉清

(1.吉林大學地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，長春 130021；2.天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

0 引 言

地球關(guān)鍵帶作為維系地球生態(tài)系統(tǒng)功能和人類生存的關(guān)鍵區(qū)域，近年來成為研究熱點，受到廣泛關(guān)注，水和土壤是其主要組成部分[1]。在自然條件下，地下水在流動過程中與周圍環(huán)境維持穩(wěn)定的物質(zhì)和能量交換，由于自然因素變化和人類活動影響，這種交換平衡將會遭受破壞，從而影響到地下水的地球化學作用[2-7]。包氣帶和潛水作為地球關(guān)鍵帶的組成部分，其化學成分的改變與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。

通州作為首都的副中心，坐落于北京市東南部，處于京津經(jīng)濟帶的軸心，有著重要經(jīng)濟地位。通州由于其區(qū)位優(yōu)勢，成為北京市的糧食、蔬菜生產(chǎn)基地、副食供應基地和接納首都疏散人口以及工業(yè)企業(yè)基地，成為北京市重點發(fā)展的衛(wèi)星城市。農(nóng)村人畜飲水及糧食蔬菜耕種用水主要為地下水，受到水源、土壤以及公共設(shè)施的建設(shè)和人口規(guī)模的快速增長等因素影響，土地利用類型變化、水資源短缺和環(huán)境污染等問題凸顯[8]，影響著整個通州地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境。因此，進行通州區(qū)潛水水化學特征研究具有重要的實際意義。

1 研究區(qū)概況

通州位于北京市平原區(qū)的東南部，地理坐標為北緯39°36′～40°02′，東經(jīng)116°32′～116°56′，東西寬36.5 km，南北長48 km，面積為907 km2。氣候類型為大陸性季風氣候，多年平均溫度11.3 ℃，年平均降水量約620 mm[9]，存在著枯水年與豐水年相間的現(xiàn)象，多年平均蒸發(fā)量為1 815 mm。

全區(qū)地勢較平緩，自西北向東南傾斜，海拔最高點27.6 m，最低點8.2 m，主要受潮白河與永定河兩個沖洪積扇控制[10]，而通州位于兩個沖洪積扇扇緣位置。區(qū)內(nèi)地表水系較發(fā)育，主要有北運河、溫榆河、涼水河、通惠河、小中河、運潮減河等，分屬海河流域的潮白河與北運河兩大水系[11]。由于地殼的抬升作用，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育I、Ⅱ級階地，I級階地在潮白河水系比較發(fā)育，巖性以砂質(zhì)粉土和粉砂為主；Ⅱ級階地巖性以黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土為主，由于人類活動，Ⅰ、Ⅱ級階地均已遭到不同程度的破壞。區(qū)內(nèi)河道主要受構(gòu)造控制，河道岸堤明顯，漫灘發(fā)育，寬度為80～1 500 m不等。

區(qū)域地下水主要為第四系松散巖類孔隙水，含水層主要由砂層組成，含水砂層間的黏性土弱透水層較薄且延展不甚穩(wěn)定，一般單層含水層厚度不大[12]。以溫榆河～北運河一線為界線，界線以東含水層為中砂、細砂、粉砂與粘土、亞粘土互層結(jié)構(gòu)為主；界線以西沉積物顆粒較細，含水層為細砂、粉砂與粘土、亞粘土為主[13]。

研究區(qū)第四系含水層分為3層[14]，本次主要研究的含水層為底板埋深在45～60 m左右的淺層地下水，即潛水，其主要接受大氣降水、河渠入滲和灌溉回歸補給，排泄主要為農(nóng)業(yè)灌溉開采和東南方向側(cè)向徑流。徑流方向受到人為影響較小，方向由北、西北流向東南。

2 水土樣品采集與測試

2017年6月底，在研究區(qū)開展野外調(diào)查并布設(shè)一條剖面線A-B和潛水采樣點20個，潛水井深為80 m左右；包氣帶土壤采樣點14個，為地表以下30 cm深處土壤(圖1)。按照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T164-2004)的要求執(zhí)進行采樣，采用便攜式水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定水樣的pH值和EC值。所采水樣經(jīng)過封口膜密封，送回實驗室進行測試分析。土壤可溶鹽測試按照《土工試驗規(guī)范》(GB/T50123-1999)、水樣測試按照《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)。

圖1 研究區(qū)采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites in the study area

