Assessment of karst groundwater quality and its ecological environmental effects in Beijing
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摘要:研究目的
岩溶地下水是北京市重要的供水水源，在城市供水安全保障中发挥着难以替代的作用，同时又具有重要的生态功能。
研究方法本文以2021年6月在北京市系统采集的278件岩溶地下水样化验数据为基础，以岩溶水系统为单元，开展了岩溶水单因子质量评价和综合质量评价，并首次对有机指标进行了统计和分析。
研究结果（1）北京市岩溶水的pH、TDS和TH平均值分别为7.69、334.77 mg/L和262.01 mg/L，具有弱碱性、低盐度和低硬度的特点，地下水质量总体良好。（2）非常规指标的检出率从大到小为：苯并[a]芘（4.32%）、三溴甲烷（3.60%）和二甲苯（总量）（2.52%），应当引起足够重视。（3）北京市岩溶水水质Ⅰ~Ⅲ类总占比为82.01%，Ⅳ和Ⅴ类总占比为17.99%，超标点主要集中在山区与平原分界线处，超标指标主要有Fe、TH、NH3−N、Mn、SO42−、F−、NO3−N等。
结论北京市生态涵养区是重要的水源补给区和生态保护区，区内岩溶水对于保障首都供水安全和保护生态环境具有重要意义，今后应通过提高植被覆盖率加强水源涵养以增加补给量，应严格控制点源和面源污染减少污染物输入，持续优化监测网络进行预警，广泛宣传增强公众生态环保意识，共同保护岩溶水的生态环境。
创新点:首次在全市域范围内按照系统理论对岩溶水进行了单因子质量评价和综合质量评价，分系统对比了水化学类型；识别了北京岩溶水主要环境问题及其特征指标；首次分析了岩溶水中有机指标的检出和超标情况；提出了岩溶水环境保护的对策与建议。
Abstract:This paper presents the results of hydrogeological survey engineering.
ObjectiveAs an important water supply source in Beijing, karst groundwater plays an irreplaceable role in the security of the urban water supply and the improvement of the ecological environment.
MethodsBased on the analysis of 278 karst groundwater samples systematically collected in Beijing in June 2021, both single-factor quality evaluation and comprehensive quality evaluation of karst water were carried out in different karst water systems. Additionally, the organic indicators were statistically counted and analyzed for the first time.
Results(1) The average values of pH, TDS, and TH of karst water in Beijing are 7.69, 334.77 mg/L, and 262.01 mg/L, respectively. These results indicate that the groundwater is weakly alkaline, with low salinity and low hardness, suggesting generally good water quality. (2) The detection rates for unconventional indicators, in descending order, were benzo[a]pyrene (4.32%), tribromomethane (3.60%), and total xylene (2.52%). These contaminants warrant significant attention. (3) The results of groundwater quality evaluation show that the overall proportion of karst water quality falling within Classes I−III is 82.01%, while Classes IV and V constitute 17.99%. The exceedance points are primarily located at the interface between mountainous and plain areas, with the primary exceedance indicators being Fe, TH, NH3-N, Mn, SO42−, F−, and NO3-N.
ConclusionsAs the important water source supply area and ecological protection zone in Beijing's ecological conservation area, karst groundwater in the study area plays a very important role for ensuring the safety of the capital's water supply and protecting the ecological environment. In the future, to practically protect karst groundwater, measures such as increasing vegetation cover to enhance water conservation and recharge capacity, strictly controlling point source and non-point source pollution to reduce pollutant inputs, continuously optimizing the monitoring network for early warning, and broadly promoting public awareness and education on ecological protection should be implemented systematically.
