北运河流域土沟段地下水水力截获效果评估

李炳华,郝仲勇, 黄俊雄, 张家铭

(1.北京市水科学技术研究院非常规水资源开发利用与节水工程研究中心，北京 100048；2.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083)

地下水是北京市水资源的重要组成部分，占全市饮用水供水总量近70%。作为地下水的重要补给来源之一，地表水在入渗补给地下水的过程中，所携带的无机污染组分及部分有毒有害的有机污染物也会同时进入地下水[1-2]，对地下水安全造成极大威胁。历年资料表明，北京市的诸多污染河流已对当地地下水水质产生了负面影响。北运河流域(北京段)作为典型污染河流，是北京市地表水环境质量最差的水系，附近地下水已遭受不同程度污染。

目前，在实际工程中广泛应用的地下水污染修复技术有水力截获技术、原位生物处理法和渗透反应墙技术等[3-4]。其中，水力截获技术是通过设置一系列抽(注)水井，形成人工流场，最大限度地抽取受污染地下水，以达到抑制污染羽扩散并修复受污染含水层的目的[5]。该技术实施过程简单，见效快且显著，适用于常规和应急修复[6]。本文选取北运河流域土沟段作为试验区，通过开展不同深度含水层的水力截获试验，探讨水力截获技术在傍河场地的实际应用效果，以期为北运河流域地下水污染防控提供技术支撑。

1 研究区概况

北运河水系共有温榆河、清河等13条一级支流，总长度达300 km，流域面积4 423 km2，是北京市人口最集中、产业最聚集、城市化水平最高的流域。但由于其承担着中心城区90%的排水任务，北运河流域地表水污染十分严重[7]。北运河流域土沟段位于温榆河水文地质单元内。根据土沟段新建井的岩性资料，靠近温榆河的地层表现为黏砂与细砂互层，其中厚度0～10 m、15～30 m、35～40 m和65～75 m为黏砂层，其他均为细砂层；而远离河道的第四系岩性与近河段相比则显得较为单一，15 m以上为细砂层，15～25 m为黏砂层，以下为细砂层(图1)。土沟段20 m含水层地下水位平均埋深13.53 m，地下水整体流向为由西北流向东南，主要接受大气降水、农田灌溉入渗和河流入渗等补给。

图1 土沟段地质剖面

时间氯化物硫酸盐总硬度氨氮溶解性总固体CODMnTOC钾钠抽水前58.536.2290.110.35206.41.412.481.4抽水后37.317.6280.31.954721.190.72.6474.4

2 水力截获试验设计

结合研究区钻孔资料可知，研究区岩性主要以细砂、粉细砂和粉质黏土为主，因此，在垂向上将研究区概化为4个含水层和3个弱透水层，其中第1、3、5、7层为含水层，岩性主要为细砂、粉细砂，个别含水层夹有砂砾石；第2、4、6层为弱透水层，岩性主要为粉质黏土。在抽水井实际成井过程中，分别在20 m、60 m的开采层位处安装孔径为13 mm、高度为5～8 m的滤水管，并在外围回填4～7 mm的石英砂滤料，管井其余部分则均由黏土颗粒包裹UPVC井管。为保证水力截获试验设计的科学性、可靠性，利用土沟段已有监测井进行为期10 d的抽水试验，抽水流量为10～40 m3/d，并在抽水前和抽水停止时分别采集了20 m、60 m层位的地下水样品。地下水水质结果表明：抽水后的地下水水质各指标浓度较抽水前的浓度明显降低。以60 m处含水层抽水试验为例，氨氮、氯化物、硫酸盐、钾、钠等指标质量浓度都有不同程度的下降，其中氨氮下降幅度最大，达到81% (表1)。这与地下含水层氧化还原环境变化，地下水在岩性互层的地质结构中运移速率慢，滞留时间长，其水质变化与吸附作用、降解作用、水-岩相互作用以及地下水物理稀释作用有着极大关系[8-10]。

根据土沟段监测井所在的含水层埋藏条件，该区域试验场区可概化为含水层岩性较均匀，厚度较稳定，地下水运动为层流，符合裘布依方程的使用条件。采用承压水稳定流完整井公式计算渗透系数：

(1)

式中：K为渗透系数，m/d；Q为抽水井涌水量，m3/d；R为抽水影响半径，m；r为抽水井半径，m；M为承压水含水层厚度，m；S为抽水井水位降深值，m。

研究区埋深在30 m以内的浅层地下水基本不被利用，60 m深含水层主要为农业井开采。总体上看，浅层地下水开发利用程度相对较小，地下水流动缓慢，水力坡度小于1‰。本研究于2016年新建7眼地下水水井，开展水力截获试验，使浅层地下水具有适当的流动速度，从而充分利用埋深60 m以内的粉质黏土层的吸附作用和土著微生物的降解作用等净化来自上游受污染的地下水[11-13]。同时，抽水试验结果表明：20 m含水层的渗透系数为7.33 m/d，60 m含水层的渗透系数为0.54 m/d，而80 m含水层厚度薄且渗透系数较小。因此，选择20 m和60 m含水层作为水力截获的含水层具有一定的可行性和可操作性。为使水力截获试验满足既不疏干含水层，又能持续抽水的条件，其具体方案见表2。

