北京地区地下水环境背景值选取方案初步研究

刘元章　吴芮欣　王旭　王树芳　王丽亚　崔一娇　郭彬彬　孙赵爽　杜璇

摘 要：选择受人类活动影响较小的北京山区基岩水（包括泉水）和北京平原区隐伏基岩水进行取样测试，分析水质的影响因素及其分布演化规律。分析结果：一是地层岩性对水质起到一定的控制作用，不同岩性介质中的水质会有不同特点;二是运移时间长短的不同，会影响水质特点;三是人类活动对地下水的原始状况产生了较大的影响。故背景值的选取应尽量避开地层岩性、运移时间、人类活动的影响。基于上述认识，提出了本区地下水背景值选取的3种方案并进行了对比探讨，包括：（1）工业化之前的大气降水;（2）工业化之前的地下水;（3）当前水质最好的地下水。经综合分析研判，基于极限推理的方法，认为可参照工业化之前的大气降水水质浓度值作为地下水环境背景值，这在原理上更加符合背景值的含义，同时便于不同岩性区（包括第四系）统一对比，方便使用。通过资料收集，初步给出了一套可作为北京地区地下水环境背景值的主要离子浓度值，同时在有机指标方面也进行了分析探讨。

关键词：地下水;环境背景值;山区基岩水;隐伏基岩水;北京地区

中图分类号：P641     文献标识码：A     文章编号：1007-1903（2019）04-0010-07

Abstract： This study takes Beijing as the study area， and the bedrock water （including spring water） in the mountainous area of Beijing and the hidden bedrock water in the plain area of Beijing were sampled and tested， and the influencing factors and distribution and evolution law of water quality were analyzed. The results are as follows： firstly， the lithology of strata plays a dominant role for the water quality， water in different rocks will have different characteristics; secondly， different migration time will affect water quality characteristics; thirdly， human activities have a greater impact on the original condition of groundwater. Therefore， when we select the background values， the above three effects including lithology， migration time， and human activities should be avoided as far as possible. Based on the above understandings， three selection schemes of groundwater background values in this area are proposed and compared， including： （1） Precipitation before industrialization; （2） Groundwater before industrialization; （3） Groundwater with the best water quality at present. Through comprehensive analysis and comparison， based on the method of limit reasoning， it is considered that the atmospheric precipitation water quality before industrialization can be selected as the background value of groundwater quality， which is more in line with the meaning of background values in principle， and is convenient for the unified comparison of different lithologic zones （including Quaternary） and easy to be used. Through data collection， a set of main ion concentration values that can be used as background values of groundwater environment in Beijing area are preliminarily proposed， also the organic indexes are analyzed and discussed.

Keywords： Groundwater; Environmental background value; Bedrock water in mountainous area; Beijing area

0 引言

地下水環境背景值是地下水质量评判和污染程度评价的重要标尺。当前随着工业化的不断发展，地下水环境不断恶化。但要具体定量化描述地下水污染的程度，必须要基于一定的评判标准，在此基础上才能判定污染的程度及范围，并提出相应的治理措施。1975年，美国人康纳率先提出了环境背景值的概念（中国环境保护总站，1990）。地下水环境背景值又称为地下水环境本底值，是地下水中各个化学组分在未受污染的情况下的自然含量（耿婷婷等，2018）。随着对地下水污染问题的日益重视，关于地下水环境背景值的研究也纷纷展开。Mike Edmunds和Paul Shand（2008）出版了《天然地下水水质》（Natural Groundwater Quality），对12个国家25个含水层进行了背景值实例研究，是含水层天然水质背景值的重要参考资料（庞忠和，2009）。

