北京市東北部地區(qū)地下水水質(zhì)狀況及變化特征

李亞楠，胡春春，康 瑩，張 新，劉冬躍，李心月

（1.北京市密云水庫管理處，北京 101512；2.北京市官廳水庫管理處，河北 張家口 075441）

地下水資源是水資源的重要組成部分，地下水資源既是首都發(fā)展的基礎(chǔ)性資源，更是北京市發(fā)展的戰(zhàn)略資源和重要保障[1]。地下水作為水資源的組成部分，因其分布面廣，易受污染且難以修復(fù)，已成為水生態(tài)環(huán)境的重要影響因素[2]。地下水資源已經(jīng)成為一個(gè)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的重要自然資源合理高效地利用地下水資源不僅是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[3]。

高飛[3]等的研究結(jié)果表明，2015 年之前降水量少，人口密集等原因?qū)е卤本┦械叵滤Y源的供需矛盾嚴(yán)重。2015年之后，平原地下水埋深呈逐年上升趨勢，2021年，由于降水豐沛和潮白河生態(tài)補(bǔ)水影響，年末地下水平均埋深上升明顯，較2020年末回升達(dá)5.64 m。潮白河沖洪積扇中上游地區(qū)是北京市地下水資源最豐富的地區(qū)，在城市供水中占據(jù)了重要地位[1]，位于此區(qū)域內(nèi)的懷柔、密云區(qū)是北京市重要的水源地。為研究懷柔、密云區(qū)近年地下水水質(zhì)變化情況，根據(jù)北京市水環(huán)境監(jiān)測中心密云水庫分中心2012—2021年地下水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，從時(shí)間尺度分析東北部地區(qū)近10年地下水水質(zhì)變化特征，以期為管理部門做好地下水保護(hù)工作提供決策支持。。

1 研究區(qū)域概述

1.1 自然地理概況

研究區(qū)域?yàn)閼讶帷⒚茉疲挥诒本┦袞|北部（見圖1）。此研究區(qū)域東北、西北和北部三面環(huán)山，南部為平原區(qū)，地勢北高南低。多年平均降水量為465.5 mm，降水年際間差異性較大并且季節(jié)性明顯，近年降水主要集中在7～9月。區(qū)域地下水的補(bǔ)給、排泄直接受自然、地理、水文、氣象以及人工開采等因素影響，主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給、側(cè)向徑流補(bǔ)給、水庫滲漏、河流入滲補(bǔ)給、京密引水渠滲漏、灌溉回滲補(bǔ)給、南水北調(diào)水人工回補(bǔ)以及水庫放水補(bǔ)給；排泄方式主要有蒸發(fā)排泄、人工開采以及越流補(bǔ)給等[4]。地下徑流條件北部地區(qū)優(yōu)于南部地區(qū)，地下水總體流向由北向南[5]。

圖1 北京市東北部地區(qū)地下水監(jiān)測站點(diǎn)

1.2 地下水資源現(xiàn)狀

2012 年末地下水平均埋深為24.27 m，與2011年末比較，地下水位回升0.67 m，地下水儲量相應(yīng)增加3.4 億m3；與1980 年末比較，地下水位下降17.03 m，儲量相應(yīng)減少87.2億m3；與1960年比較，地下水位下降21.08 m，儲量相應(yīng)減少107.9 億m3。2012—2015年，平原區(qū)地下水埋深逐年下降，2015年之后，由于南水入京回補(bǔ)地下水及地下水開采量減少的雙重作用，平原地地下水埋深呈逐年上升趨勢（見圖2）。2021 年，由于降水豐沛和生態(tài)補(bǔ)水影響，年末地下水平均埋深為16.39 m，與2020年末比較，地下水位回升5.64 m。

圖2 平原區(qū)地下水年末平均埋深

近年地下水水位年內(nèi)變化特征為：1～2月地下水水位相對穩(wěn)定；3～6 月受降雨量少、春季灌溉等因素影響，地下水水位呈持續(xù)下降態(tài)勢；7～10月受降水補(bǔ)給增加影響，地下水水位持續(xù)回升；11 月～次年1月，地下水水位基本持平。

2 采樣與分析

2.1 采樣點(diǎn)布設(shè)及樣品采集

北京市東北部懷柔、密云區(qū)有潮白河地下水庫、懷柔應(yīng)急水源地、潮懷水源地、八廠水源地等重要地下水源地。根據(jù)《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》（SL219-2013）地下水監(jiān)測井布設(shè)原則，懷柔區(qū)布設(shè)14眼監(jiān)測井，其中淺井9眼，深井2眼，基巖井3眼；密云區(qū)布設(shè)7眼監(jiān)測井，其中淺井6眼，基巖井1眼（見圖1）。

樣品采集嚴(yán)格按照《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》（SL219-2 013）進(jìn)行。2012—2020 年，每年的4 月（枯水期）和9月（豐水期）采集樣品；2021年，由于4月開始進(jìn)行潮白河生態(tài)補(bǔ)水，改為每月進(jìn)行樣品采集。

2.2 評價(jià)指標(biāo)

