城市化进程中地下水水质年内变化特征研究——以北京市为例

赵 微

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

城市化进程中地下水水质年内变化特征研究
——以北京市为例

赵 微

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

采用单因子评价法、统计分析法，以主要超标指标总硬度、溶解性总固体和稳定指标氯化物为特征指标，对北京平原区城市化进程初期、中期浅层和中层的地下水年内变化特征进行了分析和研究。对比结果表明，丰水期的水质劣于枯水期。选取2012年水质数据，分析溶解性总固体的变化分布特征，分析结果表明：上升区范围主要分布在大兴和通州的南部地区，平原区浓度上升区面积大于浓度下降区。

水质评价；地下水； 年内变化特征；北京平原

0 引言

城市化是社会经济发展的必然结果，是人类社会文明程度提高的重要标志。改革开放以来，我国城市化进程显著加快，1978 年中国城市化率仅为19.8%，至2008 年中国城市化率提高到44.9%[1]。北京城市化进程以 1980 年为分界线，1961～1980 年为城市化进程慢速时期，1981以后为城市化进程快速时期[2]。城市化过程中土地覆盖的变化导致水分循环的变化，进而影响水量在空间分布上的变化；同时人口的增加、规模的增大，使城市用水量增大，造成水资源紧缺，同时造成水环境污染严重[3～4]。

世界许多城市以地下水作为部分甚至唯一的供水水源，地下水在城市发展中扮演越来越重要的角色。我国北方城市化发展很快，但该区水资源严重短缺，地下水环境问题日益突出，其中地下水超采与水质恶化现象，成为城市环境地质问题中最广泛、最严重的两大问题[5]。北京市地下水供水量占城市供水的2/3以上[6]，重要性不言而喻。

目前对地下水环境质量的研究，多为水质现状的调查及污染评价，其中对地下水质量变化特征的研究多为年际对比，分析年内变化特征的研究较少。郭高轩[7]结合2006年的水质调查数据，从超标面积上对北京市平原区枯、丰水期的总体质量进行了对比，没有对典型离子组分浓度升高程度进行量化，也没有从空间方面对水质变化特征进行对比。由于包气带岩性的不同，各地区受降水影响后水质响应有所不同。为分析年内水质变化特征，研究地下水化学场的演化规律，精确刻画地下水水化学特征，本文以北京市平原区为例，选取枯、丰水期水质数据，分析城市化进程初期及中期地下水年内变化特征，为城市供水、地下水资源开发利用和保护提供依据。

1 评价方法及指标

1.1 评价方法

地下水水质对比评价的方法较多，包括单因子评价法、综合污染指数法、参数分级评分叠加指数法、层次分析评价法、统计分析方法、灰色聚类法、模糊数学法、物元可拓集法及人工神经网络法方法等[8～9]，多与背景值或对照值进行对比。

各评价方法均有优缺点，由于年内水质对比评价中，水质数据间隔时间较短，不适宜与背景值进行对比，因此本次采用单因子评价法和统计分析方法，从浓度变幅和升降比例两方面进行统计分析，选取典型指标进行单因子评价，最后对单因子统计结果进行综合对比分析，研究地下水年内水质变化特征。

在浓度变幅和升降比例统计过程中，首先确定评价指标测试过程中的标准偏差，由于水质测试过程中均存在一定的标准偏差，为避免或减小标准偏差对水质变幅的影响，将变幅在标准偏差范围内的水质点定为水质不变点，变幅大于标准偏差的定为上升或下降。

浓度变幅或升降比例统计时，首先计算典型指标丰水期与枯水期浓度变幅，统计浓度变幅大于标准偏差的监测点数，分别计算浓度上升和下降的监测点占年内评价点数的百分比；对浓度变幅大于标准偏差的监测点进行差值计算，并统计浓度变化均值。

1.2 评价指标

参与水质对比评价的指标可以选取地下水质量评价结果中超标较严重指标，也可选取地下水中相对较稳定的指标。我国地下水中，北方地区的总硬度、溶解性总固体超标范围较广，在松花江和辽河流域，铁锰超标明显[10]；华北平原地下水" 三氮" 污染普遍[11]；由于铁、锰等指标属天然化学作用的结果，不适宜参与评价；因此可选取总硬度、溶解性总固体、“三氮”等指标进行评价。另外在地下水中，氯化物广泛分布，但其电负性高，相对稳定，不易与地下水中其他物质发生离子交换[12]，可作为典型指标进行水质对比评价。

