南水北調(diào)水回灌對地下水環(huán)境的影響研究

楊 慶，姜 媛，林 健，崔文君

（1． 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195；2． 北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

南水北調(diào)水回灌對地下水環(huán)境的影響研究

楊 慶1，姜 媛2，林 健1，崔文君1

（1． 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195；2． 北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

為研究南水北調(diào)水回灌對地下水環(huán)境的影響，探討區(qū)域地下水污染修復技術(shù)，建立區(qū)域尺度的地下水溶質(zhì)運移模型，運用地下水數(shù)值模擬模型，預(yù)測和分析了在永定河河道僅使用南水北調(diào)水和南水北調(diào)水與本地水混合補給地下水兩種模式下，研究區(qū)內(nèi)地下水中硝酸鹽氮20年內(nèi)的變化趨勢。結(jié)果顯示，通過永定河河道回補地下水對研究區(qū)地下水起到極大的改善作用，其中部分地區(qū)硝酸鹽氮濃度降低71．2%；使用南水北調(diào)水回補20年后，研究區(qū)北部的改善效果是南部的12．3～14．2倍，表明水文地質(zhì)條件是區(qū)域性地下水污染修復的關(guān)鍵因素之一。

第四系；地下水數(shù)值模型；南水北調(diào)；河道回補

0 前言

2015年8月，北京市啟動了南水北調(diào)來水向潮白河水源地試驗補水工作，效果顯著（王海亮，2016）。作為與潮白河水文地質(zhì)條件相似的永定河頂部地區(qū)，亦具備極強的調(diào)蓄功能（北京市水文總站，1996；劉家祥等，1988），應(yīng)該充分發(fā)揮南水北調(diào)工程的生態(tài)效益（劉昌明，2003），通過回灌補給地下水進而達到補充水量改善水質(zhì)的效果。20世紀80 年代起，為緩解北京水資源不足和調(diào)蓄地表徑流，在永定河地區(qū)開展了地下水人工補給的試驗研究工作（劉家祥等，1988；王新娟等，2005），對地下水人工回灌后水動力場、水溫度場、水質(zhì)變化和回灌堵塞問題進行了研究，多人運用數(shù)值模擬模型對北京西郊砂石坑、大口井和河道回灌方案以及入滲試驗進行模擬預(yù)測，提出了一些工程方案（王新娟等，2005；張安京等，2008；劉記來等，2010；楊慶等，2015）。

地下水污染形勢日趨嚴峻，依靠地下水自然降解，地下水污染恢復需要百年甚至更久（杭小帥等，2008；崔學慧等，2008；趙勇勝等，2007；申利娜等，2010），然而上述研究工作主要基于地下水的“資源”屬性，本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)水質(zhì)指標特征，首次利用區(qū)域地下水溶質(zhì)運移模型，模擬預(yù)測南水北調(diào)水在永定河河道回補地下水對周邊地下水環(huán)境影響程度和范圍，探討區(qū)域地下水污染修復技術(shù)。

1 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)位于永定河沖洪積扇區(qū)的上部，地層主要由砂卵石、砂礫石和含礫石砂層組成，其含水層結(jié)構(gòu)單一，地層顆粒較粗，其埋藏和分布由西向東逐漸增大，地表水和地下水的水力聯(lián)系極為密切，是北京市平原區(qū)地下水的主要補給區(qū)（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等，2008）。研究區(qū)西部和西北部邊界為北京西山，石炭—二疊及侏羅系的砂頁巖和火山巖組成了不透水邊界；東部自北向南由昆明湖、紫竹院、陶然亭至西紅門一線，南部由西紅門經(jīng)狼垡至南崗洼，這一線第四系巖性顆粒逐漸變細，含水層由單一變?yōu)槎鄬?，滲透性能減弱，地下水類型由潛水變?yōu)槌袎核?，是地下水的天然邊界；水庫底部大都為不透水的第四系冰磧泥礫或新近系或古近系半膠結(jié)的砂礫巖、泥巖，在玉泉山南東冉村一帶，第四系含水層與下伏奧陶系巖溶含水層直接接觸，天然條件下巖溶水頂托補給第四系松散含水水層。

