北京通州区潜水水化学特征及形成分析

蓝天杉，苗晋杰，白耀楠，平世飞，王福刚，曹玉清

(1.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，长春 130021；2.天津地质调查中心，天津 300170)

0 引 言

地球关键带作为维系地球生态系统功能和人类生存的关键区域，近年来成为研究热点，受到广泛关注，水和土壤是其主要组成部分[1]。在自然条件下，地下水在流动过程中与周围环境维持稳定的物质和能量交换，由于自然因素变化和人类活动影响，这种交换平衡将会遭受破坏，从而影响到地下水的地球化学作用[2-7]。包气带和潜水作为地球关键带的组成部分，其化学成分的改变与人类的生产生活息息相关。

通州作为首都的副中心，坐落于北京市东南部，处于京津经济带的轴心，有着重要经济地位。通州由于其区位优势，成为北京市的粮食、蔬菜生产基地、副食供应基地和接纳首都疏散人口以及工业企业基地，成为北京市重点发展的卫星城市。农村人畜饮水及粮食蔬菜耕种用水主要为地下水，受到水源、土壤以及公共设施的建设和人口规模的快速增长等因素影响，土地利用类型变化、水资源短缺和环境污染等问题凸显[8]，影响着整个通州地区的产业结构与生态环境。因此，进行通州区潜水水化学特征研究具有重要的实际意义。

1 研究区概况

通州位于北京市平原区的东南部，地理坐标为北纬39°36′～40°02′，东经116°32′～116°56′，东西宽36.5 km，南北长48 km，面积为907 km2。气候类型为大陆性季风气候，多年平均温度11.3 ℃，年平均降水量约620 mm[9]，存在着枯水年与丰水年相间的现象，多年平均蒸发量为1 815 mm。

全区地势较平缓，自西北向东南倾斜，海拔最高点27.6 m，最低点8.2 m，主要受潮白河与永定河两个冲洪积扇控制[10]，而通州位于两个冲洪积扇扇缘位置。区内地表水系较发育，主要有北运河、温榆河、凉水河、通惠河、小中河、运潮减河等，分属海河流域的潮白河与北运河两大水系[11]。由于地壳的抬升作用，区内主要发育I、Ⅱ级阶地，I级阶地在潮白河水系比较发育，岩性以砂质粉土和粉砂为主；Ⅱ级阶地岩性以黏质粉土、粉质黏土为主，由于人类活动，Ⅰ、Ⅱ级阶地均已遭到不同程度的破坏。区内河道主要受构造控制，河道岸堤明显，漫滩发育，宽度为80～1 500 m不等。

区域地下水主要为第四系松散岩类孔隙水，含水层主要由砂层组成，含水砂层间的黏性土弱透水层较薄且延展不甚稳定，一般单层含水层厚度不大[12]。以温榆河～北运河一线为界线，界线以东含水层为中砂、细砂、粉砂与粘土、亚粘土互层结构为主；界线以西沉积物颗粒较细，含水层为细砂、粉砂与粘土、亚粘土为主[13]。

研究区第四系含水层分为3层[14]，本次主要研究的含水层为底板埋深在45～60 m左右的浅层地下水，即潜水，其主要接受大气降水、河渠入渗和灌溉回归补给，排泄主要为农业灌溉开采和东南方向侧向径流。径流方向受到人为影响较小，方向由北、西北流向东南。

2 水土样品采集与测试

2017年6月底，在研究区开展野外调查并布设一条剖面线A-B和潜水采样点20个，潜水井深为80 m左右；包气带土壤采样点14个，为地表以下30 cm深处土壤(图1)。按照《地下水环境监测技术规范》(HJ/T164-2004)的要求执进行采样，采用便携式水质分析仪现场测定水样的pH值和EC值。所采水样经过封口膜密封，送回实验室进行测试分析。土壤可溶盐测试按照《土工试验规范》(GB/T50123-1999)、水样测试按照《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)。

