超采对北京市潮白河冲洪积扇中上部地区地下水质的影响

王新娟，李　鹏，刘久荣，李志萍，孙　颖，李世君

(1.北京市水文地质工程地质大队，北京　100195；2.北京市地质工程勘察院，北京　100048)



超采对北京市潮白河冲洪积扇中上部地区地下水质的影响

王新娟1，李鹏1，刘久荣1，李志萍1，孙颖1，李世君2

(1.北京市水文地质工程地质大队，北京100195；2.北京市地质工程勘察院，北京100048)

潮白河冲洪积扇中上游地区作为北京市最主要地表水和地下水供给区，在城市供水中的作用举足轻重。由于多年连续超采，地下水位持续下降，1999—2013年地下水位下降最大达45 m；应急水源地地区地下水硬度年均上升2.6%，密云十里堡地区地下水硬度和硝酸盐氮超标。通过分析潮白河冲洪积扇区域地下水开发利用、地下水位和水质变化情况以及地下水位变化对地下水水质的影响，认为：超量开采导致的地下水水位下降是引起该区域地下水水质恶化的主要原因之一，控制地下水超量开采和地表水污染，并利用南水北调的水进京之机回灌和停采以涵养地下水，是恢复区域水资源和水环境的良好途径。

超量开采；水位下降；补径排条件；水质恶化

0　引　言

随着社会经济的发展，全球城市化趋势的日益突出，城市化趋势加重了对安全合理用水的考验，水环境问题更加突出，尤其是在发展中国家，干旱缺水已成为贫困和生态环境恶化的重要原因[1-2]。关于地下水污染1996年于开宁在石家庄市地下水污染机理进行了探讨，认为地下水超量开采是其水质恶化最重要的诱发原因[3]；2004年，杨秀琳通过地下水总硬度的变化和地下水开采变化分析了过量开采地下水对地下水水质的影响[4]；吕航等2007年撰文分析长春市地下水硬度异常和形成机理[5]。

北京是严重缺水的城市，地下水在城市供水中起到非常重要的作用，支撑北京度过多次供水危机，同时地下水的超采付出了沉重的环境代价，引发了一系列环境地质问题。潮白河作为北京的两大重要水系之一，其在北京境内流域面积5 613 km2，在冲洪积扇中上部分布了市水源八厂、怀柔应急水源地、潮白两河应急水源地及密云、怀柔、顺义区县水厂水源地，对北京市供水起着举足轻重的作用。一直以来由于该区处于北京市的远郊，城市化发展较永定河冲洪积扇地区相对缓慢，地下水水质相对较好，但是，随着近年来的发展、地表污染及地下水的超量开采，区内已有局部地下水水质出现超标现象，大部分区域地下水无机盐类指标逐年上升[6-9]。2012年，郑跃军等用同位素方法研究了潮白河地下水水循环演化特征[10]；2013年杨楠等以怀柔应急水源地为例分析了地下水开采对矿化度和硬度的影响[11]；2014年郭高轩等用水化学分析法研究了潮白河冲洪积扇地下水水化学的分层分带特征[12]。

本文对潮白河流域中上部水源地分布区地下水水质变化的影响因素进行分析，重点分析地下水超采对地下水水质的影响。

1　研究区概况

研究区位于潮白河冲洪积扇中上部，包含密云、怀柔平原以及顺义北部平原部分地区，面积约560 km2。东部、西部和北部三面环山，南部为平原区，总的趋势是北部狭窄，南部开阔。该区主要河流为潮白河，由北向南穿过本区，分为潮河、白河分别流入密云水库、密云村(以下称为潮白河)，此后有几个支流汇入，较大的有怀河、箭杆河、雁栖河、大沙河、小中河等。怀河是本区第二大河流，在史家口汇入潮白河。

研究区含水层主要由砂、卵石、砾石组成，由北往南介质颗粒由粗到细，含水层由薄到厚，含水层由单一砂卵砾石层过渡到多层。含水层结构西薄东厚，河道及河漫滩砂卵砾石裸露，河道两侧形成一级阶地和二级阶地。在冲洪积扇中上部、河漫滩及一级阶地部分地区砂卵砾石埋藏很浅甚至直接裸露，易接受地表水和大气降水补给，同时也容易遭受污染。

