基于數(shù)值模擬的地表水體對(duì)地下水源地影響研究

周瑞靜　宋煒　倪寶峰

摘 要：選取通州區(qū)納污河流運(yùn)潮減河和通州區(qū)區(qū)級(jí)水源地，運(yùn)用地下水水流模型Visual-Modflow和多組分溶質(zhì)運(yùn)移模型MT3DMSD耦合，以運(yùn)潮減河中濃度較高的耗氧量和氨氮為特征污染物，模擬了當(dāng)耗氧量和氨氮的初始濃度分別為20 mg/L、10 mg/L時(shí)，5年后耗氧量和氨氮在左岸潛水含水層的最大超標(biāo)范圍為153 m和176 m，對(duì)承壓水沒(méi)有影響。但在運(yùn)潮減河保持現(xiàn)狀水質(zhì)情況下，潛水污染面積會(huì)逐年增大并持續(xù)向下滲濾，對(duì)承壓水造成威脅，進(jìn)而影響水源地水質(zhì)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：地表水;地下水;水源地;數(shù)值模擬

Abstract： In order to explore the impact of inferior surface water on the water quality of groundwater drinking water， we take Tongzhou district sewage river and groundwater drinking water as an example， and use Visual MODFLOW and MT3DMSD to simulate the groundwater flow model. A groundwater flow model and a water quality model in the northern part of Tongzhou district are established. We take the chemical oxygen demand and ammonia nitrogen as the main research object， which contents are high in the Yunchaojian River. The maximum exceeding range of oxygen consumption and ammonia nitrogen in phreatic aquifer of the left bank is up to 94 m and 140 m after 5 years， under the initial concentration of 20 mg/L and 10 mg/L respectively， which has no impact on the confined water. However， under the condition of maintaining the current water quality of Yunchaojian River， the pollution area of phreatic aquifer will increase year by year. The continuous seepage of the polluted river water will threaten the confined aquifer， thus affect the quality of the underground source of drinking water in the confined aquifer.

Keywords： surface water; groundwater; source of drinking water; numerical simulation

0 引言

首都北京是以地下水作為居民生產(chǎn)、生活主要供水水源的國(guó)際化大都市，2015年北京市將通州區(qū)定位為城市副中心，成為北京城市行政功能戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移區(qū)域，肩負(fù)著承接中心城區(qū)的行政功能，并以此帶動(dòng)其他功能疏解的使命。在為區(qū)域發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇的同時(shí)，又對(duì)其可持續(xù)發(fā)展提出了更高的要求，也給該區(qū)地下水環(huán)境保護(hù)與管理帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。目前，城市副中心區(qū)域第一含水層組地下水多個(gè)指標(biāo)出現(xiàn)超標(biāo)，以無(wú)機(jī)指標(biāo)超標(biāo)為主，局部區(qū)域甚至呈現(xiàn)無(wú)機(jī)與有機(jī)組兩類污染雙重污染的狀況，地下水環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻（郭高軒等，2014）。通州區(qū)地勢(shì)低凹，自古有“九河下梢”之稱，區(qū)內(nèi)地表水系水質(zhì)較差，多為劣Ⅴ類水質(zhì)（北京市水務(wù)局，2018）。運(yùn)潮減河作為通州區(qū)的納污河流，多年來(lái)河水來(lái)源主要是雨水直排、污水處理廠再生水排放等，水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果多年為Ⅴ類，且河底沒(méi)有防滲襯層。

