2. 城市地下水安全防控技术创新基地, 北京 100195;
3. 首都师范大学水资源安全北京实验室, 北京 100048
2. Urban Groundwater Safety Prevention and Control Technology Innovation Base, Beijing 100195, China;
3. Laboratory of Water Resources Security, Capital Normal University, Beijing 100048, China
北方岩溶水集水资源、旅游资源、生态功能等于一体, 在国民经济建设中发挥了不可替代的支撑性作用[1].北京是极度缺水的特大型都市, 有15个中型以上水源地以岩溶地下水作为供水水源, 年开采量约1.42亿m³.建国近70年来, 北京岩溶地下水研究和开发利用程度不断提高, 岩溶水已成为北京地区重要的供水水源和战略储备水源[2, 3].西山岩溶水系统是北京岩溶水的重要组成部分, 其处于整个北京地下水系统的上游, 绝大部分位于北京市生态涵养区内, 以往开展了大量的水文地质勘查和研究工作[4~6].北京的母亲河——永定河在系统内穿过, 在其下游分布有市水源三厂、杨庄水厂和门城水厂等重要水源地, 历史上采矿活动历史悠久, 其地质和水文地质条件较为复杂.近40年来, 随着岩溶水系统自然条件的改变和人类活动强度的加剧, 特别是采矿业以及相关产业发展, 岩溶水资源系统从输入-结构-水资源要素及转换关系-输出都发生了巨大变化, 出现了泉水流量大幅衰减甚至断流、区域水位趋势性下降和水质变化等一系列岩溶水环境问题[7~9], 研究该区域地下水环境对于生态环境保护和修复治理具有重要意义.
岩溶水文地球化学是研究岩溶地下水状态及其变化的重要手段, 它以地球科学系统理论为指导, 既研究岩溶系统的地球化学背景条件, 也研究岩溶发育特征、岩溶水量、水质特征和其形成、演化的机制, 对研究岩溶地下水循环演化规律具有重要指导意义[10, 11].此外, 水体主要离子组成可以指示地下水补给、径流和排泄过程所经区域的岩石岩性、气象水文和环境特征;示踪地下水循环途径, 反映地下水流系统特征;识别水化学演化的控制因素[12~15].北京西山岩溶水系统在北京7个岩溶水一级系统中面积最大, 裸露、埋藏和覆盖类型均有分布.近年来, 许多学者对西山岩溶水系统的分区边界[16, 17]、水资源要素[18, 19]、泉水复涌[20, 21]、岩溶水发育规律与补给条件[5, 22]和循环深度[23]等方面进行了多方面的研究.但对于该区域的岩溶水环境方面的研究较少, 伴随着北京市矿山全面停采、永定河常态化生态补水以及生态涵养工程的大力推进, 迫切需要开展该区域岩溶地下水水化学组成、变化和控制因素等方面的研究.本文将从水文地球化学角度, 系统研究西山岩溶水系统水化学特征及控制因素, 查明水环境特征成因, 以期为北京西山岩溶水科学保护、合理开发以及污染防治提供依据, 并为国土空间生态修复提供科学支撑.
1 研究区概况北京西山岩溶水系统总面积3 591.89 km2[3], 其西北以白羊石虎地表分水岭为界, 北部至横岭背斜轴部、於白断裂, 东北界为南口断裂, 东南边界至黄庄-高丽营断裂, 南部边界为拒马河地表分水岭, 西部边界北段以水峪尖地表分水岭为界, 南段为镇厂河地表分水岭[24][图 1(a)].岩溶区主要地层为中新元古界长城系高于庄组, 蓟县系杨庄组、雾迷山组、铁岭组, 青白口系景儿峪组、下马岭组, 以及古生界的寒武系、奥陶系, 中生界的侏罗系[16].中新元古界碳酸盐岩主要为白云岩, 其成分以碳酸镁为主, 而古生代的寒武、奥陶系碳酸盐岩主要为灰岩, 以碳酸钙为主, 二者钙镁含量差异明显, 为岩溶地貌发育奠定了基础[图 1(b)][25].研究区地貌类型以中低山为主, 属典型暖温带半湿润大陆性季风气候, 1961~2020年该区域内年平均降雨量为579.65 mm[3].区内主要河流水系分属海河水系的大清河、永定河和北运河流域, 主要河流有拒马河、大石河、永定河和大清河, 地下水总体由西北流向东南.区内岩溶水接收大气降水、永定河和大石河等河道渗漏补给和非可溶岩的间接补给.排泄方式以人工开采、地表水基流和泉水为主[17].
