懷柔應(yīng)急水源地地下水水質(zhì)變化研究

楊利錦，任 宇，張景華，歐志亮（.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 00048；.北京市京密引水管理處，北京 0400；. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 0095）

懷柔應(yīng)急水源地地下水水質(zhì)變化研究

楊利錦1，任 宇2，張景華1，歐志亮3
（1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048；2.北京市京密引水管理處，北京 101400；3. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

本文綜合懷柔應(yīng)急水源地開采期間開采量、水質(zhì)等系列動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)水源地地下水水質(zhì)變化規(guī)律以及引起水質(zhì)變化的主要因素進(jìn)行了分析。隨著地下水的開采，地下水中硬度、溶解性總固體、硝酸鹽等含量呈現(xiàn)逐年增高的趨勢(shì)，其中，淺層地下水年際增速較快，深層地下水年際增速較緩。另外，利用同位素分析技術(shù)識(shí)別地下水中污染的來源，分析結(jié)果表明，主要來源是人工化肥和中水/污水，經(jīng)土壤微生物硝化作用轉(zhuǎn)為硝酸鹽。針對(duì)懷柔應(yīng)急水源地水質(zhì)變化情況，為保障供水安全，提出了改善地下水水質(zhì)的對(duì)策。

懷柔應(yīng)急水源地；地下水開采；水質(zhì)變化

0　引言

北京市懷柔應(yīng)急水源地位于北京市東北部懷柔區(qū)廟城-高兩河、北房-高兩河-南年豐一帶，潮白河沖洪積扇的中上部。該水源地共包括21對(duì)42眼深淺結(jié)合水源井，其中淺井設(shè)計(jì)深度為120m，取水層為40～110m，單井設(shè)計(jì)出水量1.1×104m3/d；深井設(shè)計(jì)深度為250m，取水層為120～240m，單井設(shè)計(jì)出水量0.5×104m3/d；設(shè)計(jì)年供水1.2×108m3，連續(xù)開采兩年。作為北京最大的應(yīng)急備用地下水源地，同時(shí)兼?zhèn)洹皯?yīng)急”和“備用”兩大功能，肩負(fù)著在連續(xù)干旱年和突發(fā)事件下城市供水不足時(shí)，通過應(yīng)急供水以緩解城區(qū)供水緊張局勢(shì)的重任。由于連續(xù)干旱，為保障城區(qū)供水，該水源地在2003年8 月30日至2005年8月底完成了2年的設(shè)計(jì)供水任務(wù)后，一直續(xù)采至今。

地下水水質(zhì)多年監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，懷柔應(yīng)急水源地地下水的硬度、溶解性總固體、硝酸鹽等多項(xiàng)指標(biāo)總體呈升高趨勢(shì)，需要針對(duì)水質(zhì)變化規(guī)律，查明引起水質(zhì)變化的原因和機(jī)理，以采取相應(yīng)的措施保障水源地的供水安全。

1　懷柔應(yīng)急水源地水質(zhì)變化分析

根據(jù)2003—2014年懷柔應(yīng)急水源井的水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，應(yīng)急水源井水質(zhì)整體變化趨勢(shì)為：整體水質(zhì)較好，深層水水質(zhì)優(yōu)于淺層水；但伴隨水源地的集中開采，地下水中硬度、溶解性總固體、硝酸鹽等含量呈現(xiàn)逐年增高的趨勢(shì)，其中，淺層地下水年際增速較快，深層地下水年際增速較緩。

1.1溶解性總固體和硬度變化

國(guó)內(nèi)外研究表明，溶解性總固體和硬度是反應(yīng)地下水化學(xué)特征的第一因素（Kumaresan et al. ，2008）。溶解性總固體的增加是地下水中陰、陽離子濃度的總體升高的直接體現(xiàn)，引起地下水中陰、陽離子濃度增加的因素有很多，一般是人為污染、溶濾作用、過量開采、水文地球化學(xué)過程等（郭海丹等，2011；侯玉松等，2014）。

根據(jù)懷柔應(yīng)急水源地多年水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，水源淺井的溶解性總固體平均值由開采前的281mg/L增加至2014年的454mg/L，增加了173mg/L，升高61%左右；深井的溶解性總固體平均值由開采前的255mg/L增加至2014年的297mg/L，增加了42mg/L，升高16%左右（圖1）。

水源淺井總硬度平均值由開采前的208mg/L增加至2014年的277mg/L，增加了69mg/L，升高了33%左右；深井總硬度平均值由開采前的141mg/L增加至2014年的166mg/L，增加了25mg/L，升高了18%左右（圖1）。可見，淺井中溶解性總固體濃度、總硬度較深井增加率比較快。

圖1　水源井總?cè)芙庑怨腆w和硬度多年動(dòng)態(tài)對(duì)比圖Fig.1 Dynamic comparison chart of total dissolved solid and hardness for years in water wells