依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017），根據(jù)研究區(qū)域水源水質(zhì)特點(diǎn)及周邊地下水水質(zhì)情況設(shè)置監(jiān)測指標(biāo)，選取15項(xiàng)指標(biāo)對研究區(qū)地下水質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。15 項(xiàng)指標(biāo)分為一般化學(xué)指標(biāo)和毒理學(xué)指標(biāo)。其中，一般化學(xué)指標(biāo)包括總硬度（以CaCo3計(jì)）、溶解性總固體（TDS）、硫酸鹽、氯化物、鐵、錳、銅、鋅、鈉、耗氧量、氨氮、硫化物等12項(xiàng)指標(biāo)；毒理學(xué)指標(biāo)包括亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、氟化物等3項(xiàng)指標(biāo)。

2.3 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 單因子評價(jià)法

單因子指數(shù)法[6-9]是依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017）進(jìn)行評價(jià)。該方法運(yùn)算過程較為簡便，可突出主要的污染指標(biāo)，直觀得出最差類別參評指標(biāo)。見計(jì)算公式（1）：

式中：Pi為第i個(gè)水質(zhì)因子的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，無綱量；Ci為第i個(gè)水質(zhì)因子的監(jiān)測濃度，mg/L；Si為第i個(gè)水質(zhì)因子的標(biāo)準(zhǔn)濃度（《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》II類標(biāo)準(zhǔn)），mg/L。Pi＞1，表明該水質(zhì)因子已超標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)越大，超標(biāo)越嚴(yán)重。

2.3.2 改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法未考慮到濃度較小，難以去除，但對水體危害較大的指標(biāo)（金屬離子、氨氮等）[10]，不能客觀反映污染物情況，評價(jià)靈敏度較低。同時(shí)傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法中Fi是不連續(xù)的，不符合實(shí)際情況。所以本文采用倪天翔[11]提出的內(nèi)梅羅污指數(shù)修正公式，如式（2）～式（4）所示[12-13]。

式中：Fi′為修正后的單項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)分值；u為樣品中某一單項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測含量；Si為樣品中這一單項(xiàng)指標(biāo)的第i級標(biāo)準(zhǔn)限值。

式中：Fmax′為Fi′中的最大值；Fˉ′為Fi′的平均值。

改進(jìn)的內(nèi)梅指數(shù)法評級表見表1。

表1 改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法評級表

3 結(jié)果與分析

3.1 2021年北京市東北部地區(qū)地下水質(zhì)量評價(jià)

3.1.1 單因子評價(jià)法

單因子評價(jià)法計(jì)算結(jié)果表明，研究區(qū)域一般化學(xué)指標(biāo)中溶解性總固體在各監(jiān)測站點(diǎn)未超過II 類標(biāo)準(zhǔn)。

研究區(qū)域地下水含量偏高的金屬指標(biāo)為總硬度、鋅、鈉，大部分監(jiān)測站點(diǎn)總硬度符合III 類標(biāo)準(zhǔn)，其中懷柔區(qū)的前橋梓村東和密云區(qū)的西田各莊總硬度較高。鋅、鈉均未超過II 類標(biāo)準(zhǔn)，其中橋梓廣場、平頭、十里堡的鈉元素含量比較高。東白巖、西田各莊鋅元素含量比較高。

研究區(qū)域地下水主含量偏高的非金屬指標(biāo)為硝酸鹽氮、氨氮、硫酸鹽、氟化物。其中氟化物為有毒物，但各監(jiān)測站點(diǎn)氟化物含量均未超過II 類標(biāo)準(zhǔn)，橋梓廣場氟化物含量最高。硝酸鹽氮在密云區(qū)的葡萄園含量最低，符合II 類標(biāo)準(zhǔn)；其余各站點(diǎn)均符合III 類標(biāo)準(zhǔn)，在懷柔區(qū)的前橋梓村東含量最高，考慮硝酸鹽氮主要來源于周圍污水和固體廢物滲透到含水層中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起硝酸鹽含量升高。氨氮在密云區(qū)的葡萄園含量最低，符合I 類標(biāo)準(zhǔn)；其余各站點(diǎn)均符合II 類標(biāo)準(zhǔn)，在懷柔區(qū)的前橋梓村東和葛各莊含量最高，考慮氨氮主要來源于周圍居民生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的污水[9，14-15]。

綜上，研究區(qū)域主要污染物為硝酸鹽氮，密云區(qū)地下水質(zhì)量總體優(yōu)于懷柔區(qū)，污染最為嚴(yán)重的是懷柔區(qū)的前橋梓村東（見表2和圖3～4）。

表2 2021年地下水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果及水質(zhì)評價(jià)結(jié)果匯總表

圖3 金屬評價(jià)指標(biāo)堆積柱形圖

圖4 非金屬評價(jià)指標(biāo)堆積柱形圖

3.1.2 改進(jìn)的內(nèi)梅羅評價(jià)法

改進(jìn)的內(nèi)梅羅評價(jià)法計(jì)算結(jié)果表明，懷柔、密云區(qū)地下水水質(zhì)符合符合II 類標(biāo)準(zhǔn)的有20 眼，占95.2%；符合III類標(biāo)準(zhǔn)的有1眼，占4.8%。區(qū)域地下水水質(zhì)集中在II 類，只有密云西田各莊為III 類，水質(zhì)整體處于優(yōu)良水平（見表2）。

