北京平原区地下水承压含水层组防污性能评价

赵 微,杨巧凤,林 健,杨 庆,江 岳

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

北京平原区地下水承压含水层组防污性能评价

赵 微,杨巧凤,林 健,杨 庆,江 岳

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

防污性能研究是保护地下水环境工作的基础，为加强对承压含水层地下水资源的保护，本文分别对北京市平原区3个承压含水层组的固有防污性能进行评价。选取隔水层的岩性、厚度、连续性，含水层的岩性、分层状况和相邻含水层的水头差等要素，构建承压含水层组防污性能评价指标体系，采用评价指标评分加权计算的方法，开展分层评价，最终将防污性能划分为好、较好、中等、较差和极差5个等级。结果表明，由第一承压水层向深层，防污性能逐渐增强；每个层组的防污性能均具有一定的区域分布性，整体来看，平谷区防污性能差，大兴区和通州区防污性能好。

防污性能；承压含水层组；分层评价；北京平原区

0 前言

近年来，由于城市化进程的加快，经济社会的快速发展，许多地区出现了水位下降、地下水污染、地面沉降等地质环境问题，对地下水资源的安全和可持续利用带来了威胁和挑战。目前地下水资源的保护和污染防控已引起社会各界的广泛关注，2013年北京市人民政府发布了“北京市地下水保护和污染防控行动方案”，2015年国务院发布了《水污染防治行动计划》，在地下水污染防控成为研究热点的大环境下，作为世界上水资源最紧缺的特大型首都城市，有效防止和治理地下水污染的工作任重道远。

地下水占全市供水量的60%以上，是北京市的重要供水水源，即使南水北调水进京后，地下水仍占全市供水量的50%左右（张寿全，2012），由于人类活动的影响，北京地下水已出现由点向面、由城市向郊区、由浅层向深层、由无机向有机的污染趋势。浅层地下水是深层地下水的主要补给来源，浅层地下水的污染将对深层地下水造成极大的威胁，目前北京市南部及中部的通州区、大兴区和朝阳区的部分地区由于污水排放、历史污灌等影响，浅层地下水污染严重，不得不开采深层承压水满足供水需求。由于承压水具有更新速度慢，交替程度弱，自净能力低等特点，一旦受到污染，修复难度较大（北京市水文地质工程地质大队，2014），因此加强对承压水的保护已势在必行。

地下水防污性能研究是保护地下水环境工作的基础，研究成果可以为风险评价、环境保护区划以及地下水污染防控提供依据，从而达到有效保护地下水资源的目的。近年来，孟素花、雷静、刘春华等学者对国内多个省市浅层地下水的防污性能开展了研究工作（孟素花，2011；雷静等，2003；刘春华等，2014；李定龙,2013；狄效斌，2008；张翼龙等，2012），郭高轩、黄栋、王存政等对北京市平原区的浅层地下水防污性能进行了评价（郭高轩，2014；黄栋，2009；王存政等，2014），但针对第四系承压含水层组的研究工作较少，而承压水是目前北京市的重要供水水源之一，是地下水的重点保护层位，因此开展承压水层的防污性能研究工作至关重要。

目前国内对承压水层的研究相对较少，仅2006年武强对北大港油气田区、2009年李贵明对项城、2010年孟宪萌对山东省济宁市以及2014年韩德村对武汉市东西湖区进行了承压含水层的脆弱性评价。本文在综合考虑北京市水文地质条件的基础上，分别对平原区不同承压含水层组对上覆含水层组的防污性能进行综合评价，为地下水污染风险评价、环境功能区的划分及制定环境保护措施提供依据，为政府主管部门环境管理提供技术支撑。

1 地理概况

北京市位于华北平原的北部，毗邻天津市和河北省，全市总面积16410.54km2，平原区面积约6528km2，地势西北高东南低。

平原区第四系孔隙水主要赋存于由永定河、潮白河、温榆河、大石河和泃河等河流冲、洪积作用形成的砂及砂卵砾石中，成层性较好。从冲洪积扇顶部至冲洪积平原，含水层结构由单一层逐渐过渡到多层，地下水类型由潜水逐渐过渡为承压水。