由于普遍存在缺乏历史资料的问题，我国当前已有的相关研究中背景值的选取主要有3种方法（郭高轩等，2010）：（1）类比法：选取与工作区自然条件相似的、没有污染或污染相对较轻的邻区作为对照区，以其地下水质作为背景值。也可取污染较轻的深层地下水作为背景值;（2）历时曲线法：在收集长序列水质资料基础上，研究其演化过程，当地下水中某一或某些组分浓度出现阶跃性变化时，说明地下水环境发生了较大的变化，以变化前的水质统计指标作为背景值;（3）数理统计法：是目前应用最多的方法。通过取样测试后对数据进行数理统计分析，首先对样本数据的分布类型进行检验，剔除异常值，然后根据不同的分布类型来选用不同的背景值取值方法。如组分浓度服从正态分布时，可取其算术平均值（夏晨等，2006），也可选均值±S或±2S（标准差）作为上下限（罗格平，1990;樊丽芳等，2004;宇庆华等，1991;齐万秋等，1994;高迪等，2006）;当服从对数正态分布时，取几何平均值;当服从偏态分布时，则取累计频率为50%处的浓度值（齐万秋等，1994）。

由于当前的某次取样并不能反应工业化之前的较为天然状态下的真实状况，故以往的研究在原理上均存在一定的偏差。本次研究在进一步分析探讨地下水质演化规律的基础上，尽量收集早期历史水质资料，力争给出更加符合原理、更加逼近天然状态下的背景值标准，同时在有机指标方面也进行了一定的探讨。

1 区域概况

北京地形西北高，东南低。西部为太行山脉，北部为燕山山脉，东南是一缓倾平原，主要由永定河和潮白河冲洪积扇组成。平原面积约占全市的39%，山地面积占61%。北京地区属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候，多年平均气温11.7℃;年降水量在300～800mm之间，多集中在6—9月（北京市地质矿产勘查开发局等，2018）。

北京地区属于华北地层分区，除普遍缺失震旦系、奥陶系上统、志留系、泥盆系、石炭系下统、白垩系上统及新近系古新统外，从太古界古老变质岩到第四系均有分布。侵入岩主要分布在昌平、延庆、怀柔、密云等县及西山地区，平原区也有一定分布（北京市地质矿产勘查开发局，1991）。

2 取样测试

本次主要对受人类活动影响较小的北京山区基岩水（包括泉水）和北京平原区隐伏基岩水进行取样测试，共计260件。取样点分布如图1所示。

检测无机指标包括一般全分析和特殊指标，共39项;检测有机物种类为卤代烃、单环芳烃、氯代苯、多环芳烃、有机氯农药5类，共计39项指标。水样参照《生活饮用水卫生标准检验方法》（GB/T 5750-2006）进行分析测试。本次主要依据《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）对测试结果进行了分析研究。

3 水质分布规律分析

本研究对所有水样的取水层位进行了细致界定，对由于封井结构不了解等原因而层位不清的水样进行了剔除;同时为避免不同岩层之间地下水由于径流而相互混合，尽量选取位于流域顶端的水井样进行分析。通过对各层组的水样测试数据的分析，大致得出以下3条规律：

（1）地层岩性不同，对水质起到一定的控制作用。

如太古界变质岩和花岗岩可溶成分较少，故其中的地下水硬度相对较小;灰岩类地层中，如长城系、蓟县系、寒武系及奥陶系，岩层可溶性钙镁成分相对较多，水质类型多为HCO3 -Ca·Mg型，pH值稍高，呈碱性，电导率较高;侏罗系及白垩系部分火山沉积岩中的可溶成分相对较少，故硬度也較小;白垩系为陆相沉积岩，由于成岩历史较短，可溶性成分较多，水质成分较为复杂，电导率较高。另外，如果地层中含有煤层，则SO、Fe3+、Mn离子浓度往往会很高，并且具有较低的pH值;如经过硫磺矿，则水质会受到更大的影响，如昌平禾子涧井，硬度达1170mg/L，SO浓度达1010mg/L，而该村另一未经硫磺矿影响的井水质良好。可见，所属基岩介质的成分特点对其中地下水的水质有着明显的控制作用。