李中陽(yáng)等（2012）和馬闖等（2012）的研究結(jié)果顯示再生水灌溉會(huì)造成表層土壤重金屬濃度升高，深層土壤和含水層中重金屬濃度變化很小，表明符合灌溉標(biāo)準(zhǔn)的再生水不會(huì)對(duì)地下水造成重金屬污染，但是聚集在表層土壤中的重金屬對(duì)地下水的潛在污染風(fēng)險(xiǎn)也不可忽視。陳衛(wèi)平等（2013）研究了不同回灌方式下再生水對(duì)地下水的污染風(fēng)險(xiǎn)，重金屬的研究結(jié)果與李中陽(yáng)和馬闖等的結(jié)論一致，均為對(duì)地下水的影響較小，而鹽分和硝態(tài)氮在地下水中都表現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)。賈忠華等（2018）研究了雨水花園入滲雨水對(duì)地下水水質(zhì)的影響，結(jié)果表明地下水中總氮在短期內(nèi)顯著增加，氨氮增加不顯著，硝態(tài)氮在雨后有明顯升高。李賀強(qiáng)等（2015）用數(shù)值模擬法研究了深井雨水回灌對(duì)深層地下水的水質(zhì)影響，結(jié)果表明回灌水量和溶質(zhì)濃度均對(duì)溶質(zhì)的遷移擴(kuò)散有影響。杜新強(qiáng)等（2007）研究了地表水注入對(duì)地下水水質(zhì)的影響，并模擬了地表水進(jìn)入含水層后發(fā)生的水-巖相互作用，得出了優(yōu)質(zhì)地表水注入補(bǔ)給地下水可以改善劣質(zhì)地下含水層水質(zhì)。谷小溪（2012）利用人工試驗(yàn)場(chǎng)研究了人工回灌對(duì)地下水水質(zhì)的影響，總結(jié)了人工回灌下地下水中8大離子和5種微量元素受混合作用、離子交換作用及含水層巖石溶解作用的影響程度，得出地下水具有一定的緩沖作用，自來(lái)水回灌地下水不會(huì)對(duì)地下水環(huán)境造成影響。

本次研究使用地下水模擬領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的Visual Modflow軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)在整合了水流評(píng)價(jià)、平面和剖面流線示蹤分析、水文地質(zhì)參數(shù)估計(jì)與優(yōu)化和溶質(zhì)運(yùn)移評(píng)價(jià)等軟件基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了強(qiáng)大的圖形可視界面功能，是一款被國(guó)內(nèi)外各機(jī)構(gòu)認(rèn)可的地下水流場(chǎng)和溶質(zhì)運(yùn)移三維綜合評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)（王慶永等，2007;馮潔，2013;蔚東升等，2014;趙貝等，2015）。已有運(yùn)用Visual Modflow模擬再生水長(zhǎng)期排入地表水體對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)量影響進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究報(bào)道（崔瑜等，2018）。

通州區(qū)唯一的區(qū)級(jí)飲用水水源地部分水源井傍河而建，取第四系潛水和微承壓水，其中兩眼水源井緊鄰運(yùn)潮減河，水源地的大規(guī)模取水也加劇了該區(qū)域地表水與地下水的相互影響。本研究為了探究劣質(zhì)地表水對(duì)地下水水源地水質(zhì)的影響，選取通州區(qū)納污河流運(yùn)潮減河和通州區(qū)區(qū)級(jí)水源地為例，運(yùn)用地下水水流模型Visual-Modflow和多組分溶質(zhì)運(yùn)移模型MT3DMSD耦合，以運(yùn)潮減河中濃度較高的耗氧量和氨氮為主要研究對(duì)象，模擬了區(qū)級(jí)水源地現(xiàn)狀取水量下運(yùn)潮減河中Ⅴ類地表水對(duì)區(qū)級(jí)水源地的影響程度和范圍。

1 模擬區(qū)信息

1.1 水源地概況

通州區(qū)區(qū)級(jí)水源地位于通州區(qū)北部，有水源井28眼，其中第四系水源井13眼，位于北京與河北交界，鄰潮白河，基巖井15眼，位于城區(qū)北側(cè)。該水源地設(shè)計(jì)取水量1250萬(wàn)t/a，供水對(duì)象包括通州城區(qū)4個(gè)街道辦事處全部區(qū)域以及永順鎮(zhèn)、梨園鎮(zhèn)和宋莊鎮(zhèn)部分區(qū)域，服務(wù)人口達(dá)25萬(wàn)人。第四系水源井南側(cè)有運(yùn)潮減河，東側(cè)有潮白河，多個(gè)水源井傍河而建（北京市地質(zhì)工程勘察院，2016年）。

1.2 第四系含水層特征

模擬區(qū)第四系含水層特點(diǎn)是多層次，細(xì)顆粒，巖性以中、細(xì)、粉砂為主，局部地區(qū)以粗砂為主，夾有少量礫石。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，綜合分析隔水層的相對(duì)厚度及巖性、含水層組之間水力聯(lián)系和水質(zhì)等因素，可將模擬區(qū)含水層在垂向上概化為4個(gè)含水層組：

潛水含水層組以中細(xì)砂為主，其次為細(xì)砂、粉砂，局部地區(qū)含粗砂、礫石。含水層一般有2～3層，累計(jì)厚度20～30 m，底板埋深40～50 m左右，地下水位埋深6～7 m。本含水層組富水性差，水位下降5 m時(shí)，單井出水量在500～1500 m3/d。