地下水开发利用程度高，区内分布有怀柔应急水源地、怀柔水厂水源地、潮白河—怀河水源地、水源八厂、向阳闸应急水源地、顺义一、二、三厂、燕京啤酒厂、密云水厂等主要水源地(图1)，2012年集中水厂开采量2.39×108m3，自备井和农业分散开采量1.82×108m3，地下水开采量合计4.21×108m3。

自2003年为北京城区供水的怀柔应急地下水源地开采，地下水位持续下降，导致水源八厂部分井掉泵损毁，2008年为保证奥运会供水，又在潮白河和怀河两河钻探了两河应急水源地，地下水连年超采，2003—2012年区域地下水资源累计亏损11.98×108m3。

研究区地表水主要是潮白河河水和怀河河水，据调查潮白河河道污水排放口1991 年为6处，1999年11处，2003年则达30处，目前，除部分河段排放处理好的再生水外，大多都是生活污水和企业污水直接排放。地下水属HCO3-Ca·Mg型水，山前局部地区为HCO3-Ca，个别点为HCO3·SO4-Ca·Mg或HCO3·Cl-Ca·Mg型水。根据2012年地下水水质现状，潮白河冲洪积扇中上游区地下水总硬度和硝酸盐氮均有小范围超标，尤其是硝酸盐氮大范围水质为Ⅲ类，地下水总硬度、溶解性总固体、硝酸盐氮和氯离子含量逐年升高，地下水水质在逐年恶化[13]。

2　地下水开发利用情况

2.1地下水开采概况

图1　研究区水源井、观测点分布及2012年水位等值线图Fig.1　Distribution of water well observation points and the water level of contour map in June, 2012 in the study area

地下水供水占研究区总供水的84%，地下水开采主要供工农业和生活用水，开采方式分为集中水源地开采、工业自备井开采和农业机井开采等。主要分布有怀柔应急、潮白河—怀河水源、水源八厂、怀柔水厂、向阳闸应急水源、顺义一、二、三厂、燕京啤酒厂、密云水厂等主要水源地。市水源八厂设计供水能力48×104m3/d。2000年以前其年开采量大约为1.64×108m3/a。由于连续干旱，区内地下水位的大幅下降造成区内水源井出水能力逐年下降。通过部分浅井更新后，至2008年年开采量为0.73×108m3/a，日均供水22×104m3/d， 2011年开采量为0.41×108m3，2012年开采0.39×108m3(图2)。

怀柔应急水源地自2003年8月底启用至2005年8月总供水量2.41×108m3，完成了两年的设计供水任务后，根据北京市城市供水的需求续采至今，至2012年12月底累计总供水量达9.12×108m3(图2)。2008年潮白河—怀河水源地开始施工，2009年2月5日与怀柔应急水源地并网运行，至2012年底累计供水量9.000 58×108m3。

2.2地下水资源亏损情况

1980年前，研究区地下水资源基本处于均衡状态，20世纪80年代初期由于潮白河断流加上遭遇连续4年干旱年，1979年向北京市区供水的水源八厂建成并开始供水，区域地下水由基本均衡状态转为超采状态，地下水资源亏损，1980—1999年累计亏损6.49×108m3，年均亏损0.32×108m3；1999年以来北京地区遭遇多年连续干旱年，2003年向市区供水的怀柔应急水源地建成并于第三季度开始向市区供水，1999—2013年累计亏损20.86×108m3，年均亏损1.39×108m3，是1980—1999年的4.34倍(表1，图3)。

图2　八厂水源、怀柔应急和潮怀水源地历年开采量图Fig.2　Annual production map of the water source from Bachang, Huairou emergency and Chaobai-Huai River

图3　研究区地下水资源累计储存变化量统计图Fig.3　Statistical figure of cumulative storage variation of groundwater resources in the study area

年份累计储存变化量/108m3年均储存变化量/108m31961—1979-1.67-0.091980—1999-6.49-0.321999—2013-20.86-1.39