多年来，北京市平原区地下水主要超标指标为总硬度、溶解性总固体、硝酸盐氮[13～14]；其中，总硬度超标范围最大，且从1965年以来超标范围呈持续扩大趋势[15]。

根据北京市平原区地下水环境监测结果，2011年和2012年总硬度和溶解性总固体超标面积显著大于其他指标，自监测以来超标范围呈逐年扩大的趋势[16～17]；因此选取总硬度和溶解性总固体作为典型指标分析水质变化特征。由于硝酸盐氮在地下水中易与亚硝酸盐和氨氮等发生相互转化[18]，数据变化较大，因此本次不参与评价。

此外，氯化物在平原区地下水中虽仅以点状超标的形式存在，但由于其稳定，不易与其他物质发生离子交换，是人类活动影响较好的指示剂，因此本次选择上述3项指标为典型指标开展评价工作。

2 评价数据选取

北京市水文地质工程地质大队最早于1973年建成了城近郊区的地下水水质监测网，通过逐年完善，监测网在1980年覆盖了全市平原区，至2007年水质监测点共320个，仅对平原区生活饮用水层进行监测。1981年至1985年每年于枯水期和丰水期各监测1次，之后每年枯水期监测一次，监测指标约20余项。

2007～2009年，整合和新建部分监测井，建成了由822眼监测井组成的区域地下水环境立体分层监测网络，将地下水分为四层开展监测[19]（表1），并于2011年开始分别在5～6月份和9～10月份各监测1次，监测无机指标32项。

2.1 评价时段

表1 地下水监测层组划分表

为分析城市化进程对地下水水质年内变化特征的影响，选取城市化进程快速发展的初期且监测数据较丰富的1981～1985年，以及城市化快速发展30年后的2011～2012年为典型时间段，分析北京市平原区年内水质变化特征。

根据北京站1959年-2012年9月降水量统计资料，降水量在时间上分布不均衡，全年降雨多集中在6～9月，其间降水量占年降水量的85%以上[16]。根据北京市不同月份降水量分布状况，将5～6月定为枯水期，9～10月定为丰水期，分析平原区年内枯水期、丰水期的水质变化特征。

2.2 评价层位

本次将第一监测层组定为浅层，第二监测层组定为中层，第三和第四层组定为深层。

浅层地下水易接受大气降水补给，循环交替迅速，可直接通过包气带与地表系统发生水力联系，水质变化受降水影响较大。中层是北京市平原区目前主要的含水层，由于大量开采井及含水层天窗的存在，使浅层地下水和中层地下水之间产生一定的水力联系。

根据《地下水质量标准》（GB/T14848-93），以Ⅲ类标准限值为评价依据，北京市平原区地下水2011年和2012年主要超标层位为浅层和中层，深层地下水水质较好，超标范围较小。因此本次仅选取浅层和中层作为评价层位开展分析和研究。

2.3 评价数据

（1）城市化快速发展初期

城市化快速发展初期即1980年—1985年期间，仅对平原区的生活饮用水层开展了水质监测，但各区县监测密度不同，其中城近郊区的海淀、丰台和朝阳监测点较多，监测密度较大；而远郊区县监测点较少，监测密度较小。为准确反映平原区地下水的水质变化特征，对监测点进行了分层和筛选，确保监测点的各个水期均有水质数据，共选取浅层监测点14个，中层监测点10个（图1）。

（2）城市化快速发展中期

城市化快速发展中期主要是选取2011年和2012年两个年份同时监测点的水质数据进行对比。

由于监测网浅层和中层监测点中，城近郊区的监测密度较大，为提高监测点的代表性，对城近郊区的监测点进行了筛选，使参与评价的点密度与远郊区县基本一致。数据分析过程中，对水质浓度变幅与周边监测数据差别较大的异常点进行剔除，本次共选取浅层井264眼，中层井164眼进行分析（图1）。

图1 城市化初期及中期评价点图

3 水质变化特征分析

3.1 浓度变化特征

参考中华人民共和国地质矿产行业标准《地下水质检验方法》（DZ/T0064.1～0064.80-93）[20]，将总硬度、溶解性总固体和氯化物的标准偏差分别确定为5mg/L、20mg/L和3mg/L。

（1）城市化快速发展初期

通过对典型指标浓度变幅与水质检验标准偏差的对比，城市化快速发展初期，总硬度和溶解性总固体的升高比例多大于降低比例，监测浓度多呈丰水期高于枯水期的现象；氯化物浓度虽丰水期较枯水期下降的次数较多，但从多年的浓度变幅看，丰水期仍较枯水期有所上升（表2）。

