涼水河流域地下水水化學(xué)特征和時(shí)空變化規(guī)律

李 捷,姜 穎,劉玉蓮,姜 亞,滕彥國

涼水河流域地下水水化學(xué)特征和時(shí)空變化規(guī)律

李 捷*,姜 穎,劉玉蓮,姜 亞,滕彥國

(北京師范大學(xué),水科學(xué)研究院 100875)

北京涼水河流域的同位素和水化學(xué)特征分析表明:1)地下水水質(zhì)在100m以淺相對(duì)較差,但到2017年為止,水質(zhì)保持穩(wěn)定.2)淺層地下水與平原區(qū)河水同位素相對(duì)富集,且落在同一條蒸發(fā)線上;但整體上河水與淺層地下水水化學(xué)類型不同,據(jù)此推斷山前沖洪積扇河水入滲是區(qū)域地下水補(bǔ)給的重要來源,下游地下水主要受到側(cè)向徑流影響. 3)同位素平衡和質(zhì)量平衡計(jì)算表明人類活動(dòng)使得河水TDS含量增加了435mg/L,而地下水TDS歷史時(shí)期的增量也接近.4)山前沖洪積扇河水入滲是區(qū)域地下水補(bǔ)給的重要來源,是地下水污染防控和調(diào)水工程實(shí)施的重點(diǎn)區(qū)域.

地下水；水化學(xué)；同位素；演化；時(shí)空變化

地下水是人類賴以生存的水資源的重要組成部分[1-2],尤其在干旱半干旱地區(qū),地下水作為不可替代的主要供水水源被長期開采.為了充分利用和合理保護(hù)地下水資源,防止和控制地下水污染,保障人民身體健康,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè),了解區(qū)域地下水水質(zhì)的時(shí)空變化特征以及其影響因素至關(guān)重要.

全球快速發(fā)展的城市化進(jìn)程使得城市水問題愈發(fā)突出.根據(jù)聯(lián)合國人口署的預(yù)測,2030年世界上每個(gè)發(fā)展中國家或地區(qū)的城市化率都將超過50%,2050年將有2/3的人口居住在城市[3].北京作為國際上為數(shù)不多的以地下水作為主要供水水源的大都市,城市水文問題突出.長期以來,由于地表水的匱乏,北京市的工農(nóng)業(yè)和生活用水主要靠地下水,地下水利用占北京全市供水量的三分之二[4].一方面,由于地下水長期超采,區(qū)域地下水位出現(xiàn)大幅下降,并產(chǎn)生地面沉降和地裂縫等環(huán)境地質(zhì)問題[5-8].與此同時(shí),因城市快速發(fā)展而產(chǎn)生的人為污染改變了地下水環(huán)境,地下水水質(zhì)問題日益突出.這使得以地下水為主的工農(nóng)業(yè)生活用水難有安全保障,嚴(yán)重制約了地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步.為緩解北京乃至華北水資源危機(jī),國家級(jí)的跨流域跨省區(qū)的調(diào)水工程南水北調(diào)應(yīng)運(yùn)而生.其中中線一期工程于2014年汛后建成并通水,每年從丹江口水庫調(diào)10億m3水經(jīng)湖北、河南和河北引入北京.南水入京后,在一定程度上緩解了北京市地下水超采的嚴(yán)峻形勢,地下水在北京市供水總量上所占比例由原來的2/3以上降至50%左右[4].同時(shí)北京市為涵養(yǎng)地下水資源,利用南水北調(diào)工程來水、官廳水庫、密云水庫等水源相繼實(shí)施了潮白河、永定河等河道生態(tài)補(bǔ)水工作,有效促進(jìn)了全市平原區(qū)總體地下水水位顯著回升,生態(tài)補(bǔ)水區(qū)域周邊地下水水位回升更為顯著[9-11].

總的來說,受人類活動(dòng)影響,作為水循環(huán)組成要素的地下水的補(bǔ)給和演化條件發(fā)生了變化,因此重新判定區(qū)域地下水的水化學(xué)特征和演化規(guī)律對(duì)于區(qū)域地下水污染防控意義重大.了解地下水循環(huán)規(guī)律是河道生態(tài)補(bǔ)水對(duì)地下水的響應(yīng)評(píng)價(jià)的科學(xué)基礎(chǔ).為此,本文選擇潮白河下游的涼水河流域,通過不同井深的地下水樣品和河水樣品的采集、測試和分析工作,了解區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)和同位素特征及其演化規(guī)律,進(jìn)而對(duì)地下水污染防控提出科學(xué)建議,并幫助評(píng)估南水北調(diào)來水河道補(bǔ)給對(duì)于區(qū)域地下水補(bǔ)給的影響.

