北京西南近郊包氣帶和滲流場(chǎng)對(duì)地下水中硝酸鹽氮的影響

摘"要：為了研究北京西南近郊地表污染物通過(guò)包氣帶后進(jìn)入地下水中以及其受地下水流場(chǎng)的影響，利用Hydrus軟件建立不同位置包氣帶數(shù)值模型，研究不同地層條件下初始濃度為30 mg·L^-1的高硝酸鹽氮廢水在包氣帶中的遷移規(guī)律，分析各模擬點(diǎn)位在50、100、200、300、400、500 d時(shí)硝酸鹽氮濃度隨地層深度變化特征，以及各模擬點(diǎn)包氣帶底部硝酸鹽氮濃度隨時(shí)間變化特征。分析結(jié)果顯示：北京市西南近郊4個(gè)模擬點(diǎn)包氣帶對(duì)硝酸鹽氮攔截率分別為5.93%、10.69%、15.87%、33.83%，表明研究區(qū)從西向東包氣帶對(duì)地下水的防護(hù)作用由弱變強(qiáng)，結(jié)合研究區(qū)多年硝酸鹽氮超標(biāo)范圍、多點(diǎn)位硝酸鹽氮濃度多年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和第四系地下水水位及補(bǔ)給徑流條件，可知地下水中硝酸鹽氮遷移變化受地下水流場(chǎng)影響較大，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際提出了預(yù)防該區(qū)域硝酸鹽氮污染進(jìn)一步加重的管理建議。

關(guān)鍵詞：包氣帶；數(shù)值模擬；地下水；硝酸鹽氮

Influence of aeration zone and flow field on groundwater nitrate nitrogen in southwest suburb of Beijing

ZHOU Ruijing， HU Yuxin， LI Xiaopeng

（Beijing Institute of Engineering Geology， Beijing 100048， China）

Abstract： This paper focuses on the amount of nitrate nitrogen of the surface pollutants entering groundwater after passing through vadose zone and its influence by groundwater flow field in the southwest suburb of Beijing. Based on the numerical simulation of vadose zone at different locations in that area， it studies the migration law of wastewater with initial concentration of 30"mg·L^-1"nitrate nitrogen in vadose zone under different stratum conditions. The nitrate nitrogen concentration changes are analyzed on the 50th， 100th， 200th， 300th， 400th and 500th day at each simulation point， which shows that the nitrate nitrogen concentration at the bottom of vadose zone at each simulation point changes with time. The interception rates of nitrate nitrogen in the aeration zone at the four simulated sites were 5.93%， 10.69%， 15.87% and 33.83%， respectively， indicating that the protective effect of the aeration zone on groundwater from west to east in the study area changes from weak to strong. Combined with the over-standard range of nitrate nitrogen in the study area for years， the quaternary groundwater level and recharge runoff conditions， this paper presents the influencing factors of nitrate nitrogen in the groundwater and puts forward proposals to prevent nitrate nitrogen pollution from further aggravating.

Keywords： aeration zone; groundwater; nitrate nitrogen; numerical simulation

包氣帶作為降水、地表水、土壤水同地下水相互轉(zhuǎn)化的紐帶，是地表水體和污染物進(jìn)入地下水必須經(jīng)過(guò)的介質(zhì)（劉玉梅，2014；李曉欣等，2021；姜媛等，2022），不僅影響地表下滲的通量，而且通過(guò)物理化學(xué)作用延緩污染物到達(dá)地下水面的過(guò)程，部分污染物在通過(guò)包氣帶過(guò)程中濃度降低（張光輝等，2007；段鵬，2013；繆澤等，2022），因此了解污染物在包氣帶中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，是開(kāi)展區(qū)域地下水污染分析及溯源必不可少的過(guò)程。