3 潛水水化學基本特征

(1)潛水水化學類型空間分布。水化學類型參考舒卡列夫分類法進行劃分，并在此基礎(chǔ)上編制潛水水化學類型分區(qū)圖[15,16](圖2)和Piper三線圖(圖3)。結(jié)合分析兩圖可知潮白河沖洪積扇扇緣潛水礦化度由上游<0.5 g/L變?yōu)橄掠?.5～1 g/L，水化學類型主要為HCO3-Ca·Mg(HCO3-Ca·Na)型水，上游局部分布著HCO3-Na型水；永定河沖洪積扇扇緣潛水礦化度從上游到下游，其值由0.5～1.0 g/L過渡到>1.0 g/L，水化學類型主要為HCO3-Ca·Mg·Na型水，從上游到下游轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3·Cl-Mg·Na(HCO3·Cl-Na·Ca)型水，陽離子由Ca·Mg·Na(Mg·Ca、Ca·Mg)型向Mg·Na(Ca·Na、Na·Ca)型轉(zhuǎn)化。本區(qū)潛水pH值范圍為6.97～7.84。

表1 各區(qū)域潛水離子平均含量 mg/L

(3)微量元素。依據(jù)地下水質(zhì)量標準(GB/T14848-2017)，采集水樣中Co、Cu、Zn、Se、Ag、Cd、Sb、Pb、Cr6+、Ni、Hg、Al、Fe、F等元素屬I、II類水質(zhì)標準級別，B、Ba為III類水質(zhì)標準級別，大部分樣品As和Mn在III類水質(zhì)標準級別以內(nèi)，少部分樣品超標。

根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)，As濃度的限值為0.01 mg/L，超出此標準的點零星分布于永定河沖洪積扇扇緣上游，最高值達0.500 7 mg/L，為飲用水標準限值的50倍，具體位置位于于家務回族鄉(xiāng)北側(cè)；Al濃度的限值為0.20 mg/L，鋁超標點呈點狀分布于永定河沖洪積扇扇緣，最高值達0.394 4 mg/L，為飲用水標準限值的2倍，具體位置位于永樂店鎮(zhèn)南側(cè)；F濃度的限值為1.0 mg/L，氟超標點主要分布在潮白河沖洪積扇扇緣，最高值為4.912 1 mg/L，為飲用水標準限值的5倍。

(4)污染組分。從飲用水安全出發(fā)，以地下水水質(zhì)標準(GB/T14848-2017)中的III類水標準為依據(jù)，分析得出平原區(qū)內(nèi)污染較為嚴重的指標是“三氮”，(即NO3-N、NO2-N和NH4-N)，III類水標準為NO3-N≤20mg/L，NO2-N≤1.00 mg/L，NH4-N≤0.5 mg/L。

通過繪制研究區(qū)NO3-N、NO2-N和NH4-N濃度等值線圖可以看出，NO3-N在大部分區(qū)域未超標，僅在馬駒橋鎮(zhèn)和永樂店鎮(zhèn)個別點超標，濃度分別達92.27 mg/L和175.12 mg/L[圖4(a)]；NO2-N在通州區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)超標現(xiàn)象[圖4(b)]；NH4-N在大部分區(qū)域濃度在III類水標準以內(nèi)，超標區(qū)域分布于潞城鎮(zhèn)、漷縣鎮(zhèn)東側(cè)和永樂店鎮(zhèn)南側(cè)，最高濃度達3.60 mg/L，為III類水標準的7.2倍[圖4(c)]。

圖4 通州區(qū)潛水“三氮”濃度等值線圖Fig.4 Concentration contour map of NO3-N, NO2-N and NH4-N in Tongzhou

綜上所述，通州潛水礦化度<1.0 g/L，屬于淡水，總體呈中-弱堿性，水化學類型以HCO3-Ca·Mg(HCO3-Ca·Na或HCO3-Ca·Mg·Na)型水和HCO3·Cl-Mg·Na(HCO3·Cl-Na·Ca)型水為主，各地貌單元離子成分呈現(xiàn)規(guī)律性變化；從飲用水安全角度而言，通州潛水中主要污染物為“三氮”(即NO3-N、NO2-N和NH4-N)，雖然未在大部分區(qū)域超標，但在超標區(qū)域所達的濃度值較高。

4 潛水水化學成因分析

地層巖(土)礦物通過水-巖作用決定了水中物質(zhì)組成，地質(zhì)地貌條件控制水化學類型及礦化度的分布規(guī)律和水中物質(zhì)遷移，氣候決定不同組分富集程度，人類活動也可以改變水化學成分。以下從自然和人為兩個方面分別討論潛水水化學形成原因。

(1)物源分析。地層巖(土)礦物通過水-巖作用決定了地下水化學成分的來源，是地下水化學組分的物質(zhì)基礎(chǔ)。在包氣帶土壤中充滿著不同成因的CO2(g)，構(gòu)成氣-液-礦物三相體系，具有一定化學組分的大氣降水和土壤礦物在CO2(g)與水接觸面處發(fā)生化學反應[17]：

CO2(g)CO2(aq)

(1)

