北京地區(qū)地下水環(huán)境背景值選取方案初步研究

劉元章　吳芮欣　王旭　王樹芳　王麗亞　崔一嬌　郭彬彬　孫趙爽　杜璇

摘 要：選擇受人類活動影響較小的北京山區(qū)基巖水（包括泉水）和北京平原區(qū)隱伏基巖水進行取樣測試，分析水質(zhì)的影響因素及其分布演化規(guī)律。分析結(jié)果：一是地層巖性對水質(zhì)起到一定的控制作用，不同巖性介質(zhì)中的水質(zhì)會有不同特點;二是運移時間長短的不同，會影響水質(zhì)特點;三是人類活動對地下水的原始狀況產(chǎn)生了較大的影響。故背景值的選取應(yīng)盡量避開地層巖性、運移時間、人類活動的影響?；谏鲜稣J識，提出了本區(qū)地下水背景值選取的3種方案并進行了對比探討，包括：（1）工業(yè)化之前的大氣降水;（2）工業(yè)化之前的地下水;（3）當前水質(zhì)最好的地下水。經(jīng)綜合分析研判，基于極限推理的方法，認為可參照工業(yè)化之前的大氣降水水質(zhì)濃度值作為地下水環(huán)境背景值，這在原理上更加符合背景值的含義，同時便于不同巖性區(qū)（包括第四系）統(tǒng)一對比，方便使用。通過資料收集，初步給出了一套可作為北京地區(qū)地下水環(huán)境背景值的主要離子濃度值，同時在有機指標方面也進行了分析探討。

關(guān)鍵詞：地下水;環(huán)境背景值;山區(qū)基巖水;隱伏基巖水;北京地區(qū)

中圖分類號：P641? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2019）04-0010-07

Abstract： This study takes Beijing as the study area， and the bedrock water （including spring water） in the mountainous area of Beijing and the hidden bedrock water in the plain area of Beijing were sampled and tested， and the influencing factors and distribution and evolution law of water quality were analyzed. The results are as follows： firstly， the lithology of strata plays a dominant role for the water quality， water in different rocks will have different characteristics; secondly， different migration time will affect water quality characteristics; thirdly， human activities have a greater impact on the original condition of groundwater. Therefore， when we select the background values， the above three effects including lithology， migration time， and human activities should be avoided as far as possible. Based on the above understandings， three selection schemes of groundwater background values in this area are proposed and compared， including： （1） Precipitation before industrialization; （2） Groundwater before industrialization; （3） Groundwater with the best water quality at present. Through comprehensive analysis and comparison， based on the method of limit reasoning， it is considered that the atmospheric precipitation water quality before industrialization can be selected as the background value of groundwater quality， which is more in line with the meaning of background values in principle， and is convenient for the unified comparison of different lithologic zones （including Quaternary） and easy to be used. Through data collection， a set of main ion concentration values that can be used as background values of groundwater environment in Beijing area are preliminarily proposed， also the organic indexes are analyzed and discussed.

Keywords： Groundwater; Environmental background value; Bedrock water in mountainous area; Beijing area

0 引言

地下水環(huán)境背景值是地下水質(zhì)量評判和污染程度評價的重要標尺。當前隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，地下水環(huán)境不斷惡化。但要具體定量化描述地下水污染的程度，必須要基于一定的評判標準，在此基礎(chǔ)上才能判定污染的程度及范圍，并提出相應(yīng)的治理措施。1975年，美國人康納率先提出了環(huán)境背景值的概念（中國環(huán)境保護總站，1990）。地下水環(huán)境背景值又稱為地下水環(huán)境本底值，是地下水中各個化學(xué)組分在未受污染的情況下的自然含量（耿婷婷等，2018）。隨著對地下水污染問題的日益重視，關(guān)于地下水環(huán)境背景值的研究也紛紛展開。Mike Edmunds和Paul Shand（2008）出版了《天然地下水水質(zhì)》（Natural Groundwater Quality），對12個國家25個含水層進行了背景值實例研究，是含水層天然水質(zhì)背景值的重要參考資料（龐忠和，2009）。