依据地层沉积规律、地下水含水层结构、地下水开发利用状况等，在垂向上将平原区第四系的含水层划分为4个含水层组（赵微等，2012），由于浅层承压水与上覆潜水之间隔水层不完全连续，水位埋深相差较小，水力联系密切，因此将单一潜水区及含水层底板埋深小于50m的浅层承压水区合并定名为第一含水层组；第二至第四层组含水层底板埋深分别为80～120m、150～180m和300m左右，为承压含水层组，分别定名为第一承压含水层组，第二承压含水层组和第三承压含水层组。

2 评价方法及指标选取

地下水防污性能（脆弱性）概念是Margat于1968年首次提出，但当时并没有对其做进一步的解释，目前应用较广的是1993年美国国家科学技术委员会提出的定义：地下水脆弱性是污染物到达最上层含水层某特定位置的倾向性与可能性。分为本质脆弱性和特殊脆弱性，其中本质脆弱性指不考虑特定的人类活动和污染物分布，只考虑含水层内部水文地质因素对污染的易损性；特殊脆弱性指地下含水层对某一特定污染源或人类活动的脆弱性（Gogu R C et al，2000；National Research Council，1993；钟佐燊，2005）。

根据定义及研究对象，本次地下水防污性能评价研究的是污染物到达特定承压水层特定位置的倾向性与可能性，即本质脆弱性（也称固有防污性能），只考虑自然地质因素引起含水层污染的易损性。由于地表污染物到达承压水的可能性远小于潜水或浅层承压水，因此本文主要是将上一层的地下水作为潜在污染源，研究其下覆的含水层组对其的防护能力。

2.1 评价方法的选取

地下水防污性能的评价方法较多，包括迭置指数法、模糊数学综合评价法、过程数值模拟法和统计方法等，前两种方法适用于固有防污性能评价，后两种方法适用于特殊防污性能评价（李月兴等，2013；张昕等，2010；杨旭东等，2006；姜桂华，2002）。

迭置指数法主要是通过对选取的评价指标赋予相应的分指数，之后进行迭加，根据迭加得到的综合指数进行评价，得到的结果为定性或半定量的。该方法适用于较大范围地下水的固有脆弱性或固有与特殊脆弱性相结合的评价，又分为水文地质背景参数法和参数系统法（姜桂华，2002），其中参数系统法应用最广，包括Drastic、PI、GOD法等。

模糊数学综合评价法是首先确定评价因子及分级标准，之后对因子赋以相应权重，再通过单因子模糊评判和模糊综合评判来分析地下水的脆弱程度。目前，国内杨彦（2013）、周金龙（2004）、孟素花（2011）等学者采用模糊数学综合评价法或模糊数学与其他方法相结合的评价方法对常州和华北平原等地区的防污性能进行了评价。

两种方法对比，迭置指数法的指标数据比较容易获得，方法简单并易于掌握。由于首次在北京地区开展承压含水层组的防污性能研究，数据资料和研究程度有限，因此本次选取应用最广泛的叠置指数法进行评价，参照Drastic评价方法和思路确定评价指标、评分体系，再根据各指标的权重叠加计算综合指数，确定防污性能评价结果，综合指数值越大，防污性能越差，地下水越易被污染，反之亦然。

式中：A为指标评分，W为指标权重。

2.2 评价指标的选取

（1）影响因素

由于人工开采承压水导致水头下降，诱发浅层含水层中遭受污染的地下水通过天然天窗或因为混层开采、成井工艺差、止水效果不好等导致的人为天窗进入承压水层，造成地下水污染。因此，承压含水层的脆弱性取决于自身的属性、隔水层属性、地下水动力条件以及人类活动对含水层的影响。

（2）指标选取

根据承压含水层防污性能的影响因素进行指标的选取和体系构建，指标体系的选取需遵循3个原则，首先应尽可能全面反映研究区的自然因素与人为因素对防污性能的影响，避免指标重合；其次评价指标须具有代表性；再次需考虑各指标质量等级量化及数据采集的难易程度和可靠性，以保证指标的真实性和可操作性（韩德村等，2014）。

目前对承压含水层的脆弱性评价较少，因此指标的选取主要是在参考借鉴其他学者成果的基础上，结合承压水的自身及人为影响因素进行确定。

综合来看，承压含水层防污性能评价选取的指标主要是反映隔水层和含水层等属性指标以及人为影响指标，其中个别指标虽有所不同，但有一定的相关性，如导水系数与含水层岩性指标；潜水与承压水水头差和承压水开采强度指标。

