怀柔应急水源地地下水水质变化研究

杨利锦，任 宇，张景华，欧志亮（.北京市地质工程勘察院，北京 00048；.北京市京密引水管理处，北京 0400；. 北京市水文地质工程地质大队，北京 0095）

怀柔应急水源地地下水水质变化研究

杨利锦1，任 宇2，张景华1，欧志亮3
（1.北京市地质工程勘察院，北京 100048；2.北京市京密引水管理处，北京 101400；3. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

本文综合怀柔应急水源地开采期间开采量、水质等系列动态监测资料，对水源地地下水水质变化规律以及引起水质变化的主要因素进行了分析。随着地下水的开采，地下水中硬度、溶解性总固体、硝酸盐等含量呈现逐年增高的趋势，其中，浅层地下水年际增速较快，深层地下水年际增速较缓。另外，利用同位素分析技术识别地下水中污染的来源，分析结果表明，主要来源是人工化肥和中水/污水，经土壤微生物硝化作用转为硝酸盐。针对怀柔应急水源地水质变化情况，为保障供水安全，提出了改善地下水水质的对策。

怀柔应急水源地；地下水开采；水质变化

0　引言

北京市怀柔应急水源地位于北京市东北部怀柔区庙城-高两河、北房-高两河-南年丰一带，潮白河冲洪积扇的中上部。该水源地共包括21对42眼深浅结合水源井，其中浅井设计深度为120m，取水层为40～110m，单井设计出水量1.1×104m3/d；深井设计深度为250m，取水层为120～240m，单井设计出水量0.5×104m3/d；设计年供水1.2×108m3，连续开采两年。作为北京最大的应急备用地下水源地，同时兼备“应急”和“备用”两大功能，肩负着在连续干旱年和突发事件下城市供水不足时，通过应急供水以缓解城区供水紧张局势的重任。由于连续干旱，为保障城区供水，该水源地在2003年8 月30日至2005年8月底完成了2年的设计供水任务后，一直续采至今。

地下水水质多年监测结果显示，怀柔应急水源地地下水的硬度、溶解性总固体、硝酸盐等多项指标总体呈升高趋势，需要针对水质变化规律，查明引起水质变化的原因和机理，以采取相应的措施保障水源地的供水安全。

1　怀柔应急水源地水质变化分析

根据2003—2014年怀柔应急水源井的水质动态监测资料，应急水源井水质整体变化趋势为：整体水质较好，深层水水质优于浅层水；但伴随水源地的集中开采，地下水中硬度、溶解性总固体、硝酸盐等含量呈现逐年增高的趋势，其中，浅层地下水年际增速较快，深层地下水年际增速较缓。

1.1溶解性总固体和硬度变化

国内外研究表明，溶解性总固体和硬度是反应地下水化学特征的第一因素（Kumaresan et al. ，2008）。溶解性总固体的增加是地下水中阴、阳离子浓度的总体升高的直接体现，引起地下水中阴、阳离子浓度增加的因素有很多，一般是人为污染、溶滤作用、过量开采、水文地球化学过程等（郭海丹等，2011；侯玉松等，2014）。

根据怀柔应急水源地多年水质监测资料，水源浅井的溶解性总固体平均值由开采前的281mg/L增加至2014年的454mg/L，增加了173mg/L，升高61%左右；深井的溶解性总固体平均值由开采前的255mg/L增加至2014年的297mg/L，增加了42mg/L，升高16%左右（图1）。

水源浅井总硬度平均值由开采前的208mg/L增加至2014年的277mg/L，增加了69mg/L，升高了33%左右；深井总硬度平均值由开采前的141mg/L增加至2014年的166mg/L，增加了25mg/L，升高了18%左右（图1）。可见，浅井中溶解性总固体浓度、总硬度较深井增加率比较快。

图1　水源井总溶解性固体和硬度多年动态对比图Fig.1 Dynamic comparison chart of total dissolved solid and hardness for years in water wells

1.2主要离子浓度变化

（1）地下水中Cl-浓度变化

根据2003—2014年怀柔应急水源井多年的水质监测资料，水源井中主要阴离子NO3-、Cl-、HCO3-、SO42-均有不同程度的升高。浅井水源井中Cl-浓度平均值由开采前的12.18mg/L增加至2014年的25.14mg/L，升高了约106%；深井水源井中Cl-浓度平均值由开采前的3.53mg/L增加至2014年的5.31mg/L，升高了约55%（图2）。

图2　水源井Cl-浓度多年变化曲线图Fig.2 Multi - annual concentration variation curve of Cl-in water wells

图3　水源井浓度多年变化曲线图Fig.3 Multi - annual concentration variation curve ofin water wells

1.3同位素分析

为了进一步查清研究区硝酸盐的污染来源，采用同位素技术识别污染源。许多学者对不同来源中的15N、18O值进行了研究。由土壤中有机氮矿化产生的硝酸盐的15N值为+4‰～+9‰；由无机化肥产生的硝酸盐15N值为-4‰～+4‰；由污水产生的硝酸盐15N值+9‰～+20‰；由动物粪便产生的硝酸盐15N值为+8.8‰～+9‰ 。硝酸盐中氧元素的组成也受其来源影响，经研究表明：来自大气沉降的硝酸盐的18O值为+（43.6±14.6）‰；来自于大气降水的硝酸盐的18O值为+20～+70‰；来自人工合成化肥的硝酸盐的18O值为+18～+22‰；来自土壤微生物硝化作用的硝酸盐18O值为-10～+10‰（图4）。

