北京某拟建再生水厂地下水环境影响研究

李 鹏, 刘 殷, 孙 颖

（北京市水文地质工程地质大队, 北京 100195）

北京某拟建再生水厂地下水环境影响研究

李 鹏, 刘 殷, 孙 颖

（北京市水文地质工程地质大队, 北京 100195）

研究区位于潮白河冲洪积扇中上部，第四系松散孔隙含水层颗粒粗大，易接受补给，地下水固有防污性能处于差和较差，地下水水质整体良好。采用数值模拟方法，建立了三维地下水流数值模型，对孔隙度、弥散系数进行了率定，利用GMS中的MT3DMS模块建立了溶质运移模型。选取COD作为模拟指标，根据模型对水厂投产30年后两种不同情景方案下地下水水质状况进行了预测分析。结果显示，在正常工况和处理流程出现故障两种条件下，再生水厂对周围地下水环境有一定程度影响，但重点研究区内地下水模拟浓度远小于《地下水质量标准》中Ⅲ类水标准，污染物浓度虽低，影响距离却很远，因此要建立覆盖全厂区的地下水长期监控系统，避免污染事故。

溶质运移模型；水文地质条件；再生水厂；地下水环境

0 引言

北京市人均水资源占有量为191m3（北京市水务局，2013），人多水少是北京的基本市情水情。因此，实现水资源的合理配置、优水优用、分质供水、城市污水回用是解决水资源短缺的一个重要途径（吕晓俭等，2015；黄大英，2005；张玲，2007）。拟建的再生水厂经污水集中处理后，根据规划将部分退水作为绿化、道路浇洒、工业冷却水、河道补水等多种用途。建设地点位于密云县经济开发区，结合密云工业开发区的发展规划和用地布局，确定项目厂址位于潮白河下游南岸，工业三期西南角，北侧为左堤路和潮白河，南侧为京承高速公路，东侧为西统路，西侧为绿化带。

由于该区第四系颗粒较粗，包气带防污性能弱，且位于水源地补给区上游，下游有八厂水源地。因此，本次确定研究范围为696km2，西北侧为潮白河，沿潮白河至下游水源八厂，以一个大的水文地质单元为整体；重点评价区范围为86.8km2，包括潮白河周边的灌溉区、水源八厂补给区等（图1）。通过模拟预测，评判再生水厂运行过程中对地下水环境可能造成的影响，并针对可能的影响提出污染防治措施与建议，预防与控制地下水环境恶化，保护区域地下水安全。

图1 区域水文地质图Fig.1 Regional hydrogeological map

1 地下水环境现状调查与评价

1.1 研究区概况

密云县位于北京市东北部，密云水库位于其中，县境内主要河流有潮河、白河、潮白河等。研究区东部、西部和北部三面环山，南为平原，总的趋势是北部狭窄，南部开阔。牛栏山以北及河流两侧为由全新世冲积、洪积物组成的一级阶地；牛栏山以南的一级阶地外侧分布有更新世冲积、洪积物组成的二级阶地；潮白河等现代河流两侧有现代冲积层。区内的断裂构造有北东向牛栏山断裂，南部分布马昌营断裂。区内第四系为冲洪积成因类型地层，岩性为卵石、砾石、砂类土与粘性土，其中砂类土以中、粗砂为主，细砂、粉砂次之，粘性土中以砂质粘土为主。沉积厚度由北部溪翁庄、东北部河南寨的20～50m，向东南逐渐加大到大胡营的200m，在两河附近最大，超过300m。下伏基岩地层包括长城系、蓟县系、青白口系、寒武系、奥陶系、石炭—二叠系和侏罗—白垩系。厂址区包气带岩性平面上主要为砂类土，剖面上从上向下依次为卵石、砾石、砂类土与粘性土，下层粘性土主要是粉质粘土和粘质粉土，厚度4～8m，且分布连续、稳定。

1.2 水文地质条件

研究区位于潮白河地下水子系统中上部，第四系孔隙水主要赋存于河流冲洪积作用形成的砂及砂卵砾石中，含水层垂直渗透性强，极易接受大气降水和地表水的补给，地下水和地表水联系密切，是补给地下水的极佳地段，但其含水层具有易污染特征。根据含水层岩性、富水性及埋藏条件将研究区划分为三个主区，单井出水量在1500～5000 m3/d之间，而山麓坡积裙地带，第四系沉积物主要为坡积、洪积物，富水性不均一（图1）。整个研究区内渗透系数的变化范围为3～300m/d，给水度的变化范围为0.03～0.23，降雨入渗系数变化范围为0.15～0.65。根据场地的渗水试验结果，其渗透系数在6.88×10-4～8.55×10-4cm/s，地下水固有防污性能处于差和较差区（北京市地质矿产勘查开发局等，2008）。

