北京平原區地下水承壓含水層組防污性能評價

趙 微,楊巧鳳,林 健,楊 慶,江 岳

（北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

北京平原區地下水承壓含水層組防污性能評價

趙 微,楊巧鳳,林 健,楊 慶,江 岳

（北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

防污性能研究是保護地下水環境工作的基礎，為加強對承壓含水層地下水資源的保護，本文分別對北京市平原區3個承壓含水層組的固有防污性能進行評價。選取隔水層的巖性、厚度、連續性，含水層的巖性、分層狀況和相鄰含水層的水頭差等要素，構建承壓含水層組防污性能評價指標體系，采用評價指標評分加權計算的方法，開展分層評價，最終將防污性能劃分為好、較好、中等、較差和極差5個等級。結果表明，由第一承壓水層向深層，防污性能逐漸增強；每個層組的防污性能均具有一定的區域分布性，整體來看，平谷區防污性能差，大興區和通州區防污性能好。

防污性能；承壓含水層組；分層評價；北京平原區

0 前言

近年來，由于城市化進程的加快，經濟社會的快速發展，許多地區出現了水位下降、地下水污染、地面沉降等地質環境問題，對地下水資源的安全和可持續利用帶來了威脅和挑戰。目前地下水資源的保護和污染防控已引起社會各界的廣泛關注，2013年北京市人民政府發布了“北京市地下水保護和污染防控行動方案”，2015年國務院發布了《水污染防治行動計劃》，在地下水污染防控成為研究熱點的大環境下，作為世界上水資源最緊缺的特大型首都城市，有效防止和治理地下水污染的工作任重道遠。

地下水占全市供水量的60%以上，是北京市的重要供水水源，即使南水北調水進京后，地下水仍占全市供水量的50%左右（張壽全，2012），由于人類活動的影響，北京地下水已出現由點向面、由城市向郊區、由淺層向深層、由無機向有機的污染趨勢。淺層地下水是深層地下水的主要補給來源，淺層地下水的污染將對深層地下水造成極大的威脅，目前北京市南部及中部的通州區、大興區和朝陽區的部分地區由于污水排放、歷史污灌等影響，淺層地下水污染嚴重，不得不開采深層承壓水滿足供水需求。由于承壓水具有更新速度慢，交替程度弱，自凈能力低等特點，一旦受到污染，修復難度較大（北京市水文地質工程地質大隊，2014），因此加強對承壓水的保護已勢在必行。

地下水防污性能研究是保護地下水環境工作的基礎，研究成果可以為風險評價、環境保護區劃以及地下水污染防控提供依據，從而達到有效保護地下水資源的目的。近年來，孟素花、雷靜、劉春華等學者對國內多個省市淺層地下水的防污性能開展了研究工作（孟素花，2011；雷靜等，2003；劉春華等，2014；李定龍,2013；狄效斌，2008；張翼龍等，2012），郭高軒、黃棟、王存政等對北京市平原區的淺層地下水防污性能進行了評價（郭高軒，2014；黃棟，2009；王存政等，2014），但針對第四系承壓含水層組的研究工作較少，而承壓水是目前北京市的重要供水水源之一，是地下水的重點保護層位，因此開展承壓水層的防污性能研究工作至關重要。

目前國內對承壓水層的研究相對較少，僅2006年武強對北大港油氣田區、2009年李貴明對項城、2010年孟憲萌對山東省濟寧市以及2014年韓德村對武漢市東西湖區進行了承壓含水層的脆弱性評價。本文在綜合考慮北京市水文地質條件的基礎上，分別對平原區不同承壓含水層組對上覆含水層組的防污性能進行綜合評價，為地下水污染風險評價、環境功能區的劃分及制定環境保護措施提供依據，為政府主管部門環境管理提供技術支撐。

1 地理概況

北京市位于華北平原的北部，毗鄰天津市和河北省，全市總面積16410.54km2，平原區面積約6528km2，地勢西北高東南低。

平原區第四系孔隙水主要賦存于由永定河、潮白河、溫榆河、大石河和泃河等河流沖、洪積作用形成的砂及砂卵礫石中，成層性較好。從沖洪積扇頂部至沖洪積平原，含水層結構由單一層逐漸過渡到多層，地下水類型由潛水逐漸過渡為承壓水。