（2）运移时间长短的不同，也会影响水质的特点。

降水开始进入地层后，在运移过程中会和地层产生不断地可溶成分的溶入、离子交换及吸附等过程，运移时间越长，进入其中的离子成分就会越多。这一特点从泉水样和隐伏基岩样、地热水样的对比中可以发现。

泉水多属于浅表性循环过程，运移时间较短;而隐伏基岩水运移时间一般相对较长。本次所取14个泉水样的平均硬度值为250mg/L，而所取的16个隐伏基岩水的平均硬度值为380mg/L，大致反应出这一特征。地热井的水质明显不同于其他井水，也反映出这一特点。

（3）人类活动对地下水的原始状况产生了较大的影响。

如浅表的泉水和变质岩及花岗岩风化层中的地下水，由于其风化层一般较薄，地下水埋藏较浅，较容易受到大气污染物及其他人类活动的污染，使得SO、Cl-浓度容易出现较高的现象。奥陶系岩溶裂隙发育，贯通性较好，水质也易受外界干扰，变化较大。

4 背景值选取方案探讨

4.1 无机指标部分

通过上述分析，大气降水开始进入地层后，便开始朝着不同的方向发生演化，由于基岩介质的不同，及运移时间长短的不同，水质便会不同。另外，后期的人类活动也会大大改变地下水的原始状况。因此，要选取背景值，应当尽量选取避开这3种影响的、初始状态的水，则可有以下3种选择。

（1）工业化之前的大气降水

从上述分析可知，大气降水一旦进入到地下，由于介质的不同便会发生不同的离子交换、吸附等的物理化学过程，而产生出不同的水质。不同区域的地下水只有降水刚进入到地下时的初始状态的水质状况是相同的。因此，可将未受污染的天然状态下的大气降水的水质情况作为背景值，以对不同演化方向的地下水的变化情况作出评价。

本次收集到1973年开始对北京地区大气降水水质进行监测研究的资料，该研究共取样10余次，采集样点41个，分析项目共计28项（王健民，1979）。

我国的工业化开始较晚，到1973年时对大气的污染相对较轻。因此，该数据可作为本区大气降水水质的本底值，同时也可作为本区地下水开始演化时的参照值。主要阴阳离子的平均值如表1所示。

（2）工业化之前的地下水

工业化之前的地下水水质处于一种较为天然的状态，受人类活动的影响相对较小，故也可作为背景值来加以对比参照。

花岗岩类和侏罗系中的可溶解成分相对最少;加上其风化层相对较薄，泉水的循环交替时间相对较短，故其中泉水的离子浓度相对较低，水质特点最为接近大气降水的成分。本次收集到卧佛寺泉（侏罗系九龙山组，J2j）的历史水质资料（1955.12）（北京市水文地质工程地质大队，1955），主要指标如表2所示。

（3）当前水质最好的地下水

本次所取样品中，水质相对最好的是延庆区张山营镇西大庄科村泉水，该泉位于偏远的西北部山区，岩性为花岗岩，基岩的可溶成分较少，污染相对较轻，且位于流域的顶端，未受径流的干扰，总硬度69.4mg/L，电导率为140.5μS/cm，均为本次样品中的最低，水质相对最好。因此也可近似作为本区地下水水质的背景值备选方案（表3）。

通过对以上3种水质数据的对比分析，认为可参照20世纪70年代大气降水的平均水质浓度值作为背景值，因为其硬度最小，離子浓度较低，同时在原理上也更加合理，上述3种影响的程度也最低。在缺失历史水质数据的前提下，是相对较为理想的背景值的一组参考值。

4.2 有机指标部分

本次检测有机物种类为卤代烃（15项）、单环芳烃（5项）、氯代苯（5项）、多环芳烃（1项）、有机氯农药（11项）共5类，共计39项指标。

本次所取样品中，有机检测项中，共有3类5项指标在部分样品中有检出，主要包括：（1）卤代烃中的三氯甲烷（44件）、二氯甲烷（18件）、溴二氯甲烷（1件）、三氯乙烯（1件）;（2）单环芳烃中的甲苯（3件）;（3）多环芳烃中的苯并芘（2件）。其中卤代烃类的检出最多，共64件，占比92.8%。参照《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）各检出项均只是检出，有机指标部分均满足Ⅲ类地下水标准。