3.2 北京市東北部地區(qū)地下水污染物濃度年際變化特征

3.2.1 年際變化

經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選，從2012—2021年監(jiān)測數(shù)據(jù)中選取硫酸鹽、氯化物、氟化物、硝酸鹽、溶解性總固體、總硬度6 項(xiàng)指標(biāo)的年均值進(jìn)行年際變化的詳細(xì)分析。2012—2021 年6 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均呈先上升后下降趨勢（見圖5），高值均出現(xiàn)在2016、2017 年，考慮原因?yàn)?012—2015 年北京市平原區(qū)地下水埋深逐年下降，研究區(qū)大部分區(qū)域地下水無機(jī)鹽類指標(biāo)逐年上升[16]，2015年之后在農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和灌溉方式改進(jìn)以及南水北調(diào)供水等的影響下，北京市地下水位埋深下降速率放緩[3，17]，但地下水埋深上升不明顯，水質(zhì)指標(biāo)仍延續(xù)逐年升高的趨勢。2017年之后由于降水豐沛，大氣降水入滲補(bǔ)給增多、南水北調(diào)水人工回補(bǔ)持續(xù)作用以及2021 年開始的潮白河生態(tài)補(bǔ)水等的多重作用[18-20]，2021 年末平原區(qū)地下水埋深較2017 年末累計(jì)上升8.58 m，地下水水位抬升，水質(zhì)好轉(zhuǎn)[21]。

圖5 各水質(zhì)指標(biāo)年際變化趨勢

3.2.2 年內(nèi)變化

（1）2012—2021 年，總硬度、硫酸鹽在多數(shù)年份枯水期含量較高。2013 年硫酸鹽和硝酸鹽氮在枯水期含量明顯高于豐水期；2021年6項(xiàng)指標(biāo)含量均在枯水期明顯偏高。溶解性總固體、氯化物、硝酸鹽氮、氟化物在枯水期和豐水期含量接近。枯水期地下水水質(zhì)較差考慮與4 月的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動頻繁，區(qū)域農(nóng)作物面源污染有關(guān)。豐水期和枯水期地下水水質(zhì)變化趨勢見圖6。

圖6 豐水期和枯水期地下水水質(zhì)變化趨勢

（2）由于降水豐沛和生態(tài)補(bǔ)水等的影響，2021年年末地下水平均埋深較2020 年末回升5.64 m。2021年4月底開始進(jìn)行潮白河生態(tài)補(bǔ)水，分中心改為每月進(jìn)行樣品采集，因此選取2021年4月至2022年3 月的地下水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行年內(nèi)逐月變化趨勢分析。地下水水質(zhì)指標(biāo)逐月變化趨勢見圖7。

圖7 地下水水質(zhì)指標(biāo)逐月變化趨勢

氟化物和溶解性總固體只在4月和9月進(jìn)行了監(jiān)測，溶解性總固體在9月較4月有所下降、氟化物無變化。總硬度在5月最高，9月最低，最高最低值差55 mg/L。

硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮年內(nèi)變化趨勢相近，4月春季農(nóng)耕活動頻繁，受農(nóng)作物面源污染的影響，地下水各水質(zhì)指標(biāo)含量偏高，之后呈下降趨勢，進(jìn)入夏季之后，降水量較大，由降水產(chǎn)生的地表徑流是污染物的主要載體，隨著地表徑流入滲，帶入地下水的污染物增多，導(dǎo)致9 月地下水指標(biāo)含量再次升高，此升高趨勢持續(xù)到11月之后下降。[22-23]

4 結(jié)論

（1）通過單因子評價(jià)法得知，2021 年研究區(qū)域地下水主要污染物為硝酸鹽氮，密云區(qū)地下水質(zhì)量總體優(yōu)于懷柔區(qū)，污染最為嚴(yán)重的是懷柔區(qū)的前橋梓村東。

（2）通過改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法得知，2021 年研究區(qū)域地下水水質(zhì)集中在II類，只有密云西田各莊為III類，水質(zhì)整體處于優(yōu)良水平。

（3）2012—2021年研究區(qū)域地下水6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均呈先上升后下降趨勢，高值均出現(xiàn)在2016、2017年。

（4）2012—2021 年總硬度、硫酸鹽在多數(shù)年份枯水期含量較高，2013年硫酸鹽和硝酸鹽氮在枯水期含量明顯高于豐水期，2021年6項(xiàng)指標(biāo)含量均在枯水期明顯偏高。溶解性總固體、氯化物、硝酸鹽氮、氟化物在枯水期和豐水期含量接近。

（5）2021 年4 月至2022 年3 月，溶解性總固體在9 月較4 月有所下降、氟化物無變化；總硬度在5月最高，9月最低；硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮年內(nèi)變化趨勢相近，4月含量偏高，之后呈下降趨勢，9月地下水指標(biāo)含量再次升高，此升高趨勢持續(xù)到11月之后下降。