由于普遍存在缺乏歷史資料的問題，我國當前已有的相關(guān)研究中背景值的選取主要有3種方法（郭高軒等，2010）：（1）類比法：選取與工作區(qū)自然條件相似的、沒有污染或污染相對較輕的鄰區(qū)作為對照區(qū)，以其地下水質(zhì)作為背景值。也可取污染較輕的深層地下水作為背景值;（2）歷時曲線法：在收集長序列水質(zhì)資料基礎(chǔ)上，研究其演化過程，當?shù)叵滤心骋换蚰承┙M分濃度出現(xiàn)階躍性變化時，說明地下水環(huán)境發(fā)生了較大的變化，以變化前的水質(zhì)統(tǒng)計指標作為背景值;（3）數(shù)理統(tǒng)計法：是目前應(yīng)用最多的方法。通過取樣測試后對數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計分析，首先對樣本數(shù)據(jù)的分布類型進行檢驗，剔除異常值，然后根據(jù)不同的分布類型來選用不同的背景值取值方法。如組分濃度服從正態(tài)分布時，可取其算術(shù)平均值（夏晨等，2006），也可選均值±S或±2S（標準差）作為上下限（羅格平，1990;樊麗芳等，2004;宇慶華等，1991;齊萬秋等，1994;高迪等，2006）;當服從對數(shù)正態(tài)分布時，取幾何平均值;當服從偏態(tài)分布時，則取累計頻率為50%處的濃度值（齊萬秋等，1994）。

由于當前的某次取樣并不能反應(yīng)工業(yè)化之前的較為天然狀態(tài)下的真實狀況，故以往的研究在原理上均存在一定的偏差。本次研究在進一步分析探討地下水質(zhì)演化規(guī)律的基礎(chǔ)上，盡量收集早期歷史水質(zhì)資料，力爭給出更加符合原理、更加逼近天然狀態(tài)下的背景值標準，同時在有機指標方面也進行了一定的探討。

1 區(qū)域概況

北京地形西北高，東南低。西部為太行山脈，北部為燕山山脈，東南是一緩傾平原，主要由永定河和潮白河沖洪積扇組成。平原面積約占全市的39%，山地面積占61%。北京地區(qū)屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，多年平均氣溫11.7℃;年降水量在300～800mm之間，多集中在6—9月（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等，2018）。

北京地區(qū)屬于華北地層分區(qū)，除普遍缺失震旦系、奧陶系上統(tǒng)、志留系、泥盆系、石炭系下統(tǒng)、白堊系上統(tǒng)及新近系古新統(tǒng)外，從太古界古老變質(zhì)巖到第四系均有分布。侵入巖主要分布在昌平、延慶、懷柔、密云等縣及西山地區(qū)，平原區(qū)也有一定分布（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，1991）。

2 取樣測試

本次主要對受人類活動影響較小的北京山區(qū)基巖水（包括泉水）和北京平原區(qū)隱伏基巖水進行取樣測試，共計260件。取樣點分布如圖1所示。

檢測無機指標包括一般全分析和特殊指標，共39項;檢測有機物種類為鹵代烴、單環(huán)芳烴、氯代苯、多環(huán)芳烴、有機氯農(nóng)藥5類，共計39項指標。水樣參照《生活飲用水衛(wèi)生標準檢驗方法》（GB/T 5750-2006）進行分析測試。本次主要依據(jù)《地下水質(zhì)量標準》（GB/T 14848-2017）對測試結(jié)果進行了分析研究。

3 水質(zhì)分布規(guī)律分析

本研究對所有水樣的取水層位進行了細致界定，對由于封井結(jié)構(gòu)不了解等原因而層位不清的水樣進行了剔除;同時為避免不同巖層之間地下水由于徑流而相互混合，盡量選取位于流域頂端的水井樣進行分析。通過對各層組的水樣測試數(shù)據(jù)的分析，大致得出以下3條規(guī)律：

（1）地層巖性不同，對水質(zhì)起到一定的控制作用。

如太古界變質(zhì)巖和花崗巖可溶成分較少，故其中的地下水硬度相對較小;灰?guī)r類地層中，如長城系、薊縣系、寒武系及奧陶系，巖層可溶性鈣鎂成分相對較多，水質(zhì)類型多為HCO3 -Ca·Mg型，pH值稍高，呈堿性，電導(dǎo)率較高;侏羅系及白堊系部分火山沉積巖中的可溶成分相對較少，故硬度也較小;白堊系為陸相沉積巖，由于成巖歷史較短，可溶性成分較多，水質(zhì)成分較為復(fù)雜，電導(dǎo)率較高。另外，如果地層中含有煤層，則SO、Fe3+、Mn離子濃度往往會很高，并且具有較低的pH值;如經(jīng)過硫磺礦，則水質(zhì)會受到更大的影響，如昌平禾子澗井，硬度達1170mg/L，SO濃度達1010mg/L，而該村另一未經(jīng)硫磺礦影響的井水質(zhì)良好。可見，所屬基巖介質(zhì)的成分特點對其中地下水的水質(zhì)有著明顯的控制作用。

（2）運移時間長短的不同，也會影響水質(zhì)的特點。

降水開始進入地層后，在運移過程中會和地層產(chǎn)生不斷地可溶成分的溶入、離子交換及吸附等過程，運移時間越長，進入其中的離子成分就會越多。這一特點從泉水樣和隱伏基巖樣、地熱水樣的對比中可以發(fā)現(xiàn)。