在研究区内取同位素水样25件，其中地下水20件，地表水4件，自然降水1件，并对水样中的15N、18O稳定同位素比率δ进行测试，采样点分布见图5。

图4　不同来源的硝酸盐的δ15N和δ18O值的范围（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）

图5　同位素取样点分布图Fig.5 Location of isotopes sampling sites

2　水质变化原因分析

2.1地下水的大量开采

岩石或沉积物的组成、地下水的化学演化、附近的渗流控制了地下水的硬度和Na+的含量（Hudak，2001），Franco通过分析意大利东北部地区平原含水层地下水的主要离子和次要离子含量，得出过度抽水会引起地下水硬度升高的结论（Cucchi et al. ，2008）。

Cl-是地下水中必然出现的化学成分，是保守型污染物，Cl-在土壤中的运移性非常强，是一种吸附性非常弱的阴离子，土壤中的Cl-随着水体向下运动（冯娟，2011）。因此，随着开采量的增加，怀柔应急水源地地下水位下降，水体减少，Cl-本身在包气带中所具备的运移性强、吸附性弱的特点，地下水的体积不断缩小，Cl-随水体向下移动，稀释作用相对减弱，导致地下水中Cl-的升高。

根据上述分析，随着怀柔应急水源地的持续开采，区域地下水水位显著下降，浅井中各项离子浓度呈上升趋势，为了分析地下水水质变化与集中开采的关系，选择代表性阴阳离子。地下水中主要影响硬度的指标是钙离子和镁离子，影响溶解性总固体的主要离子是氯离子，因此通过分析这3种离子随地下水位的变化规律，基本可以代表地下水水质变化与集中开采的关系（图7）。

根据怀柔应急水源地多年水位监测资料，至2014年底水源地地区45m以上潜水、120m以上浅层承压水水位埋深43.96m，相比2003年水源地启动之初累计下降了28.11m；120m以下深层承压水地下水位平均埋深50.32m，累计下降了33.59m。

图6　浅层地下水δ15N与?浓度之关系Fig.6 The relationship between δ15N andconcentrations in shallow groundwater

图7　浅井代表离子浓度与地下水水位关系曲线图Fig.7 The relationship graph between representative ion concentration and groundwater level in shallow water wells

从图7可以看出，伴随着怀柔应急水源地地下水水位的下降，地下水中钙镁离子和氯离子呈上升趋势。2003—2008年，地下水位急剧下降，地下水中3种离子浓度增加也较快，2009—2014年，水位下降缓慢，钙镁离子和氯离子浓度也逐渐稳定。

可见，怀柔应急水源地溶解性总固体、硬度增加主要是由地下水过度开采造成的。

2.2人为污染物的排放

排污口、垃圾堆放、农业化肥的使用等是地下水污染的潜在隐患及来源之一，污水及渗滤液可通过岩土渗透至地下水中。通过对水源地周边污染源的调查，了解可能导致地下水污染的因素，共调查正规垃圾填埋场2座，排污口26处。

综上所述，怀柔应急水源地水质变化原因，除了人为污染源的增加外，主要是由地下水集中超量开采所致：一方面，大规模的地下水开采引起水位的急剧下降和强烈的侧向补给，沿途（地下径流）溶解了地层中大量的矿物成分，使得地下水水质发生明显变化，地下水在同一含水层中，随着径流途径增长，水中的溶解性总固体、总硬度、氯离子、钙镁等逐渐增加（赵全升等，2010）；另一方面，当开采量大于补给量时，储蓄量减少，在垂直入渗补给水的含盐浓度不变的条件下，地下水的稀释能力减弱，这个过程就相当于地下水所含物质的浓缩过程，进一步导致地下水水质变差（潘国营等，2007）。

3　结论

根据2003—2014年怀柔应急水源井的水质动态监测资料，应急水源井整体水质较好，深层水水质优于浅层水；但伴随水源地的集中开采，地下水中硬度、溶解性总固体、硝酸盐等含量呈现逐年增高的趋势，其中，浅层地下水年际增速较快，深层地下水年际增速较缓。

水源浅井地下水溶解性总固体、硬度的升高，主要原因是集中超量开采所致。大规模的地下水开采引起水位的急剧下降和强烈的侧向补给，随着径流途径增长，水中的溶解性总固体、总硬度、氯离子、钙镁等逐渐增加；另外，当开采量大于补给量时，储蓄量减少，地下水的稀释能力减弱，进一步导致地下水水质变差。

建议南水进京后，怀柔应急水源地可按夏季高峰集中供水与日常保压相结合的“集中开采”和日常“稳压开采”两种模式进行热备方案；对应急水源地开展区域水源回补涵养；在开展区域水源回补涵养的同时，应加强地表污染源及浅层水水质监测，保障水源地供水安全。

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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

杨利锦（1986- ），女，硕士，工程师，主要从事水文地质工程、地下水污染研究。Email∶6991035e @163.com