CO2(aq)+H2OH2CO3

(2)

H2CO3

(3)

(4)

H2OOH-+H+

(5)

OH-+CO2(aq)

(6)

根據(jù)所采土樣XRD測試結(jié)果，巖土主要礦物成分為石英、方解石、鉀長石、斜長石和伊/蒙脫石，在水、氣體系產(chǎn)生質(zhì)子(H+)的基礎(chǔ)上，潛水在流經(jīng)含水層孔隙過程中發(fā)生水-巖相互作用。其中碳酸鹽、鋁硅酸鹽礦物的溶解為潛水中的Ca2+、Mg2+提供了來源，巖鹽的溶解為Na+、K+和Cl-提供了物源。此外通過土壤可溶鹽的測試結(jié)果，依據(jù)南京土壤所編制的《土壤理化分析》可將研究區(qū)土壤分為重碳酸鹽土、重碳酸-硫酸鹽土和重碳酸-硝酸鹽土三大類，其三類土的分布規(guī)律與該區(qū)潛水化學類型分布具有較好的一致性。

CaCO3+H+

(7)

CaMg(CO3)2+2H+

(8)

(9)

2Na(K)AlSi3O8+2CO2+11H2O

(10)

圖5 研究區(qū)潛水離子比相關(guān)圖Fig.5 Hydrochemical relationships between the rates of the selected ions of phreatic water

自然界水中常規(guī)陽離子交替吸附作用按其交換能量大小構(gòu)成如下序列[20]：

Mn2+>Mg2+>K+>Na+>Li+

此序列表明，Ca2+的交替吸附能力大于Mg2+、K+和Na+，因此水-巖相互作用時常有鈣(鎂)-鈉交替吸附發(fā)生，這種情況尤其在黏土層中更為明顯。礦物成分分析表明在研究區(qū)內(nèi)含有大量的伊/蒙脫石礦物，這就從實際情況證明了陽離子交替吸附作用的產(chǎn)生，其可能的化學反應如下：

M1Al2Si2O2H(s)+M2(aq)→M1(aq)+M2Al2Si2O2H(s)

(11)

式中：M1、M2為堿或堿土金屬離子。

(2)地質(zhì)地貌。通過繪制研究區(qū)水文地質(zhì)剖面(圖1 A-B剖面)和水化學剖面圖(圖6)可知，潮白河沖洪積扇扇緣水位埋深較深(5～10 m)，水力坡度約為2‰，含水層以粗中砂、細砂為主，主要接受汛期大氣降水補給。補給水流經(jīng)第四系松散沉積物時，發(fā)生以溶濾(淋濾)為主的水巖作用。在溶濾作用下，HCO3型土壤中的一部分物質(zhì)進入潛水，并在徑流作用下隨地下水遷移，形成低礦化度(<0.5 g/L)的HCO3-Ca·Mg(HCO3-Ca·Na)型水。

圖6 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面和水化學剖面圖Fig.6 Hydrogeological and hydrochemica profile of the study area注：水文地質(zhì)剖面圖根據(jù)郭高軒[14]修改

位于東部潮白河及北運河之間的地區(qū)，由于長期受到河流泛濫作用的影響，造成近河兩岸地勢較高，兩河之間地勢較低的起伏地形，兩者高差近1.0～1.5 m，含水層主要為細砂、粉砂。從潮白河上游至下游，顆粒粒徑變細，蒸發(fā)濃縮作用增強，主要表現(xiàn)為水力坡度變緩，平均水力坡度為1.2‰，潛水位埋深小于6m，潛水中物質(zhì)積累，礦化度增高(0.5～1 g/L)。

(3)氣候條件。氣候?qū)Φ叵滤瘜W特征的影響主要表現(xiàn)為降雨對地下水的稀釋及蒸發(fā)對地下水的濃縮作用。通州屬大陸性季風氣候區(qū)，多年平均降水量較小、蒸發(fā)能力較大，蒸發(fā)量約為降雨量的3倍，加之當?shù)貪撍魉倬徛从吵稣舭l(fā)作用引起地下水化學變化超過降雨的稀釋作用，而潛水位埋深對蒸發(fā)起著決定性作用。

通州區(qū)潛水水位埋深從北向南呈現(xiàn)下降的趨勢，其值由5～10 m變?yōu)?～5 m，在南側(cè)永定河沖洪積扇前緣，由于潛水位埋深變淺(<5 m)，含水層顆粒變細，導致蒸發(fā)濃縮作用較為強烈，在局部地區(qū)形成了礦化度>1.0 g/L的微咸水。這與地下水化學組分總體朝著鹽分聚集方向發(fā)展的變化趨勢一致。