北京市西南近郊第四系地下水自20世紀(jì)80年代起即出現(xiàn)個(gè)別指標(biāo)超標(biāo)的情況，隨著北京開(kāi)展了一系列水環(huán)境保護(hù)工作，平原區(qū)第四系地下水質(zhì)量整體向好，但是西南近郊仍有小面積區(qū)域?yàn)棰躅悾ū本┦械刭|(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)所，2022）。北京市西南近郊第四系地下水富水性好，建有城市供水水源地，該區(qū)地下水一直受到廣泛關(guān)注，關(guān)于區(qū)域水文地質(zhì)條件、地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)、地下水水化學(xué)特征等方面的研究較多（翟遠(yuǎn)征等，2011；肖勇等，2021；秦景等，2020；孔曉樂(lè)等，2021），也有部分研究聚焦地下水硝酸鹽氮質(zhì)量評(píng)價(jià)和污染成因（劉宏斌等，2006；李文娟，2013；徐慶勇等，2018），但是關(guān)于北京西南近郊包氣帶對(duì)地下水中硝酸鹽氮影響的研究較少。

北京市西南近郊西側(cè)接永定河，永定河河道與西南郊地下水聯(lián)系緊密；北側(cè)臨中心城區(qū)，城市發(fā)展較早，地下水水質(zhì)受人類活動(dòng)影響也較早。北邊界為蓮花河和護(hù)城河，這兩條河流在20世紀(jì)60年代—21世紀(jì)初為北京市排污河流，地下水受生活污水影響多年，同時(shí)該區(qū)域在20世紀(jì)80—90年代存在大面積污灌區(qū)，污水灌溉也對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤a(chǎn)生了一定的影響（楊華鋒等，2005；朱桂珍，2001），多年來(lái)西南近郊地下水中硝酸鹽氮濃度普遍較高，甚至存在大面積超標(biāo)，以往關(guān)于硝酸鹽氮的研究多為水質(zhì)監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)或定性的污染成因研究，隨著地下水污染防治研究工作的逐漸深入，以及人們對(duì)地下水關(guān)注度的日益上升，有必要定量研究地表污染物通過(guò)包氣帶對(duì)地下水的影響程度。本文利用HYDRUS模型模擬廢水下滲進(jìn)入包氣帶的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，研究硝酸鹽氮在不同巖性包氣帶中的遷移規(guī)律，分析地下水流場(chǎng)對(duì)含水層中硝酸鹽氮遷移的影響，以便制定更精確更有針對(duì)性的地下水污染防治政策。

1 "研究區(qū)概況

研究范圍：北以蓮花河—南護(hù)城河為界，南至南五環(huán)，東以東三環(huán)為界，西至西五環(huán)，總面積228 km²。研究區(qū)位于永定河沖洪積扇的中上部，其西側(cè)接永定河主河道，受永定河沖積影響，西側(cè)部分區(qū)域表層砂卵礫石裸露，自西向東包氣帶黏性土厚度逐漸增厚，至東側(cè)包氣帶黏性土厚度可達(dá)5～10 m。區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)含水層以砂卵石、砂礫石層為主，馬家堡、花鄉(xiāng)、西紅門以西為單一含水層區(qū)，均為極富水區(qū)（Ⅰ區(qū)）；以東為兩至多層含水層區(qū)，部分區(qū)域?yàn)闃O富水區(qū)（Ⅰ區(qū)），部分區(qū)域?yàn)楦凰畢^(qū)（Ⅱ區(qū)）；研究區(qū)內(nèi)僅東北部小面積范圍為中等富水區(qū)（Ⅲ區(qū)）（圖1）。

