北京市东北部地区地下水水质状况及变化特征

李亚楠，胡春春，康 莹，张 新，刘冬跃，李心月

（1.北京市密云水库管理处，北京 101512；2.北京市官厅水库管理处，河北 张家口 075441）

地下水资源是水资源的重要组成部分，地下水资源既是首都发展的基础性资源，更是北京市发展的战略资源和重要保障[1]。地下水作为水资源的组成部分，因其分布面广，易受污染且难以修复，已成为水生态环境的重要影响因素[2]。地下水资源已经成为一个区域经济发展不可或缺的重要自然资源合理高效地利用地下水资源不仅是实现经济社会可持续发展的重要途径[3]。

高飞[3]等的研究结果表明，2015 年之前降水量少，人口密集等原因导致北京市地下水资源的供需矛盾严重。2015年之后，平原地下水埋深呈逐年上升趋势，2021年，由于降水丰沛和潮白河生态补水影响，年末地下水平均埋深上升明显，较2020年末回升达5.64 m。潮白河冲洪积扇中上游地区是北京市地下水资源最丰富的地区，在城市供水中占据了重要地位[1]，位于此区域内的怀柔、密云区是北京市重要的水源地。为研究怀柔、密云区近年地下水水质变化情况，根据北京市水环境监测中心密云水库分中心2012—2021年地下水水质监测结果，从时间尺度分析东北部地区近10年地下水水质变化特征，以期为管理部门做好地下水保护工作提供决策支持。。

1 研究区域概述

1.1 自然地理概况

研究区域为怀柔、密云，位于北京市东北部（见图1）。此研究区域东北、西北和北部三面环山，南部为平原区，地势北高南低。多年平均降水量为465.5 mm，降水年际间差异性较大并且季节性明显，近年降水主要集中在7～9月。区域地下水的补给、排泄直接受自然、地理、水文、气象以及人工开采等因素影响，主要接受大气降水入渗补给、侧向径流补给、水库渗漏、河流入渗补给、京密引水渠渗漏、灌溉回渗补给、南水北调水人工回补以及水库放水补给；排泄方式主要有蒸发排泄、人工开采以及越流补给等[4]。地下径流条件北部地区优于南部地区，地下水总体流向由北向南[5]。

图1 北京市东北部地区地下水监测站点

1.2 地下水资源现状

2012 年末地下水平均埋深为24.27 m，与2011年末比较，地下水位回升0.67 m，地下水储量相应增加3.4 亿m3；与1980 年末比较，地下水位下降17.03 m，储量相应减少87.2亿m3；与1960年比较，地下水位下降21.08 m，储量相应减少107.9 亿m3。2012—2015年，平原区地下水埋深逐年下降，2015年之后，由于南水入京回补地下水及地下水开采量减少的双重作用，平原地地下水埋深呈逐年上升趋势（见图2）。2021 年，由于降水丰沛和生态补水影响，年末地下水平均埋深为16.39 m，与2020年末比较，地下水位回升5.64 m。

图2 平原区地下水年末平均埋深

近年地下水水位年内变化特征为：1～2月地下水水位相对稳定；3～6 月受降雨量少、春季灌溉等因素影响，地下水水位呈持续下降态势；7～10月受降水补给增加影响，地下水水位持续回升；11 月～次年1月，地下水水位基本持平。

2 采样与分析

2.1 采样点布设及样品采集

北京市东北部怀柔、密云区有潮白河地下水库、怀柔应急水源地、潮怀水源地、八厂水源地等重要地下水源地。根据《水环境监测规范》（SL219-2013）地下水监测井布设原则，怀柔区布设14眼监测井，其中浅井9眼，深井2眼，基岩井3眼；密云区布设7眼监测井，其中浅井6眼，基岩井1眼（见图1）。

样品采集严格按照《水环境监测规范》（SL219-2 013）进行。2012—2020 年，每年的4 月（枯水期）和9月（丰水期）采集样品；2021年，由于4月开始进行潮白河生态补水，改为每月进行样品采集。