泉水多屬于淺表性循環(huán)過程，運移時間較短;而隱伏基巖水運移時間一般相對較長。本次所取14個泉水樣的平均硬度值為250mg/L，而所取的16個隱伏基巖水的平均硬度值為380mg/L，大致反應(yīng)出這一特征。地熱井的水質(zhì)明顯不同于其他井水，也反映出這一特點。

（3）人類活動對地下水的原始狀況產(chǎn)生了較大的影響。

如淺表的泉水和變質(zhì)巖及花崗巖風化層中的地下水，由于其風化層一般較薄，地下水埋藏較淺，較容易受到大氣污染物及其他人類活動的污染，使得SO、Cl-濃度容易出現(xiàn)較高的現(xiàn)象。奧陶系巖溶裂隙發(fā)育，貫通性較好，水質(zhì)也易受外界干擾，變化較大。

4 背景值選取方案探討

4.1 無機指標部分

通過上述分析，大氣降水開始進入地層后，便開始朝著不同的方向發(fā)生演化，由于基巖介質(zhì)的不同，及運移時間長短的不同，水質(zhì)便會不同。另外，后期的人類活動也會大大改變地下水的原始狀況。因此，要選取背景值，應(yīng)當盡量選取避開這3種影響的、初始狀態(tài)的水，則可有以下3種選擇。

（1）工業(yè)化之前的大氣降水

從上述分析可知，大氣降水一旦進入到地下，由于介質(zhì)的不同便會發(fā)生不同的離子交換、吸附等的物理化學(xué)過程，而產(chǎn)生出不同的水質(zhì)。不同區(qū)域的地下水只有降水剛進入到地下時的初始狀態(tài)的水質(zhì)狀況是相同的。因此，可將未受污染的天然狀態(tài)下的大氣降水的水質(zhì)情況作為背景值，以對不同演化方向的地下水的變化情況作出評價。

本次收集到1973年開始對北京地區(qū)大氣降水水質(zhì)進行監(jiān)測研究的資料，該研究共取樣10余次，采集樣點41個，分析項目共計28項（王健民，1979）。

我國的工業(yè)化開始較晚，到1973年時對大氣的污染相對較輕。因此，該數(shù)據(jù)可作為本區(qū)大氣降水水質(zhì)的本底值，同時也可作為本區(qū)地下水開始演化時的參照值。主要陰陽離子的平均值如表1所示。

（2）工業(yè)化之前的地下水

工業(yè)化之前的地下水水質(zhì)處于一種較為天然的狀態(tài)，受人類活動的影響相對較小，故也可作為背景值來加以對比參照。

花崗巖類和侏羅系中的可溶解成分相對最少;加上其風化層相對較薄，泉水的循環(huán)交替時間相對較短，故其中泉水的離子濃度相對較低，水質(zhì)特點最為接近大氣降水的成分。本次收集到臥佛寺泉（侏羅系九龍山組，J2j）的歷史水質(zhì)資料（1955.12）（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，1955），主要指標如表2所示。

（3）當前水質(zhì)最好的地下水

本次所取樣品中，水質(zhì)相對最好的是延慶區(qū)張山營鎮(zhèn)西大莊科村泉水，該泉位于偏遠的西北部山區(qū)，巖性為花崗巖，基巖的可溶成分較少，污染相對較輕，且位于流域的頂端，未受徑流的干擾，總硬度69.4mg/L，電導(dǎo)率為140.5μS/cm，均為本次樣品中的最低，水質(zhì)相對最好。因此也可近似作為本區(qū)地下水水質(zhì)的背景值備選方案（表3）。

通過對以上3種水質(zhì)數(shù)據(jù)的對比分析，認為可參照20世紀70年代大氣降水的平均水質(zhì)濃度值作為背景值，因為其硬度最小，離子濃度較低，同時在原理上也更加合理，上述3種影響的程度也最低。在缺失歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)的前提下，是相對較為理想的背景值的一組參考值。

4.2 有機指標部分

本次檢測有機物種類為鹵代烴（15項）、單環(huán)芳烴（5項）、氯代苯（5項）、多環(huán)芳烴（1項）、有機氯農(nóng)藥（11項）共5類，共計39項指標。

本次所取樣品中，有機檢測項中，共有3類5項指標在部分樣品中有檢出，主要包括：（1）鹵代烴中的三氯甲烷（44件）、二氯甲烷（18件）、溴二氯甲烷（1件）、三氯乙烯（1件）;（2）單環(huán)芳烴中的甲苯（3件）;（3）多環(huán)芳烴中的苯并芘（2件）。其中鹵代烴類的檢出最多，共64件，占比92.8%。參照《地下水質(zhì)量標準》（GB/T 14848-2017）各檢出項均只是檢出，有機指標部分均滿足Ⅲ類地下水標準。