北京市主城區(qū)部分區(qū)域第四系地下水中硝酸鹽氮濃度超過(guò)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值20 mg·L^-1（以下簡(jiǎn)稱“超標(biāo)”）由來(lái)已久，根據(jù)北京市地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)水質(zhì)數(shù)據(jù)，北京西南近郊自1976年起便有個(gè)別點(diǎn)位硝酸鹽氮濃度超標(biāo)。從圖2得知：1980年緊鄰西城區(qū)的部分區(qū)域地下水硝酸鹽氮超標(biāo)面積約10.2 km²，1990年硝酸鹽氮超標(biāo)范圍向西向南擴(kuò)大至92.6 km²，年均擴(kuò)大范圍可達(dá)8.24 km²。2000年西南郊硝酸鹽氮超標(biāo)范圍為67.3 km²，表現(xiàn)出自西向東南方向遷移的趨勢(shì)；2010年西南郊硝酸鹽氮超標(biāo)范圍128.5 km²，較2000年擴(kuò)大一倍，大紅門以東也出現(xiàn)硝酸鹽氮超標(biāo)情況；2016年西南郊硝酸鹽氮超標(biāo)范圍為183.1 km²，擴(kuò)大速率較2000年至2010年更快，大紅門以東、以南均有大面積硝酸鹽氮超標(biāo)情況。2020年西南郊硝酸鹽氮超標(biāo)范圍為88.4 km²，超標(biāo)范圍大面積縮小，大紅門以東大部分區(qū)域硝酸鹽氮達(dá)標(biāo)。

2 "研究方法

Hydrus模型充分考慮了污染物在包氣帶遷移過(guò)程中非飽和帶土壤對(duì)污染物的吸附、解析過(guò)程，能夠相對(duì)客觀地預(yù)測(cè)污染物在非飽和帶土壤中的遷移規(guī)律。HYDRUS 軟件在土壤學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、環(huán)境學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用（龐雅婕等，2013；陳佩等，2016；林挺等，2019）。

研究區(qū)緊鄰北京市中心城區(qū)，北邊界的蓮花河、南護(hù)城河歷史上曾長(zhǎng)期接受生活污水直排，該區(qū)域也曾存在大量的生活滲坑滲井，目前區(qū)內(nèi)大面積為城市居民區(qū)，污水管網(wǎng)遍布，近幾十年來(lái)生活污水一直是該區(qū)域地下水主要風(fēng)險(xiǎn)源，高硝酸鹽氮是生活污水的主要特征之一（向梅華，2007）。本文利用HYDRUS模型模擬含硝酸鹽氮廢水從地表下滲進(jìn)入包氣帶的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，估算硝酸鹽氮進(jìn)入地下含水層的穿透時(shí)間及下滲量，為研究當(dāng)?shù)氐乇硐跛猁}氮進(jìn)入地下含水層的定量化估算提供依據(jù)。并結(jié)合西南近郊水動(dòng)力流場(chǎng)變化，分析了該區(qū)域硝酸鹽氮超標(biāo)的原因。

2.1 "包氣帶概念模型

本研究以鉆孔資料為基礎(chǔ)，結(jié)合20世紀(jì)80—90年代污水滲坑和排污河流的分布以及區(qū)域地層條件，在城南近郊選擇不同位置、不同地層巖性的4個(gè)鉆孔，利用HYDRUS 軟件構(gòu)建模型，以一維垂向?yàn)橹?，研究廢水中硝酸鹽氮下滲進(jìn)入包氣帶后的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程。

1）包氣帶數(shù)學(xué)模型

選擇Van Genuchten模型進(jìn)行模擬計(jì)算，同時(shí)不考慮水流運(yùn)動(dòng)的滯后現(xiàn)象。HYDRUS-1D水流模塊中Soil Catalog項(xiàng)包含砂土、粉土、黏土等12種典型土壤介質(zhì)及其土壤水分特征曲線相關(guān)參數(shù)，但是缺少粗砂、砂礫等粗顆粒介質(zhì)的水分特征曲線參數(shù)值，與之相關(guān)的研究也不多見(jiàn)，故針對(duì)每個(gè)鉆孔點(diǎn)的具體情況，與Soil Catalog項(xiàng)相對(duì)應(yīng)的介質(zhì)類型，使用軟件默認(rèn)的土壤水分特征曲線參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算；粗砂、砂礫等Soil Catalog項(xiàng)中不包含的介質(zhì)，使用HYDRUS-1D自帶的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法，在Rosetta Lite V 1.1模塊中，輸入介質(zhì)中砂土、粉土、黏土的比例及介質(zhì)容重經(jīng)驗(yàn)值，將砂土的比例適當(dāng)放大，粉土及黏土的比例適當(dāng)縮小以模擬粗顆粒介質(zhì)，通過(guò)模塊自動(dòng)計(jì)算該種介質(zhì)相對(duì)應(yīng)的水分特征曲線參數(shù)值。經(jīng)Rosetta 模塊計(jì)算所得的介質(zhì)水分特征曲線參數(shù)值見(jiàn)表1。