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(a)北京岩溶水一级系统分区;(b)西山岩溶水系统地质 图 1 研究区水文地质与取样点位置示意 Fig. 1 Hydrogeology map and sampling sites in the study area |
2021年5~6月对北京市西山岩溶水系统开展了野外调查与样品采集工作, 共采集地下水样品120件, 其中白云岩含水岩组51件、灰岩含水岩组56件、裂隙水含水岩组13件, 采样点分布位置如图 1所示.取样时, 一般在泵抽井水5 min后收集, 以冲洗井管中的积水, 降低蒸发可能对样品的影响.采用DZB-712便携式多参数分析仪现场测定水温(T)、pH和DO(溶解氧)等参数.取样时采用1 000 mL聚乙烯塑料瓶, 用水样润洗3次, 样品尽量装满, 密封并避光低温保存, 用以检测K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+-N(氨氮)、Cl-、SO42-、F-、NO3--N(硝酸盐氮)、TH(硬度)、TDS(溶解性总固体)和EC(电导率);采用300 mL聚乙烯塑料瓶, 以检测CO32-和HCO3-.Fe(总铁)和Mn(全锰)等参数送往北京市中科英曼环境监测有限公司检测, 测试方法如表 1所示.
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表 1 指标参数测试方法 Table 1 Parameter testing methods |
采用SPSS 24.0软件对地下水的水化学参数进行统计分析, 并开展主成分分析(principal component analysis, PCA), 以确定微量元素分布的主要影响因素.应用ArcGIS 10.8软件, 通过克里金插值分析主要离子的空间分布特征.应用Origin 2019绘制Piper三线图、Gibbs图和离子当量关系图, 进行水化学成因分析.
3 结果与讨论 3.1 水化学统计特征对120件样品的19项指标进行Shapiro-Wilk正态分布检验, 如果检验结果中的P值> 0.05则数据为正态分布, 否则为偏态分布.根据检验结果, 在西山岩溶水系统中, TH和Mg2+属于正态分布, 其余参数均属于偏态分布.对样品进行描述性统计, 具体见表 2.从统计结果可以得出以下结论.
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表 2 北京市西山岩溶水系统地下水理化参数的统计性描述 Table 2 Statistical description of physical and chemical parameters of groundwater in the Beijing Xishan karst water system |
(1)西山岩溶水的pH介于6.09~9.12之间, 平均值为7.63.白云岩、灰岩和裂隙含水岩的pH依次增大.根据水文地质术语(GB/T 14157-93)分类, 白云岩含水岩组约有98.04%的水样为中性水(6.5 < pH < 8.0), 只有1.96%的水样为碱性水(pH≥8.0).灰岩酸性水(pH < 6.5)、中性水和碱性水所占比例分别为1.79%、87.50%和10.71%.裂隙含水岩组中性水和碱性水所占比例分别为92.31%和7.69%.
(2)ρ(TDS)介于74.23~934 mg·L-1之间, 灰岩含水岩组的ρ(TDS)最大, 平均值为448.54 mg·L-1, 白云岩最小, 为362.84 mg·L-1, 均属于淡水[ρ(TDS) > 1 000 mg·L-1].ρ(TH)在3类含水岩组几乎相等, 为296.08~297.77 mg·L-1.白云岩硬水[150 mg·L-1 < ρ(TH) < 450 mg·L-1]和极硬水[ρ(TH)≥450 mg·L-1]所占比例分别为92.16%和7.84%.灰岩ρ(TH)在74.23~536.00 mg·L-1之间, 软水[ρ(TH) < 150 mg·L-1]、硬水和极硬水所占比例分别为10.71%、80.36%和8.93%.裂隙含水岩组ρ(TH)在86.00~551.00 mg·L-1之间, 平均值为333.00 mg·L-1, 软水、硬水和极硬水所占比例分别为15.38%、69.23%和15.38%.