第一承壓含水層組以細(xì)砂為主，其次為中砂、粗砂，局部地區(qū)含礫石。含水層一般有3～5層，累計(jì)厚度30～50 m，底板埋深80～100 m左右，地下水位埋深18～20 m。在通州區(qū)中北部地區(qū)該含水層富水性較好，水位下降5 m時(shí)，單井出水量在1500～3000 m3/d。

第二承壓含水層組（底界深度150～180 m）和第三承壓含水層組（底界深度300 m）主要以細(xì)砂為主，中砂和粉砂次之，地下水水位埋深50 m左右。雖然富水性和補(bǔ)給條件較淺層地下水差，但由于埋藏較深，目前受到的污染較少，水質(zhì)較淺層地下水好。

1.3 地下水質(zhì)量現(xiàn)狀

區(qū)級(jí)水源地附近有區(qū)域地下水分層監(jiān)測(cè)井3眼，井深為41 m、103 m、225 m，分別監(jiān)測(cè)潛水、第一層承壓水、第二層承壓水。據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果潛水含水層總硬度和溶解性總固體超標(biāo)，耗氧量和氨氮不超標(biāo);而第一承壓含水層和第二承壓含水層地下水水質(zhì)中總硬度和溶解性總固體相對(duì)較好，耗氧量和氨氮不超標(biāo)（表1）。

2 研究方法

2.1含水層結(jié)構(gòu)概化

通州區(qū)區(qū)級(jí)水源地位于潮白河沖洪積扇中下部，第四系沉積在模擬區(qū)范圍內(nèi)為300～500 m。由于本次研究地表水體對(duì)水源井水質(zhì)的影響，綜合考慮含水層概化需求及水井深度，模型在垂向上控制在300 m以內(nèi)。模擬區(qū)第四系含水層在300 m深度以內(nèi)有多個(gè)含水層，且各含水層之間存在厚度不等的粉質(zhì)黏土層，含水層巖性主要為多層薄層中細(xì)砂，局部含卵礫石層。垂向上將模型概化為3個(gè)含水層、2個(gè)弱透水層，共5層：第一層為潛水含水層，深度在40 m左右，巖性以細(xì)砂為主;第二層為弱透水層，厚度在10～20 m，巖性以粉質(zhì)黏土和黏土為主;第三層為淺層承壓含水層，深度在80～100 m，巖性主要為細(xì)砂，其次為中砂和粗砂;第四層為弱透水層，深度在100～120 m，主要為厚20～40 m的粉質(zhì)黏土與黏土互層，為該區(qū)域第一層厚度相對(duì)穩(wěn)定的隔水含水層;第五層為深層承壓含水層組，埋深在120 m以下，主要由細(xì)砂組成，中間夾粉質(zhì)黏土，由于農(nóng)村改水工程的開(kāi)展，該層含水層開(kāi)采量逐漸增加，現(xiàn)已成為主要的開(kāi)采層。

2.2 邊界條件概化

側(cè)向邊界：模擬區(qū)東部為潮白河，通州區(qū)內(nèi)潮白河河段常年有水，河流底部未防滲，定義為河流邊界;西部為溫榆河和北運(yùn)河，通州區(qū)內(nèi)該河段常年有水，河流底部進(jìn)行了防滲處理，定義為河流邊界;根據(jù)地下水流場(chǎng)方向，沿地下水等水位線平行方向，將模擬區(qū)南部南劉各莊村一線，定義為側(cè)向流出邊界;北部以通州區(qū)區(qū)界與等水位線相切處為界，定義為零通量邊界;西北部定義為補(bǔ)給邊界（圖1）。

垂向邊界：模擬區(qū)潛水埋深較淺，直接接受大氣降水和田間灌溉入滲補(bǔ)給，因此定義潛水自由水面為上邊界。模型底部為黏土層夾粉質(zhì)黏土層，為隔水含水層，定義為隔水邊界。

2.3 水流模型建立

模型中潛水含水層、隔水層、承壓水含水層的剖分均采用網(wǎng)格剖分法，并對(duì)水源地、農(nóng)村改水井所在位置進(jìn)行加密剖分，最終每層剖分為48765個(gè)單元格。

模擬驗(yàn)證期為2012年6月至2016年6月，以一個(gè)月作為一個(gè)時(shí)間段，識(shí)別模型后，地下水流場(chǎng)擬合圖和典型地下水動(dòng)態(tài)曲線擬合圖結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2，表明本次模擬結(jié)構(gòu)合理。在此基礎(chǔ)上對(duì)運(yùn)潮減河水質(zhì)維持現(xiàn)狀Ⅴ類的情況對(duì)地下水源地水質(zhì)的影響進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