大气中的有机物大部分都是化工生产的产物，但也有少量自然来源。如卤代烃类绝大多数由人为产生，少量来源于自然排放（向武等，2003）;相关研究表明，生物作用会产生三氯甲烷（Haselmann，2003），天然成因的森林大火能产生氯甲烷和二氯甲烷等（向武等，2003）;苯、甲苯自然条件中不仅化石燃料的自燃可以产生，森林山火也可产生（白建辉等，2005）。科学家们通过对冰心空气成分的研究，来推测工业革命以来大气中各种卤代烃类化合物的浓度变化。结果表明，人为来源占主要部分，自然源可忽略不计（Butler et al，1999;Sturges et al， 2001;Sturrock et al， 2002;Prinn et al， 2000），更深层古老冰心中观测到的CCl4浓度仅为5ppt;但也有天然源较强者，CH3Cl的浓度比现在大气中仅少10%～30%（张芳，2006）。

由于缺乏降水水质有机测试的历史资料，对于有机指标部分，可选取当前水质最好的地下水作为背景值。本次所取260个水样中，水质最好的为花岗岩类中的地下水，电导率和TDS均较低。本次花岗岩类9个地下水样中，有机指标检测项均未有检出。因此，可初步选定本次39项有机检测项的地下水环境背景值均为不得检出。

5 讨论

为给出北京地区地下水质的监测与评价的参照标准，本次研究重点对受人类活动影响较小的北京山区基岩水（包括泉水）和北京平原区隐伏基岩水进行了取样测试，对取水岩层层位进行了严格的界定，尽量选取流域顶端、受人类活动影响较小地区的水样进行测试分析。在对水质的分布演化规律进行了研究的基础上，对本区地下水环境背景值选取方案进行了一定的探讨。

经对本次取样数据的分析，初步得出影响水质演化的3个方面的主要影响因素，因此在选取背景值时就应当尽量避开上述3种影响，或者使3种影响程度达到最低。

基于极限推理的思想，认为在无法获取原始地下水水化学数据的情况下，可参照工业化之前雨水成分的浓度值，因为雨水作为“三水”转化的起点，是所有地下水循环的开始，雨水一旦进入地下后便开始不同的水岩作用而沿不同的方向加以演化。雨水的各项指标浓度均较低，作为一个反推的极限值，具有一定的合理性的。这在原理上也较符合背景值的含义，同时便于不同岩性区（包括第四系）的统一对比，方便今后使用。

随着今后对监测工作的推进，可选取水文地质条件相对简单独立、有代表性的岩溶水子系统或基岩裂隙水子系统，从流域顶端到下游，对不同岩性含水层中地下水的演化规律加以研究，争取提出不同岩性条件下的背景值。

6 结论

（1）通过对受人类活动影响较小的北京山区基岩水（包括泉水）和平原区隐伏基岩水取样测试分析，发现影响基岩水质演化的主要因素大致有3个：一是地层岩性;二是运移时间;三是人类活动。故选取背景值时应尽量使这3种影响达到最小。

（2）基于上述认识，提出了3种背景值选取方案：工业化之前的大气降水;工业化之前的地下水;以及当前水质最好的地下水。并进行了对比探讨，依据极限推理的方法，认为可参照工业化之前的大气降水浓度值作为本区地下水环境背景值。这在原理上更加符合背景值的含义，同时便于不同岩性区（包括第四系）统一对比，方便使用。

（3）通过收集本区最早的大气降水水质数据，初步给出了一套可作为北京地区地下水背景值的主要离子浓度值，并对有机指标的背景值也进行了分析探讨。

致谢：感谢编辑部老师和专家给予的宝贵意见和建议。

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