2.2 评价指标

依据《地下水质量标准》（GB/T14848-2017），根据研究区域水源水质特点及周边地下水水质情况设置监测指标，选取15项指标对研究区地下水质量进行评价。15 项指标分为一般化学指标和毒理学指标。其中，一般化学指标包括总硬度（以CaCo3计）、溶解性总固体（TDS）、硫酸盐、氯化物、铁、锰、铜、锌、钠、耗氧量、氨氮、硫化物等12项指标；毒理学指标包括亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、氟化物等3项指标。

2.3 评价标准

2.3.1 单因子评价法

单因子指数法[6-9]是依据《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）进行评价。该方法运算过程较为简便，可突出主要的污染指标，直观得出最差类别参评指标。见计算公式（1）：

式中：Pi为第i个水质因子的标准指数，无纲量；Ci为第i个水质因子的监测浓度，mg/L；Si为第i个水质因子的标准浓度（《地下水质量标准》II类标准），mg/L。Pi＞1，表明该水质因子已超标，标准指数越大，超标越严重。

2.3.2 改进的内梅罗指数法

传统内梅罗指数法未考虑到浓度较小，难以去除，但对水体危害较大的指标（金属离子、氨氮等）[10]，不能客观反映污染物情况，评价灵敏度较低。同时传统内梅罗指数法中Fi是不连续的，不符合实际情况。所以本文采用倪天翔[11]提出的内梅罗污指数修正公式，如式（2）～式（4）所示[12-13]。

式中：Fi′为修正后的单项指标评价分值；u为样品中某一单项指标实测含量；Si为样品中这一单项指标的第i级标准限值。

式中：Fmax′为Fi′中的最大值；Fˉ′为Fi′的平均值。

改进的内梅指数法评级表见表1。

表1 改进的内梅罗指数法评级表

3 结果与分析

3.1 2021年北京市东北部地区地下水质量评价

3.1.1 单因子评价法

单因子评价法计算结果表明，研究区域一般化学指标中溶解性总固体在各监测站点未超过II 类标准。

研究区域地下水含量偏高的金属指标为总硬度、锌、钠，大部分监测站点总硬度符合III 类标准，其中怀柔区的前桥梓村东和密云区的西田各庄总硬度较高。锌、钠均未超过II 类标准，其中桥梓广场、平头、十里堡的钠元素含量比较高。东白岩、西田各庄锌元素含量比较高。

研究区域地下水主含量偏高的非金属指标为硝酸盐氮、氨氮、硫酸盐、氟化物。其中氟化物为有毒物，但各监测站点氟化物含量均未超过II 类标准，桥梓广场氟化物含量最高。硝酸盐氮在密云区的葡萄园含量最低，符合II 类标准；其余各站点均符合III 类标准，在怀柔区的前桥梓村东含量最高，考虑硝酸盐氮主要来源于周围污水和固体废物渗透到含水层中发生化学反应而引起硝酸盐含量升高。氨氮在密云区的葡萄园含量最低，符合I 类标准；其余各站点均符合II 类标准，在怀柔区的前桥梓村东和葛各庄含量最高，考虑氨氮主要来源于周围居民生产生活所产生的污水[9，14-15]。

综上，研究区域主要污染物为硝酸盐氮，密云区地下水质量总体优于怀柔区，污染最为严重的是怀柔区的前桥梓村东（见表2和图3～4）。

表2 2021年地下水水质监测结果及水质评价结果汇总表

图3 金属评价指标堆积柱形图

图4 非金属评价指标堆积柱形图

3.1.2 改进的内梅罗评价法

改进的内梅罗评价法计算结果表明，怀柔、密云区地下水水质符合符合II 类标准的有20 眼，占95.2%；符合III类标准的有1眼，占4.8%。区域地下水水质集中在II 类，只有密云西田各庄为III 类，水质整体处于优良水平（见表2）。