(3)白云岩含水岩组、灰岩含水岩组和裂隙含水岩组中EC分别介于306.00~1 490.00、18.60~1 340.00和298.00~1 040.00 μS·cm-1, 均属于低盐浓度[26].从平均值上来看, 灰岩EC为740.67 μS·cm-1, 三者中最高, 其次为裂隙含水岩组628.92 μS·cm-1, 白云岩最低, 为624.39 μS·cm-1.
(4)地下水中阴离子以HCO3-为主, 三者的占比大小依次为:灰岩含水岩组(75.47%) > 裂隙含水岩组(74.18%) > 白云岩含水岩组(55.68%).阳离子以Ca2+和Mg2+为主, Ca2+含量由大到小依次为:灰岩含水岩组(55.39%) > 裂隙含水岩组(51.91%) > 白云岩含水岩组(46.43%), Mg2+含量由大到小依次为:裂隙含水岩组(38.83%) > 灰岩含水岩组(35.28%)大于白云岩含水岩组(27.20%).从毫克当量浓度(meq·L-1)来看, 岩溶裂隙水的阴、阳离子浓度大小关系为:HCO3- > Ca2+ > Mg2+ > SO42- > Na+ > Cl- > K+.
3.2 地下水水化学类型Piper三线图可直观展现水化学主离子的组成特征, 辨别水化学形成与演化的控制因素, 有助于对水质结果进行分析比较, 更好地理解水文地球化学作用过程[27].从整体上来看, 研究区水样总体位于Piper图的1、3和5区, 碱土金属离子(Ca2+和Mg2+)毫克当量超过碱金属离子(Na+和K+), 弱酸根(HCO3-)超过强酸根离子(SO42-和Cl-), 地下水离子含量主要受溶滤作用影响, 水化学形成岩石风化和大气降水作用共同控制.
按舒卡列夫式分类, 白云岩含水岩组岩溶水类型共有8种类型, 以HCO3-Ca·Mg型(84.31%)为主, 其次是HCO3·SO4-Ca·Mg型(3.92%), 其余6种水化学类型占比11.69%(图 2).灰岩含水岩组岩溶水类型变化多样, 共计21种, 其中以HCO3·SO4-Ca·Mg型(19.64%)和HCO3-Ca·Mg型(17.86%)最多, 其他水化学类型占比小于10%.裂隙含水岩组地下水类型共有6种类型, 其中以HCO3·SO4-Ca·Mg型(30.77%)、HCO3-Ca·Mg型(23.08%)、HCO3-Ca(15.38%)和SO4·HCO3-Ca·Mg型(15.38%)为主, 其他水化学类型占比小于10%.
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图 2 西山岩溶水Piper三线图 Fig. 2 Piper three-line diagram of Xishan karst water system |
比较白云岩和灰岩含水岩组岩溶水发现, 灰岩含水岩组地下水类型样式(21种)远多于白云岩(8种), 具体表现为灰岩含水岩组中的Ca2+和Mg2+占比大于白云岩含水岩组, 而Na+、SO42-和Cl-占比小于白云岩组.从空间分布来看, 灰岩含水岩组混合型主要分布在玉泉山-潭柘寺岩溶水子系统内的永定河沿岸附近, 这一区域属于西山岩溶水系统的排泄区, 伴随着水岩相互作用, 地下水流经路径的延长, 溶滤作用进一步增强, 同时该区历史上分布有数千座大大小小的煤矿和石材矿, 矿山开采疏排水对地下水环境造成了较大的扰动, 也是造成这一区域水化学类型样式多样的主要原因[28].子系统内分布有鲁家滩和军庄两个灰岩裸露补给区是该区域地下水重要的补给区.从鲁家滩到排泄区的水化学类型依次为HCO3·SO4-Ca·Mg型→ HCO3·SO4-Ca·Mg·Na型→ HCO3·SO4·Cl-Ca·Na型.从军庄到排泄区的水化学类型依次为HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg型→HCO3·SO4·Cl-Ca·Na·Mg型→ HCO3·SO4-Ca·Mg·Na型.SO42-参与水化学命名这种现象与梁永平等[1]在北京西山杨坨、西杨坨和潭柘寺等地发现的“老窑水”引发的水质变化情况具有很好吻合性, 应引起足够的重视.