研究区孔隙水的补给来源主要是大气降水、农田灌溉水、地表水（河道、渠道水）入渗补给和山区基岩裂隙水侧向补给，近年来人工回灌也成为地下水补给来源之一。地下水位变化除受人工开采影响外，还受降水量大小影响。孔隙水的排泄以人工开采方式为主，其次是侧向径流排泄。由于受到怀柔应急水源地及水源八厂常年抽水影响，加之潮白河已干涸多年，不存在补给潜水的稳定地表水，造成了潮白河西岸潜水位标高整体低于东岸。地下水径流方向与地形地貌变化一致，即由山前向平原，由北西向南东流动，并随径流条件变化，径流强度发生变化。现状条件下，八厂水源地及怀柔应急水源地地下水集中开采改变了其自然状态，在开采量较大的地区，形成了大面积的区域性降落漏斗（图2）。

图2 地下水边界条件及流场拟合图Fig.2 Boundary conditions and ftting curve of groundwater

1.3 地下水环境现状

根据重点研究区内近一个水文年三期潜水含水层的水样监测结果，采用单因子指数法进行了水质评价，标准采用《地下水质量标准》（GB/ T14848－93）中的Ⅲ类标准，标准中没有的因子参照《生活饮用水卫生标准》（GB 5749－2006）。结果显示，25项检测指标中23项浓度均优于上述标准值，水质良好。总硬度、硝酸盐（以N计）等两个指标水质稍差，位于河南寨镇西南部附近，而其上下游的水质监测点两指标的浓度均优于标准值。

2 地下水环境影响预测与评价

2.1 地下水流数值模型

数值模型是某些复杂的物理实体及其内部流程的简化和概化（孙纳正，1981）。建立地下水流模型的过程，就是建立和运行能代表实际含水层行为的模型（James，1981）。本次借助基于有限差分法原理的GMS软件建立地下水数值模型（Brigham Young University-Environmental Modeling Research Laboratory，2002；祝晓彬，2003）。

由地下水位等值线（图2）可以看出，研究区地下水流总体由北向南流动，在开采强度大的地区，形成区域地下水位降落漏斗。地下水在第四系松散多孔介质中的流动符合质量守恒定律和达西定律；考虑到由层间水头差异引起含水层之间的垂向水量交换，故地下水运动为三维流；地下水的补排项以及水位是随时间变化的，故为非稳定流；由于介质的非均匀性造成水文地质参数随空间变化，体现了系统的非均质性；由于含水介质的成层性，造成垂向和水平水文地质参数的差异，因而可概化为水平各向同性、垂向各向异性介质。将重点研究区及以北区域模型概化为一层单一的潜水含水层，以南的区域含水层较厚，未处理为单一含水层。

根据研究区水文地质条件和地下水开发利用特点，侧向边界设置如图2所示，垂向上第四系松散层的底界处理为隔水边界。源汇项数据均按照乡镇分为22个区进行整理，之后输入模型中进行计算。将模拟区各层采用100m×100m的剖分格式。地下水流场模拟期为2010年12月到2011年12月，以2010年12月地下水流场作为模型的初始流场。渗透系数等水文地质参数处理为shp区文件直接输入模型。

利用研究区2011年12月的实际流场与模拟的2011年12月的流场，进行识别验证。可以看出，模拟流场与实际流场总体流动方向相同，降落漏斗的影响范围和最大降深相同，拟合效果良好。

2.2 预测指标及情景设定

拟建再生水厂一期（2015年）建设规模6.5×104m3/d，二期（2020年）建设规模3.5×104m3/d，总规模10.0×104m3/d。工程处理出水达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T18920-2002）中的城市绿化和道路清扫的水质标准，《城市污水再生利用 景观用水水质》（GB/T18921-2002）中的观赏性景观环境用水（河道类）的水质标准，同时考虑满足北京市地方标准《城镇污水处理厂水污染物排放标准》 （DB11/890-2012）表 1 中的 A 标准。设计出水水质见表1。

表1 再生水厂进出水水质指标Tab.1 The designed quality of raw wastewater and treated water

拟建再生水厂的进水水质指标中COD的浓度最高，初始浓度500mg/L，故选用COD作为模拟指标。设定出水浓度为20mg/L。研究区位于潮白河冲洪积扇的中上部，这些区域地下水循环快，相对随地下水流的排泄来说，在吸附、生物降解等作用下消耗掉的量显得微弱， 所以本次模拟仅考虑了对流-弥散作用。

溶质运移模型的预测期为2015年1月至2045年1月，共30年。不同情景污染源强按以下两种方案确定：

（1）正常工况下即再生水厂正常运转

预测源强设定为COD出水浓度20mg/L。

（2）再生水厂处理流程出现故障

再生水厂突发污染事件，如爆炸等。进水未经过处理，直接由再生水厂补给地下水造成污染，模拟其对地下水的影响。进水水质的COD浓度为500mg/L，假定以此浓度泄漏持续时间15天，通过计算污染物渗漏量为4814.8g/d。