图1 研究区采样点分布图Fig.1 Distribution of sampling sites in the study area

3 潜水水化学基本特征

(1)潜水水化学类型空间分布。水化学类型参考舒卡列夫分类法进行划分，并在此基础上编制潜水水化学类型分区图[15,16](图2)和Piper三线图(图3)。结合分析两图可知潮白河冲洪积扇扇缘潜水矿化度由上游<0.5 g/L变为下游0.5～1 g/L，水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg(HCO3-Ca·Na)型水，上游局部分布着HCO3-Na型水；永定河冲洪积扇扇缘潜水矿化度从上游到下游，其值由0.5～1.0 g/L过渡到>1.0 g/L，水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg·Na型水，从上游到下游转变为HCO3·Cl-Mg·Na(HCO3·Cl-Na·Ca)型水，阳离子由Ca·Mg·Na(Mg·Ca、Ca·Mg)型向Mg·Na(Ca·Na、Na·Ca)型转化。本区潜水pH值范围为6.97～7.84。

表1 各区域潜水离子平均含量 mg/L

(3)微量元素。依据地下水质量标准(GB/T14848-2017)，采集水样中Co、Cu、Zn、Se、Ag、Cd、Sb、Pb、Cr6+、Ni、Hg、Al、Fe、F等元素属I、II类水质标准级别，B、Ba为III类水质标准级别，大部分样品As和Mn在III类水质标准级别以内，少部分样品超标。

根据《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，As浓度的限值为0.01 mg/L，超出此标准的点零星分布于永定河冲洪积扇扇缘上游，最高值达0.500 7 mg/L，为饮用水标准限值的50倍，具体位置位于于家务回族乡北侧；Al浓度的限值为0.20 mg/L，铝超标点呈点状分布于永定河冲洪积扇扇缘，最高值达0.394 4 mg/L，为饮用水标准限值的2倍，具体位置位于永乐店镇南侧；F浓度的限值为1.0 mg/L，氟超标点主要分布在潮白河冲洪积扇扇缘，最高值为4.912 1 mg/L，为饮用水标准限值的5倍。

(4)污染组分。从饮用水安全出发，以地下水水质标准(GB/T14848-2017)中的III类水标准为依据，分析得出平原区内污染较为严重的指标是“三氮”，(即NO3-N、NO2-N和NH4-N)，III类水标准为NO3-N≤20mg/L，NO2-N≤1.00 mg/L，NH4-N≤0.5 mg/L。

通过绘制研究区NO3-N、NO2-N和NH4-N浓度等值线图可以看出，NO3-N在大部分区域未超标，仅在马驹桥镇和永乐店镇个别点超标，浓度分别达92.27 mg/L和175.12 mg/L[图4(a)]；NO2-N在通州区内未出现超标现象[图4(b)]；NH4-N在大部分区域浓度在III类水标准以内，超标区域分布于潞城镇、漷县镇东侧和永乐店镇南侧，最高浓度达3.60 mg/L，为III类水标准的7.2倍[图4(c)]。

图4 通州区潜水“三氮”浓度等值线图Fig.4 Concentration contour map of NO3-N, NO2-N and NH4-N in Tongzhou

综上所述，通州潜水矿化度<1.0 g/L，属于淡水，总体呈中-弱碱性，水化学类型以HCO3-Ca·Mg(HCO3-Ca·Na或HCO3-Ca·Mg·Na)型水和HCO3·Cl-Mg·Na(HCO3·Cl-Na·Ca)型水为主，各地貌单元离子成分呈现规律性变化；从饮用水安全角度而言，通州潜水中主要污染物为“三氮”(即NO3-N、NO2-N和NH4-N)，虽然未在大部分区域超标，但在超标区域所达的浓度值较高。

4 潜水水化学成因分析

地层岩(土)矿物通过水-岩作用决定了水中物质组成，地质地貌条件控制水化学类型及矿化度的分布规律和水中物质迁移，气候决定不同组分富集程度，人类活动也可以改变水化学成分。以下从自然和人为两个方面分别讨论潜水水化学形成原因。

(1)物源分析。地层岩(土)矿物通过水-岩作用决定了地下水化学成分的来源，是地下水化学组分的物质基础。在包气带土壤中充满着不同成因的CO2(g)，构成气-液-矿物三相体系，具有一定化学组分的大气降水和土壤矿物在CO2(g)与水接触面处发生化学反应[17]：