1 研究區(qū)概況

北京屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū),多年平均降水量約600mm[12].地跨山區(qū)和平原兩大地理區(qū),東南部屬于山前沖洪積平原.涼水河是北運(yùn)河的支流,發(fā)源于豐臺(tái)后泥洼村,先后流經(jīng)豐臺(tái)區(qū)、大興區(qū)、通州區(qū),后匯入到北運(yùn)河.全長58km,流域面積630km2.

研究區(qū)地下水主要為第四系孔隙水,水文地質(zhì)特征表現(xiàn)為基巖埋深從西向東遞增,第四系地層主要包括砂卵石層、砂石層和粉質(zhì)黏土層,厚度為50～300m,并自西向東逐漸增大.巖性由粗顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)顆粒,層次由單層變?yōu)槎鄬?地下水水位由深變淺.沖洪積扇頂部地區(qū),為單一的砂卵礫石含水層,大氣降水入滲及河水入滲條件良好,是平原區(qū)地下水的主要補(bǔ)給區(qū);沖洪積扇的中上部地區(qū),砂卵礫石層與粘性土互層,地下水由潛水過渡到承壓水,富水條件較好;沖洪積扇中下部及沖洪積平原區(qū),含水層結(jié)構(gòu)由沖洪積扇中上部單、雙層結(jié)構(gòu)向下逐漸過渡到多層結(jié)構(gòu),顆粒由砂卵石逐漸過渡到粗砂、中砂、細(xì)砂、粉細(xì)砂為主.

2 采樣與測試

2011年、2012年和2017年豐水期分別在研究區(qū)采集地下水樣品共計(jì)36組,井深在50～300m之間.另外,2015年采集河水樣品若干件.地下水和河水的采樣點(diǎn)位置分布如圖1所示.

采集地下水樣品時(shí),記錄其地理位置、坐標(biāo)和地質(zhì)構(gòu)造等信息,待pH值、水溫等參數(shù)穩(wěn)定后再開始取樣.利用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(HQ40D,HACH)現(xiàn)場測定水樣品的pH值、ORP、EC、TDS等參數(shù).采集樣品前,加入需采集的水樣清晰采樣瓶3遍.陽離子樣品經(jīng)0.22μm濾膜過濾后,裝入聚乙烯采樣瓶,經(jīng)HNO3酸化至pH<2后密閉保存;陰離子樣品經(jīng)0.22μm濾膜過濾后,裝瓶密閉保存.樣品分析測試是在北京核工業(yè)地質(zhì)研究院完成,地陰離子的測試采用離子色譜(Dionex-500)測定.陽離子的測試采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測定.陰陽離子平衡檢驗(yàn)誤差在5%以內(nèi).同位素樣品在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,采用激光水同位素分析儀(L1102-I,Picarro)測試完成,同位素比值D/H和18O/16O用相對(duì)千分差表示為D(‰)和18O(‰),即=(Sample/Standard-1)×1000.

圖1 采樣點(diǎn)位置圖和水文地質(zhì)剖面

(a)地下水補(bǔ)給河水 (b)河水補(bǔ)給地下水

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水質(zhì)垂向變化規(guī)律

研究區(qū)2012年的水化學(xué)特征隨著井深表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律.pH值隨著深度的增加而增大(圖2a),深部的地下水屬于封閉系統(tǒng),與大氣CO2和土壤CO2交換較弱,地下水污染風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低.而淺部地下水屬于開放系統(tǒng),更容易受到自然因素或人類活動(dòng)影響[13].