Highlights:For the first time, single factor and comprehensive quality evaluation of karst water were conducted based on system theory in Beijing, and hydrochemical types were systematically compared; The main environmental issues and characteristic indicators of karst water were identified; The detection and exceeding of organic indicators were analyzed for the first time in the study area; The countermeasures and suggestions for the protection of karst water environment were proposed according to the findings in this study
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1. 引 言
自2007年党的“十七大”提出生态文明思想以来，我国生态文明建设逐渐由理论探索走向实践并不断推进。生态系统的调查评估、保护建设和修复治理是一项极其复杂庞大的系统工程（韩再生，2003；聂洪峰等，2021），在“山水林田湖草沙”系统治理工程中，生态地质起着基础性、先行性的作用。作为生态系统中最为敏感、最为活跃的要素—地下水是诸多生态系统中极为重要的生态因子，其时空变化与诸多生态因子相互作用并始终处在持续演化之中，特别是位于城市上游和周边地区生态涵养区内的地下水更是扮演着资源供给和生态维持的双重角色（王京彬等，2020；马震等，2021）。北京是中国的首都，北京于2017年发布的《北京城市总体规划（2016年—2035 年）》划定了11100 km2的生态涵养区，涵养区位于北京西部和北部山区，构成北京重要的生态屏障，是重要的水源涵养区。生态涵养区内地下水以岩溶地下水为主，分布广泛、储存量大、水质优良。全市岩溶地下水年开采量达3.5亿m3，在保障居民生活用水和生态用水方面发挥着重要作用（郭高轩等，2011；郭高轩，2012）。2021年，北京市人民政府发布《北京市生态涵养区生态保护和绿色发展条例》，2022年发布《北京市生态安全格局专项规划（2021年—2035年）》和《北京市国土空间生态修复规划（2021年—2035年）》，这些规划和条例的发布，无论是从资源属性，还是生态保护与修复的角度，都迫切需要对北京岩溶地下水（特别是生态涵养区）进行深入的研究。
北京的岩溶地下水研究历史较长，许多学者先后开展了岩溶泉域划定（赵春红等，2014，2017）、岩溶水系统划分（王晓红等，2016）、补给入渗条件（纪轶群等，2020）、含水层富水性确定（刘士成，2017；刘崇军等，2017）、循环演化规律（李小盼，2017；李露，2019）、径流路径（杨平等，1984；李灵巧等，2019）、应急开采（沈媛媛等，2011；王晓红等，2011；郭小萌，2014）和调蓄能力（李世君，2012；吴乐等，2016；秦大军等，2019；沈媛媛等，2021）等方面的研究，取得了较多的成果。以往这些研究都较零散，但从整体上研究整个北京地区岩溶水环境质量并探讨其生态环境效应，目前还未见报道。北京岩溶水具有北方岩溶水的典型特征，岩溶水系统控制着岩溶地下水的循环、分布埋藏与富集规律，控制着水化学分布特征（史箫笛等，2019；高帅等，2019），控制着岩溶含水层脆弱性程度，从而深刻影响岩溶水的水质及其发展演化趋势（梁永平和王维泰，2010）。地下水水化学研究是进行地下水质量评价、污染风险评估和环境管理的重要基础，有助于揭示地下水环境演化过程和变化规律，预测其变化趋势（Usunoff and Amado, 1989；沈照理等，1993；张英等，2024）。
本研究依托北京市地下水监测网络，通过全域范围内系统采样，分析了全市不同系统和含水层的水化学特征，评价了地下水质量，以期为科学保护和合理开发优质岩溶水，同时为生态环境保护、管理和治理等提供科学支撑。
2. 研究区概况
按照系统理论，北京的岩溶水可划分为7个一级系统和16个二级系统（辛宝东等，2022）。按照埋藏条件分为裸露型、埋藏型和覆盖型岩溶水，总面积约6590.42 km2。裸露型2866.21 km2，主要分布于北京西山地区。埋藏型1114.51 km2，主要分布于顺义—平谷一带。覆盖型2609.68 km2，主要分布西郊和大兴一带。岩溶含水岩组主要有5类：长城系岩溶含水岩组、蓟县系岩溶含水岩组、寒武系（含青白口系景儿峪组）岩溶含水岩组、奥陶系岩溶含水岩组和洼里砾岩岩溶含水岩组，岩性以灰岩和白云岩为主。在岩溶含水岩组的周边，与其共存的裂隙水赋存于沉积岩（主要是石英砂岩、砾岩）、岩浆岩（主要为玄武岩、安山岩、凝灰岩）和变质岩（片麻岩等）之中（图1）。山区裸露型的岩溶水直接接受大气降水入渗补给，各岩层因其岩溶−裂隙发育特征、节理裂隙发育程度不同呈现较大差异。覆盖型的岩溶水主要接受上覆第四系的越流补给，埋藏型的岩溶水主要靠侧向径流和相邻含水层的越流获得补给。在山区排泄方式主要以泉水和零星开采为主，平原区则主要以集中水源地开采为主。
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图 1 北京岩溶水系统划分及采样点分布图Figure 1. Division of karst water systems and distribution of sampling point in Beijing3. 数据与方法