2）溶質(zhì)運(yùn)移模型

HYDRUS-1D 中將化學(xué)反應(yīng)分為化學(xué)平衡反應(yīng)和化學(xué)非平衡反應(yīng)兩大類，本次研究反應(yīng)按照平衡模型進(jìn)行。

2.2 "數(shù)值模擬模型

1）時(shí)空離散

時(shí)間離散：模擬時(shí)間開(kāi)始于1980年1月，模擬期根據(jù)運(yùn)移結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，至包氣帶底部濃度達(dá)到最高值為止。

空間離散：模擬深度取至地面以下潛水面處，單元剖分采用伽遼金有限元法剖分，在HYDRUS-1D模擬中的soil profile模塊可以設(shè)置剖分包氣帶結(jié)構(gòu)。在profile discretization中輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)，可以以任意相等間距剖分包氣帶結(jié)構(gòu)，也可以局部加密剖分包氣帶。按照研究區(qū)實(shí)際鉆孔資料及地層分區(qū)情況對(duì)包氣帶進(jìn)行劃分，本次研究每個(gè)鉆孔處模型包氣帶的總節(jié)點(diǎn)均為101個(gè)。

2）初始條件和邊界條件

水流運(yùn)移模型初始條件：采用插值的含水率、壓力水頭值進(jìn)行"100 d的計(jì)算，初始條件最終定為100 d時(shí)的穩(wěn)定計(jì)算的結(jié)果。

水流運(yùn)移模型邊界條件：上邊界為定通量邊界，根據(jù)北京市降水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)），北京市城六區(qū)多年平均降雨量560 mm；下邊界為地下水面，壓力水頭為零。

溶質(zhì)運(yùn)移模型初始條件：初始土層剖面濃度為零。

溶質(zhì)運(yùn)移模型邊界條件：上邊界為定濃度邊界，搜集1976—1980年龍?zhí)逗谜疚鬯邢跛猁}氮濃度監(jiān)測(cè)值，取多年監(jiān)測(cè)最大值（30 mg·L^-1）；下邊界為零濃度梯度邊界（董克虞等，1993）。

3）參數(shù)設(shè)置

模型中土壤剖分依據(jù)勘察資料劃分的地層成果進(jìn)行分層。模型中所使用的水力特征參數(shù)如表2所示，殘余含水率、飽和含水率、水力形狀系數(shù)、水力參數(shù)等參數(shù)均由HYDRUS-1D 軟件自帶的網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)預(yù)測(cè)模塊根據(jù)土壤顆粒分級(jí)及干容重進(jìn)行預(yù)測(cè)。飽和滲透系數(shù)"Ks依據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)值而定。包氣帶剖分根據(jù)勘察孔實(shí)際分層情況進(jìn)行，在每個(gè)地層底部及包氣帶底部布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，巨厚疏干卵石層相對(duì)均勻布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)。

3 "結(jié)果與分析

3.1 "模擬結(jié)果分析

從不同時(shí)間下硝酸鹽氮濃度隨深度變化曲線（圖3）和包氣帶底部硝酸鹽氮濃度隨時(shí)間變化曲線（圖4）可以看出，D1點(diǎn)硝酸鹽氮經(jīng)過(guò)20 m厚的卵石層濃度僅降低了5.93%（表3），該部分還包括彌散作用的稀釋，表明該處包氣帶的防污性能極差，可見(jiàn)1"m厚素填土和20 m厚砂卵石對(duì)硝酸鹽氮的吸附作用極小，地表污染物極易隨降水滲入包氣帶，且迅速到達(dá)含水層。D2 和D3點(diǎn)包氣帶地層顆粒度較D1點(diǎn)越來(lái)越細(xì)。D4點(diǎn)有4.7 m厚的粉質(zhì)砂土和1.1 m厚的黏土等細(xì)顆粒地層，硝酸鹽氮在該點(diǎn)達(dá)到包氣帶底部時(shí)間較另外3個(gè)模擬點(diǎn)均長(zhǎng)，包氣帶底部濃度峰值最小，且濃度升高速率最緩慢，該點(diǎn)對(duì)硝酸鹽氮的攔截率最高達(dá)33%以上，可見(jiàn)細(xì)砂對(duì)硝酸鹽氮的吸附作用較卵礫石略好，粉質(zhì)黏土對(duì)硝酸鹽氮的吸附作用明顯好于砂和卵礫石。