CO2(g)CO2(aq)

(1)

CO2(aq)+H2OH2CO3

(2)

H2CO3

(3)

(4)

H2OOH-+H+

(5)

OH-+CO2(aq)

(6)

根据所采土样XRD测试结果，岩土主要矿物成分为石英、方解石、钾长石、斜长石和伊/蒙脱石，在水、气体系产生质子(H+)的基础上，潜水在流经含水层孔隙过程中发生水-岩相互作用。其中碳酸盐、铝硅酸盐矿物的溶解为潜水中的Ca2+、Mg2+提供了来源，岩盐的溶解为Na+、K+和Cl-提供了物源。此外通过土壤可溶盐的测试结果，依据南京土壤所编制的《土壤理化分析》可将研究区土壤分为重碳酸盐土、重碳酸-硫酸盐土和重碳酸-硝酸盐土三大类，其三类土的分布规律与该区潜水化学类型分布具有较好的一致性。

CaCO3+H+

(7)

CaMg(CO3)2+2H+

(8)

(9)

2Na(K)AlSi3O8+2CO2+11H2O

(10)

图5 研究区潜水离子比相关图Fig.5 Hydrochemical relationships between the rates of the selected ions of phreatic water

自然界水中常规阳离子交替吸附作用按其交换能量大小构成如下序列[20]：

Mn2+>Mg2+>K+>Na+>Li+

此序列表明，Ca2+的交替吸附能力大于Mg2+、K+和Na+，因此水-岩相互作用时常有钙(镁)-钠交替吸附发生，这种情况尤其在黏土层中更为明显。矿物成分分析表明在研究区内含有大量的伊/蒙脱石矿物，这就从实际情况证明了阳离子交替吸附作用的产生，其可能的化学反应如下：

M1Al2Si2O2H(s)+M2(aq)→M1(aq)+M2Al2Si2O2H(s)

(11)

式中：M1、M2为碱或碱土金属离子。

(2)地质地貌。通过绘制研究区水文地质剖面(图1 A-B剖面)和水化学剖面图(图6)可知，潮白河冲洪积扇扇缘水位埋深较深(5～10 m)，水力坡度约为2‰，含水层以粗中砂、细砂为主，主要接受汛期大气降水补给。补给水流经第四系松散沉积物时，发生以溶滤(淋滤)为主的水岩作用。在溶滤作用下，HCO3型土壤中的一部分物质进入潜水，并在径流作用下随地下水迁移，形成低矿化度(<0.5 g/L)的HCO3-Ca·Mg(HCO3-Ca·Na)型水。

图6 研究区水文地质剖面和水化学剖面图Fig.6 Hydrogeological and hydrochemica profile of the study area注：水文地质剖面图根据郭高轩[14]修改

位于东部潮白河及北运河之间的地区，由于长期受到河流泛滥作用的影响，造成近河两岸地势较高，两河之间地势较低的起伏地形，两者高差近1.0～1.5 m，含水层主要为细砂、粉砂。从潮白河上游至下游，颗粒粒径变细，蒸发浓缩作用增强，主要表现为水力坡度变缓，平均水力坡度为1.2‰，潜水位埋深小于6m，潜水中物质积累，矿化度增高(0.5～1 g/L)。

(3)气候条件。气候对地下水化学特征的影响主要表现为降雨对地下水的稀释及蒸发对地下水的浓缩作用。通州属大陆性季风气候区，多年平均降水量较小、蒸发能力较大，蒸发量约为降雨量的3倍，加之当地潜水流速缓慢，反映出蒸发作用引起地下水化学变化超过降雨的稀释作用，而潜水位埋深对蒸发起着决定性作用。

通州区潜水水位埋深从北向南呈现下降的趋势，其值由5～10 m变为0～5 m，在南侧永定河冲洪积扇前缘，由于潜水位埋深变浅(<5 m)，含水层颗粒变细，导致蒸发浓缩作用较为强烈，在局部地区形成了矿化度>1.0 g/L的微咸水。这与地下水化学组分总体朝着盐分聚集方向发展的变化趋势一致。