大氣中的有機物大部分都是化工生產(chǎn)的產(chǎn)物，但也有少量自然來源。如鹵代烴類絕大多數(shù)由人為產(chǎn)生，少量來源于自然排放（向武等，2003）;相關(guān)研究表明，生物作用會產(chǎn)生三氯甲烷（Haselmann，2003），天然成因的森林大火能產(chǎn)生氯甲烷和二氯甲烷等（向武等，2003）;苯、甲苯自然條件中不僅化石燃料的自燃可以產(chǎn)生，森林山火也可產(chǎn)生（白建輝等，2005）?？茖W(xué)家們通過對冰心空氣成分的研究，來推測工業(yè)革命以來大氣中各種鹵代烴類化合物的濃度變化。結(jié)果表明，人為來源占主要部分，自然源可忽略不計（Butler et al，1999;Sturges et al， 2001;Sturrock et al， 2002;Prinn et al， 2000），更深層古老冰心中觀測到的CCl4濃度僅為5ppt;但也有天然源較強者，CH3Cl的濃度比現(xiàn)在大氣中僅少10%～30%（張芳，2006）。

由于缺乏降水水質(zhì)有機測試的歷史資料，對于有機指標部分，可選取當前水質(zhì)最好的地下水作為背景值。本次所取260個水樣中，水質(zhì)最好的為花崗巖類中的地下水，電導(dǎo)率和TDS均較低。本次花崗巖類9個地下水樣中，有機指標檢測項均未有檢出。因此，可初步選定本次39項有機檢測項的地下水環(huán)境背景值均為不得檢出。

5 討論

為給出北京地區(qū)地下水質(zhì)的監(jiān)測與評價的參照標準，本次研究重點對受人類活動影響較小的北京山區(qū)基巖水（包括泉水）和北京平原區(qū)隱伏基巖水進行了取樣測試，對取水巖層層位進行了嚴格的界定，盡量選取流域頂端、受人類活動影響較小地區(qū)的水樣進行測試分析。在對水質(zhì)的分布演化規(guī)律進行了研究的基礎(chǔ)上，對本區(qū)地下水環(huán)境背景值選取方案進行了一定的探討。

經(jīng)對本次取樣數(shù)據(jù)的分析，初步得出影響水質(zhì)演化的3個方面的主要影響因素，因此在選取背景值時就應(yīng)當盡量避開上述3種影響，或者使3種影響程度達到最低。

基于極限推理的思想，認為在無法獲取原始地下水水化學(xué)數(shù)據(jù)的情況下，可參照工業(yè)化之前雨水成分的濃度值，因為雨水作為“三水”轉(zhuǎn)化的起點，是所有地下水循環(huán)的開始，雨水一旦進入地下后便開始不同的水巖作用而沿不同的方向加以演化。雨水的各項指標濃度均較低，作為一個反推的極限值，具有一定的合理性的。這在原理上也較符合背景值的含義，同時便于不同巖性區(qū)（包括第四系）的統(tǒng)一對比，方便今后使用。

隨著今后對監(jiān)測工作的推進，可選取水文地質(zhì)條件相對簡單獨立、有代表性的巖溶水子系統(tǒng)或基巖裂隙水子系統(tǒng)，從流域頂端到下游，對不同巖性含水層中地下水的演化規(guī)律加以研究，爭取提出不同巖性條件下的背景值。

6 結(jié)論

（1）通過對受人類活動影響較小的北京山區(qū)基巖水（包括泉水）和平原區(qū)隱伏基巖水取樣測試分析，發(fā)現(xiàn)影響基巖水質(zhì)演化的主要因素大致有3個：一是地層巖性;二是運移時間;三是人類活動。故選取背景值時應(yīng)盡量使這3種影響達到最小。

（2）基于上述認識，提出了3種背景值選取方案：工業(yè)化之前的大氣降水;工業(yè)化之前的地下水;以及當前水質(zhì)最好的地下水。并進行了對比探討，依據(jù)極限推理的方法，認為可參照工業(yè)化之前的大氣降水濃度值作為本區(qū)地下水環(huán)境背景值。這在原理上更加符合背景值的含義，同時便于不同巖性區(qū)（包括第四系）統(tǒng)一對比，方便使用。

（3）通過收集本區(qū)最早的大氣降水水質(zhì)數(shù)據(jù)，初步給出了一套可作為北京地區(qū)地下水背景值的主要離子濃度值，并對有機指標的背景值也進行了分析探討。

致謝：感謝編輯部老師和專家給予的寶貴意見和建議。

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