根据本次的研究对象，反映隔水层属性的指标主要是选取隔水层岩性、厚度、连续性，这几个因子主要考虑污染潜水向下越流问题，隔水层不连续，污染潜水很容易通过天窗越流进入承压含水层，隔水层颗粒粗或厚度小，污染潜水就比较容易越流进入承压含水层；含水层属性指标选取含水层岩性，通常含水层介质的颗粒越大，渗透性越强，防污性能差；反映人为影响指标选取相邻含水层的水头差，其体现的是人类开采地下水的强度，差值的大小反映了污染物进入承压含水层驱动力的大小，差值越大，污染迁移可能性越大，防污性能越差。

另外由于各承压含水层组均是由多个含水层组成，层数多少对于防污性能存在一定影响，层数越多，说明隔水层越多，污染物向下迁移能力越弱，防污性能越强，因此本次评价时增加含水层层数指标（图1）。

表1 评价指标及其分级表Tab.1 Ranges and ratings of evaluation features

图1 防污性能评价指标体系图Fig. 1 Index system of antifouling property

2.3 评价指标的量化分级

地下水防污性能指标的分级标准主要是通过查阅相关文献，了解不同指标对地下水防污性能的影响程度，针对研究区现状初步确定评价指标分级及其特征值，之后向水文地质专家进行咨询和论证，根据对地下水防污性能影响的大小确定各评价指标特征值，分值越高，影响越大，防污性能越差（表1）。

2.4 评价指标的权重确定

参照DRASTIC方法中权重的确定原则，并咨询部分水文地质专业的专家，经综合汇总确定每个指标的权重（表2）。

表2 评价指标权重Tab.2 Assigned weights of evaluation features

3 分层防污性能评价

在各单指标评价结果的基础上，应用MAPGIS的空间分析功能，对各指标对应的评分图按相应权重进行叠加分析，参照公式（1）对各评价指标评分值进行线性加权求和计算，得到各含水层组的综合评价分区图。综合指数的理论值为29～145，为了便于不同承压水含水层组防污性能对比，将地下水防污性能统一划分为5个区（表3）。

表3 防污性能分区表Tab.3 Partition table of antifouling property

3.1 第一承压含水层组评价结果

第一承压含水层组防污性能主要以中等和较差类别为主（图2和表4）。

图2 第一承压含水层组防污性能分区图Fig. 2 Zone map of the fi rst conf i ned aquifer antifouling property

表4 第一承压含水层组防污性能分区统计表Tab.4 Partition table of the fi rst conf i ned aquifer antifouling property

防污性能好和较好区分布范围较小，其中防污性能好区仅分布在海淀山后的小部分地区，约占评价区的0.33%。较好区占评价区的23.9%，主要分布在大兴东部、顺义北部、昌平中部、海淀北部和延庆西南部；其中大兴东部地区主要是由于含水层组颗粒细、层数多，水头差小；昌平中部、海淀北部和延庆西南部地区主要是由于隔水层厚度大，水头差小；顺义北部地区主要是由于水头差小。

防污性能中等区的分布范围最大，占评价区的40.84%，主要分布在通州大部、大兴西部、顺义东部和昌平东部等地区。

防污性能较差区占评价区的24.57%，主要分布在城区、房山、朝阳西北、通州北部、平谷和顺义的部分地区；防污性能差区分布范围较小，占评价区的10.36%，主要分布在朝阳南部、顺义西南和平谷北部等部分地区。城近郊区、房山、顺义和平谷的大部分地区防污性能差或较差，其中城近郊区和房山地区主要是由于隔水层厚度小、含水层层数少、岩性颗粒粗；顺义西部和通州北部主要是由于与上覆含水层水头差大；平谷和顺义东部主要是由于隔水层厚度小、水头差大及含水层颗粒粗、层数少。

3.2 第二承压含水层组评价结果

第二承压含水层组防污性能以好和较好为主（图3和表5）。

图3 第二承压含水层组防污性能分区图Fig.3 Zone map of the second conf i ned aquifer antifouling property

表5 第二承压含水层组地下水防污性能分区统计表Tab.5 Partition table of the second conf i ned aquifer antifouling property

