近年来，城市化进程的不断加快、 工农业经济一度粗放式的发展，致使许多地区地下水水质持续恶化、 地下水污染面积不断扩大、 深度不断加深、 污染组分更加复杂、 程度持续扩展呈蔓延之势^[1,2]. 水质型缺水和资源性缺水已经严重威胁许多地区生产生活供水安全^[3,4]. 为应对日益严峻的地下水供水形势，许多地区必须投巨资进行改水工程，水井数量不断增加，深度也不断加大. 2011年，环境保护部批准通过了《全国地下水污染防治规划》，一批地下水的监测工程相继实施，一批相关的科研项目也相继开展^[5,6,7]. 2013年国务院批准环境保护部、 国土部、 水利部和住房城乡建设部联合编制了《华北平原地下水污染防治工作方案》,该方案中“潮白河冲洪积扇单元”同时被列为“地下水污染治理单元”和“地下水污染防控单元”^[8]. 本研究中的通州区即位于北京平原潮白河与永定河冲洪积扇的中下游地区，第四系厚度大，地质结构复杂，地下水含水层数多，开采规模较大，水化学类型多变^[9,10,11]. 本研究利用数理统计学方法，在Arcgis软件平台中进行了地下水分层单指标及综合质量评价，探讨各层地下水化学类型的变化，以期为地下水分质供水和分层污染防控等工作提供支撑.

研究区位于北京市平原区的东南部. 区域地理坐标北纬39°36′~40°02′，东经116°32′~116°56′，东西宽36.5 km，南北长48 km，面积912.34 km². 地势比较平缓，自西北向东南倾斜，海拔最高点27.6 m，最低点仅8.2 m. 通州区属大陆性季风气候区，多年平均温度11.3℃，年降水量620 mm左右^[12].

研究区第四系由西往东逐渐增厚，最厚处位于张家湾一带，达600余m. 第四系地下水区域上由北、 西北流向东南. 根据研究区内钻孔资料分析结果，基本沿西南部的西田阳-将辛庄-台湖村-土桥-枣林庄-石槽-曹庄一线形成一个 “凸”字状的卵砾石层与砂层分界线，界线以北地层中多含有砂卵砾石，界线以南则主要由砂层与砂质黏土层组成(图 1和图 2)^[13].

图 1

Fig. 1

图 1 研究区地下水样点分布及水文地质条件 Fig. 1 Site map of groundwater samples and sketch map of hydrological conditions in Tongzhou area

图 2

Fig. 2

图 2 研究区水文地质剖面 Fig. 2 Hydrogeological section of the study area

根据隔水层的相对厚度、 岩性和开采状况，本区含水层以往多被划为2层^[12]. 根据最新的水文地质勘查成果，该区域地下水第四系含水层被细分为3个层位：①浅层地下水，即潜水，主要是指含水层底板埋深在45~60 m左右，地层主要有中、 细、 粉砂为主，中间夹弱透水层，主要接受大气降水、 河渠入渗和灌溉回归补给，开采主要是农业灌溉； ②中层地下水，埋藏深度在80~120 m的承压水，共有约4个含水层，累积厚度在35~40 m，有超过近20 m的黏土与深层地下水相隔，是工业井和部分生活井的主要开采层； ③深层地下水，埋藏深度80~120 m以下至300 m左右，可分为上下两段，岩性上段以细砂为主，下段则有一些粗砂和砾石，由西往东颗粒逐渐变细(图 2)^[14].

2008年通过系统分层采样，共采集样品151件，其中浅层地下水样品78件，中层地下水样品31件，深层样品42件(图 1). 所有样品采样前均要抽水，抽出超过3倍井管水量之后，并且出水电导率达到稳定时开始采集^[15].

测试的项目包括水温、 pH、 DO(溶解氧)、 EC(电导率)、 ORP(氧化还原电位)、 TDS(溶解性总固体)、 硬度、 K⁺、 Na⁺、 Ca²⁺、 Mg²⁺、 SO^2-₄、 Cl^-、 F^-、 HCO^-₃、 NO^2-₃、 NH⁺₄、 铁、 锰. 其中水温、 pH、 DO(溶解氧)、 EC(电导率)、 ORP(氧化还原电位)在现场通过便携式测试仪测定，其它组分送往北京市地质环境监测总站水质分析实验室测试，测试方法见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 参数测试方法 Table 1 Testing methods for parameters 参数 测试方法 K+、 铁、 锰 火焰原子吸收光谱法 Na+ 石墨炉原子吸收光谱法 Ca2+、 Mg2+硬度 EDTA 滴定法 NH+4 钠氏实际分光光度法 HCO-3 酸碱滴定法 Cl-、 SO2-4、 NO2-3 离子色谱法(HLC-601) F- 茜素磺酸锆闭塞法 TDS 蒸干称重法

表 1 参数测试方法 Table 1 Testing methods for parameters

样品单组分依据广泛采用的《地下水质量标准(GB/T 14848-93)》的F值评分法^[16]，综合质量评价采用修正了的模糊数学法进行评价. 评价工作在Arcgis软件平台中完成. 地下水化学类型评判采用AquaChem 3.7 软件中的Piper 模块完成.