（2）城市化快速发展中期

通过对城市化快速发展中期2011年和2012年主要超标指标浓度的对比分析，除氯化物丰水期浓度较枯水期略有下降外，总硬度和溶解性总固体的浓度均有所升高。

从主要超标指标浓度变幅的比例看出，氯化物变幅小，其次为溶解性总固体，总硬度相对变化最大；从升降比例看，丰水期与枯水期相比，除2011年浅层的氯化物和中层总硬度，浓度降低的比例大于升高的比例外，其他数据均显示丰水期较枯水期浓度上升的比例大于降低的比例（表3）。

表2 1981年—1985年丰水期与枯水期浓度变化统计表

表3 2011年—2012年丰水期与枯水期浓度变化统计表

图2 浅层地下水溶解性总固体变幅图

3.2 空间分布特征

从浓度变幅和浓度升降比例两方面综合分析表明，城市化快速发展以来，丰水期的水质劣于枯水期。

由于不同的区域受降水的淋溶或稀释作用不同，水质对降水的响应也有所不同。为了解地下水水质对降水入渗的响应结果，本文以2012年水质数据为基础，选取浓度变化程度居中的溶解性总固体为特征指标，应用GIS的空间分析功能，绘制水质变幅的浓度分区图，分析浅层和中层地下水的水质变化特征。

图3 中层地下水溶解性总固体变幅图

为精确对比分析溶解性总固体的浓度变化程度，将浓度变幅在标准偏差以内即20mg/L以内的监测点定为浓度基本不变点，浓度变幅在20～50 mg/L之间的定为轻微变化，浓度变幅在50mg/L以上的定为显著变化。

从2012年浅层和中层地下水中溶解性总固体的浓度变幅来看（图2～3），平原区约48%的地区浓度基本不变，浓度上升区约占36%，浓度下降区约占16%(表4)。

表4 2012年溶解性总固体浓度变化情况统计表 （单位：%）

浓度基本不变区主要分布在平原区的北部和朝阳东部地区，浓度下降区主要分布在城区、丰台东部，大兴、顺义和房山等部分地区；浓度上升区则主要集中在通州和大兴的南部，造成这种结果的主要原因是在丰水期，降雨增多，地表垂向入渗增强，在地下水下渗过程中，

上层劣质水和地表污染物（垃圾填埋场、污水河道、渗漏罐等） 进入地下水的强度增大， 进入后随之扩散，使水质浓度有所上升。

4 结语

本文以北京市平原区地下水监测数据为基础，选取总硬度、溶解性总固体和稳定指标氯化物，选取直接对比法和统计分析法，从水质浓度和空间分布两方面，对城市化进程以来的平原区浅层和中层地下水年内水质状况进行了对比，对比结果表明：

（1）城市化进程以来，丰水期的水质劣于枯水期，表现在丰水期总硬度、溶解性总固体和氯化物的浓度均值高，浓度升高点的比例大。

（2）2012年，浅、中层地下水浓度下降区约占16%，上升区约占36%，浓度上升区主要分布在通州和大兴。

（3）通州和大兴分布有大范围的污水或再生水灌溉区，灌溉历史悠久。丰水期降水入渗造成地表污染物和包气带污染质的下渗，造成该地区丰水期水质浓度升高。

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Characteristics of Groundwater Annual Variations During Process of Urbanization—Take Beijing as an Example

ZHAO Wei

（Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195）

In this paper, three indicators such as hardness, TDS (total dissolved solids) and Cl- were used to analyze the variations of groundwater quality of shallow aquifer and mid-aquifer in the early and mid-urbanization respectively by single factor evaluation and statistical analysis. The comparison results showed that the assessment of groundwater quality of Beijing plain in rainy season is worse than that in dry season. Also the evaluation result of TDS by data in 2012 show that the area in which concentration of TDS increasing mainly located in the southern parts of Daxing and Tongzhou. The total area with the increasing concentration is greater than that of the decreasing concentration.

Quality assessment；Groundwater；Annual variations；Beijing plain

X832

A

1007-1903（2014）01-0021-05

北京市财政专项经费项目（PXM2013_158305_000004）、地下水环境功能区划定方案项目（HCZB-2012-BJ1188）．

赵 微( 1979 - ) ，女，硕士，工程师，研究方向：水文地质、环境地质．