依據地層沉積規律、地下水含水層結構、地下水開發利用狀況等，在垂向上將平原區第四系的含水層劃分為4個含水層組（趙微等，2012），由于淺層承壓水與上覆潛水之間隔水層不完全連續，水位埋深相差較小，水力聯系密切，因此將單一潛水區及含水層底板埋深小于50m的淺層承壓水區合并定名為第一含水層組；第二至第四層組含水層底板埋深分別為80～120m、150～180m和300m左右，為承壓含水層組，分別定名為第一承壓含水層組，第二承壓含水層組和第三承壓含水層組。

2 評價方法及指標選取

地下水防污性能（脆弱性）概念是Margat于1968年首次提出，但當時并沒有對其做進一步的解釋，目前應用較廣的是1993年美國國家科學技術委員會提出的定義：地下水脆弱性是污染物到達最上層含水層某特定位置的傾向性與可能性。分為本質脆弱性和特殊脆弱性，其中本質脆弱性指不考慮特定的人類活動和污染物分布，只考慮含水層內部水文地質因素對污染的易損性；特殊脆弱性指地下含水層對某一特定污染源或人類活動的脆弱性（Gogu R C et al，2000；National Research Council，1993；鐘佐燊，2005）。

根據定義及研究對象，本次地下水防污性能評價研究的是污染物到達特定承壓水層特定位置的傾向性與可能性，即本質脆弱性（也稱固有防污性能），只考慮自然地質因素引起含水層污染的易損性。由于地表污染物到達承壓水的可能性遠小于潛水或淺層承壓水，因此本文主要是將上一層的地下水作為潛在污染源，研究其下覆的含水層組對其的防護能力。

2.1 評價方法的選取

地下水防污性能的評價方法較多，包括迭置指數法、模糊數學綜合評價法、過程數值模擬法和統計方法等，前兩種方法適用于固有防污性能評價，后兩種方法適用于特殊防污性能評價（李月興等，2013；張昕等，2010；楊旭東等，2006；姜桂華，2002）。

迭置指數法主要是通過對選取的評價指標賦予相應的分指數，之后進行迭加，根據迭加得到的綜合指數進行評價，得到的結果為定性或半定量的。該方法適用于較大范圍地下水的固有脆弱性或固有與特殊脆弱性相結合的評價，又分為水文地質背景參數法和參數系統法（姜桂華，2002），其中參數系統法應用最廣，包括Drastic、PI、GOD法等。

模糊數學綜合評價法是首先確定評價因子及分級標準，之后對因子賦以相應權重，再通過單因子模糊評判和模糊綜合評判來分析地下水的脆弱程度。目前，國內楊彥（2013）、周金龍（2004）、孟素花（2011）等學者采用模糊數學綜合評價法或模糊數學與其他方法相結合的評價方法對常州和華北平原等地區的防污性能進行了評價。

兩種方法對比，迭置指數法的指標數據比較容易獲得，方法簡單并易于掌握。由于首次在北京地區開展承壓含水層組的防污性能研究，數據資料和研究程度有限，因此本次選取應用最廣泛的疊置指數法進行評價，參照Drastic評價方法和思路確定評價指標、評分體系，再根據各指標的權重疊加計算綜合指數，確定防污性能評價結果，綜合指數值越大，防污性能越差，地下水越易被污染，反之亦然。

式中：A為指標評分，W為指標權重。

2.2 評價指標的選取

（1）影響因素

由于人工開采承壓水導致水頭下降，誘發淺層含水層中遭受污染的地下水通過天然天窗或因為混層開采、成井工藝差、止水效果不好等導致的人為天窗進入承壓水層，造成地下水污染。因此，承壓含水層的脆弱性取決于自身的屬性、隔水層屬性、地下水動力條件以及人類活動對含水層的影響。

（2）指標選取

根據承壓含水層防污性能的影響因素進行指標的選取和體系構建，指標體系的選取需遵循3個原則，首先應盡可能全面反映研究區的自然因素與人為因素對防污性能的影響，避免指標重合；其次評價指標須具有代表性；再次需考慮各指標質量等級量化及數據采集的難易程度和可靠性，以保證指標的真實性和可操作性（韓德村等，2014）。