(4)人类活动影响。通州区土地利用类型主要为土地建设用地和农用地，其中土地建设用地(城镇住宅、商服用地、工矿用地和农村宅基地)占总面积的49.80%，农用地(园地、草地、耕地等)占37.40%，林地(林地、灌木地、疏林地和其他林地)占10.64%，水域(河流水面、坑塘水面)为2.15%。

5 潜水水质评价

通过上述对通州潜水化学类型分布及其成因分析，发现该区潜水局部地带受到人类活动影响较大，水质发生较大改变。为了掌握地下水环境质量现状，应用《地下水环境质量标准》(GB/T14848-93)中的内梅罗指数法和模糊综合评价方法对通州潜水环境质量进行评价。

(1)评价因子选择。综合考虑通州土地利用类型、浅层地下水污染物特征、微量元素超标情况以及引起地下水环境质量下降的主要成分和对人体健康的影响，选择潜水质量评价因子为铵氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、氟化物、铁、砷、铝、矿化度、硫酸盐和氯化物共10项化学组分。

(2)内梅罗指数法。依据《地下水环境质量标准》(GB/T14848-93)，在对各单项组分进行质量类别划分的基础上，计算综合评分值F，并根据表2划分地下水质量级别。

表2 地下水质量评分及分级表Tab.2 Grades and ranks of groundwater quality

(3)模糊综合评价法。评价标准依据国家《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)中规定的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ类水分别代表潜水受到微、轻、中、重和严重污染程度。权重采用“熵权法”确定[21,22]，可以较客观的确定每个评价因子在评价过程中造成的影响程度。水样i对于给定的评价因子j，其指标值xij的差异性越小，则熵值ej越大，差异性因数gj越小，说明这个评价因子在评价过程中产生的作用越小。此次评价过程中i=20，j=10，计算所得差异性因数向量：

G=(g10)1×10=

(0.24,0.28,0.61,0.37,0.53,0.41,0.49,0.02,0.06,0.05)

从中可以看出硝酸盐氮、铁、砷和铝对水质产生的影响作用较大，矿化度、硫酸盐和氯化物产生的作用很小。

(4)评价结果讨论。

表3 各评价方法水质类别对比结果Tab.3 Results compare of different groundwater quality assessments

由表3可以看出：两种评价方法产生的结果存在较大差异，模糊综合评价法得到的水质级别大部分优于内梅罗指数法。二者产生差异的原因是模糊综合评价法综合考虑各因子对评价产生的权重影响，而内梅罗指数法突出了最大污染物在评价中产生的作用。

在综合两种评价方法优势的基础上，以模糊综合评价结果为主绘制通州区潜水水质评价分区图(图7)。从图中可以看出，大部分区域为III级水，零星分布着II级水，在永乐店镇南侧分布着IV级水，这与郭高轩等人[14]对该区浅层地下水污染分级规律具有相似性，且与地形地貌和水、土化学类型分布规律具有一致性，可为潜水利用和环境治理提供依据。

图7 潜水水质评价分区图Fig.7 Distribution of phreatic water quality assessment

6 结 论

基于研究区实地调查、资料分析和样品测试成果综合分析，对通州区的潜水水化学特征及其演化进行了分析，得出如下结论：

(1)明确了研究区潜水水化学特征及分布，主要为HCO3-Ca·Mg(HCO3-Ca·Na或HCO3-Ca·Mg·Na)型水和HCO3·Cl-Mg·Na(HCO3·Cl-Na·Ca)型水，pH值范围为6.97～7.84，呈现中-弱性，总体为矿化度矿化度<1.0 g/L的淡水。

(2)通过成因分析得出研究区潜水水化学主要受到岩性、地质地貌和气候的影响，在局部地区受人类活动影响明显。

(3)通过潜水环境质量评价，确定了通州区潜水主要为III级水，污染组分主要为铵氮、硝酸盐氮、氟化物和砷，可为潜水利用和环境治理提供依据。