表2 水力截获试验方案

此次水力截获试验共持续69 d，其中20 m含水层水力截获试验持续33 d，总抽水量1 489.2 m3；60 m 含水层水力截获试验持续36 d，总抽水量1 869.8 m3；地下水位数据采集频率均为12次/h。当进行20 m含水层水力截获试验时，除了监测3眼20 m地下水井外的水位变化外，还对T1-10地下水井(井深10 m)进行水位监测；当进行60 m含水层水力截获试验时，同时监测1眼20 m地下水井(T1-20)，监测井分布见图2。各地下水井中均采用Levelogger Edge记录仪监测地下水动态变化，地下水动力场采用Feflow 6.2模拟得出。

图2 20 m、60 m含水层试验监测井分布

监测的地下水水质指标分为两类，第一类为常规水化学指标，包括13种：pH、钾、钠、钙、镁、氯离子、硫酸根离子、硝酸盐氮、氨氮、碳酸氢根离子、总硬度、溶解性总固体、CODMn；第二类为痕量有机污染物指标，包括3种：邻苯二甲酸酯、壬基酚、多环芳烃。常规水化学指标水样分别于试验前及试验开始后的第5、10、15、20，25、30天顺序取样。其中20 m含水层在停止抽水后的第35、41、46天各取样1次；60 m含水层在停止抽水后的第6和第11天各取样1次。而痕量有机污染物均监测仅有4次，取样时间为试验开始前及试验开始后的第5、15、30天。

3 试验结果与讨论

3.1 含水层水动力场变化

试验分别对20 m含水层3眼地下水井(T1-20、T2-20、T3-20)和60 m含水层4眼地下水井(T1-60、T2-60、T3-60、T4-60)抽水，根据Feflow软件模拟结果，得出近似变化厚度水动力场，20 m和60 m含水层抽水后水位等值线见图3。

(a)20 m含水层

(b)60 m含水层

同时抽取3眼20 m含水层水井33d后，地下水水位最大降深为2 m，最大影响半径为80.2 m；而同时抽取4眼60 m含水层水井36d后，地下水位最大降深为1.54 m，最大影响半径为150.6 m。地下水动力场条件发生变化，将引起地下含水层环境变化：首先，包气带厚度增加，地层内氧化还原条件发生改变，在原含水层转变为包气带的过程中，原含水层介质内的有机质可能被氧化，释放二氧化碳，促进碳酸岩盐的溶解，钙离子浓度会有所提升；其次，氧化环境会使微生物的硝化作用增强，部分氨氮会被转化为亚硝氮与硝氮，导致氨氮浓度有所降低[14-16]。

3.2 含水层水质变化

3.2.1 钾、钠、钙和镁离子

20 m含水层中的钾、钠和镁离子质量浓度总体呈现下降趋势，而钙离子质量浓度呈现上升趋势(图4)。T1-20监测井钾离子质量浓度由初始的6.5 mg/L降低至抽水结束时的1.6 mg/L；钠离子质量浓度由初始的100.0 mg/L降低至抽水结束时的66.0 mg/L；镁离子质量浓度由初始的46.0 mg/L下降至40.0 mg/L；而钙离子质量浓度由初始的62 mg/L上升至抽水结束时的101.0 mg/L。抽水结束后，钾、钠和镁离子质量浓度缓慢回升，而钙离子质量浓度呈下降趋势。T2-20监测井的数据变化与前者相同。20 m含水层钙离子质量浓度上升而钠离子浓度下降的原因，一方面是由于地下水动力场的改变，地层由还原环境转变为氧化环境，促使碳酸盐介质溶解进入地下水中；另一方面，可能是地下水-包气带介质发生阳离子交换吸附，地下水中钠离子、钾离子和介质中的钙离子相互交换，钙离子进入地下水中，而钠离子进入介质中[17-19]。

(a)T1-20

(b)T2-20

(c)T1-60

(d)T2-60

60 m含水层中的钾、钙和镁离子质量浓度都呈现下降趋势，而钠离子质量浓度呈现上升趋势。T1-60 监测井钾离子质量浓度由初始的5.8 mg/L降低至抽水结束时的2.0 mg/L；钙离子质量浓度由初始的104.0 mg/L降低至抽水结束时的76.0 mg/L；镁离子质量浓度由初始的40.0 mg/L降低至抽水结束时的36 mg/L；而钠离子质量浓度由初始的69.0 mg/L上升至抽水结束时的82.0 mg/L。抽水结束后，钾、钙、镁离子质量浓度缓慢回升。T2-60监测井相应的数据变化与其相同，这可能是由于60 m 含水层发生了与20 m含水层相反的阳离子交换吸附所导致的。