圖2 2012年研究區(qū)pH值、TDS、硝酸鹽、硬度與井深的關(guān)系

圖2(b)和(c)分別展示了地下水總?cè)芙夤腆wTDS和硝酸鹽含量與井深的關(guān)系.低的硝酸鹽含量主要分布在井深大于100m的深部地下水;而高的硝酸鹽含量主要分布在淺部地下水.這與前人在華北平原的研究結(jié)果[14]一致.兩個(gè)樣品地下水樣品硝酸鹽含量很高,分別為4號(hào)(171.0mg/L)和3號(hào)(169.0mg/L).研究區(qū)的主要土地利用類型為農(nóng)業(yè)用地,過度使用化肥是區(qū)域內(nèi)地下水硝酸鹽含量明顯升高的主要原因[15].淺層地下水通常是年輕地下水(年齡小于60年)[16],而高硝酸鹽含量在淺層地下水發(fā)現(xiàn)與區(qū)內(nèi)化肥施用歷史也是高度吻合的,中國大量使用化肥開始于1950s～1960s[17-18].除了兩口硝酸鹽含量明顯超標(biāo)的地下水水井之外,研究區(qū)內(nèi)另有9口地下水井中檢測到硝酸鹽,含量在1.0～31.0mg/L之間,低于WHO規(guī)定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)(50mg/L),但是作為地下水水質(zhì)存在風(fēng)險(xiǎn)的重要因素,需要密切監(jiān)測.華北平原曾過量施用化肥,引起包氣帶中硝酸鹽過量累積[19-20],但是從研究區(qū)地下水硝酸鹽數(shù)據(jù)來看累積的硝酸鹽尚未集中到達(dá)地下水.

圖3 硬度與TDS的相關(guān)關(guān)系

總?cè)芙夤腆w(TDS)代表了水中溶解物雜質(zhì)含量,一般說來,流程越長,TDS值越大.地下水TDS與硬度隨井深的關(guān)系與硝酸鹽分布類似,高的TDS含量(大于800mg/L)和高的硬度(大于300mg/L)主要分布在100m以淺的地下水樣品中(圖2b、d),進(jìn)一步表明人類活動(dòng)主要對(duì)淺層地下水水質(zhì)產(chǎn)生影響.硬度升高主要是由于鈣離子和鎂離子溶解增加導(dǎo)致的,這可以看作人類活動(dòng)影響地下水的重要指標(biāo).城市廢水排放和農(nóng)業(yè)灌溉等人類活動(dòng)可引起地下水中Na+、NH4+、Cl-、SO42-含量升高,進(jìn)而和地下水鈣鎂離子發(fā)生離子交換.另外,受淺表污染導(dǎo)致的有機(jī)物降解影響,淺表CO2含量升高, pH值降低、HCO3-增加,進(jìn)而引起富含鈣鎂礦物溶解.TDS與硬度之間存在很好的相關(guān)關(guān)系(圖3),這表明控制TDS和硬度的主要因素是一致的,主要受人類活動(dòng)影響.

3.2 地下水水化學(xué)特征的時(shí)間變化

圖4 2011～2017年與歷史時(shí)期[21]TDS隨年份的變化

2011～2017年,地下水TDS含量基本保持不變(圖4(a)),這說明地下水水質(zhì)在這段時(shí)間內(nèi)基本保持穩(wěn)定.圖5為2011年和2017年地下水的水化學(xué)類型變化,可以看出地下水在piper三線圖上的分布變化不大,地下水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定.沿著地下水流向,地下水水化學(xué)類型基本符合干旱內(nèi)陸盆地地下水演化的分帶性特征.沿徑流方向,地下水HCO3-和Ca2+離子含量降低,Cl-和Na+含量增加.淺部地下水化學(xué)類型出現(xiàn)了HCO3·SO4-Mg·Na,HCO3·Cl-Mg, HCO3-Na·Ca·Mg等多種水化學(xué)類型,反映了工業(yè)和城鎮(zhèn)生活的影響.深部地下水水化學(xué)類型以HCO3- Na型水為主.圖6為地下水硝酸鹽含量的變化,可以看到,與2012年類似,大于100mg/L的硝酸鹽含量也只有兩個(gè)樣品點(diǎn).但是,2017年的硝酸鹽含量還略低于2011年.這說明地下水水質(zhì)在過去幾年保持穩(wěn)定,人類活動(dòng)并未加劇對(duì)區(qū)域內(nèi)地下水水質(zhì)的影響.