3　地下水水质变化情况

3.1研究区地下水位下降情况

3.1.1地下水位动态变化

图4　潮白河地下水库地下水位多年动态与降水量曲线Fig.4　Curves of interannual change of groundwater level and rainfall in Chaobai River area

研究区位于潮白河冲洪积扇中上部，地下水类型主要为潜水和承压水。地下水动态特征见图4。从图4中可以看出，潮白河冲洪积扇地区地下水动态变化与降水、河道行洪及开采关系密切。 1982年以前潮白河河道常年过水，地下水动态变化不大，以后潮白河相继断流，20世纪80年代初期连续降水偏枯年份使地下水补给量减少，地下水水位连续下降；1985年以后降水量增加，地下水水位有所回升，水位在一定范围内波动；1994—1998年密云水库放水河道行洪，加上降水偏丰，水位有所上升；1999年以后连续降水偏枯年份的出现及区域地下水开采量的增加，造成水位大幅度持续下降，1999—2013年地下水位下降最多的顺义观1号井达45 m。

3.1.2区域水位变化

由于1999年以来连续干旱及2003年怀柔应急开采，加上2008年新的潮怀两河水源地的建立及

区县水厂开采，区域地下水位下降明显，下降幅度为15～20 m，在水源地分布区下降幅度更大，个别地区下降30～40 m(图5)。

图5　2000年和2010年期间区域地下水位变幅图Fig.5　Amplitude map of regional groundwater level between 2000 and 2010

3.1.3地下水补径排变化

在自然均衡条件下，研究区地下水径流方向是由北和东北流向东南，最终向下游流出，但是由于地下水的集中和超量开采，改变了其自然状态，引起地下水系统水动力条件的变化，从局部水位下降到区域性水位下降，从形成单井水位降落漏斗发展甚至到区域性水位降落漏斗。地下水补给和径流条件也随之发生变化，北、东北和南部地下水均流向八厂水源和怀柔应急水源漏斗中心(图1)。

3.2地下水水质变化情况

地下水水质资料来源于怀柔应急水源地长期监测取样测试分析成果及“永定河、潮白河地下水库区溶质运移模型建设”项目取样分析成果。

3.2.1区域水质变化情况

根据密云、怀柔、顺义地区地下水水质长期监测取样测试结果，对研究区地下水质变化进行分析，目前研究区地下水质与20世纪80年代初相比，潮白河冲洪积扇中上部地区浅层地下水大部分都遭到不同程度的污染，主要污染指标为总硬度、溶解性总固体及硝酸盐氮含量，受污染较重的区域为密云县城东部小范围，中等污染区域分布在顺义北小营至密云县城以北山区平原边界潮白河沿线，未污染区分布在龙湾屯至二十里长山条形带区，其余为轻度污染区。

3.2.2主要污染离子含量变化情况

为分析地下水水质变化情况，作者分别选取了怀柔区杨宋镇监测孔和八厂水源地监测孔，分析2003—2013年地下水水质变化情况，H为总硬度(单位为德国度H°)，TDS为溶解性总固体含量(图5，图6)。

图6　监测孔地下水典型离子变化情况Fig.6　Typical ions changes of groundwater from monitoringborea.怀柔杨宋镇;b.八厂水源地

从图6中可以看出，自2003年应急水源地开采以来，怀柔杨宋镇和八厂水源地地区地下水质总硬度、溶解性总固体含量、硝酸盐氮含量均在持续上升，2012年降水量较大，地下水资源补给量增加，水质得到稀释，地下水各离子含量有所下降，尤其是八厂水源地氯离子浓度在2012年和2013年下降明显。

3.2.3水质变化与水位的关系

地下水位变化是地下水补排关系的直接反映，水位的上升反映补给大于开采，反之，地下水位的下降反映开采量大于补给量，而水位的持续下降说明地下水持续的超采。据研究表明，地下水盐污染主要由硝酸盐污染和硬度升高造成，二者间存在密切联系， 阳离子交换、硝化作用是导致地下水硝酸盐污染和硬度升高的重要机制。同时随着硬度升高，常规离子(氯离子)、溶解性总固体含量也随之增加[14-15]。据研究区18个样本统计，得出硝酸盐氮、氯离子和溶解性总固体与总硬度变化关系(表3)。