2021年5—6月，在北京市全域共采集岩溶裂隙地下水样278件，其中井水样品268件，井深60~1900 m，泉水样品10件（图1，表1），分析化验指标59项（表2）。10处泉水分别为西山岩溶水系统的黑龙关凉水泉、马刨泉、高庄下营泉群、莲花村泉、东胡林泉、两叉口村泉；平谷岩溶水系统的东牛角峪泉和黄草洼泉；千家店—九渡河系统的旺泉峪泉和延庆岩溶水系统的佛峪口村泉。
表 1 各岩溶水系统采样点数量分布Table 1. Number of sampling points of each karst water system岩溶水系统 西山 昌平 延庆 千家店—九渡河 顺平 北务 大兴—通州 面积/km2 3591.89 1276.91 1093.32 1924.46 1253.4 433.46 595.76 样品数量（N） 124 33 17 45 50 5 4 表 2 岩溶水样测试指标一览Table 2. List of karst water sample test indicators分类 指标 数量 常规指标
（44项）感官性状和一般化学指标 色、嗅和味、浑浊度、肉眼可见物、pH、总硬度（以CaCO3计）、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、铁、锰、铜、锌、铝、挥发性酚类（以苯酚计）、阴离子表面活性剂、耗氧量、氨氮（以N计）、硫化物、钠，钾离子、钙离子、镁离子、重碳酸根、碳酸根 25 微生物指标 总大肠菌群、菌落总数 2 毒理学指标 亚硝酸盐（以N计）、硝酸盐（以N计）、氰化物、氟化物、碘化物、汞、砷、硒、镉、铬（六价）、铅、三氯甲烷、四氯化碳、苯、甲苯 15 放射性指标 总α放射性、总β放射性 2 非常规指标
（15项）毒理学指标 二氯甲烷、1,2−二氯乙烷、1,1,1−三氯乙烷、1,1,2−三氯乙烷、1,2−二氯丙烷、三溴甲烷、氯乙烯、1,1−二氯乙烯、1,2−二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、苯并（a）芘 15 取样前，一般先用泵抽取3倍井管体积的水量，之后现场采用便携式多参数水质测定仪测定pH、水温（T）、电导率（EC）等参数。取样时，采用2个一次性塑料瓶，用原水润洗取样瓶3次，样品尽量装满采样瓶，以测试阴离子表面活性剂、耗氧量、铬（六价）、总α放射性、总β放射性等指标；采用2个棕色玻璃瓶，取样后分别加入氢氧化钠、乙酸锌和氢氧化钠，以测试挥发酚、氰化物和硫化物；采用3个100 mL一次性塑料瓶，取样后分别加入盐酸、盐酸和硝酸，以测试汞、砷、硒、二价铁、铁、锰、铜、锌、铝、镉、铅，以上样品北京市中科英曼环境监测有限公司进行及时测试。采用聚乙烯塑料瓶、吹扫捕集样品瓶、棕色玻璃瓶、灭菌袋、白色塑料瓶等不同规格的采样瓶，用水样润洗3次后装满采样瓶，密封并避光低温保存，送往北京市地质环境监测所测试。
4. 水化学特征
4.1 岩溶水总体概况
本次所采集的278件岩溶水样全部无嗅无味，无肉眼可见物，色度均小于5、浑浊度均低于3。统计结果表明（表3）：北京市岩溶水的pH平均值为7.69，范围在6.09~9.40，以弱碱性为主。TDS（溶解性总固体）和TH（总硬度）质量浓度平均值分别为334.77 mg/L和262.01 mg/L，全市岩溶水具有低盐度和低硬度的特点。阳离子质量浓度大小为Ca2+（63.97 mg/L）>Mg2+（24.84 mg/L）>Na+（20.47 mg/L）>K+（2.03 mg/L），阴离子含量大小为HCO3−（246.88 mg/L）>SO42−（51.78 mg/L）>Cl−（25.16 mg/L）。菌落总数、总大肠菌群总α放射性和总β放射性均满足《地下水质量标准》（GB/T14848−2017）Ⅲ类标准。汞、砷、硒、镉和铬（六价）、铅等毒理学指标均未超过Ⅲ类标准。
表 3 地下水主要指标统计特征Table 3. Statistics of hydrochemical indicators of karst water samples in the study area系统 pH TDS TH EC DO Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl− SO42− HCO3− CO32− NH3−N NO3−N 北务
（N=5）平均值 8.21 219.60 151.00 390.60 0.38 22.94 5.03 25.41 21.28 18.69 14.03 187.14 9.12 0.68 2.04 标准偏差 0.72 49.57 68.06 83.95 0.37 10.18 4.35 21.96 6.40 9.60 13.89 85.41 17.24 1.08 4.15 最小值 7.49 182.00 71.00 320.00 0.16 9.70 0.95 6.86 10.20 8.97 1.30 42.70 0.00 0.02 0.10 最大值 9.40 288.00 245.00 506.00 1.04 37.60 11.90 60.90 26.60 34.60 29.60 251.00 39.60 2.52 9.47 昌平
（N=33）平均值 7.61 315.21 268.30 546.67 0.36 11.34 2.01 62.86 27.02 19.61 32.14 257.58 0.00 0.07 7.13 标准偏差 0.13 84.28 61.46 127.34 0.42 5.85 1.25 16.50 7.58 13.58 24.60 36.40 0.00 0.13 5.23 最小值 7.31 215.00 174.00 402.00 0.07 3.43 0.69 22.70 7.84 3.16 2.97 143.00 0.00 0.01 0.41 最大值 7.85 542.00 426.00 840.00 1.68 26.50 6.63 98.90 45.90 52.90 114.00 359.00 0.00 0.71 21.80 大兴—通州