(4)人類活動影響。通州區(qū)土地利用類型主要為土地建設(shè)用地和農(nóng)用地，其中土地建設(shè)用地(城鎮(zhèn)住宅、商服用地、工礦用地和農(nóng)村宅基地)占總面積的49.80%，農(nóng)用地(園地、草地、耕地等)占37.40%，林地(林地、灌木地、疏林地和其他林地)占10.64%，水域(河流水面、坑塘水面)為2.15%。

5 潛水水質(zhì)評價

通過上述對通州潛水化學類型分布及其成因分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)潛水局部地帶受到人類活動影響較大，水質(zhì)發(fā)生較大改變。為了掌握地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，應用《地下水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB/T14848-93)中的內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評價方法對通州潛水環(huán)境質(zhì)量進行評價。

(1)評價因子選擇。綜合考慮通州土地利用類型、淺層地下水污染物特征、微量元素超標情況以及引起地下水環(huán)境質(zhì)量下降的主要成分和對人體健康的影響，選擇潛水質(zhì)量評價因子為銨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、氟化物、鐵、砷、鋁、礦化度、硫酸鹽和氯化物共10項化學組分。

(2)內(nèi)梅羅指數(shù)法。依據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB/T14848-93)，在對各單項組分進行質(zhì)量類別劃分的基礎(chǔ)上，計算綜合評分值F，并根據(jù)表2劃分地下水質(zhì)量級別。

表2 地下水質(zhì)量評分及分級表Tab.2 Grades and ranks of groundwater quality

(3)模糊綜合評價法。評價標準依據(jù)國家《地下水質(zhì)量標準》(GB/T14848-2017)中規(guī)定的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類水分別代表潛水受到微、輕、中、重和嚴重污染程度。權(quán)重采用“熵權(quán)法”確定[21,22]，可以較客觀的確定每個評價因子在評價過程中造成的影響程度。水樣i對于給定的評價因子j，其指標值xij的差異性越小，則熵值ej越大，差異性因數(shù)gj越小，說明這個評價因子在評價過程中產(chǎn)生的作用越小。此次評價過程中i=20，j=10，計算所得差異性因數(shù)向量：

G=(g10)1×10=

(0.24,0.28,0.61,0.37,0.53,0.41,0.49,0.02,0.06,0.05)

從中可以看出硝酸鹽氮、鐵、砷和鋁對水質(zhì)產(chǎn)生的影響作用較大，礦化度、硫酸鹽和氯化物產(chǎn)生的作用很小。

(4)評價結(jié)果討論。

表3 各評價方法水質(zhì)類別對比結(jié)果Tab.3 Results compare of different groundwater quality assessments

由表3可以看出：兩種評價方法產(chǎn)生的結(jié)果存在較大差異，模糊綜合評價法得到的水質(zhì)級別大部分優(yōu)于內(nèi)梅羅指數(shù)法。二者產(chǎn)生差異的原因是模糊綜合評價法綜合考慮各因子對評價產(chǎn)生的權(quán)重影響，而內(nèi)梅羅指數(shù)法突出了最大污染物在評價中產(chǎn)生的作用。

在綜合兩種評價方法優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，以模糊綜合評價結(jié)果為主繪制通州區(qū)潛水水質(zhì)評價分區(qū)圖(圖7)。從圖中可以看出，大部分區(qū)域為III級水，零星分布著II級水，在永樂店鎮(zhèn)南側(cè)分布著IV級水，這與郭高軒等人[14]對該區(qū)淺層地下水污染分級規(guī)律具有相似性，且與地形地貌和水、土化學類型分布規(guī)律具有一致性，可為潛水利用和環(huán)境治理提供依據(jù)。

圖7 潛水水質(zhì)評價分區(qū)圖Fig.7 Distribution of phreatic water quality assessment

6 結(jié) 論

基于研究區(qū)實地調(diào)查、資料分析和樣品測試成果綜合分析，對通州區(qū)的潛水水化學特征及其演化進行了分析，得出如下結(jié)論：

(1)明確了研究區(qū)潛水水化學特征及分布，主要為HCO3-Ca·Mg(HCO3-Ca·Na或HCO3-Ca·Mg·Na)型水和HCO3·Cl-Mg·Na(HCO3·Cl-Na·Ca)型水，pH值范圍為6.97～7.84，呈現(xiàn)中-弱性，總體為礦化度礦化度<1.0 g/L的淡水。

(2)通過成因分析得出研究區(qū)潛水水化學主要受到巖性、地質(zhì)地貌和氣候的影響，在局部地區(qū)受人類活動影響明顯。

(3)通過潛水環(huán)境質(zhì)量評價，確定了通州區(qū)潛水主要為III級水，污染組分主要為銨氮、硝酸鹽氮、氟化物和砷，可為潛水利用和環(huán)境治理提供依據(jù)。