回归方程相关系数H=3.83TDS+147.25R2=0.9357H=4.96NO-3+76.75R2=0.8341H=4.18Cl-+163.32R2=0.8593

从回归分析的结果(表3)可以看出，随着地下水总硬度升高，硝酸盐氮、氯离子和溶解性总固体含量均升高，总硬度与溶解性总固体变化相关性也较好。研究区总硬度和硝酸盐氮均有超标现象，因此，本文结合水质取样点，就近获取地下水位动态观测点，主要分析地下水硝酸盐氮、总硬度与地下水位变化的关系。

(1)硝酸盐氮变化。地下水硝酸盐氮含量在研究区目前大部分为Ⅲ类，局部出现Ⅳ类水。从硝酸盐(以NO3-计)随地下水位变化的关系(图7)可以看出，硝酸盐污染同样也与地下水超量开采及地下水位的持续下降有较好的相关性，硝酸盐污染的来源以生活污染为主，主要是潮白河河道生活污水和再生水的排放。

图7　NO3-含量和地下水位变化关系曲线Fig.7　Change curve of content and groundwater levela.怀柔杨宋镇;b.八厂水源地

图 8　地下水总硬度和地下水位变化关系曲线Fig.8　Change curve of total hardness and groundwater levela.怀柔杨宋镇;b.八厂水源地

(2)总硬度随地下水位的变化。选取潮白河冲洪积扇中上部怀柔杨宋镇监测孔及八厂水源地监测孔地下水质和相应地下水位进行相关性分析(图8)。从图8可以看出，潮白河冲洪积扇中上部地区总硬度随着地下水资源的超量开采，尤其是应急水源地的连续开采，地下水位持续下降，地下水降落漏斗的形成和扩大呈现逐年上升趋势。地下水总硬度和地下水位的下降有很好的相关关系，相关系数较高，说明研究区地下水超采对地下水硬度的影响起主要作用，总硬度升高的来源仍是生活污水的随意排放及河道再生水的排放。

3.3地下水水质变化原因分析

潮白河冲洪积扇中上游地区地下水水质总体较好，只是在局部地区存在总硬度和硝酸盐氮超标现象。这是因为潮白河冲洪积扇中上部地区远离市中心，人类活动影响较弱。但是从地下水水质变化状况看，随着区域地下水超采、地下水位下降，地下水质出现逐年变差的趋势。地下水各常规离子含量升高除了存在地表污染源外，主要有以下原因。

(1)由于应急水源地开采以来区域地下水长期处于超采状态，随着地下水超采，地下水位下降，地下水对污染物的稀释能力明显下降，抗拒污染

的能力下降，从而导致污染组分含量上升。

(2)城市污水。特别是城市生活污水中的氮存在形式主要是NH4-N。地下水中的氮主要以硝酸盐氮的形式存在，在污水渗入地下的过程中可能会发生硝化反应。随着地下水的超量开采，地下水位埋深的增大，使包气带不断加厚，处于氧化状态，加速了NH4-N在下渗过程中硝化作用的进行，从而导致地下水中硝酸盐氮含量的升高，造成硝酸盐污染[16-17]。

(3)酸性溶滤作用。过量开采地下水造成地下水水位下降，形成区域性降落漏斗，使得原来的饱水带形成包气带，成为氧化环境，而人为排放的硫化物进入地下后在此被充分氧化，致使污染溶液的pH值降低, 从而使溶滤作用加强, 大量的Ca、Mg 由化合态变成游离态, 导致地下水永久硬度增高。