圖5 2011年和2017年地下水piper圖

3.3 地下水水質(zhì)的影響因素分析

氫氧同位素是水分子的直接組成成分,直接參與水循環(huán)過程,因而是水循環(huán)的一種良好天然示蹤劑.圖7為區(qū)域地下水和河水的氘氧關(guān)系.可以看到,深層地下水相對(duì)貧化,分布趨勢大致平行于大氣降水線.而淺層地下水同位素相對(duì)富集,與河水的分布范圍較為一致,分布趨勢較大氣降水線斜率小,可能受到蒸發(fā)的影響.

圖7 地下水氘氧同位素關(guān)系

圖8為河水和地下水樣品18O與TDS的關(guān)系.其中山區(qū)河水TDS相對(duì)穩(wěn)定,大約在200mg/L,與常見大氣降水的TDS含量13～92mg/L[22]存在差異,這是因?yàn)樵谏絽^(qū),通常河谷較深,溶解有大

量礦物的高TDS的地下水由于水位較高而補(bǔ)給河水,使得河水TDS明顯高于降水.而到了平原區(qū),河水位較高,可以補(bǔ)給淺層地下水,因此平原區(qū)河水同位素與TDS存在較好的相關(guān)關(guān)系,假設(shè)蒸發(fā)是控制河水TDS變化的主要因素,根據(jù)瑞利分餾公式,河水18O存在如下關(guān)系:

其中δ18O為蒸發(fā)后樣品的同位素值,假設(shè)為平原區(qū)同位素最富集的河水樣品(-6.4‰). δ18O0為初始同位素值,假設(shè)為平原區(qū)最貧化的河水樣品(-9.0‰).富集系數(shù)e假定為北京平均溫度(11.7°C)和平均濕度(56%)條件下的-15.6‰.因此,可以計(jì)算得到剩余水的比例為85%.依據(jù)質(zhì)量平衡原理,如果蒸發(fā)是河水TDS變化的主控因素,那么發(fā)生蒸發(fā)后河水TDS含量應(yīng)為.其中C0對(duì)應(yīng)著河水最小的TDS含量.事實(shí)上河水最大的TDS含量為737mg/L,因此必然存在其他因素影響河水的TDS變化.假定這個(gè)因素是受人類活動(dòng)影響的,那么人類活動(dòng)的影響使得河水的TDS增加了737–311= 426mg/L.值得注意的是,歷史時(shí)期地下水的TDS含量大致增加了785-350=435mg/L(圖4(b)).河水受人類活動(dòng)影響的TDS增加量與歷史時(shí)期地下水TDS的增量基本一致,進(jìn)一步證明了前文分析認(rèn)為地下水TDS的增加主要是受人類活動(dòng)影響的觀點(diǎn).

3.4 對(duì)地下水污染防控與人工補(bǔ)給的指示

出山口以后,河水水位通常高于地下水水位(圖1(b)),河水補(bǔ)給地下水,這種情況下受到蒸發(fā)的河水可以補(bǔ)給到地下水,使得淺層地下水同位素也有一定的蒸發(fā)信號(hào)(圖7).然后經(jīng)過側(cè)向徑流繼續(xù)向下游補(bǔ)給.隨著地下水繼續(xù)向下游流動(dòng),它與淺層地表水之間的水力聯(lián)系不再緊密.因此,在區(qū)域河水與地下水的Piper三線圖(圖9)上表現(xiàn)出明顯不同的河水與地下水之間的水化學(xué)類型.這主要是因?yàn)闆鏊庸δ芏ㄎ皇桥潘{污[23],水質(zhì)不佳,為防止污水通過河道下滲進(jìn)入地下水,在整治工程中對(duì)自然河道做的防滲措施[24]等,限制了地表水向地下水的補(bǔ)給.因此,地下水主要在沖洪積扇前端,接收河水補(bǔ)給.在地下水污染防控過程中,需要重點(diǎn)關(guān)注上游區(qū)域.