研究區(qū)地下水的主要補給源為大氣降水入滲、山區(qū)側(cè)向流入、河湖入滲、農(nóng)業(yè)灌溉回滲和基巖水頂托補給；主要排泄源為人工開采和側(cè)向流出。地下水動態(tài)主要為降水-人工開采型，地下水水位受降水和人工開采的影響而變化。

研究區(qū)地下水環(huán)境為氧化環(huán)境，主要污染特征指標為硝酸鹽氮。

2 南水北調(diào)水回補預(yù)測

選擇由Brigham Yong University的環(huán)境模型實驗室和美國軍工水道實驗站合作開發(fā)地下水模型軟件GMS 8.2計算該定解問題，建立研究區(qū)地下水數(shù)值模擬模型。水平剖分在回補的河湖地段加密，最小網(wǎng)格為50 m×50 m，最大網(wǎng)格長度為500 m。其中有效單元格為9191個（圖1）。

圖1 研究區(qū)地層三維結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格剖分Fig.1 Three-dimensional hydrogeology section and mesh generation for the study area

基于此模型，以2015年6月為模型初始狀態(tài)，2011—2015年各類源匯項的平均值作為預(yù)測期源匯項，假設(shè)河道不防滲，利用南水北調(diào)水通過河道A、B、C、D、E共5段河流回補地下水，不考慮包氣帶對水質(zhì)指標的去除效果。根據(jù)2015年9月兩次水質(zhì)測試結(jié)果，北京境內(nèi)南水北調(diào)水折算成硝酸鹽氮濃度為4mg/L，永定河地表水折算成硝酸鹽氮濃度為16mg/L。

設(shè)置兩種回補模式：

模式一：回補水100%為南水北調(diào)水，輸入濃度為4.0mg/L；

模式二：南水北調(diào)水與本地水按各50%的比例混合，輸入濃度為10.0mg/L。

兩種模式預(yù)測結(jié)果見圖2。

5個回補河段監(jiān)測井以及區(qū)內(nèi)主要水源地石景山水廠和三廠、三廠南3個監(jiān)測井地下水中硝酸鹽氮多年變化趨勢見圖3。

A段3年后穩(wěn)定，模式一為3.99mg/L，模式二為9.98mg/L；B段6年后穩(wěn)定，模式一濃度為4.05mg/L，模式二濃度為10.02mg/L；C段7年后穩(wěn)定，模式一濃度為4.23mg/L，模式二濃度為10.02mg/L；D段模式一15年后穩(wěn)定，濃度為9.84mg/L，模式二16年后穩(wěn)定，濃度為11.78mg/L；E段模式一12年后穩(wěn)定，濃度為9.70mg/L，模式二11年后穩(wěn)定，濃度為12.48mg/L；石景山水廠地區(qū)6年后穩(wěn)定，模式一濃度為4.61mg/L，下降了71.2%，模式二濃度為10.54mg/L，下降了34.2%；三廠地區(qū)13年后穩(wěn)定，模式一濃度為4.95mg/L，下降了61.7%，模式二濃度為10.63mg/L，下降了17.9%；三廠南地區(qū)13年后穩(wěn)定，模式一濃度為18.39mg/L，上升了14.0%，模式二為19.36mg/L左右，上升了20.0%。

圖2 研究區(qū)地下水中硝酸鹽氮變化趨勢圖Fig.2 Groundwater NO3- variation trend in study area

在無強烈人類活動干擾的條件下，一般來說區(qū)域地下水環(huán)境變化相對穩(wěn)定，根據(jù)北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊2011—2015年監(jiān)測結(jié)果，目前永定河地表水對地下水環(huán)境影響不顯著，永定河地區(qū)地下水硝酸鹽氮濃度較為穩(wěn)定，以2015年濃度作為研究區(qū)背景濃度分析兩種模式的改善效果。從預(yù)測結(jié)果看（圖2），回補對區(qū)域地下水的改善效果主要受水文地質(zhì)條件影響，研究區(qū)北部地區(qū)地下水易接受來自西部河段的補給，水源地地區(qū)回補20年后，相比初始值模式一濃度下降61.7%～71.2%，模式二濃度下降17.9%～34.2%；東北部地區(qū)由于主要接受來自研究區(qū)外北部的補給，濃度變化小于2.0%；南部地區(qū)地下水更新速率相對北部地區(qū)較慢，回補后地下水中硝酸鹽氮濃度變化平均在3.1%～5.0%左右；東部地區(qū)受污染暈遷移影響，濃度平均上升超過150.0%。