表 2是通州区浅中深层地下水样的11项测试指标的统计结果. 从中可以看出：①各层地下水均属于弱碱性水. 除K⁺+Na⁺和pH值外，其余9种组分的平均值均呈现出浅层＞中层＞深层； ②从最大值来看，Cl^-和pH呈现出浅层和中层含量相差不大，而其余9种组分仍然呈现出浅层＞中层＞深层； ③组分的标准差则表现出：HCO^-₃、 Cl^-、 硬度、 TDS和pH 5种组分特征为中层＞浅层＞深层. 其余6种组分则仍表现为由浅层到深层降低的趋势，表明深层水样的均一性更好.

表 2(Table 2)

表 2 研究区地下水化学组分统计 1) Table 2 Stastics of main chemical constituents of groundwater samples within Tongzhou area 分层 统计量 K++Na+ NH+4 HCO-3 Cl- F- SO2-4 铁 硬度 TDS pH EC 最小值 31.70 0.02 295.30 11.30 0.05 4.30 0.00 195.00 439.00 7.00 474.00 浅层(78件) 最大值 471.71 3.00 827.40 323.30 4.40 511.00 11.60 851.00 2146.00 7.92 1951.00 平均值 101.71 0.57 526.49 110.15 0.72 120.80 1.58 498.62 1032.24 7.49 1050.59 标准差 65.18 0.58 101.95 65.52 0.69 91.56 2.35 135.99 290.63 0.19 277.19 最小值 39.27 0.02 233.10 17.00 0.15 34.60 0.00 124.00 453.00 7.06 509.00 中层(31件) 最大值 207.03 2.40 685.90 337.80 1.64 269.90 8.80 974.00 1951.00 8.04 1660.00 平均值 106.80 0.32 523.20 93.19 0.74 99.38 0.96 449.06 990.10 7.59 990.68 标准差 41.04 0.47 117.10 65.55 0.45 48.47 1.87 171.23 301.87 0.25 253.72 最小值 35.20 0.02 152.60 9.60 0.28 15.40 0.00 51.00 393.00 7.69 423.00 深层(42件) 最大值 125.42 0.65 427.10 74.80 1.06 119.10 0.46 375.00 741.00 8.33 807.00 平均值 80.10 0.17 278.77 28.54 0.51 53.94 0.10 155.48 500.71 8.03 582.14 标准差 28.41 0.18 57.70 15.52 0.21 24.09 0.11 71.47 78.22 0.14 83.00 1)K+含量很低，与Na+含量求和后统计； EC单位为：μS ·cm-1； 其余组分单位均为mg ·L-1

表 2 研究区地下水化学组分统计 1) Table 2 Stastics of main chemical constituents of groundwater samples within Tongzhou area

单因子分析的结果表明，引起通州地区地下水质量较差的主要组分是TDS、 硬度、 氨氮、 氟化物和总铁(包含Fe³⁺和Fe²⁺). 对于冲洪积平原的中下游通州地区而言，铁和氟离子超标的现象比较普遍(图 3). 可以看出：①浅、 中、 深层地下水组分均存在超标现象，即Ⅳ类和Ⅴ类. 在151件水样中，浅中深超标水样分别为铁71件、 硬度67件、 TDS 55件、 氟29件、 氯离子3件； ②水样中以浅层地下水超标最为严重，中层次之，深层地下水只有个别水样存在铁和氟超标.

图 3

Fig. 3

图 3 研究区主要离子单因子评价结果 Fig. 3 Statistics of assessment results of Cl，TDS，hardness,Fe and F- within Tongzhou area

组分浓度的平面分布则表现为：①铁超标水样主要分布在通州区的东部地区，即潮白河的冲洪积扇下游，基本沿胡各庄-西集-永乐店一线分布，东部比西部严重； ②浅层和中层地下水中的氟超标区主位于通州牛堡屯西南一带，面积不大，总体西部含量高于东部. ③浅层地下水TDS高值则主要分布在通州区的西南，中深层则分布在通州区的南部(图 4).