（N=4）平均值 7.40 543.25 405.50 934.00 0.29 42.95 2.13 96.62 39.95 71.90 68.72 369.25 0.00 0.02 8.33 标准偏差 0.17 209.85 147.30 326.39 0.19 12.03 0.51 40.10 11.87 51.74 32.83 57.03 0.00 0.01 9.38 最小值 7.28 323.00 253.00 577.00 0.14 31.30 1.44 51.70 30.00 27.30 35.60 286.00 0.00 0.01 0.47 最大值 7.65 791.00 585.00 1300.00 0.56 54.40 2.60 143.00 55.60 131.00 108.00 414.00 0.00 0.03 20.30 千家店—九渡河
（N=45）平均值 7.78 285.98 235.76 494.89 0.48 12.37 2.23 59.58 21.12 14.61 37.08 231.51 2.72 0.03 4.75 标准偏差 0.38 77.36 75.42 131.43 0.67 11.89 2.07 19.40 9.73 11.78 17.76 71.91 8.54 0.03 3.88 最小值 6.86 66.00 38.00 116.00 0.09 2.84 0.37 9.61 1.62 1.69 5.67 63.50 0.00 0.01 0.26 最大值 9.15 526.00 455.00 892.00 3.73 79.50 13.10 112.00 48.20 49.10 77.70 380.00 55.20 0.16 20.10 顺平
（N=50件）平均值 7.71 256.74 227.00 455.54 0.42 7.47 1.63 48.93 25.46 10.76 18.10 239.54 1.73 0.14 5.25 标准偏差 0.31 58.38 56.93 96.20 0.60 4.95 1.10 15.50 5.70 6.32 10.01 63.82 5.97 0.42 3.61 最小值 7.29 128.00 93.00 235.00 0.06 2.82 0.70 10.30 9.15 3.82 3.06 89.10 0.00 0.01 0.12 最大值 8.82 420.00 377.00 719.00 3.95 25.80 8.11 91.10 36.20 34.80 54.80 391.00 28.80 2.81 17.70 西山
（N=124）平均值 7.63 404.20 295.96 676.40 0.45 31.25 2.12 75.24 26.25 37.23 81.83 256.83 1.20 0.07 4.80 标准偏差 0.36 190.58 103.70 297.94 0.49 37.01 1.65 30.25 10.25 44.14 69.52 76.15 6.89 0.21 3.99 最小值 6.09 7.00 0.50 18.60 0.05 2.07 0.04 0.39 0.01 1.09 1.05 3.66 0.00 0.01 0.10 最大值 9.12 934.00 551.00 1490.00 3.19 142.00 11.50 163.00 47.80 168.00 270.00 412.00 51.60 1.83 20.70 延庆
（N=17）平均值 7.85 209.71 173.53 371.12 0.18 13.12 1.10 43.45 15.83 9.14 15.78 204.57 0.71 0.02 1.97 标准偏差 0.45 69.67 80.63 125.58 0.05 12.21 0.47 16.84 10.02 5.71 10.68 85.86 1.99 0.02 2.10 最小值 7.16 103.00 12.00 186.00 0.07 3.78 0.56 4.80 0.00 3.57 2.41 65.90 0.00 0.01 0.00 最大值 9.35 364.00 337.00 629.00 0.31 54.20 2.55 77.80 34.70 24.30 41.80 326.00 6.00 0.07 9.52 全市
（N=278）平均值 7.69 334.77 262.01 571.79 0.42 20.47 2.03 63.97 24.84 25.16 51.78 246.88 1.49 0.08 4.98 标准偏差 0.36 157.52 96.02 247.33 0.52 27.65 1.68 27.38 9.71 33.47 55.71 73.03 6.72 0.28 4.22 最小值 6.09 7.00 74.23 18.60 0.05 2.07 0.04 0.39 0.00 1.09 1.05 3.66 0.00 0.01 0.00 最大值 9.40 934.00 585.00 1490.00 3.95 142.00 13.10 163.00 55.60 168.00 270.00 414.00 55.20 2.81 21.80 注：pH无量纲，EC单位为μs/cm，其余单位为mg/L。 按照舒卡列夫分类法，岩溶地下化学类型共计39种，总体上地下水HCO3–Ca·Mg型为主，278件水样中，有163件水样为HCO3–Ca·Mg型（占比58.63%），HCO3·SO4–Ca·Mg型27件（占比9.71%）、HCO3·SO4−Ca型7件（占比2.52%）、HCO3–Mg·Ca型7件（占比2.52%）和HCO3–Ca型6件（占比2.51%），其余水化学类型均小于5件。需要指出的是SO42−参与命名的水样，多分布在西山岩溶水系统之内。Piper三线图（图2）显示，97.5%的水样落在水体碱土金属（Ca2+、Mg2+）毫克当量百分比超过碱金属离子（Na+、K+），弱酸根（HCO3−）毫克当量百分比超过强酸根离子（Cl−、SO42−）的区域。地下水离子含量主要受溶滤作用影响，水化学形成受岩石风化和大气降水作用共同控制。
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图 2 研究区水样水化学Piper图Figure 2. Piper plot of groundwater in different karst water systems of the study area从各系统水样分布来看，除了西山岩溶水系统以外，其他6个系统均集中分布在碳酸盐硬度大于50%的区域，顺平岩溶水类型分布最为集中，其次是延庆和昌平岩溶水系统。西山系统的水样最为分散，分析原因一方面由于其面积最大（3591.89 km2），样品数量最多（124件），另一方面可能与历史上采煤活动对含水层的扰动有关（张长敏，2009）。