目前對承壓含水層的脆弱性評價較少，因此指標的選取主要是在參考借鑒其他學者成果的基礎上，結合承壓水的自身及人為影響因素進行確定。

綜合來看，承壓含水層防污性能評價選取的指標主要是反映隔水層和含水層等屬性指標以及人為影響指標，其中個別指標雖有所不同，但有一定的相關性，如導水系數與含水層巖性指標；潛水與承壓水水頭差和承壓水開采強度指標。

根據本次的研究對象，反映隔水層屬性的指標主要是選取隔水層巖性、厚度、連續性，這幾個因子主要考慮污染潛水向下越流問題，隔水層不連續，污染潛水很容易通過天窗越流進入承壓含水層，隔水層顆粒粗或厚度小，污染潛水就比較容易越流進入承壓含水層；含水層屬性指標選取含水層巖性，通常含水層介質的顆粒越大，滲透性越強，防污性能差；反映人為影響指標選取相鄰含水層的水頭差，其體現的是人類開采地下水的強度，差值的大小反映了污染物進入承壓含水層驅動力的大小，差值越大，污染遷移可能性越大，防污性能越差。

另外由于各承壓含水層組均是由多個含水層組成，層數多少對于防污性能存在一定影響，層數越多，說明隔水層越多，污染物向下遷移能力越弱，防污性能越強，因此本次評價時增加含水層層數指標（圖1）。

表1 評價指標及其分級表Tab.1 Ranges and ratings of evaluation features

圖1 防污性能評價指標體系圖Fig. 1 Index system of antifouling property

2.3 評價指標的量化分級

地下水防污性能指標的分級標準主要是通過查閱相關文獻，了解不同指標對地下水防污性能的影響程度，針對研究區現狀初步確定評價指標分級及其特征值，之后向水文地質專家進行咨詢和論證，根據對地下水防污性能影響的大小確定各評價指標特征值，分值越高，影響越大，防污性能越差（表1）。

2.4 評價指標的權重確定

參照DRASTIC方法中權重的確定原則，并咨詢部分水文地質專業的專家，經綜合匯總確定每個指標的權重（表2）。

表2 評價指標權重Tab.2 Assigned weights of evaluation features

3 分層防污性能評價

在各單指標評價結果的基礎上，應用MAPGIS的空間分析功能，對各指標對應的評分圖按相應權重進行疊加分析，參照公式（1）對各評價指標評分值進行線性加權求和計算，得到各含水層組的綜合評價分區圖。綜合指數的理論值為29～145，為了便于不同承壓水含水層組防污性能對比，將地下水防污性能統一劃分為5個區（表3）。

表3 防污性能分區表Tab.3 Partition table of antifouling property

3.1 第一承壓含水層組評價結果

第一承壓含水層組防污性能主要以中等和較差類別為主（圖2和表4）。

圖2 第一承壓含水層組防污性能分區圖Fig. 2 Zone map of the fi rst conf i ned aquifer antifouling property

表4 第一承壓含水層組防污性能分區統計表Tab.4 Partition table of the fi rst conf i ned aquifer antifouling property

防污性能好和較好區分布范圍較小，其中防污性能好區僅分布在海淀山后的小部分地區，約占評價區的0.33%。較好區占評價區的23.9%，主要分布在大興東部、順義北部、昌平中部、海淀北部和延慶西南部；其中大興東部地區主要是由于含水層組顆粒細、層數多，水頭差小；昌平中部、海淀北部和延慶西南部地區主要是由于隔水層厚度大，水頭差小；順義北部地區主要是由于水頭差小。

防污性能中等區的分布范圍最大，占評價區的40.84%，主要分布在通州大部、大興西部、順義東部和昌平東部等地區。

防污性能較差區占評價區的24.57%，主要分布在城區、房山、朝陽西北、通州北部、平谷和順義的部分地區；防污性能差區分布范圍較小，占評價區的10.36%，主要分布在朝陽南部、順義西南和平谷北部等部分地區。城近郊區、房山、順義和平谷的大部分地區防污性能差或較差，其中城近郊區和房山地區主要是由于隔水層厚度小、含水層層數少、巖性顆粒粗；順義西部和通州北部主要是由于與上覆含水層水頭差大；平谷和順義東部主要是由于隔水層厚度小、水頭差大及含水層顆粒粗、層數少。