3.2.2 氯离子和硫酸盐

20 m、60 m含水层氯离子和硫酸盐质量浓度均表现出随抽水时间而呈现下降的趋势(图5)。其中T2-20监测井氯离子初始质量浓度为65.0 mg/L，抽水结束时下降为55.0 mg/L；硫酸盐质量浓度下降幅度较大，由初始质量浓度的114.0 mg/L，下降至抽水结束时的48.0 mg/L，降幅度达到57.9%；T3-20监测井中相应离子浓度变化与前者相同。

(a)T2-20

(b)T3-20

(c)T2-60

(d)T3-60

停止抽水1个月后，氯离子和硫酸盐离子质量浓度均有所回升。而T2-60监测井在停止抽水6 d后，氯离子和硫酸盐质量浓度仍然下降，11 d后呈现上升趋势；T3-60监测井则在停止抽水11 d后，两者浓度仍然呈现下降趋势，其极可能是由于周边未受污染的地下水受水力调控试验的影响，而对原场地受地下水氯离子和硫酸盐产生了物理稀释作用。

3.2.3 痕量有机污染物

监测了6种酞酸酯类污染物，选取地下水中的特征污染物邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和邻苯二甲酸(2-乙基己基)酯(DEHP)的变化进行分析。20 m和60 m含水层DBP和DEHP质量浓度总体呈现下降趋势(图6)。20 m含水层的DBP由初始质量浓度1 451.7 ng/L 下降至停止抽水时的883.2 ng/L，DEHP从初始质量浓度4 742.1 ng/L下降至停止抽水时的177.0 ng/L，降幅达到96.3%。而60 m的含水层DBP和DEHP变化基本一致，DBP由初始质量浓度866.4 ng/L下降至停止抽水时的450.3 ng/L，DEHP从初始质量浓度464.1 ng/L下降至停止抽水时的33.1 ng/L，降幅达到92.9%。

(a)T1-20

(b)T1-60

对于多环芳烃类的特征污染物菲和苯并(K)莹蒽，在20 m和60 m含水层两者质量浓度总体呈现下降趋势(图7)。其中，20 m含水层中菲的质量浓度降幅极大，由初始的171.7 ng/L下降至停止抽水时的15.0 ng/L；60 m含水层的情况也与其相似，菲的浓度由初始的65.7 ng/L下降至停止抽水时的9.6 ng/L。而酚类的特征污染物——∑壬基酚质量浓度也总体呈现下降趋势(图7)。20 m含水层的∑壬基酚由初始质量浓度281.7 ng/L下降至停止抽水时的75.1 ng/L，降幅达到73.4%。 60 m含水层的∑壬基酚由初始质量浓度154.3 ng/L下降至停止抽水时的50.7 ng/L，降幅达到67.2%。这主要归功于粉质黏土及土壤有机质对特征污染物菲、苯并(K)莹蒽和∑壬基酚的吸附作用，此外地下水流速的加快，周边受污染较轻的地下水流入，对含水层污染物的稀释也发挥一定作用。

(a)T1-20

(b)T1-60

4 结 论

a. 水力截获试验的地下水动力场变化为：20 m含水层水位最大降深为2.0 m，影响半径为80.2 m；60 m含水层的水位最大降深为1.54 m，影响半径为150.6 m。

b. 水力截获试验过程中20 m和60 m含水层中的氯离子、硫酸盐、钾离子和镁离子质量浓度呈现不同程度的下降；但20 m含水层中的钙离子和60 m含水层中的钠离子呈现相反的趋势，可能与20 m含水层和60 m含水层发生的阳离子交换吸附作用有关；检测的3种痕量有机污染也呈现下降趋势，其中DEHP下降幅度最大达到96.3%。试验结束后，各含水层的地下水水质指标浓度随时间而缓慢回升。

c. 水力截获试验表明，浅层地下水在加速循环后，地下水水质呈现明显好转的趋势。地下水动力场的变化对地下水化学特征造成了一定影响。阳离子交换吸附、稀释作用、包气带的氧化还原条件及黏土矿物的吸附作用是影响研究区地下水水质变化的内因。

尽管水力截获技术可以在短时间内达到修复地下水环境的效果，但根据本研究试验结果可知，地下水中的污染物会在水力截获试验结束后出现缓慢抬升的趋势。因此，要达到更好的修复效果，还需从源头消除和过程控制做起，开展河流污水排放口截流和河道减渗处理。