防污性能好区占评价区的35.9%，主要分布在大兴、延庆、昌平西南部和通州西南部，主要受隔水层厚度大、水头差小等影响。

防污性能较好区占评价区的30.56%，主要分布在昌平东部、顺义大部、朝阳中部，其中昌平东部地区主要是由于相邻含水层水头差小；顺义大部分地区主要是由于隔水层厚度大、水头差小；朝阳中部地区主要是由于隔水层厚度大。

防污性能中等区占评价区的20.75%，主要分布在通州东部、顺义中北部和中南部及海淀西南部和朝阳的部分地区。

防污性能较差区分布范围较小，占评价区的10.41%，主要分布在平谷、通州北部和东南部；防污性能差区分布范围最小，仅占评价区的2.38%，分布在通州北部地区，其中平谷地区防污性能差总体较差，主要是由于隔水层厚度小、含水层岩性颗粒粗、层数少；通州地区防污性能较差和差主要是由于隔水层厚度小、水头差大。

3.3 第三承压含水层组评价结果

第三承压含水层组防污性能以好为主（图4和表6）。

图4 第三承压含水层组防污性能分区图Fig. 4 Zone map of the third conf i ned aquifer antifouling property

表6 第三承压含水层组地下水防污性能分区统计表Tab.6 Partition table of the third conf i ned aquifer antifouling property

防污性能好的地区占评价区的51.76%，主要分布在延庆、大兴、通州南部、顺义西南部、昌平东北部和朝阳东部的部分地区，影响因素主要是由于隔水层厚度大，水头差小。

防污性能较好的地区占评价区的18.25%，主要分布在昌平、朝阳和通州的部分地区。

防污性能中等的地区占评价区的21.78%，主要分布在通州中部、朝阳和海淀的部分地区。

防污性能差的地区占评价区的3.91%，主要分布在通州和顺义的小部分地区，影响因素主要是隔水层厚度；防污性能差的地区占评价区的4.30%，主要分布在平谷，影响因素包括隔水层厚度小，含水层岩性粗、层数少以及水头差小。

4 结论

（1）本文参照Drastic评价方法和思路确定评价指标、评分体系。选取隔水层厚度、岩性、连续性、含水层岩性、分层状况及相邻含水层水头差等指标，才确定各指标权重和评分的基础上，采用叠置指数法对防污性能进行评价，初步查明了北京市平原区地下水承压含水层组的防污性能。

（2）从总体来说，平谷区由于隔水层厚度小，总体防污性能最差；大兴区、通州区南部等地区由于含水层层数多、隔水层厚度大等原因防污性能较好；由第一承压层组向深层，防污性能总体呈现变好的趋势。

目前国内对地下水承压水层的防污性能研究工作开展较少，本次针对北京市平原区的承压水层开展分层评价尚属首次尝试，其评价结果受评价方法、评价指标的选取及收集数据资料的完整性影响，有待完善的空间，本文仅抛砖引玉，供其他学者借鉴。

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Antifouling Property Evaluation of Conf i ned Aquifer Group in Beijing Plain

ZHAO Wei, YANG Qiaofeng, LIN Jian,YANG Qing, JIANG Yue

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

Antifouling property research is the basis to protect groundwater environments. To strengthen to protect the confined aquifer groundwater resources, the inherent antifouling property of the three groups of confined aquifers in Beijing plain was evaluated separately in the paper. We selected several features such as aquifuge lithology, thickness, continuity, and aquifer lithology, stratification, and hydraulic head difference of adjacent aquifers, constructing conf i ned aquifer group antifouling property evaluation system, and used weighted evaluation score calculation to carry out stratified evaluation. Eventually antifouling property is divided into five levels.The results indicate that from the shallow conf i ned aquifer to the deep, antifouling property gradually increased.Antifouling property of each layer shows some regional distribution. Overall, poor antifouling property is located in Pinggu district and good antifouling property in Daxing and Tongzhou districts.

Antifouling property; Conf i ned aquifer group; Stratif i ed evaluation; Beijing plain

A

1007-1903（2017）03-0064-07

北京市财政专项经费项目（PXM2015_158305_000010），北京市环境保护局综合研究项目（HCZB-2012-BJ1188）

赵 微(1979- )，女，硕士，高工，主要研究方向为地下水环境监测与评价。E-mail:zhaoweimsb@163.com