3.2 北京市东北部地区地下水污染物浓度年际变化特征

3.2.1 年际变化

经过数据筛选，从2012—2021年监测数据中选取硫酸盐、氯化物、氟化物、硝酸盐、溶解性总固体、总硬度6 项指标的年均值进行年际变化的详细分析。2012—2021 年6 项水质指标均呈先上升后下降趋势（见图5），高值均出现在2016、2017 年，考虑原因为2012—2015 年北京市平原区地下水埋深逐年下降，研究区大部分区域地下水无机盐类指标逐年上升[16]，2015年之后在农业种植结构和灌溉方式改进以及南水北调供水等的影响下，北京市地下水位埋深下降速率放缓[3，17]，但地下水埋深上升不明显，水质指标仍延续逐年升高的趋势。2017年之后由于降水丰沛，大气降水入渗补给增多、南水北调水人工回补持续作用以及2021 年开始的潮白河生态补水等的多重作用[18-20]，2021 年末平原区地下水埋深较2017 年末累计上升8.58 m，地下水水位抬升，水质好转[21]。

图5 各水质指标年际变化趋势

3.2.2 年内变化

（1）2012—2021 年，总硬度、硫酸盐在多数年份枯水期含量较高。2013 年硫酸盐和硝酸盐氮在枯水期含量明显高于丰水期；2021年6项指标含量均在枯水期明显偏高。溶解性总固体、氯化物、硝酸盐氮、氟化物在枯水期和丰水期含量接近。枯水期地下水水质较差考虑与4 月的农业生产活动频繁，区域农作物面源污染有关。丰水期和枯水期地下水水质变化趋势见图6。

图6 丰水期和枯水期地下水水质变化趋势

（2）由于降水丰沛和生态补水等的影响，2021年年末地下水平均埋深较2020 年末回升5.64 m。2021年4月底开始进行潮白河生态补水，分中心改为每月进行样品采集，因此选取2021年4月至2022年3 月的地下水数据进行年内逐月变化趋势分析。地下水水质指标逐月变化趋势见图7。

图7 地下水水质指标逐月变化趋势

氟化物和溶解性总固体只在4月和9月进行了监测，溶解性总固体在9月较4月有所下降、氟化物无变化。总硬度在5月最高，9月最低，最高最低值差55 mg/L。

硫酸盐、氯化物、硝酸盐氮年内变化趋势相近，4月春季农耕活动频繁，受农作物面源污染的影响，地下水各水质指标含量偏高，之后呈下降趋势，进入夏季之后，降水量较大，由降水产生的地表径流是污染物的主要载体，随着地表径流入渗，带入地下水的污染物增多，导致9 月地下水指标含量再次升高，此升高趋势持续到11月之后下降。[22-23]

4 结论

（1）通过单因子评价法得知，2021 年研究区域地下水主要污染物为硝酸盐氮，密云区地下水质量总体优于怀柔区，污染最为严重的是怀柔区的前桥梓村东。

（2）通过改进内梅罗指数法得知，2021 年研究区域地下水水质集中在II类，只有密云西田各庄为III类，水质整体处于优良水平。

（3）2012—2021年研究区域地下水6项水质指标均呈先上升后下降趋势，高值均出现在2016、2017年。

（4）2012—2021 年总硬度、硫酸盐在多数年份枯水期含量较高，2013年硫酸盐和硝酸盐氮在枯水期含量明显高于丰水期，2021年6项指标含量均在枯水期明显偏高。溶解性总固体、氯化物、硝酸盐氮、氟化物在枯水期和丰水期含量接近。

（5）2021 年4 月至2022 年3 月，溶解性总固体在9 月较4 月有所下降、氟化物无变化；总硬度在5月最高，9月最低；硫酸盐、氯化物、硝酸盐氮年内变化趋势相近，4月含量偏高，之后呈下降趋势，9月地下水指标含量再次升高，此升高趋势持续到11月之后下降。