4.2 各岩溶水系统水质特征
对比不同岩溶水系统的浓度分布发现：（1）TH和TDS两者呈正相关，与pH呈负相关。TH和TDS是水体中溶解离子含量的反映，在一定程度上反映了水流在区域水循环过程中径流途径、滞留时间以及人为影响。在7个系统中，TH和TDS在大兴—通州岩溶水系统的质量浓度最高，分别为405.50 mg/L和543.25 mg/L。延庆岩溶水系统和北务岩溶水系统含量最低，TH质量浓度分别为173.53 mg/L和151.00 mg/L，TDS质量浓度分别为209.71 mg/L和219.60 mg/L。pH值的分布与二者正好相反，北务岩溶水系统8.21，值最高，大兴—通州岩溶水系统7.40，值最低。（2）NH3−N和NO3−N二者具有明显负相关性，总体表现为北务岩溶水系统中NH3−N的含量高于其他岩溶水系统，而NO3−N含量却低于其他岩溶水系统。
4.3 非常规有机指标的分布特征
对非常规有机指标的检出及超Ⅲ类状况进行统计，结果表明：除氯乙烯、1,1,1−三氯乙烷未检出，其他指标均有检出，检出率在0.36%~4.32%，检出最多的3项指标依次为：苯并[a]芘（4.32%）、三溴甲烷（3.60%）和二甲苯（总量）（2.52%）。
研究区非常规有机物检出空间分布图（图3）显示，检出位点主要集中在山区与平原分界线及其周边地区，此外还有部分位于千家店—九渡河岩溶水系统中的千家店镇附近。各系统检出率大小为大兴—通州岩溶水系统（50.00%）>千家店—九渡河岩溶水系统（24.44%）>延庆岩溶水系统（23.53%）>西山岩溶水系统（12.10%）>顺平岩溶水系统（10.00%）>昌平岩溶水系统（9.09%）>北务岩溶水系统（0.00%）。
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图 3 北京市岩溶水非常规有机物检出空间分布图Figure 3. Spatial distribution of unconventional organic matterdetected in karst water in Beijing5. 地下水质量评价
依据《地下水质量标准》（GB/T 14848−2017），选取常规指标（除去浑浊度、总大肠菌群、菌落总数）36项、非常规指标15项指标开展了单指标评价和综合质量评价。
5.1 单因子质量评价
图4是部分常规指标单因子质量评价结果，总体来看，94.96%的水样的Fe和TH含量达到Ⅲ类标准，96.40%的水样的NH3−N含量达到Ⅲ类标准，97.12%的水样的Mn含量达到Ⅲ类标准，98.20%的水样的NO3−N、SO42−和F−含量达到Ⅲ类标准，98.92%的水样的DO含量达到Ⅲ类标准。非常规指标评价结果，除1,2−二氯丙烷以外指标均达到Ⅲ类标准，而1,2−二氯丙烷Ⅰ类占98.92%，Ⅱ类占0.00%、Ⅲ类占0.72%，Ⅳ类占0.35%。
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图 4 单因子质量评价结果a—Fe；b—TH；c—NH3−N；d—Mn；e—SO42−；f—NO3−NFigure 4. Results of quality evaluation by single−factors method单因子指标评价结果（图4，图5）显示：（1）各单因子指标的超标点位均位于山区与平原过渡地带。（2）SO42−超标范围最小，集中在西山系统山前地区，原因可能主要由于该地区历史上是主要的采煤区，地层主要为侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系和奥陶系。其中石炭系和侏罗系是含煤主要地层，煤层中含有大量的硫，在开采过程中经氧化、溶蚀等作用，最后溶解于水中，造成地下水中SO42−升高（梁永平等，2013，2015）。（3）Fe、NH3−N和F等3个指标有个别样品属于Ⅴ类标准，TDS全部优于Ⅲ类标准，Ⅰ~Ⅱ类占比达86.7%。
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图 5 各岩溶系统主要无机指标单因子质量评价结果a—Fe；b—TH；c—NH3−N；d—Mn；e—SO42−；f—F−；g—NO3−N；h—TDSFigure 5. Distribution map of karst groundwater quality assessment by inorganic indexes5.2 综合质量评价
将评价结果导入ArcGIS10.3中，绘制综合质量评价分布图，综合质量评价结果（图6）显示：北京市岩溶水系统水质总体较好，Ⅰ类水占比为0.72%，Ⅱ类水占比32.73%，Ⅲ类水占比48.56%，Ⅳ类水占比13.31%，Ⅴ类水占比4.68%。各系统超标率由大到小依次为：大兴—通州（75.00%）>北务（60.00%）>昌平（18.18%）>西山（16.94%）>顺平（16.00%）>千家店—九渡河（15.56%）>延庆（11.76%）。大兴—通州和北务两个系统的水样数量分别为4件和5件，超标率较高的原因可能与样本数量较少有关。
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图 6 北京岩溶水综合质量评价结果Figure 6. Comprehensive quality evaluation results of karst water in Beijing6. 岩溶水生态环境效应
6.1 资源功能属性