3.3 主要离子的空间分布特征基于ArcGIS 10.8软件, 绘制主要离子空间分布(图 3).结果显示:pH在西部、西北较东南部要高, 愈往东南部, 靠近排泄区, pH愈低[图 3(a)].EC[图 3(b)]、TH[图 3(c)]和TDS[图 3(d)]在空间上具有相似的分布特征, 即在永定河沿岸(永定-龙泉-军庄-妙峰山-王平-雁翅镇)及其以北、黄庄-高丽营断裂处浓度较高.HCO3-[图 3(e)]、SO42-[图 3(f)]和Cl-[图 3(g)]具有相似的分布特征, 永定河断裂、牛口峪-长沟断裂、沿河城-南口山前-琉璃庙断裂处浓度较高, 东部山前排泄地带明显高于山区补给区.Fe[图 3(h)]和Mn[图 3(i)]两者空间分布特征相似, 即在系统的西北部浓度较高.
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图 3 pH、EC、TH、TDS、HCO3-、SO42-、Cl-、Fe和Mn空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of pH, EC, TH, TDS, HCO3-, SO42-, Cl-, Fe, and Mn |
Gibbs图中常用Na+/(Na++Ca2+)、Cl-/(Cl-+HCO3-)与TDS的散点图解释控制自然水体离子化学特征的3个重要自然机制:水-岩相互作用、蒸发浓缩和大气降水[29, 30].图 4(a)和4(b)显示, 白云岩含水岩组、灰岩含水岩组和裂隙含水岩组Na+/(Na++Ca2+)值分别为0.13、0.33和0.15, Cl-/(Cl-+HCO3-)均值分别为0.09、0.22和0.10, 分布在图的左侧中部, 表明水岩相互作用制约了西山系统地下水的水文地球化学过程, 是导致该区域水化学形成的关键水文化学过程[31].此外, 灰岩含水岩组Na+和Cl-浓度十分不稳定, 具体表现为Na+/(Na++Ca2+)和Cl-/(Cl-+HCO3-)变化范围分别为0.04~0.85和0.03~0.94, 甚至样点位于模型范围之外, 说明灰岩含水岩组还可能受到地质环境、人类活动等其他因素的影响[32].
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(a)和(b)Gibbs图,(c)Mg2+/Na+ vs. Ca2+/Na+,(d)HCO3-/Na+ vs. Ca2+/Na+,(e)(Ca2++Mg2+)/HCO3- vs. SO42-/HCO3-,(f)Ca2++Mg2+-HCO3- vs. SO42--Na++Cl-,(g)Na+ vs. Cl-,(h)HCO3-+SO42- vs. Ca2++Mg2+,(i)Ca2++Mg2+-HCO3--SO42- vs. /Na+-Cl-,(j)NO3-/Na+ vs. Cl-/Na+ 图 4 主要离子关系 Fig. 4 Series plots of the major relationships |
端元图一般用来确定影响水化学成分的岩石风化源类型.3种端部构件包括:碳酸盐岩、硅酸盐和蒸发岩.碳酸盐端元的Ca2+/Na+、Mg2+/Na+和HCO3-/Na+值分别为50、10和120, 硅酸盐端元的Ca2+/Na+、Mg2+/Na+和HCO3-/Na+值分别为0.35±0.15、0.24±0.12和2±1, 蒸发岩端元值位于硅酸盐端元和碳酸盐端元连线偏下位置[33].图 4(c)和图 4(d)显示, 白云岩含水岩组、灰岩含水岩组和裂隙含水岩组地下水样品分别落在碳酸盐端元和硅酸盐端元的连线、蒸发盐和碳酸盐连线上, 同时更接近碳酸盐端元, 表明水化学组分由蒸发岩、硅酸盐和碳酸盐共同控制, 以碳酸盐风化为主要控制因素.