圖9 河水與地下水Piper三線圖

另一方面,河道入滲補(bǔ)給是地下水人工補(bǔ)給的重要手段之一.北京市為涵養(yǎng)地下水資源,利用南水北調(diào)工程來水、官廳水庫、密云水庫等水源相繼實(shí)施了潮白河、永定河等河道生態(tài)補(bǔ)水工作,有效促進(jìn)了全市平原區(qū)總體地下水水位顯著回升,生態(tài)補(bǔ)水區(qū)域周邊地下水水位回升更為顯著[9-11].與補(bǔ)水前對(duì)比,陳家莊至盧溝橋段永定河沿線10km以內(nèi)10眼監(jiān)測井地下水位半年內(nèi)平均回升4.2m,盧溝橋至房山夏場段沿線10km以內(nèi)10眼監(jiān)測井地下水位平均回升0.96m[25].那么河道補(bǔ)水的關(guān)鍵區(qū)域也應(yīng)該集中在區(qū)域上游,尤其是沖洪積扇頂部的單層砂卵礫石層.事實(shí)上,這一區(qū)域受人類活動(dòng)影響顯著,例如由于地下水強(qiáng)烈開采,華北平原山前地下水的無氚水的垂向深度已經(jīng)從1985年的100m增加到2000年的150m[26],年輕的地下水更快向深部運(yùn)移.這種人類活動(dòng)誘導(dǎo)的地下水運(yùn)動(dòng)使得淺部污染更容易進(jìn)入到地下水深部,并通過側(cè)向徑流進(jìn)入到其他區(qū)域.南水北調(diào)來水取潮白河流域京密引水渠南水放水時(shí)期,其水化學(xué)類型為HCO3-Ca型.課題組2019年多次在南水放水時(shí)期采集河水樣品,測試結(jié)果與李炳華等[27]的數(shù)據(jù)基本保持一致.從水質(zhì)上講,地表水與地下水的相互作用影響著水化學(xué)成分的分布和演變規(guī)律[28],南水與原有河水之間存在明顯的水化學(xué)差異,而南水北調(diào)來水與淺層地下水更為接近.由于水化學(xué)類型接近,不同水源混合可能引起的水巖相互作用相對(duì)較弱.另外,南水水質(zhì)相對(duì)較好,長期持續(xù)補(bǔ)給可能會(huì)改善區(qū)域內(nèi)淺層地下水水質(zhì).南水北調(diào)來水河道補(bǔ)給區(qū)域地下水的效果,需要進(jìn)一步結(jié)合水位和水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步評(píng)估.

4 結(jié)論

4.1 地下水的TDS含量、硝酸鹽濃度、硬度等指標(biāo)的高值主要分布在100m以內(nèi)的井深范圍內(nèi).這主要受人類活動(dòng)影響.2011～2017年,地下水TDS基本保持穩(wěn)定,人類活動(dòng)并未對(duì)地下水水質(zhì)惡化產(chǎn)生進(jìn)一步影響.

4.2 從定量的角度講,受人類活動(dòng)影響,區(qū)域地下水和河水的TDS值明顯升高,增量大致在430mg/L.

4.3 氘氧同位素和水化學(xué)證明表明地下水主要在沖洪積扇頂部的單層砂卵礫石層發(fā)生補(bǔ)給,這一區(qū)域是地下水污染防控和調(diào)水補(bǔ)給的重點(diǎn)區(qū)域.

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Hydrolochemical characteristics and spatial-temporal variations of groundwater in the Liangshui River basin, Beijing.

LI Jie*, JIANG Ying, LIU Yu-lian, JIANG Ya, TENG Yan-guo

(College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)., 2022,42(4)：1847～1853

We present a case from Liangshui River catchment to investigate and quantify the reasons for these changes. Results indicate that the groundwater with poor quality are limited at depths less than 100m. Shallow groundwater and river samples plot on the same meteoric water line, which indicates river seepage is one of the important controlling factors for groundwater quality. Meanwhile, the hydrogeologic structure of the study area indicates the groundwater is primarily recharged from river seepage in upper alluvial-proluvial plain, which should be considered an important protected region. Antropogenic contamination added about 435mg/L both in the river and shallow groundwater. Although groundwater pollution is observed at shallow depths, the trend is likely in stable state indicated by the steady TDS values over the most recent seven years. In order to mitigate groundwater pollution, limits on pumping phreatic aquifer water and channel anti-seepage treatment measures are put forward for consideration.

groundwater；water chemistry；stable isotopes；evolution；spatial-temporal variations

X523,X703.5

A

1000-6923(2022)04-1847-07

李 捷(1988-),女,山東日照人,講師,博士,主要從事同位素水文學(xué)研究.發(fā)表論文30余篇.

2021-09-24

北京市高精尖學(xué)科“陸地表層學(xué)”資助

*責(zé)任作者, 講師, lijie_lm@163.com