(5)由于地下水位下降，形成了地下水常量组分含量和指标不断升高的闭路循环。如果地下水流场保持开采初期的天然状态不变，则受到污染的地下水可以通过侧向径流的方式排出区外，得到充分稀释，这样，地下水常量组分含量和指标升高所波及的范围可能扩大，但上升幅度会明显降低，不致发展到影响使用的程度。但实际上，自漏斗形成以来，地下水向区外排泄的机会越来越少，随着漏斗的发展，在开采区已经形成了相对独立的地下水子系统，就水质而言，该系统是一个使地下水污染组分含量和指标不断升高的闭路循环系统，人为污染物是这一系统污染组分含量和指标增高的主要来源。因此，可以断言，如果不采取有力措施打破这种闭路循环，地下水污染程度将越来越严重。

4　结论和建议

4.1结论

(1)潮白河冲洪积扇中上部地区作为北京市重要水源地分布区，历年来其地下水开采为北京市供水起到了重要作用。20世纪80年代为缓解城市中心区供水紧张局面，建立了市水源八厂。2003年应急水源地在关键时刻为解决北京市供水紧张局面，保障城市供水安全做出了巨大贡献，但是为了缓解近年来一直遭遇的连续干旱年，应急水源地一直持续开采，导致水源地地下水水位持续下降并形成了以其为中心的地下水水位降落漏斗，地下水位下降最大达45 m。

(2)地下水位的持续下降导致地区供水能力下降，同时降低了地下水对污染物的稀释能力，加速了地下水质的恶化。由于水位下降致使包气带加厚，进而加速了地下水硝化作用，使得地表生活污水中氨氮在下渗过程中转化为硝酸盐氮；随着氨氮转化降低了包气带系统的pH值，改变了系统的酸碱环境，进而加速了钙镁盐的溶解，加速了酸性溶滤作用和碳酸溶滤作用。促进了地下水硬度的升高，在部分区域地下水硬度含量年均升高2.6%，局部区域硝酸盐氮和硬度已超标。

(3)地下水降落漏斗的形成致使地下水系统形成封闭系统，一旦污染组分进入该系统不得排出，长期积累使得组分升高，进而导致水质的恶化。因此，超量开采地下水不仅加速了水资源的枯竭，也诱发了地下水化学环境的恶化，使得区域地下水质逐年变差。

4.2建议

从理论上说，应急水源的开采应该持续2～3年，然后必须停采涵养，但是，由于北京市近年来一直处于供水紧张状态，导致怀柔应急水源连续开采近10年，连年超采引发了水资源枯竭和水质恶化等问题。2014年南水北调水进京工程实施，可以利用南水进京对研究区开展回灌或停采养蓄，恢复区域水资源和水环境。

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Effect of Over-exploitation on Underground Water Quality in the Upper Part of the Chaobai River Alluvial Fan in Beijing

WANG Xinjuan1, LI Peng1, LIU Jiurong1, LI Zhiping1, SUN Ying1, LI Shijun2

(1.BeijingInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeology,Beijing100195,China;2.BeijingInstituteofGeologicalandProspectingEngineering,Beijing100048,China)

The middle and upper reaches of Chaobai River alluvial fan supplies the most surface water and groundwater to Beijing, and it plays an important role in the urban water supplies. The water level decreased because of groundwater over-exploitation for years, and lowered up to 45 m in some areas. Total hardness of groundwater in the emergency water resource area increased at average rate of 2.6% annually. Contents of total hardness and nitrate exceed the criterion of Shilipu area in Miyun. This paper analyses the development and utilization of groundwater in Chaobai River alluvial fan, the changes in groundwater level and water quality, and effect of groundwater descending on water quality variations. It is concluded that over-exploitation is the main inducing factor of groundwater quality deterioration of the Chaobai River alluvial fan in the middle and upper reaches. Controlling surface water pollution and groundwater over-exploitation, then using south-to-north water to recharge groundwater and decreasing exploitation is a good way to restore water resources and environment.

over-exploitation； water level drop； recharge runoff and discharge condition； deterioration of water quality

2015-06-24；改回日期：2016-03-07；责任编辑：戚开静。

王新娟，女，教授级高级工程师，博士，1973年出生，水文地质学专业，主要从事地下水资源和水环境评价工作。

Email:xinjuanwang@126.com。

P641.6

A

1000-8527(2016)02-0470-08