图 4(e)显示, 大部分地下水样位于石膏溶解线和碳酸溶解碳酸盐岩线之间, 部分还靠近硫酸溶解碳酸盐线, 表明Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸盐岩的溶解和石膏溶解, 部分还来自硫酸对碳酸盐岩的溶解[34].利用[(Ca2++Mg2+)−HCO3-]/[SO42--(Na+-Cl−)]/值判断是否来源于石膏的溶解[35, 36].图 4(f)显示, 区域地下水除部分样点偏离毫克当量比值为1∶1的直线外, 其它点均在该直线附近, 说明地下水中SO42-主要来自于石膏的溶解.
水体中Na+主要来源于大气降雨、硅酸盐矿物溶解和盐岩矿物溶解.Na+/Cl-值称为地下水成因系数, 是表征地下水中Na+富集程度的水文地球化学参数.图 4(g)显示白云岩含水岩组地下水样大部分位于雨水线(Na+/Cl-=0.86)和盐岩溶解线上(Na+/Cl-=1), 说明白云岩含水岩组中Na+来源于大气降雨以及盐岩的溶解[37, 38].而灰岩含水岩组和裂隙含水岩组地下水样大部分位于盐岩溶解线的上方, 其中Na+/Cl-平均值分别为1.45和2.98, 表明地下水中Na+除来自盐岩矿物溶解外, 还来自于硅酸盐矿物的风化溶解或阳离子交换作用.
一般用(Ca2++Mg2+)/(HCO3-+SO42-)值来分析水体中Ca2+、Mg2+、HCO3-和SO42-的来源.白云岩含水岩组、灰岩含水岩组和裂隙含水岩组地下水的(Ca2++Mg2+)/(HCO3-+SO42-)平均值分别为1.06、1.02和0.97, 图 4(h)显示, 少部分灰岩含水岩组岩溶水分布于1∶1等当量线上方, 表明Ca2+和Mg2+不足平衡HCO3-和SO42-, 这种现象的原因可能与阳离子交换或硅酸盐岩矿物风化有关.
(Na+-Cl-)/(Ca2++Mg2+-HCO3--SO42-)值[图 4(i)][39]显示白云岩含水岩组地下水样点靠近原点, 表明环境中阳离子交换作用微弱.灰岩含水岩组和裂隙含水岩组地下水样分散在斜率为1附近, 表明水体中Ca2+、Mg2+与岩石中的Na+发生了交换.
在地下水水化学演化过程中, 人类活动也发挥着重要的作用.一般常用NO3-/Na+和Cl-/Na+值来指示人为活动对水环境中硝酸盐组成的影响[40, 41].NO3-/Na+和Cl-/Na+的平均值分别为0.155和0.876, 范围分别在0.00~0.72、0.11~1.93之间, 图 4(j)中样品点落于左下方的岩石风化和公共污水区域内及其附近, 表明地下水在受岩石风化作用的同时还受公共污水的影响[42].
3.5 主成分分析PCA通过提取该区域岩溶地下水的TH、TDS、EC、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-、SO42-、F-、DO、Fe、Mn和NH4+-N等15个参数, 对其成因进行主成分分析(PCA).研究变量之间存在的线性相关关系(表 3), Kaiser Meyer-Olkin(KMO)检验系数为0.781, 单个变量的KMO检验系数均大于0.5, Bartlett球形检验结果P < 0.001, 表明本样本数据适合进行PCA分析[43].
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表 3 北京西山岩溶水系统地下水水质参数相关性分析1) Table 3 Correlation analysis of groundwater quality parameters in the Beijing Xishan karst water system |
PCA结果显示, 本研究共提取4个主成分, 累积方差贡献率达83.80%(表 4).其中F1因子贡献率为34.406%, 主要载荷为TH、Ca2+、HCO3-、TDS、EC、Mg2+和SO42-;F2因子贡献率为27.327%, 主要载荷为F-、Na+、Cl-、K+;F3因子贡献率为11.764%, 主要载荷为Fe和Mn;F4因子贡献率为10.301%, 主要载荷为DO和NH4+-N.