北京市岩溶地下水主要分布于山区和山前地带，这一区域面积约6590.42 km2，其中岩溶裸露区面积2866.21 km2，可溶岩中的溶洞、孔洞以及溶隙、裂隙广泛接收大气降水入渗补给，在河道区域接收河流下渗补给，在山前地带通过侧向排泄，一部分补给基岩含水层，另一部分补给第四系。如前所述，岩溶地下水水质优良，往往具有低硬度、低矿化度特点，而且局部地区还含有特殊的微量元素，是优质的供水水源。因此，在北京山前地带分布有大大小小二十余处水源地，皆以岩溶水作为供水水源。从西南至东北，环北京依次分布有房山区娄子水水源地、韩村河水源地、张坊应急水源地（开采量2700万m³/a）、石景山区杨庄水源地、五里坨水源地、海淀区市三厂水源地（开采量3350万m³/a）、昌平区邓庄—化庄水源地（开采量1470万m³/a）、平谷区中桥水源地（开采量780万m³/a）等，除此以外，还有许多零星的开采（辛宝东等，2022）。岩溶水发挥了巨大的资源供给功能，极大地保障了北京市供水安全。除此以外，在山区和山前地带，岩溶裂隙水往往以泉水排泄，构成了河流基流重要部分。随着近年来北京市实施地下水压采、减采工程，许多岩溶泉出现了复涌（王天淇等，2022），在地下水−地表水的循环和转化过程中，使得河道和泉眼附近植被覆盖度和生态环境进一步好转。
6.2 主要环境问题
影响北京岩溶水环境的主要因素有：
（1）北京山区历史采矿活动对含水层造成了较大的扰动。仅西山地区历史上的大大小小矿山达千余座，矿山开采疏排水对地下水含水层造成了较大的扰动（张长敏，2009）。据2017年数据，北京全市共有尾矿库29座，分布在密云、平谷、怀柔和延庆4个区，矿种主要为铁矿、金矿和铅锌矿，总规模5697.6万m3，矿山尾矿库废渣重金属元素等污染物构成了含水层环境的潜在威胁。2020年，全市仍有未治理废弃矿山及裸露岩壁面积1373 hm²，绝大部分位于浅山区。此外，部分废弃巷道“老窑水”外涌可能是造成周边水质劣化的主要原因，如西山岩溶水系统的SO42−平均值为81.83 mg/L，为全区最高，远高于全市平均值51.78 mg/L。系统内门头沟区杨坨、西杨坨和潭柘寺村北，地下水化学类型多为SO42−型，SO42−质量浓度最高达2157 mg/L，并出现pH值降低的现象，直接威胁周边的植被系统（梁永平等，2021）。
（2）浅山区和山前地带人类活动污染载荷输入强度较高，构成潜在威胁。在山区与平原过渡地带，河道地表水与地下水转化强烈，水力联系密切，水源输入源也更为复杂。该区域总面积7416.6 km2，占北京市总面积的45.16%，分布有85个乡镇及街道办事处，1601个村及社区。相比较整个生态涵养区，该区域土地开发程度高，植被覆盖率低，人类活动强度高（陈龙等，2020）。278件样品中，有超过10件综合评价结果为Ⅴ类（3.6%），32件（11.6%）达到Ⅳ类。以NH3−N和NO3−N为例，分别有10件（3.6%）和4件（1.44%）超Ⅳ类。Cl−是表征人类活动对地下水影响强弱的重要指标，主要来自于土壤中盐渍残留物的淋失和人为活动。北京西山沟域经济和民宿、旅游发展程度较高，系统内岩溶水中Cl−的平均质量浓度为37.23 mg/L，明显高于全市均值25.16 mg/L，表明该区域地表污染物载荷相对较高。此外，历史上不规范的污水排放和垃圾处理方式可能是造成该区域内地下水中SO42−和Cl−含量较高的原因（梁永平和王维泰，2010；梁永平等，2013）。
（3）有机指标检出率较高，个别点已出现超标现象。278件水样中，有39件样品有机物检出。15项检测指标中，有13项检出，检出最多的前3项指标依次为：苯并[a]芘（检出率4.32%）、三溴甲烷（3.60%）和二甲苯（检出率2.52%），且分布较为分散。1,2−二氯丙烷出现超标现象，最大值为7.22 μg/L，超标率为44.4%。有机物是最常见、治理最困难的一类污染物，应予以足够重视。
6.3 保护对策与建议
岩溶地下水系统由于其强烈的非均质性和各向异性，局部地区甚至有岩溶管道发育，因此岩溶水系统是仅次于地表水的脆弱性系统，一旦遭受污染，危害极大。针对北京岩溶水出现的部分指标超标的空间分布特点，综合考虑其地质、地貌和地理位置（主要是与人类聚集区、矿业开采活动）等综合因素，提出保护对策与建议如下：
（1）提高植被覆盖率，加强山区水源涵养。2020年北京市山区森林覆盖率为58.8%（王海燕，2020），未来应进一步提高植被覆盖率，防止水土流失，优化产流−汇流−入渗−补给模式，增强补给能力，推进山区516条小流域综合治理，形成植被覆盖率与地下水净补给量的双赢。
（2）控制点源污染，减轻面源污染，开展小流域环境综合整治。山区旅游、民宿经济的发展是后矿山时代乡村振兴的重要手段。首先要加强污水处理，严格污水达标排放、严格垃圾规范处置。其次要减少农业化肥、农药使用，清除白色垃圾，从源头上控制潜在污染物进入含水层系统。
（3）落实和贯彻条例制度，做好动员宣传。坚决落实《北京城市总体规划（2016年—2035年）》和《北京市生态涵养区生态保护和绿色发展条例》规划确定的责任与目标，切实做好生态涵养区的保护与治理工作，让流动、循环过程中的岩溶水发挥最大社会效益、经济效益和生态效益。
（4）优化监测网络，做好监测。河流生态补水和矿山修复治理过程中均会引发地下水环境的不断变化，迫切要求持续开展地下水监测工作，特别是西部矿区煤矿酸性水和北部山区地下水中重金属的持续监测，此外应对局部地区超标有机物持续跟踪，发挥其预警功能，并以问题为导向，支撑国家级、部级和市级等各层面战略工程，为生态环境一体化治理发挥重要支撑作用。
7. 结 论
北京地区的岩溶地下水分布广泛，在北京市供水和生态功能维系中发挥着重要作用，通过系统采样，统计分析，探讨其水质空间分布特征并进行综合分析，得到如下认识：
（1）北京市岩溶水的pH、TDS和TH分别为7.69、334.77 mg/L和262.01 mg/L，总体上具有弱碱性、低盐度和低硬度的特点。阳离子以Ca2+和Mg2+为主，阴离子以HCO3−为主，岩溶地下化学类型以HCO3−Ca·Mg型为主，在西部山前多点出现SO42−参与命名的现象。
（2）非常规有机指标检测结果表明，北京岩溶地下水中除氯乙烯、1,1,1−三氯乙烷未检出，其他指标均有检出，检出率在0.36%~4.32%，其中检出最多的3项指标为：苯并[a]芘（4.32%）、三溴甲烷（3.60%）和二甲苯（总量）（2.52%），分布较分散，应当引起足够重视。
（3）单因子指标评价结果显示，影响北京市地下水质量的指标主要有Fe、TH、NH3−N、Mn、SO42−、F−、NO3−等。其超标率（Ⅲ类）依次为5.04%、5.04%、3.60%、2.88%、1.80%、1.80%和1.80%，其中西部超标率总体上略大于北部和东部。