2.4? MT3DMS溶質(zhì)運(yùn)移模型

（1）模型構(gòu)建

通過(guò)建立地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型模擬污染物的運(yùn)移。此處考慮最不利情況，假定污染物已到達(dá)潛水含水層頂板，且達(dá)到最大濃度，以河水中各污染物的濃度作為初始源強(qiáng)計(jì)算，在水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)污染物在地下水中的運(yùn)移規(guī)律。

溶質(zhì)運(yùn)移模型的范圍與地下水流數(shù)值模型相一致，邊界分別對(duì)應(yīng)于水流模型的邊界。由于運(yùn)潮減河河道水質(zhì)為劣Ⅴ類，耗氧量和氨氮濃度均高于地下水，將其概化為定濃度線源補(bǔ)給邊界。

（2）初始濃度設(shè)定

運(yùn)潮減河位于通州區(qū)區(qū)級(jí)水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果（表2），運(yùn)潮減河河水水質(zhì)為劣Ⅴ類，對(duì)水源地存在污染的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)建立的數(shù)值模擬模型，對(duì)運(yùn)潮減河對(duì)水源地影響進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。按照偏保守的評(píng)價(jià)原則，模擬地表水氨氮、耗氧量初始濃度分別設(shè)定為20mg/L、10mg/L。

2.5 結(jié)果與分析

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果可知，運(yùn)潮減河河水中超標(biāo)污染物可以進(jìn)入地下水環(huán)境中，隨時(shí)間增加污染物影響范圍逐漸擴(kuò)大，預(yù)測(cè)河水現(xiàn)狀水質(zhì)下，5年后耗氧量和氨氮在左岸潛水含水層的最大超標(biāo)范圍為153 m和176 m，對(duì)承壓水沒(méi)有影響，可見(jiàn)地水質(zhì)差的地表水體對(duì)地下水潛水含水層水質(zhì)有一定影響，短時(shí)間內(nèi)對(duì)承壓水無(wú)影響，見(jiàn)圖3至圖8。

水源10#和水源19#臨運(yùn)潮減河左岸，水源10#取水層位為第二層承壓水，水源19#取水層位為第一層承壓水及第二層承壓水，由于水源地范圍內(nèi)潛水與第一層承壓水之間的弱透水層不夠連貫，不排除局部存在透鏡體的可能，因此潛水與第一承壓水之間水力聯(lián)系較密切，隨著水源地持續(xù)開(kāi)采，地下水水位下降，井周邊水力梯度增加，將加劇地下水的徑流速度，從而加劇水體中污染物質(zhì)遷移速度。因此，運(yùn)潮減河河水對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤挠绊懖蝗莺鲆?，尤其需要重視其?duì)水源19#的影響。需加強(qiáng)對(duì)水源地源水的監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)。同時(shí)應(yīng)對(duì)通州區(qū)內(nèi)水質(zhì)為劣Ⅴ類的地表水體進(jìn)行集中整治，必要時(shí)進(jìn)行河底淤泥研究治理，鋪設(shè)防滲襯層。

3 結(jié)論

（1）模擬區(qū)潛水取樣點(diǎn)水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果顯示兩期潛水耗氧量均超標(biāo)，氨氮含量未超標(biāo)，按照地下水質(zhì)量分類屬于Ⅲ類，但是濃度從深層承壓水至潛水呈上升趨勢(shì)。

（2）運(yùn)潮減河現(xiàn)狀水質(zhì)較差，按照耗氧量20 mg/L、氨氮10 mg/L的初始濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，5年后耗氧量和氨氮在左岸潛水含水層的最大超標(biāo)范圍為153 m和176 m，對(duì)承壓水含水層水質(zhì)沒(méi)有影響，可見(jiàn)水質(zhì)差的地表水體對(duì)潛水含水層水質(zhì)有一定影響，短時(shí)間內(nèi)對(duì)承壓水水質(zhì)無(wú)影響。

（3）模擬區(qū)第一承壓水和潛水含水層之間的水力聯(lián)系緊密，運(yùn)潮減河保持現(xiàn)狀水質(zhì)情況下，潛水污染面積會(huì)逐年增大，甚至對(duì)承壓水造成污染，進(jìn)而影響水源地水質(zhì)。

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