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表 4 研究区地下水水样旋转主成分载荷矩阵和方差贡献率1) Table 4 Rotating principal component load matrix and variance contribution rate of groundwater samples in the study area |
在主成分F1中, 各元素之间存在相关性关系(P < 0.05), 表明这些元素具有相似的来源或化学特征.Ca2+、Mg2+、HCO3-主要源于碳酸盐岩的风化作用, 而这些离子和SO42-的存在, 往往会导致高的TH、TDS和EC值.因此, 主成分F1主要为碳酸盐岩溶解.在主成分F2中, Na+和Cl-的高荷载值主要源于岩盐的风化作用, K+主来源于硅酸盐.岩盐、硅酸岩盐的溶解伴随着地下水中F-的浓度的升高, 表现为F-与Na+(r = 0.520)、Cl-(r = 0.335)和K+(r =0.453)的正相关关系.因此, 主成分F2可以解释为岩盐、硅酸岩盐溶解.在主成分F3中, 含水层沉积物中的铁锰是地下水中铁锰的主要来源, 沉积物中Fe、Mn氧化物的溶解是Fe和Mn进入地下水最重要的地球化学过程.因此, 主成分F3主要为含水层中沉积物的溶解.在主成分F4中, DO可间接反映地下水受有机污染的程度, 除了沉积物中丰富的有机质外, 生活污水和工业废水排放也会使DO含量升高[44].深层地下水中的氮污染源主要来自浅层地下水, 而浅层地下水中的氮污染主要来自于工业废水、生活污水和农业施肥[45].研究区位于西山山区, 几乎无工业基地, 结合图 4(j)的分析结果可知, 主成分F4主要为生活污水排放的影响.
4 结论(1)西山岩溶水地下水呈中性、低盐度、硬度偏高的特点, 表现为pH平均值为7.63, EC和ρ(TDS)分别小于1 500 µS·cm-1和1 000 mg·L-1, 84.17%水样属于硬水.其中灰岩含水岩组pH变化范围较大, 裂隙含水岩组极硬水比例最大.水中主要阳、阴离子分别为Ca2+、Mg2+和HCO3-, 水化学类型以HCO3-Ca·Mg和HCO3·SO4-Ca·Mg型为主, 愈往下游排泄区, 水化学类型更为复杂.总体上, 白云岩的水化学类型集中度更高, 而灰岩的水化学类型最为多样, 裂隙性含水岩组介于二者之间.
(2)从补给区到径流区再到排泄区, 岩溶地下水的EC、TH和TDS浓度呈上升趋势, 水质类型更为复杂.矿山开采疏排水对地下水环境带造成了较大的扰动, 较强的人类活动也是造成山前地带水化学类型样式多样和水质较差的主要原因.地下水离子含量主要受溶滤作用影响, 大气降雨和蒸发浓缩的影响相对微弱.岩石风化源类型由蒸发岩、硅酸盐和碳酸盐共同控制, 以碳酸盐风化为主要控制因素.岩溶水中Ca2+、Mg2+、Na+和Cl-来自于方解石(CaCO3)、白云石[CaMg(CO3)2]和岩盐(NaCl)等矿物的溶解, HCO3-和SO42-均参加了研究区岩石风化的溶解, 含硫矿物的氧化是硫酸的主要来源.其中灰岩含水岩组中Na+和Cl-变化范围较广, 受到阳离子交换和人类活动等影响.
(3)本文主成分分析共提取4个主成分, 累积贡献率达83.80%, 其中34.406%主要来源于碳酸盐溶解(主要包括Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、TH、TDS和EC), 27.327%来源于岩盐、蒸发岩溶解(主要包括F-、Na+、Cl-和K+), 11.764%来源于含水层沉积物溶解(主要包括Fe和Mn), 10.301%来源于生活污水排放和农业面源污染(主要包括DO和NH4+-N).
(4)西山岩溶水系统位于北京西部山区, 大部分区域属于生态涵养区, 处于整个北京地下水系统的上游, 属于补给区, 区内裸露、埋藏和覆盖类型的岩溶含水层均有分布, 地质和水文地质条件较为复杂, 地下水环境较为脆弱.未来应进一步加强环境治理, 做好点源和面源污染治理, 对重点部位持续监测, 为供水安全和生态环境保护提供科学支撑.
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