北京市東北部地區地下水水質狀況及變化特征

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展的基礎性資源，更是北京市發展的戰略資源和重要保障[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，已成為水生態環境的重要影響因素[2]。地下水資源已經成為一個區域經濟發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現經濟社會可持續發展的重要途徑[3]。

高飛[3]等的研究結果表明，2015 年之前降水量少，人口密集等原因導致北京市地下水資源的供需矛盾嚴重。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補水影響，年末地下水平均埋深上升明顯，較2020年末回升達5.64 m。潮白河沖洪積扇中上游地區是北京市地下水資源最豐富的地區，在城市供水中占據了重要地位[1]，位于此區域內的懷柔、密云區是北京市重要的水源地。為研究懷柔、密云區近年地下水水質變化情況，根據北京市水環境監測中心密云水庫分中心2012—2021年地下水水質監測結果，從時間尺度分析東北部地區近10年地下水水質變化特征，以期為管理部門做好地下水保護工作提供決策支持。。

1 研究區域概述

1.1 自然地理概況

研究區域為懷柔、密云，位于北京市東北部（見圖1）。此研究區域東北、西北和北部三面環山，南部為平原區，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性明顯，近年降水主要集中在7～9月。區域地下水的補給、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給、側向徑流補給、水庫滲漏、河流入滲補給、京密引水渠滲漏、灌溉回滲補給、南水北調水人工回補以及水庫放水補給；排泄方式主要有蒸發排泄、人工開采以及越流補給等[4]。地下徑流條件北部地區優于南部地區，地下水總體流向由北向南[5]。

圖1 北京市東北部地區地下水監測站點

1.2 地下水資源現狀

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，儲量相應減少87.2億m3；與1960年比較，地下水位下降21.08 m，儲量相應減少107.9 億m3。2012—2015年，平原區地下水埋深逐年下降，2015年之后，由于南水入京回補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補水影響，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 平原區地下水年末平均埋深

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

2 采樣與分析

2.1 采樣點布設及樣品采集

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

樣品采集嚴格按照《水環境監測規范》（SL219-2 013）進行。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月開始進行潮白河生態補水，改為每月進行樣品采集。

2.2 評價指標

依據《地下水質量標準》（GB/T14848-2017），根據研究區域水源水質特點及周邊地下水水質情況設置監測指標，選取15項指標對研究區地下水質量進行評價。15 項指標分為一般化學指標和毒理學指標。其中，一般化學指標包括總硬度（以CaCo3計）、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項指標；毒理學指標包括亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、氟化物等3項指標。

2.3 評價標準

2.3.1 單因子評價法

單因子指數法[6-9]是依據《地下水質量標準》（GB/T14848-2017）進行評價。該方法運算過程較為簡便，可突出主要的污染指標，直觀得出最差類別參評指標。見計算公式（1）：

式中：Pi為第i個水質因子的標準指數，無綱量；Ci為第i個水質因子的監測濃度，mg/L；Si為第i個水質因子的標準濃度（《地下水質量標準》II類標準），mg/L。Pi＞1，表明該水質因子已超標，標準指數越大，超標越嚴重。

2.3.2 改進的內梅羅指數法

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

式中：Fi′為修正后的單項指標評價分值；u為樣品中某一單項指標實測含量；Si為樣品中這一單項指標的第i級標準限值。

式中：Fmax′為Fi′中的最大值；Fˉ′為Fi′的平均值。

改進的內梅指數法評級表見表1。

表1 改進的內梅羅指數法評級表

3 結果與分析

3.1 2021年北京市東北部地區地下水質量評價

3.1.1 單因子評價法

單因子評價法計算結果表明，研究區域一般化學指標中溶解性總固體在各監測站點未超過II 類標準。

研究區域地下水含量偏高的金屬指標為總硬度、鋅、鈉，大部分監測站點總硬度符合III 類標準，其中懷柔區的前橋梓村東和密云區的西田各莊總硬度較高。鋅、鈉均未超過II 類標準，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。