1.2主要離子濃度變化

（1）地下水中Cl-濃度變化

根據(jù)2003—2014年懷柔應(yīng)急水源井多年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，水源井中主要陰離子NO3-、Cl-、HCO3-、SO42-均有不同程度的升高。淺井水源井中Cl-濃度平均值由開采前的12.18mg/L增加至2014年的25.14mg/L，升高了約106%；深井水源井中Cl-濃度平均值由開采前的3.53mg/L增加至2014年的5.31mg/L，升高了約55%（圖2）。

圖2　水源井Cl-濃度多年變化曲線圖Fig.2 Multi - annual concentration variation curve of Cl-in water wells

圖3　水源井濃度多年變化曲線圖Fig.3 Multi - annual concentration variation curve ofin water wells

1.3同位素分析

為了進(jìn)一步查清研究區(qū)硝酸鹽的污染來源，采用同位素技術(shù)識(shí)別污染源。許多學(xué)者對(duì)不同來源中的15N、18O值進(jìn)行了研究。由土壤中有機(jī)氮礦化產(chǎn)生的硝酸鹽的15N值為+4‰～+9‰；由無機(jī)化肥產(chǎn)生的硝酸鹽15N值為-4‰～+4‰；由污水產(chǎn)生的硝酸鹽15N值+9‰～+20‰；由動(dòng)物糞便產(chǎn)生的硝酸鹽15N值為+8.8‰～+9‰ 。硝酸鹽中氧元素的組成也受其來源影響，經(jīng)研究表明：來自大氣沉降的硝酸鹽的18O值為+（43.6±14.6）‰；來自于大氣降水的硝酸鹽的18O值為+20～+70‰；來自人工合成化肥的硝酸鹽的18O值為+18～+22‰；來自土壤微生物硝化作用的硝酸鹽18O值為-10～+10‰（圖4）。

在研究區(qū)內(nèi)取同位素水樣25件，其中地下水20件，地表水4件，自然降水1件，并對(duì)水樣中的15N、18O穩(wěn)定同位素比率δ進(jìn)行測(cè)試，采樣點(diǎn)分布見圖5。

圖4　不同來源的硝酸鹽的δ15N和δ18O值的范圍（Kendall C，1998；Nestler A， 2011）Fig.4 The range of δ15N and δ18O values of nitrate from different sources（Kendall C，1998；Nestler A， 2011）

圖5　同位素取樣點(diǎn)分布圖Fig.5 Location of isotopes sampling sites

2　水質(zhì)變化原因分析

2.1地下水的大量開采

巖石或沉積物的組成、地下水的化學(xué)演化、附近的滲流控制了地下水的硬度和Na+的含量（Hudak，2001），F(xiàn)ranco通過分析意大利東北部地區(qū)平原含水層地下水的主要離子和次要離子含量，得出過度抽水會(huì)引起地下水硬度升高的結(jié)論（Cucchi et al. ，2008）。

Cl-是地下水中必然出現(xiàn)的化學(xué)成分，是保守型污染物，Cl-在土壤中的運(yùn)移性非常強(qiáng)，是一種吸附性非常弱的陰離子，土壤中的Cl-隨著水體向下運(yùn)動(dòng)（馮娟，2011）。因此，隨著開采量的增加，懷柔應(yīng)急水源地地下水位下降，水體減少，Cl-本身在包氣帶中所具備的運(yùn)移性強(qiáng)、吸附性弱的特點(diǎn)，地下水的體積不斷縮小，Cl-隨水體向下移動(dòng)，稀釋作用相對(duì)減弱，導(dǎo)致地下水中Cl-的升高。

根據(jù)上述分析，隨著懷柔應(yīng)急水源地的持續(xù)開采，區(qū)域地下水水位顯著下降，淺井中各項(xiàng)離子濃度呈上升趨勢(shì)，為了分析地下水水質(zhì)變化與集中開采的關(guān)系，選擇代表性陰陽離子。地下水中主要影響硬度的指標(biāo)是鈣離子和鎂離子，影響溶解性總固體的主要離子是氯離子，因此通過分析這3種離子隨地下水位的變化規(guī)律，基本可以代表地下水水質(zhì)變化與集中開采的關(guān)系（圖7）。

根據(jù)懷柔應(yīng)急水源地多年水位監(jiān)測(cè)資料，至2014年底水源地地區(qū)45m以上潛水、120m以上淺層承壓水水位埋深43.96m，相比2003年水源地啟動(dòng)之初累計(jì)下降了28.11m；120m以下深層承壓水地下水位平均埋深50.32m，累計(jì)下降了33.59m。

圖6　淺層地下水δ15N與?濃度之關(guān)系Fig.6 The relationship between δ15N andconcentrations in shallow groundwater

圖7　淺井代表離子濃度與地下水水位關(guān)系曲線圖Fig.7 The relationship graph between representative ion concentration and groundwater level in shallow water wells