2.3 地下水水质模型预测与评价

在地下水流数值模型的基础上利用GMS软件中的MT3DMS建立溶质运移模型（郑春苗等，2009），对污染物的运移进行预测评价。溶质模型参数设定，孔隙度为0.3；纵向弥散系数，中粗砂设定为0.2～1.0 m2/d，砂砾石设定为1～5 m2/d。

（1）正常工况下COD运移预测

再生水长期按照出水标准排入潮白河，周边利用这类水灌溉，做景观用水。预测结果如图3所示。污染指标COD随着时间的增加，浓度越来越高，污染晕的范围越来越大，并且沿着地下水流动的方向污染晕的影响距离大于其他方向，最大影响距离为6100m。2020年6月污染物运移到水源八厂区，至2045年1月水源八厂区污染物浓度最大值为1.66mg/L，小于地下水质量标准中Ⅲ类水COD的浓度指标3mg/L。故污染物COD对地下水环境仅有微弱的影响。

图3 正常工况下COD污染扩散图Fig.3 Distribution of COD plume in normal operation condition

（2）再生水厂处理流程出现故障

污水COD未经过处理的预测结果如图4所示。由于COD的初始浓度高，污染物运移的速率明显大于正常工况下污染物的运移速率，最大影响距离为8700m。2038年6月污染物运移到水源八厂区，2045年1月水源八厂区污染物浓度最大值0.22mg/L，远小于地下水Ⅲ类水标准。故再生水厂处理流程出现故障时，污染物COD对地下水环境影响甚微。

3 结语

通过对区域地质、水文地质条件分析，厂址区地下水固有防污性能处于差和较差区，含水层易污染特征为易，采样分析评价地下水环境现状，大部分指标水质良好。利用GMS软件，建立了地下水流数值模拟模型及溶质运移模型。预测再生水厂投入使用30年后，不同情景方案下地下水水质状况，结果显示再生水厂的使用对周围地下水环境有一定程度影响，但区内主要供水水源地COD浓度均远小于《地下水质量标准》中Ⅲ类水标准。污染物浓度虽低，影响距离却很远，仍要引起重视。

图4 处理流程故障条件下COD污染扩散图Fig.4 Distribution of COD plume when process fails

南水北调来水后在研究区进行了地下水回灌涵养，地下水位降落漏斗得以恢复，水动力条件发生变化，污染物运移将减缓，从而也可以改善研究区的地下水环境。

宜建立覆盖全厂区的地下水长期监控系统，对地下水污染状况及时发现并控制，避免污染事故的发生。若厂区发生地下水污染事故，应立即启动应急预案。如控制厂区事故现场，切断污染源，进行清源处理，同时上报相关部门。对每个可能出现事故的污染晕设置截流带，布设截获井，直至地下水污染物含量低于区域背景值后停止抽水。

[1]Brigham Young University-Environmental Modeling Research Laboratory. Groundwater Modeling System Tutorials Volume I, 2002.

[2]James W. Mercer，Charles R.Faust. Ground-Water Modeling[M]. National Water Well Association，1981.

[3]北京市水务局. 北京市水资源公报(2012)[R]. 北京，2013.

[4]吕晓俭，李宇，李志萍. 北京地下水资源与城市协调发展的思考[J]. 城市地质，2015，10(S1)：8～12. [5]黄大英. 浅谈北京水资源的合理配置[J]. 水资源保护，2005，21(4)：67～70.

[6]孙纳正. 地下水流的数学模型和数值方法[M]. 北京：地质出版社，1981.

[7]北京市地质矿产勘查开发局，北京市水文地质工程地质大队. 北京地下水[M]. 北京：中国大地出版社，2008.

[8]张玲. 基于不确定性的水资源优化配置模型及案例研究[D]. 北京：中国地质大学(北京)，2007.

[9]郑春苗，Bennett G D. 地下水污染物迁移模拟[M].北京：高等教育出版社，2009.

[10]祝晓彬. 地下水模拟系统(GMS)软件[J]. 水文地质工程地质，2003，47 (5)：53～55.

Research on the Effect of Groundwater Environment for a Proposed Water Recycling Plant in Beijing

LI Peng, LIU Yin, SUN Ying
(Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing, 100195)

The study area is located in the upper of the Chaobai River alluvial. Because of the coarse particle size, Quaternary aquifer is easily recharged. Groundwater intrinsic antipollution capability of this area is poor. Groundwater quality is good in general. The index COD is chosen to predict and evaluate the effects of a proposed water recycling plant operation on groundwater in the source area by building up numerical model. The plant may have certain effect on the groundwater environment both in cases of normal operation and during process failures. The forecasting COD concentrations in the groundwater source area are far below the Class III water standard in Standard for Groundwater Quality, but the infuence distance is long, therefore a long-term monitoring system covering the whole plant area should be build to avoid pollution.

Mass transport model; Hydrogeologic conditions; Water recycling plant; Groundwater environment

X523

A

1007-1903（2016）04-0024-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.004

李鹏（1983- ），男，硕士，工程师，主要从事水文地质环境地质工作。E-mail：liplip123@163.com.