研究區域地下水主含量偏高的非金屬指標為硝酸鹽氮、氨氮、硫酸鹽、氟化物。其中氟化物為有毒物，但各監測站點氟化物含量均未超過II 類標準，橋梓廣場氟化物含量最高。硝酸鹽氮在密云區的葡萄園含量最低，符合II 類標準；其余各站點均符合III 類標準，在懷柔區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生化學反應而引起硝酸鹽含量升高。氨氮在密云區的葡萄園含量最低，符合I 類標準；其余各站點均符合II 類標準，在懷柔區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生活所產生的污水[9，14-15]。

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

表2 2021年地下水水質監測結果及水質評價結果匯總表

圖3 金屬評價指標堆積柱形圖

圖4 非金屬評價指標堆積柱形圖

3.1.2 改進的內梅羅評價法

改進的內梅羅評價法計算結果表明，懷柔、密云區地下水水質符合符合II 類標準的有20 眼，占95.2%；符合III類標準的有1眼，占4.8%。區域地下水水質集中在II 類，只有密云西田各莊為III 類，水質整體處于優良水平（見表2）。

3.2 北京市東北部地區地下水污染物濃度年際變化特征

3.2.1 年際變化

經過數據篩選，從2012—2021年監測數據中選取硫酸鹽、氯化物、氟化物、硝酸鹽、溶解性總固體、總硬度6 項指標的年均值進行年際變化的詳細分析。2012—2021 年6 項水質指標均呈先上升后下降趨勢（見圖5），高值均出現在2016、2017 年，考慮原因為2012—2015 年北京市平原區地下水埋深逐年下降，研究區大部分區域地下水無機鹽類指標逐年上升[16]，2015年之后在農業種植結構和灌溉方式改進以及南水北調供水等的影響下，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，水質指標仍延續逐年升高的趨勢。2017年之后由于降水豐沛，大氣降水入滲補給增多、南水北調水人工回補持續作用以及2021 年開始的潮白河生態補水等的多重作用[18-20]，2021 年末平原區地下水埋深較2017 年末累計上升8.58 m，地下水水位抬升，水質好轉[21]。

圖5 各水質指標年際變化趨勢

3.2.2 年內變化

（1）2012—2021 年，總硬度、硫酸鹽在多數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項指標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?？菟诘叵滤|較差考慮與4 月的農業生產活動頻繁，區域農作物面源污染有關。豐水期和枯水期地下水水質變化趨勢見圖6。

圖6 豐水期和枯水期地下水水質變化趨勢

（2）由于降水豐沛和生態補水等的影響，2021年年末地下水平均埋深較2020 年末回升5.64 m。2021年4月底開始進行潮白河生態補水，分中心改為每月進行樣品采集，因此選取2021年4月至2022年3 月的地下水數據進行年內逐月變化趨勢分析。地下水水質指標逐月變化趨勢見圖7。

圖7 地下水水質指標逐月變化趨勢

氟化物和溶解性總固體只在4月和9月進行了監測，溶解性總固體在9月較4月有所下降、氟化物無變化?？傆捕仍?月最高，9月最低，最高最低值差55 mg/L。

硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮年內變化趨勢相近，4月春季農耕活動頻繁，受農作物面源污染的影響，地下水各水質指標含量偏高，之后呈下降趨勢，進入夏季之后，降水量較大，由降水產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，導致9 月地下水指標含量再次升高，此升高趨勢持續到11月之后下降。[22-23]

4 結論

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

（2）通過改進內梅羅指數法得知，2021 年研究區域地下水水質集中在II類，只有密云西田各莊為III類，水質整體處于優良水平。

（3）2012—2021年研究區域地下水6項水質指標均呈先上升后下降趨勢，高值均出現在2016、2017年。

（4）2012—2021 年總硬度、硫酸鹽在多數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項指標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月地下水指標含量再次升高，此升高趨勢持續到11月之后下降。