圖3 監(jiān)測井地下水中硝酸鹽氮變化趨勢圖Fig.3 Groundwater NO3- variation trend of monitoring wells

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)通過回補的方式可以加速區(qū)域性地下水污染修復，特別是北部的水源地地區(qū)，兩個主要水源地地區(qū)地下水質(zhì)在6～11年左右均能穩(wěn)定，相比背景濃度模式一濃度下降61.7%～71.2%，模式二濃度下降17.9%～34.2%。

（2）利用回補的方式修復區(qū)域性地下水污染效果的主要影響因素是水文地質(zhì)條件，研究區(qū)北部地下水易接受來自東部的補給、更新速率塊，而南部地下水更新速率相對較慢，回補后研究區(qū)北部改善效果模式一是南部的12.3～14.2倍、模式二是5.8～11.0倍。

（3）兩種模式均帶來了新的地下水環(huán)境問題。由于首鋼南部地區(qū)歷史上為污灌區(qū)，北天堂垃圾填埋場填埋垃圾多年，這些地區(qū)土壤及地層已經(jīng)受到了嚴重的污染，研究區(qū)現(xiàn)狀含高濃度硝酸鹽氮的地下水由于回補引起的地下水動力場改變而加速擴散至其他地區(qū)，2～4年后，在現(xiàn)狀高濃度區(qū)的下游，如三廠和三廠南地區(qū)，出現(xiàn)持續(xù)5年左右的一個峰值期，這可能會對水源地的供水造成一定的影響。

研究成果表明通過人為干預(yù)將優(yōu)質(zhì)的地表水回補，在10余年就會對區(qū)域地下水環(huán)境起到較好的改善作用，是區(qū)域性地下水污染修復行之有效的手段之一，而水文地質(zhì)條件是區(qū)域性地下水污染修復關(guān)鍵的控制因素。此外，區(qū)域性回補地下水還需關(guān)注由于回補導致地下水動力場變化所帶來污染暈擴散以及水文地球化學作用等問題，因此，建議在污染區(qū)進行區(qū)域性的地下水回補（灌）工作之前需要開展地下水污染風險源調(diào)查評估以及現(xiàn)狀污染區(qū)擴散對周邊重要水源地影響等研究，以保障水源地供水的持續(xù)運行及水質(zhì)安全。

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The Environmental Impacts on Recharging Groundwater from South-to-North Water Diversion Project

YANG Qing1, JIANG Yuan2, LIN Jian1, CUI Wenjun1
(1.Hydrogeology and Engineering Geology Team of Beijing, Beijing 100195; 2. Beijing Geological Prospecting and Developing Bureau, Beijing 100195)

To study regional groundwater pollution remediation technology and the environmental impact on recharge groundwater from South-to-North Water Diversion Project, we used the groundwater numerical simulation model to predict and analyze the groundwater nitrate nitrogen concentration in the 20 years respectively for two modes: only recharging South-to-North water and mixed with local water in the Yongding River. The results show that the recharge plays a significant role in improving the groundwater quality for both modes. The nitrate nitrogen concentration in some areas decreased by 71.2%, while the hydrogeological conditions are the key factors of regional groundwater pollution remediation, using only the South-to-North water to recharge after 20 years, in the northern part of the study area, the improvement effect is 12.3～14.2 times of that in the southern part.

Quaternary; Groundwater numerical simulation; South-to-North Water Diversion Project; River recharge

A

1007-1903（2017）04-0030-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.005

國家科技重大專項“海河流域水資源調(diào)蓄區(qū)水質(zhì)保障及生態(tài)修復關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(2014ZX07203-010)；北京市財政基金資助項目(PXM2015_158305_000010)；2015年北京市優(yōu)秀青年培養(yǎng)資助項目（2015400617931G298）

楊慶（1980- ），男，高工,碩士,主要從事地下水環(huán)境研究。