北京城区承压水水质特征及硝酸盐的同位素辨识

2014-02-18贺国平刘培斌吴琼刘明柱程东会

水利规划与设计 2014年3期

关键词：承压水硝酸盐潜水

贺国平刘培斌吴琼刘明柱程东会

贺国平1刘培斌1吴琼1刘明柱2程东会3

( 1. 北京市水利规划设计研究院北京 100048；
2. 中国地质大学北京 100083； 3. 长安大学陕西西安 710064 )

本文根据在北京中心城区施工2眼巢式分层监测井，同时监测6个含水层的水位与水质，结合水文地质条件及水化学、同位素分析，揭示城区复杂污染源条件下的地下水水质特征及硝酸盐来源。

巢式分层监测井水化学特征硝酸盐源辨识双同位素技术

地下水是城市重要的供水水源，对城市供水安全起着举足轻重的地位。随着人口经济的快速增长，我国地下水污染正面临着由点到面、由浅到深、由城市到农村不断扩展和污染程度日益严重的趋势。城市地下水中污染因子众多，潜在的污染物包括各种有机物（石油化合物、有机溶剂和农药）、有毒的金属、汞、氯离子等，这些污染物与城市活动关系密切，与城市工业活动相关。城市地下水污染还与城市土地利用有关，在绿地和新城区地下水具有低的电导率，而老城区和工业区中的地下水具有高的电导率，且随着人为污染的增加，主要离子的浓度增加。

城市地区存在大量的污染源，点源包括工业废水、生活污水、垃圾填埋场等，面源包括大气沉降、农业活动等，线源包括污水管道、排污河等，因此，地下水污染源的识别非常困难。稳定同位素用于示踪水的起源和溶解组分的来源，是理解地下水中生物化学作用的有力工具。水中的δD和δ18O通常用来调查地下水的来源和混合作用。硝酸盐中的δ15N和δ18O用来示踪硝酸盐的来源和评价反硝化作用的存在。硫酸盐中的δ34S和δ18O用来示踪雨水、河水、海水、地质环境（金属硫化物的氧化、硫酸盐矿物的溶解等）中的天然与人造硫和污染物（污水、农业化学品、洗涤剂和硫酸盐工业原料），也可用于辨别硫酸还原作用的存在。87Sr/86Sr比值可以示踪地下水与地质条件的相互作用。除同位素外，其它示踪剂如氯离子、氮、氧、硫和锶等，也是识别污染源的有效方法。12

本次在北京城区施工2眼巢式监测井，同时监测6个含水层的水位与水质，结合水文地质条件及水化学、同位素分析，揭示城区复杂污染源条件下的地下水水质特征及硝酸盐来源。

1 研究区概况

北京城市人口高度密集，经济、社会活动集中，供水区域集中。地下水占全市供水总量的60 %以上。据监测，中心城区地下水厂50%以上水源井水质不达标，主要超标因子是总硬度、溶解性总固体、硝酸盐；地下水污染呈现从城区向郊区延伸、从浅层向深层扩散的趋势，地下水污染的防控与修复形势严峻。

中心城处于永定河冲洪积扇中上部，第四系孔隙水赋存于永定河冲洪积作用形成的砂与砂卵砾石层中。从冲洪积扇顶部至下部平原区，含

水层颗粒由粗变细，含水层结构由单层逐渐过度到多层。潜水区分布在昆明湖-莲花池以西地区。在城区以西、黄庄-高丽营断裂西北至山前地带第四系沉积厚度较大，其中八宝山以北基底凹陷，第四系沉积厚度达250余m，卵砾石含水层累积厚度大于100m，含水层渗透系数可达300-500m/d，单井出水量大于5000m3/d。黄庄-高丽营断裂至大兴黄村一带第四系沉积厚度小于70m，含水层厚度小于30m；大兴黄村东南第四系沉积厚度逐步增加。在昆明湖-莲花池以东地区为承压水区，第四系厚度由西向东逐渐增加，含水层岩性以多层砂为主，单井出水量为1500～3000m3/d。