（4）综合质量评价结果显示，北京市岩溶水质量整体良好，其中Ⅰ占比0.72%，Ⅱ类占比32.73%，Ⅲ类占比48.56%，Ⅳ占比13.31%，Ⅴ类占比4.68%。各系统超标率由大到小依次为：大兴—通州（75.00%）>北务（60.00%）>昌平（18.18%）>西山（16.94%）>顺平（16.00%）>千家店—九渡河（15.56%）>延庆（11.76%）。整个北京市域范围内，超标点空间上主要位于西部山区—山前地带和平原隐伏区，超标原因主要与人类活动如采矿业、旅游业、生活污水和垃圾不规范处理等因素有关。
（5）未来应进一步提升山区森林覆盖率，加强水源涵养。应严格控制点源和面源污染，开展小流域环境综合整治，减少地表污染物进入岩溶水系统。应以问题为导向，优化监测网络，持续监测。更应对重点区域加密监测，发挥预警功能。坚决落实和贯彻相关法规条例，做好动员宣传，增强公众意识，共同保护好岩溶水环境，发挥其生态功能，支撑首都生态文明建设。
致谢： 感谢审稿专家和编辑老师对本文付出的辛勤劳动和提出的富有建设性意见。
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图 1 北京岩溶水系统划分及采样点分布图
Figure 1. Division of karst water systems and distribution of sampling point in Beijing
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图 2 研究区水样水化学Piper图
Figure 2. Piper plot of groundwater in different karst water systems of the study area
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图 3 北京市岩溶水非常规有机物检出空间分布图
Figure 3. Spatial distribution of unconventional organic matterdetected in karst water in Beijing
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图 4 单因子质量评价结果
a—Fe；b—TH；c—NH3−N；d—Mn；e—SO42−；f—NO3−N
Figure 4. Results of quality evaluation by single−factors method
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图 5 各岩溶系统主要无机指标单因子质量评价结果
a—Fe；b—TH；c—NH3−N；d—Mn；e—SO42−；f—F−；g—NO3−N；h—TDS
Figure 5. Distribution map of karst groundwater quality assessment by inorganic indexes
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图 6 北京岩溶水综合质量评价结果
Figure 6. Comprehensive quality evaluation results of karst water in Beijing
表 1 各岩溶水系统采样点数量分布
Table 1 Number of sampling points of each karst water system
岩溶水系统 西山 昌平 延庆 千家店—九渡河 顺平 北务 大兴—通州 面积/km2 3591.89 1276.91 1093.32 1924.46 1253.4 433.46 595.76 样品数量（N） 124 33 17 45 50 5 4 
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表 2 岩溶水样测试指标一览
Table 2 List of karst water sample test indicators
分类 指标 数量 常规指标
（44项）感官性状和一般化学指标 色、嗅和味、浑浊度、肉眼可见物、pH、总硬度（以CaCO3计）、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、铁、锰、铜、锌、铝、挥发性酚类（以苯酚计）、阴离子表面活性剂、耗氧量、氨氮（以N计）、硫化物、钠，钾离子、钙离子、镁离子、重碳酸根、碳酸根 25 微生物指标 总大肠菌群、菌落总数 2 毒理学指标 亚硝酸盐（以N计）、硝酸盐（以N计）、氰化物、氟化物、碘化物、汞、砷、硒、镉、铬（六价）、铅、三氯甲烷、四氯化碳、苯、甲苯 15 放射性指标 总α放射性、总β放射性 2 非常规指标
（15项）毒理学指标 二氯甲烷、1,2−二氯乙烷、1,1,1−三氯乙烷、1,1,2−三氯乙烷、1,2−二氯丙烷、三溴甲烷、氯乙烯、1,1−二氯乙烯、1,2−二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、苯并（a）芘 15
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表 3 地下水主要指标统计特征
Table 3 Statistics of hydrochemical indicators of karst water samples in the study area
系统 pH TDS TH EC DO Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl− SO42− HCO3− CO32− NH3−N NO3−N 北务
（N=5）平均值 8.21 219.60 151.00 390.60 0.38 22.94 5.03 25.41 21.28 18.69 14.03 187.14 9.12 0.68 2.04 标准偏差 0.72 49.57 68.06 83.95 0.37 10.18 4.35 21.96 6.40 9.60 13.89 85.41 17.24 1.08 4.15 最小值 7.49 182.00 71.00 320.00 0.16 9.70 0.95 6.86 10.20 8.97 1.30 42.70 0.00 0.02 0.10 最大值 9.40 288.00 245.00 506.00 1.04 37.60 11.90 60.90 26.60 34.60 29.60 251.00 39.60 2.52 9.47 昌平