3.2 第二承壓含水層組評價結果

第二承壓含水層組防污性能以好和較好為主（圖3和表5）。

圖3 第二承壓含水層組防污性能分區圖Fig.3 Zone map of the second conf i ned aquifer antifouling property

表5 第二承壓含水層組地下水防污性能分區統計表Tab.5 Partition table of the second conf i ned aquifer antifouling property

防污性能好區占評價區的35.9%，主要分布在大興、延慶、昌平西南部和通州西南部，主要受隔水層厚度大、水頭差小等影響。

防污性能較好區占評價區的30.56%，主要分布在昌平東部、順義大部、朝陽中部，其中昌平東部地區主要是由于相鄰含水層水頭差小；順義大部分地區主要是由于隔水層厚度大、水頭差小；朝陽中部地區主要是由于隔水層厚度大。

防污性能中等區占評價區的20.75%，主要分布在通州東部、順義中北部和中南部及海淀西南部和朝陽的部分地區。

防污性能較差區分布范圍較小，占評價區的10.41%，主要分布在平谷、通州北部和東南部；防污性能差區分布范圍最小，僅占評價區的2.38%，分布在通州北部地區，其中平谷地區防污性能差總體較差，主要是由于隔水層厚度小、含水層巖性顆粒粗、層數少；通州地區防污性能較差和差主要是由于隔水層厚度小、水頭差大。

3.3 第三承壓含水層組評價結果

第三承壓含水層組防污性能以好為主（圖4和表6）。

圖4 第三承壓含水層組防污性能分區圖Fig. 4 Zone map of the third conf i ned aquifer antifouling property

表6 第三承壓含水層組地下水防污性能分區統計表Tab.6 Partition table of the third conf i ned aquifer antifouling property

防污性能好的地區占評價區的51.76%，主要分布在延慶、大興、通州南部、順義西南部、昌平東北部和朝陽東部的部分地區，影響因素主要是由于隔水層厚度大，水頭差小。

防污性能較好的地區占評價區的18.25%，主要分布在昌平、朝陽和通州的部分地區。

防污性能中等的地區占評價區的21.78%，主要分布在通州中部、朝陽和海淀的部分地區。

防污性能差的地區占評價區的3.91%，主要分布在通州和順義的小部分地區，影響因素主要是隔水層厚度；防污性能差的地區占評價區的4.30%，主要分布在平谷，影響因素包括隔水層厚度小，含水層巖性粗、層數少以及水頭差小。

4 結論

（1）本文參照Drastic評價方法和思路確定評價指標、評分體系。選取隔水層厚度、巖性、連續性、含水層巖性、分層狀況及相鄰含水層水頭差等指標，才確定各指標權重和評分的基礎上，采用疊置指數法對防污性能進行評價，初步查明了北京市平原區地下水承壓含水層組的防污性能。

（2）從總體來說，平谷區由于隔水層厚度小，總體防污性能最差；大興區、通州區南部等地區由于含水層層數多、隔水層厚度大等原因防污性能較好；由第一承壓層組向深層，防污性能總體呈現變好的趨勢。

目前國內對地下水承壓水層的防污性能研究工作開展較少，本次針對北京市平原區的承壓水層開展分層評價尚屬首次嘗試，其評價結果受評價方法、評價指標的選取及收集數據資料的完整性影響，有待完善的空間，本文僅拋磚引玉，供其他學者借鑒。

Gogu R C, Dassargus A, 2000. Current trends and future Challenges in groundwater vulnerability assessment using overlay and index methods[J]. Environmental Geology,39 (6): 549-559.

National Research Council ( U.S.), 1993．Ground WaterVulnerability Assessment: Predicting Relative Contamination Potential under Conditions of Uncertainty [M]．Committee on Techniques for Assessing Ground Water Vulnerability． Washington DC: National Research Council，National Academy Press: 204．

北京市水文地質工程地質大隊，2014. 北京市平原區地下水環境監測網運行項目成果報告[R].

狄效斌，2008. 珠江三角洲地區地下水防污性能研究[D]. 石家莊：中國地質科學院.

郭高軒，李宇，許亮，等，2014. 北京平原區第四系地下水污染風險評價[J]. 環境科學，35(2)：562-568.

黃棟，2009. 北京市平原區地下水脆弱性研究[D]. 北京：首都師范大學.

韓德村，彭慧，文美霞，2014. 試論承壓含水層防污性能評價[J].資源環境與工程，28(6)：904-907.

