南水北调水回灌对地下水环境的影响研究

杨 庆，姜 媛，林 健，崔文君

（1． 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2． 北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195）

南水北调水回灌对地下水环境的影响研究

杨 庆1，姜 媛2，林 健1，崔文君1

（1． 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2． 北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195）

为研究南水北调水回灌对地下水环境的影响，探讨区域地下水污染修复技术，建立区域尺度的地下水溶质运移模型，运用地下水数值模拟模型，预测和分析了在永定河河道仅使用南水北调水和南水北调水与本地水混合补给地下水两种模式下，研究区内地下水中硝酸盐氮20年内的变化趋势。结果显示，通过永定河河道回补地下水对研究区地下水起到极大的改善作用，其中部分地区硝酸盐氮浓度降低71．2%；使用南水北调水回补20年后，研究区北部的改善效果是南部的12．3～14．2倍，表明水文地质条件是区域性地下水污染修复的关键因素之一。

第四系；地下水数值模型；南水北调；河道回补

0 前言

2015年8月，北京市启动了南水北调来水向潮白河水源地试验补水工作，效果显著（王海亮，2016）。作为与潮白河水文地质条件相似的永定河顶部地区，亦具备极强的调蓄功能（北京市水文总站，1996；刘家祥等，1988），应该充分发挥南水北调工程的生态效益（刘昌明，2003），通过回灌补给地下水进而达到补充水量改善水质的效果。20世纪80 年代起，为缓解北京水资源不足和调蓄地表径流，在永定河地区开展了地下水人工补给的试验研究工作（刘家祥等，1988；王新娟等，2005），对地下水人工回灌后水动力场、水温度场、水质变化和回灌堵塞问题进行了研究，多人运用数值模拟模型对北京西郊砂石坑、大口井和河道回灌方案以及入渗试验进行模拟预测，提出了一些工程方案（王新娟等，2005；张安京等，2008；刘记来等，2010；杨庆等，2015）。

地下水污染形势日趋严峻，依靠地下水自然降解，地下水污染恢复需要百年甚至更久（杭小帅等，2008；崔学慧等，2008；赵勇胜等，2007；申利娜等，2010），然而上述研究工作主要基于地下水的“资源”属性，本文在上述研究成果的基础上，根据研究区水质指标特征，首次利用区域地下水溶质运移模型，模拟预测南水北调水在永定河河道回补地下水对周边地下水环境影响程度和范围，探讨区域地下水污染修复技术。

1 水文地质概况

研究区位于永定河冲洪积扇区的上部，地层主要由砂卵石、砂砾石和含砾石砂层组成，其含水层结构单一，地层颗粒较粗，其埋藏和分布由西向东逐渐增大，地表水和地下水的水力联系极为密切，是北京市平原区地下水的主要补给区（北京市地质矿产勘查开发局等，2008）。研究区西部和西北部边界为北京西山，石炭—二叠及侏罗系的砂页岩和火山岩组成了不透水边界；东部自北向南由昆明湖、紫竹院、陶然亭至西红门一线，南部由西红门经狼垡至南岗洼，这一线第四系岩性颗粒逐渐变细，含水层由单一变为多层，渗透性能减弱，地下水类型由潜水变为承压水，是地下水的天然边界；水库底部大都为不透水的第四系冰碛泥砾或新近系或古近系半胶结的砂砾岩、泥岩，在玉泉山南东冉村一带，第四系含水层与下伏奥陶系岩溶含水层直接接触，天然条件下岩溶水顶托补给第四系松散含水水层。

研究区地下水的主要补给源为大气降水入渗、山区侧向流入、河湖入渗、农业灌溉回渗和基岩水顶托补给；主要排泄源为人工开采和侧向流出。地下水动态主要为降水-人工开采型，地下水水位受降水和人工开采的影响而变化。

研究区地下水环境为氧化环境，主要污染特征指标为硝酸盐氮。

2 南水北调水回补预测

选择由Brigham Yong University的环境模型实验室和美国军工水道实验站合作开发地下水模型软件GMS 8.2计算该定解问题，建立研究区地下水数值模拟模型。水平剖分在回补的河湖地段加密，最小网格为50 m×50 m，最大网格长度为500 m。其中有效单元格为9191个（图1）。

图1 研究区地层三维结构及网格剖分Fig.1 Three-dimensional hydrogeology section and mesh generation for the study area

基于此模型，以2015年6月为模型初始状态，2011—2015年各类源汇项的平均值作为预测期源汇项，假设河道不防渗，利用南水北调水通过河道A、B、C、D、E共5段河流回补地下水，不考虑包气带对水质指标的去除效果。根据2015年9月两次水质测试结果，北京境内南水北调水折算成硝酸盐氮浓度为4mg/L，永定河地表水折算成硝酸盐氮浓度为16mg/L。