图 4

Fig. 4

图 4 研究区各含水层总铁和氟离子超标点分布示意 Fig. 4 Concentration distribution map of the total Fe and F- in each aquifer within Tongzhou area

采用第2节中所述的方法进行综合质量评价，各层评价结果见图 5. 可以看出，通州区地下水质量状况总体不容乐观，地下水由浅层到中层再到深层，地下水质量逐渐变好. 浅层地下水基本上已不存在Ⅰ类地下水，中深层地下水Ⅰ类级别也仅仅占到了1%和6%. 从平面上来看，自西往东地下水质量呈变差的趋势. 各类水所占的比例见表 3. 浅层水质尤其令人堪忧，中、 深层地下水也已经出现了较大的超标范围.

图 5

Fig. 5

图 5 通州区地下水质量评价结果 Fig. 5 Comprehensive groundwater quality assessments within Tongzhou district

表 3(Table 3)

表 3 通州区地下水质量分类面积统计 Table 3 Area statistics of different groundwater quality within Tongzhou district 位置 Ⅰ类水面积 /km2(百分比) Ⅱ类水面积 /km2(百分比) Ⅲ类水面积 /km2(百分比) Ⅳ类水面积 /km2(百分比) Ⅴ类水面积 /km2(百分比) 浅层 0(0%) 4(0.44%) 19(2.11%) 879(96.9%) 5(0.55%) 中层 1(0.11%) 46(5.1%) 307(33.85%) 598(65.93%) 1(0.11%) 深层 6(0.66%) 495(54.58%) 318(35.06%) 94(10.36%) 0(0%)

表 3 通州区地下水质量分类面积统计 Table 3 Area statistics of different groundwater quality within Tongzhou district

结合以往研究成果，分析表明，造成研究区水质较差的原因既与历史上诸多化工厂、 长期污水灌溉有关，而且与日益强烈的人类活动也密切相关^{[17,18,19,20,21]}.

图 6为通州区浅、 中、 深层地下水水化学类型图. 研究区内地下水水化学类型比较复杂，各层呈现出不同的特点. ①浅层地下水水化学类型主要为：HCO₃-Ca ·Mg型、 HCO₃- Mg ·Ca ·Na型和HCO₃ ·Cl-Ca ·Na ·Mg型，并且Cl^-参与命名的水样占到整个浅层水样的20.5%. ②中层地下水水化学类型主要为HCO₃- Mg ·Ca ·Na型和HCO₃ ·Cl- Na ·Mg ·Ca型，其显著特点是Mg²⁺和Na⁺浓度升高. ③深层地下水中Na⁺浓度进一步上升，并且SO^2-₄和Cl^-浓度也大幅上升，二者分别参与命名的水样比例达到深层水样的28.57%和9.5%. 水样类型主要为HCO₃- Na型、 HCO₃- Na ·Ca型和HCO₃ ·SO₄- Na ·Ca型共同组成.

图 6

Fig. 6

图 6 通州区地下水piper三线图 Fig. 6 Piper map of groundwater of different aquifers

浅、 中、 深层地下水这种分异性反映了研究区含水层颗粒细小、 层数多，结构复杂的特点. 特别是中、 深层地下水由于循环速率缓慢、 补给比较困难，更应该加强保护^{[22,23,24,25,26,27]}.

(1)研究区含水层可以分为浅层、 中层、 和深层地下水. 地下水质量评价结果表明深层好于中层，中层好于浅层. 中深层地下水中已经出现了较大范围内的Ⅳ和Ⅴ类水，应当引起足够重视.

(2)组分浓度最大值和均值均呈现出浅层＞中层＞深层. 多数组分标准差由浅层到深层变小，表明越往深层水质均一性更强. 超标组分主要为TDS、 硬度、 氨氮、 亚硝酸盐、 氟化物和铁(包含Fe³⁺和Fe²⁺). 超标现象在浅层最为严重，中深层也均有分布. 特别是铁和氟化物的超标比较突出，根据以往研究成果可能与原生劣质水成区域分布有关.

(3)浅层地下水水化学类型主要为：HCO₃-Ca ·Mg型、 HCO₃- Mg ·Ca ·Na型和HCO₃ ·Cl-Ca ·Na ·Mg型. 中层地下水水化学类型主要为HCO₃- Mg ·Ca ·Na型和HCO₃ ·Cl- Na ·Mg ·Ca. 深层水样主要为HCO₃- Na型、 HCO₃- Na ·Ca型和HCO₃ ·SO₄- Na ·Ca型共同组成. 显著特点是浅层地下水Cl^-参与命名的数量明显高于中深层，表明遭受人类活动污染程度最为严重，严控污染输入刻不容缓.

(4)研究区中、 深层地下水已经出现了较大范围的水质恶化现象，既有人类活动污染的原因，也有其天然劣质水所致. 中、 深层地下水由于其埋藏较深、 循环更新速率慢，再生性较差. 因此应当严格水井结构设计和成井工艺，避免“层层取水”的深井审批和施工.