姜桂華，2002. 地下水脆弱性研究進展[J]. 世界地質，21(1)：33-38.

雷靜，張思聰，2003. 唐山市平原區地下水脆弱性評價研究[J].環境科學學報，23(1)：94-99.

劉春華，張光輝，王威，等，2014. 區域地下水系統防污性能評價方法探討與驗證——以魯北平原為例[J]. 地球學報，35(2)：217-222.

李貴明，2009. 水質型缺水區地下水防污性能評價與防治研究[D]. 北京：中國地質大學(北京).

李定龍，王宗慶，楊彥，2013. 基于綜合方法的區域淺層地下水脆弱性評價—以常州市為例[J]. 環境化學，32(11)：2099-2108.

李月興，楊臣，潘虹，等，2013. 地下水脆弱性研究綜述[J].黑龍江科學，4(5)：80-83.

孟憲萌，2010. 基于過程模擬的越流區承壓含水層脆弱性評價研究[D]. 北京：清華大學.

孟素花，2011. 華北平原地下水脆弱性及污染防治區劃研究[D]. 石家莊：中國地質科學院.

孟憲萌，胡宏昌，薛顯武，2013. 承壓含水層脆弱性影響因素分析及評價模型的構建——以山東省濟寧市為例[J]. 自然資源學報，28(9)：1615-1622.

王存政，徐海紅，劉怡，等，2014. 北京城近郊區淺層地下水污染綜合脆弱性動態評價研究[J]. 環境工程，32(12)：109-112.

武強，王志強，趙增敏，等，2006. 油氣田區承壓含水層地下水污染機理及其脆弱性評價[J]. 水利學報，37(7)：851-857.

楊旭東，孫建平，魏玉梅，2006. 地下水系統脆弱性評價探討[J].安全與環境工程，3(1)：1-4.

楊彥，于云江，王宗慶，等，2013. 區域地下水污染風險評價方法研究[J]. 環境科學，34(2)：653-661.

張昕，蔣曉東，張龍，2010. 地下水脆弱性評價方法與研究進展[J]. 地質與資源，19(3)：253-528.

張壽全，2012. 淺議北京市地下水資源管理與地下水污染控制研究進展[J]. 中國水利，(1)：31-33.

張翼龍，陳宗宇，曹文庚，等，2012. DRASTIC 與同位素方法在內蒙古呼和浩特市地下水防污性評價中的應用[J].地球學報，33(5)：819-825.

周金龍，王水獻，王能英， 2004. 模糊數學方法在潛水防污性能評價中的應用[J]. 新疆農業大學學報，27(2)：62-65.

趙微，林健，郭高軒，等，2012. 北京市地下水環境分層監測和專項監控網的建立[J]. 南水北調與水利科技，10(2)：60-64.

鐘佐燊，2005. 地下水防污性能評價方法探討[J]. 地學前緣，12(S1)：3-11.

Antifouling Property Evaluation of Conf i ned Aquifer Group in Beijing Plain

ZHAO Wei, YANG Qiaofeng, LIN Jian,YANG Qing, JIANG Yue

(Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195)

Antifouling property research is the basis to protect groundwater environments. To strengthen to protect the confined aquifer groundwater resources, the inherent antifouling property of the three groups of confined aquifers in Beijing plain was evaluated separately in the paper. We selected several features such as aquifuge lithology, thickness, continuity, and aquifer lithology, stratification, and hydraulic head difference of adjacent aquifers, constructing conf i ned aquifer group antifouling property evaluation system, and used weighted evaluation score calculation to carry out stratified evaluation. Eventually antifouling property is divided into five levels.The results indicate that from the shallow conf i ned aquifer to the deep, antifouling property gradually increased.Antifouling property of each layer shows some regional distribution. Overall, poor antifouling property is located in Pinggu district and good antifouling property in Daxing and Tongzhou districts.

Antifouling property; Conf i ned aquifer group; Stratif i ed evaluation; Beijing plain

A

1007-1903（2017）03-0064-07

北京市財政專項經費項目（PXM2015_158305_000010），北京市環境保護局綜合研究項目（HCZB-2012-BJ1188）

趙 微(1979- )，女，碩士，高工，主要研究方向為地下水環境監測與評價。E-mail:zhaoweimsb@163.com