设置两种回补模式：

模式一：回补水100%为南水北调水，输入浓度为4.0mg/L；

模式二：南水北调水与本地水按各50%的比例混合，输入浓度为10.0mg/L。

两种模式预测结果见图2。

5个回补河段监测井以及区内主要水源地石景山水厂和三厂、三厂南3个监测井地下水中硝酸盐氮多年变化趋势见图3。

A段3年后稳定，模式一为3.99mg/L，模式二为9.98mg/L；B段6年后稳定，模式一浓度为4.05mg/L，模式二浓度为10.02mg/L；C段7年后稳定，模式一浓度为4.23mg/L，模式二浓度为10.02mg/L；D段模式一15年后稳定，浓度为9.84mg/L，模式二16年后稳定，浓度为11.78mg/L；E段模式一12年后稳定，浓度为9.70mg/L，模式二11年后稳定，浓度为12.48mg/L；石景山水厂地区6年后稳定，模式一浓度为4.61mg/L，下降了71.2%，模式二浓度为10.54mg/L，下降了34.2%；三厂地区13年后稳定，模式一浓度为4.95mg/L，下降了61.7%，模式二浓度为10.63mg/L，下降了17.9%；三厂南地区13年后稳定，模式一浓度为18.39mg/L，上升了14.0%，模式二为19.36mg/L左右，上升了20.0%。

图2 研究区地下水中硝酸盐氮变化趋势图Fig.2 Groundwater NO3- variation trend in study area

在无强烈人类活动干扰的条件下，一般来说区域地下水环境变化相对稳定，根据北京市水文地质工程地质大队2011—2015年监测结果，目前永定河地表水对地下水环境影响不显著，永定河地区地下水硝酸盐氮浓度较为稳定，以2015年浓度作为研究区背景浓度分析两种模式的改善效果。从预测结果看（图2），回补对区域地下水的改善效果主要受水文地质条件影响，研究区北部地区地下水易接受来自西部河段的补给，水源地地区回补20年后，相比初始值模式一浓度下降61.7%～71.2%，模式二浓度下降17.9%～34.2%；东北部地区由于主要接受来自研究区外北部的补给，浓度变化小于2.0%；南部地区地下水更新速率相对北部地区较慢，回补后地下水中硝酸盐氮浓度变化平均在3.1%～5.0%左右；东部地区受污染晕迁移影响，浓度平均上升超过150.0%。

图3 监测井地下水中硝酸盐氮变化趋势图Fig.3 Groundwater NO3- variation trend of monitoring wells

3 结论

（1）研究区通过回补的方式可以加速区域性地下水污染修复，特别是北部的水源地地区，两个主要水源地地区地下水质在6～11年左右均能稳定，相比背景浓度模式一浓度下降61.7%～71.2%，模式二浓度下降17.9%～34.2%。

（2）利用回补的方式修复区域性地下水污染效果的主要影响因素是水文地质条件，研究区北部地下水易接受来自东部的补给、更新速率块，而南部地下水更新速率相对较慢，回补后研究区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）两种模式均带来了新的地下水环境问题。由于首钢南部地区历史上为污灌区，北天堂垃圾填埋场填埋垃圾多年，这些地区土壤及地层已经受到了严重的污染，研究区现状含高浓度硝酸盐氮的地下水由于回补引起的地下水动力场改变而加速扩散至其他地区，2～4年后，在现状高浓度区的下游，如三厂和三厂南地区，出现持续5年左右的一个峰值期，这可能会对水源地的供水造成一定的影响。

研究成果表明通过人为干预将优质的地表水回补，在10余年就会对区域地下水环境起到较好的改善作用，是区域性地下水污染修复行之有效的手段之一，而水文地质条件是区域性地下水污染修复关键的控制因素。此外，区域性回补地下水还需关注由于回补导致地下水动力场变化所带来污染晕扩散以及水文地球化学作用等问题，因此，建议在污染区进行区域性的地下水回补（灌）工作之前需要开展地下水污染风险源调查评估以及现状污染区扩散对周边重要水源地影响等研究，以保障水源地供水的持续运行及水质安全。

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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

国家科技重大专项“海河流域水资源调蓄区水质保障及生态修复关键技术研究与示范”(2014ZX07203-010)；北京市财政基金资助项目(PXM2015_158305_000010)；2015年北京市优秀青年培养资助项目（2015400617931G298）

杨庆（1980- ），男，高工,硕士,主要从事地下水环境研究。