從圖7可以看出，伴隨著懷柔應(yīng)急水源地地下水水位的下降，地下水中鈣鎂離子和氯離子呈上升趨勢(shì)。2003—2008年，地下水位急劇下降，地下水中3種離子濃度增加也較快，2009—2014年，水位下降緩慢，鈣鎂離子和氯離子濃度也逐漸穩(wěn)定。

可見，懷柔應(yīng)急水源地溶解性總固體、硬度增加主要是由地下水過度開采造成的。

2.2人為污染物的排放

排污口、垃圾堆放、農(nóng)業(yè)化肥的使用等是地下水污染的潛在隱患及來源之一，污水及滲濾液可通過巖土滲透至地下水中。通過對(duì)水源地周邊污染源的調(diào)查，了解可能導(dǎo)致地下水污染的因素，共調(diào)查正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)2座，排污口26處。

綜上所述，懷柔應(yīng)急水源地水質(zhì)變化原因，除了人為污染源的增加外，主要是由地下水集中超量開采所致：一方面，大規(guī)模的地下水開采引起水位的急劇下降和強(qiáng)烈的側(cè)向補(bǔ)給，沿途（地下徑流）溶解了地層中大量的礦物成分，使得地下水水質(zhì)發(fā)生明顯變化，地下水在同一含水層中，隨著徑流途徑增長(zhǎng)，水中的溶解性總固體、總硬度、氯離子、鈣鎂等逐漸增加（趙全升等，2010）；另一方面，當(dāng)開采量大于補(bǔ)給量時(shí)，儲(chǔ)蓄量減少，在垂直入滲補(bǔ)給水的含鹽濃度不變的條件下，地下水的稀釋能力減弱，這個(gè)過程就相當(dāng)于地下水所含物質(zhì)的濃縮過程，進(jìn)一步導(dǎo)致地下水水質(zhì)變差（潘國(guó)營(yíng)等，2007）。

3　結(jié)論

根據(jù)2003—2014年懷柔應(yīng)急水源井的水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，應(yīng)急水源井整體水質(zhì)較好，深層水水質(zhì)優(yōu)于淺層水；但伴隨水源地的集中開采，地下水中硬度、溶解性總固體、硝酸鹽等含量呈現(xiàn)逐年增高的趨勢(shì)，其中，淺層地下水年際增速較快，深層地下水年際增速較緩。

水源淺井地下水溶解性總固體、硬度的升高，主要原因是集中超量開采所致。大規(guī)模的地下水開采引起水位的急劇下降和強(qiáng)烈的側(cè)向補(bǔ)給，隨著徑流途徑增長(zhǎng)，水中的溶解性總固體、總硬度、氯離子、鈣鎂等逐漸增加；另外，當(dāng)開采量大于補(bǔ)給量時(shí)，儲(chǔ)蓄量減少，地下水的稀釋能力減弱，進(jìn)一步導(dǎo)致地下水水質(zhì)變差。

建議南水進(jìn)京后，懷柔應(yīng)急水源地可按夏季高峰集中供水與日常保壓相結(jié)合的“集中開采”和日常“穩(wěn)壓開采”兩種模式進(jìn)行熱備方案；對(duì)應(yīng)急水源地開展區(qū)域水源回補(bǔ)涵養(yǎng)；在開展區(qū)域水源回補(bǔ)涵養(yǎng)的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)地表污染源及淺層水水質(zhì)監(jiān)測(cè)，保障水源地供水安全。

［1］Kumaresan M， Riyazuddin P. Factor analysis and linear regression model（ LRM ） of metal speciation and physicochemical characters of groundwater samples［J］. Environ Monit Assess 2008，138（1/3）：65～79.

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［6］馮娟. 開采條件性德州地區(qū)地下水水質(zhì)演化研究［D］. 中國(guó)海洋大學(xué)，2011.

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The Research on Groundwater Quality Variation in Huairou Emergency Water Source Area

YANG Lijin1， REN Yu2， ZHANG Jinghua1， OU Zhiliang3
（1.Beijing Institute of Geological and Prospecting Engineering， Beijing 100048； 2. Beijing Jingmi Water Diversion Management Office， Beijing 101400； 3. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology， Beijing 100195）

his paper analyzed the water quality variation laws and the main factors based on the serried of dynamic monitoring exploitation and water quality data. With the exploitation of underground water， hardness， total dissolved solids and nitrate of groundwater increases year by year， with rapid growth of shallow groundwater and moderate annual growth rate of deep groundwater. In addition， the sources of NO3-pollution in groundwater is identified by isotope analysis technology. The results show that the main sources of NO3-are artificial fertilizers and reclaimed water/sewage， which is converted to nitrates with nitrification by soil microorganisms. According to the variation of water quality in Huairou emergency water source area， the countermeasures to improve the water quality of groundwater are put forward to ensure the safety of supplying water.

Huairou emergency water source area of Beijing； Groundwater exploitation； Water quality variation

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.012

P641

A

1007-1903（2016）01-0057-05

楊利錦（1986- ），女，碩士，工程師，主要從事水文地質(zhì)工程、地下水污染研究。Email∶6991035e @163.com