（N=33）平均值 7.61 315.21 268.30 546.67 0.36 11.34 2.01 62.86 27.02 19.61 32.14 257.58 0.00 0.07 7.13 标准偏差 0.13 84.28 61.46 127.34 0.42 5.85 1.25 16.50 7.58 13.58 24.60 36.40 0.00 0.13 5.23 最小值 7.31 215.00 174.00 402.00 0.07 3.43 0.69 22.70 7.84 3.16 2.97 143.00 0.00 0.01 0.41 最大值 7.85 542.00 426.00 840.00 1.68 26.50 6.63 98.90 45.90 52.90 114.00 359.00 0.00 0.71 21.80 大兴—通州
（N=4）平均值 7.40 543.25 405.50 934.00 0.29 42.95 2.13 96.62 39.95 71.90 68.72 369.25 0.00 0.02 8.33 标准偏差 0.17 209.85 147.30 326.39 0.19 12.03 0.51 40.10 11.87 51.74 32.83 57.03 0.00 0.01 9.38 最小值 7.28 323.00 253.00 577.00 0.14 31.30 1.44 51.70 30.00 27.30 35.60 286.00 0.00 0.01 0.47 最大值 7.65 791.00 585.00 1300.00 0.56 54.40 2.60 143.00 55.60 131.00 108.00 414.00 0.00 0.03 20.30 千家店—九渡河
（N=45）平均值 7.78 285.98 235.76 494.89 0.48 12.37 2.23 59.58 21.12 14.61 37.08 231.51 2.72 0.03 4.75 标准偏差 0.38 77.36 75.42 131.43 0.67 11.89 2.07 19.40 9.73 11.78 17.76 71.91 8.54 0.03 3.88 最小值 6.86 66.00 38.00 116.00 0.09 2.84 0.37 9.61 1.62 1.69 5.67 63.50 0.00 0.01 0.26 最大值 9.15 526.00 455.00 892.00 3.73 79.50 13.10 112.00 48.20 49.10 77.70 380.00 55.20 0.16 20.10 顺平
（N=50件）平均值 7.71 256.74 227.00 455.54 0.42 7.47 1.63 48.93 25.46 10.76 18.10 239.54 1.73 0.14 5.25 标准偏差 0.31 58.38 56.93 96.20 0.60 4.95 1.10 15.50 5.70 6.32 10.01 63.82 5.97 0.42 3.61 最小值 7.29 128.00 93.00 235.00 0.06 2.82 0.70 10.30 9.15 3.82 3.06 89.10 0.00 0.01 0.12 最大值 8.82 420.00 377.00 719.00 3.95 25.80 8.11 91.10 36.20 34.80 54.80 391.00 28.80 2.81 17.70 西山
（N=124）平均值 7.63 404.20 295.96 676.40 0.45 31.25 2.12 75.24 26.25 37.23 81.83 256.83 1.20 0.07 4.80 标准偏差 0.36 190.58 103.70 297.94 0.49 37.01 1.65 30.25 10.25 44.14 69.52 76.15 6.89 0.21 3.99 最小值 6.09 7.00 0.50 18.60 0.05 2.07 0.04 0.39 0.01 1.09 1.05 3.66 0.00 0.01 0.10 最大值 9.12 934.00 551.00 1490.00 3.19 142.00 11.50 163.00 47.80 168.00 270.00 412.00 51.60 1.83 20.70 延庆
（N=17）平均值 7.85 209.71 173.53 371.12 0.18 13.12 1.10 43.45 15.83 9.14 15.78 204.57 0.71 0.02 1.97 标准偏差 0.45 69.67 80.63 125.58 0.05 12.21 0.47 16.84 10.02 5.71 10.68 85.86 1.99 0.02 2.10 最小值 7.16 103.00 12.00 186.00 0.07 3.78 0.56 4.80 0.00 3.57 2.41 65.90 0.00 0.01 0.00 最大值 9.35 364.00 337.00 629.00 0.31 54.20 2.55 77.80 34.70 24.30 41.80 326.00 6.00 0.07 9.52 全市
（N=278）平均值 7.69 334.77 262.01 571.79 0.42 20.47 2.03 63.97 24.84 25.16 51.78 246.88 1.49 0.08 4.98 标准偏差 0.36 157.52 96.02 247.33 0.52 27.65 1.68 27.38 9.71 33.47 55.71 73.03 6.72 0.28 4.22 最小值 6.09 7.00 74.23 18.60 0.05 2.07 0.04 0.39 0.00 1.09 1.05 3.66 0.00 0.01 0.00 最大值 9.40 934.00 585.00 1490.00 3.95 142.00 13.10 163.00 55.60 168.00 270.00 414.00 55.20 2.81 21.80 注：pH无量纲，EC单位为μs/cm，其余单位为mg/L。
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