2 巢式分层监测井施工

监测井是地下水污染调查的基础，通过它可以确定地下水污染物的成分、分布范围以及迁移路径等许多重要参数。目前国外地下水污染调查的监测井技术主要有丛式监测井、巢式监测井、连续多通道监测井、Waterloo监测井、Westbay M P监测井。巢式监测井是在一个钻孔中分别将多根不同长度的监测管下至选定的监测层位，通过分层填砾和止水，使几个监测井在一个钻孔中完成，从而达到分层采样和分层监测的目的。巢式监测井可以大大减少钻孔数量，节省成本。而连续多通道监测井、Waterloo监测井、Westbay M P监测井的地下水位测量和地下水水样采集均需要专用仪器设备。在我国丛式监测井和巢式监测井正逐渐得到应用。

由于中心城水井均为混合开采井，而且可供施工的空间有限，为了获取分层承压水的水质情况，2011年6月，在朝阳区左家庄施工2组巢式监测井，井距3m，孔径Ф750mm，每组下入3套Ф127mm钢管，同时监测3个含水层。S1监测井钻探125.29m，成井深度分别为125m、102m和36m；S2监测井钻探92.3m，成井深度分别为92m、59m和26m（图1）。

抽水试验表明（表1），含水层从上到下水位/头依此降低，第2、3、4、5、6承压含水层颗粒较粗，出水量较大，其中，S2-1贯穿第3与第4承压含水层，含水层厚度大，出水量达338.8m3/d•m。

表1 监测井不同含水层抽水试验结果

表2 监测井不同含水层地下水主要水质组分含量

3 不同含水层的水化学特征

表2为丰水期分层监测井的水化学监测数据。各含水层阳离子浓度总和介于6.6～13.9meq/L，从大到小的顺序依次为潜水（26m）、第5承压水（102m）、第6承压水（125m）、第2承压水（59m）、第3和4承压水（92m）、第1承压水（36m）。潜水的离子浓度总和显著高于承压水；除第1承压水外，其它承压水中的NO3--N、Cl-与SO42-浓度相差不大（图2）。从水化学类型来看，地下水中Na+和Cl-含量高，而50m以下的承压水还具有高NO3-。由于监测井紧邻老城区，推断地下水受到了生活污水的污染，同时发生了强烈的阳离子交换作用。潜水与第五承压水总硬度大于450mg/L，超过生活饮用水卫生标准（GB 5749-2006），其它承压水总硬度介于240-340mg/L之间。潜水中的NO3--N浓度非常低，仅1.18mg/L，而NO2--N浓度非常高，超过地下水环境质量标准Ⅲ类（0.02mg/L）58倍，说明潜水为还原环境。除NO3--N外，潜水中其他离子的浓度均高于承压水。第1承压水水质组份浓度较低，满足地下水环境质量标准Ⅱ类，说明监测井附近潜水污染严重，而潜水与承压水之间有稳定隔水层，导致污染物难以直接进入承压水，即承压水主要来自侧向径流补给。50m以下承压含水层离子浓度差别不大，说明混合开采造成了承压含水层间的水质混合。

图1 巢式分层监测井成井（比例尺1∶1000）

图2 地下水中常规组份浓度随深度的变化

4 不同含水层的同位素特征

4.1不同含水层地下水中的TU值

不同含水层的TU值介于2.6-17.1（图3），均为现代水。除了第3和4承压水（92m）外，随深度增加，地下水年龄逐渐变老。相对于相邻的潜水与第3和4承压水，第1承压水年龄较老，说明该含水层相对封闭，地下水更新循环慢，再次证明该承压含水层与相邻含水层水力联系不密切。第3和4承压水年龄最新，TU值为17.1，甚至比潜水年龄（TU值为14.3）还要新，说明地下水开采导致该层承压水循环更替快，是主要的开采层。从抽水实验资料得出，第3、4承压含水层出水量占全部含水层出水量的40%，两者一致。

4.2不同含水层地下水硝酸盐中的δ15N-NO3-、δ18O-NO3-特征

地下水硝酸盐（NO3-）污染已成为一个相当普遍而重要的环境问题。饮用硝酸盐超标的水会危害人的身体健康。研究表明，饮用水中硝酸盐的含量与胃癌、食管癌的发病率和死亡率成正比。因此，地下水硝酸盐污染早已引起联合国和发达国家的普遍重视。我国规定以地下水源为生活饮用水时水中的NO3--N浓度不得超过20mg/L。

硝酸盐是北京市地下水的主要污染物之一，识别硝酸盐的来源并明晰硝酸盐在地下水中的迁移转化过程，有助于地下水的科学有效管理。传统硝酸盐的辨识是通过调查污染区的土地利用类型和地面耕作方式并结合地下水NO3-含量特征分析来进行的。由于不同来源的硝酸盐的化学形式都是NO3-，因此这一方法所得结论具有不确定性。而不同来源的NO3-具有不同的N、O同位素组成，同位素特征可为硝酸盐源辨识提供强有力的证据（表3）。

Heaton总结前人成果得出3种主要污染源的N同位素组成典型范围，化肥介于-4‰～+4‰，矿化的土壤有机氮介于+4‰～+8‰，粪便与污水+8‰～+20‰。N同位素方法只能定性判别地下水中硝酸盐来源，由于污染源的δ15N-NO3-是一个范围，不同来源的δ15N值有时有一定的重叠，如土壤N与大气降水，简单依据δ15N来识别硝酸盐来源存在多个解，而不同来源的硝酸盐中O同位素组成也存在显著差别，例如大气降水中δ18O介于+20‰～+70‰，合成硝酸盐化肥中的δ18O介于+18‰～+22‰。Kendall第一次绘制了不同来源的δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值的典型范围（图4），大大提高了双同位素技术在实际应用中的可操作性。

图3 不同含水层的TU值

表3 不同深度地下水硝酸盐N、O稳定同位素测试结果

图4 不同埋深地下水中δ15N-NO3-、δ18O-NO3-的分布特征

不同含水层的δ15N-NO3-值从+12.80‰到+17.67‰，平均为+15.24‰，δ18O-NO3-值从+10.62‰到+13.25‰，平均为+12.03‰，是典型受粪肥/生活污水的影响。

在土壤硝化作用产生的NO3-中，三分之二的氧来自土壤水，三分之一来自大气中的氧气。如果这两种来源的氧组合过程中没有同位素分馏，那么新形成的硝酸盐中δ18O-NO3-值可以按下式计算获得：

北京平原区地下水的δ18O值范围从-11.9到-9.3‰，分子氧中δ18O-O2为+23.5‰，如果地下水中硝酸盐来自硝化作用的话，那么δ18O-NO-3值应是-0.10‰至1.63‰。监测井地下水中δ18O-NO3-值平均为+12.03‰，高δ18O-NO3-值表明硝酸盐来自其它源（硝酸盐化肥、降水）或发生了反硝化作用。水化学分析表明，潜水样中含NO2-，潜水与第5承压水水样中有Fe2+和Mn2+的存在，说明水样为还原环境。

采用稳定同位素组成定量评价地下水硝酸盐各种源的贡献率有助于地下水水质的管理，不同硝酸盐地下水混合比例的计算采用质量平衡方程。假定氮转化过程中同位素组成（δ15N-NO-3值和δ18O-NO3-值）没有发生较大变化（Deutsch等，2006），地下水硝酸盐的混合比例可采用如下质量守恒方程计算：

下标c, m，和s分别代表三种源：化学肥料(c), 粪肥/生活污水(m), 大气降水(a)，f为各种源的所占比例。粪肥/生活污水中的δ15N-NO-3值采用20‰, 是地下水样品中观察到的最高值。化肥中的δ15N-NO3ˉ采用测量的平均值1.1‰，大气降水的δ15N-NO3-值采用3‰。计算表明，监测井处硝酸盐79%来自粪肥/生活污水、19%来自大气降水。

监测井紧邻老城区，过去老城区的渗坑渗井虽然已经消失，但污染源在今后一段时期内仍会对地下水构成威胁。此外，城区的污水管网渗漏也是造成地下水硝酸盐污染的一个重要原因。

5 结语

地下水污染的修复治理首先要查明地下水水质特征及污染来源，本文对此进行了成功实践。巢式监测井通过分层填砾和止水，可以实现分层采样和分层监测，大大减少钻孔数量，节省成本，更重要的是节省宝贵的土地资源，值得推广应用。北京中心城地下水水质超标组分主要是硝酸盐与总硬度。混合开采是导致深层承压水污染的重要原因。采用δ15N-NO3-、δ18O-NO3-值定量推断地下水中硝酸盐79%来自粪肥/生活污水、19%来自大气降水。因此，地下水污染源应为古老的渗坑渗井及污水管网渗漏。

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