3.2 "水動(dòng)力影響分析

包氣帶防污性能影響了地表污染物進(jìn)入地下含水層的速度和濃度，地下含水層中水動(dòng)力條件則影響污染物在含水層中的遷移速度和方向。由圖5可知：西側(cè)地下水始終以自西向東為主流向，地下水補(bǔ)給來(lái)源穩(wěn)定；東側(cè)地下水流向自1983—2020年經(jīng)歷了多次明顯改變，說(shuō)明東側(cè)地區(qū)地下水的開(kāi)采量變化較大，與該時(shí)期硝酸鹽氮濃度超標(biāo)范圍變化趨勢(shì)具有一定相關(guān)性。

在臨近永定河區(qū)域，地下水水力梯度較大（1.8‰～2.1‰）；向東進(jìn)入花鄉(xiāng)一帶，地下水水力梯度減緩（1.3‰～ 1.7‰），徑流速度減慢；從花鄉(xiāng)向東向南至南苑、大紅門一帶，水力坡度較上游大幅變小，大部分區(qū)域不足1‰，水流速度進(jìn)一步減緩，影響該區(qū)域硝酸鹽氮向下游的遷移，2000—2020年?yáng)|側(cè)硝酸鹽氮超標(biāo)范圍變化趨勢(shì)為先增大再明顯縮小，與東側(cè)地下水開(kāi)采量變化和水位大幅下降再抬升有關(guān)。

4 "討論

北京西南郊西側(cè)接永定河，受河流沖積影響，大面積表層包氣帶黏性土厚度小于1 m，D1點(diǎn)所在的臨河區(qū)域包氣帶對(duì)硝酸鹽氮攔截率只有5.93%，對(duì)來(lái)自地表的污染物攔截作用極小，如果該區(qū)域地下污水管線或化糞池等地下水污染風(fēng)險(xiǎn)源出現(xiàn)滲漏，污染物會(huì)快速抵達(dá)地下含水層，且進(jìn)入含水層的污染物濃度同初始滲漏濃度相當(dāng)，對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤廴撅L(fēng)險(xiǎn)巨大，因此建議單一含水層地區(qū)要進(jìn)一步提高地下水污染防治要求，加強(qiáng)地表污染物治理，避免遺撒，增加地表硬化率，加強(qiáng)對(duì)地下管線、化糞池等地下水污染風(fēng)險(xiǎn)源的現(xiàn)狀評(píng)估和監(jiān)控管理。D3和D4點(diǎn)位于永定河沖洪積的中部，含水層由單層過(guò)渡到多層，包氣帶中的砂質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土等細(xì)顆粒層厚度增加，包氣帶對(duì)地表污染物可以起到一定的攔截作用，在一定程度上增強(qiáng)了包氣帶的防護(hù)性能。該預(yù)測(cè)結(jié)果與土柱淋溶實(shí)驗(yàn)研究包氣帶黏性土對(duì)地表污染物進(jìn)入地下水起有效阻隔作用的結(jié)果相一致（劉長(zhǎng)禮等，2006；董佩等，2016；趙紅梅等，2023）。

據(jù)模擬數(shù)據(jù)分析可知，北京西南郊硝酸鹽氮大面積超標(biāo)與該區(qū)域包氣帶對(duì)地下水防護(hù)性能有關(guān)，但地下水中硝酸鹽氮的遷移則受區(qū)域地下水流場(chǎng)的影響較大。根據(jù)歷史資料，20世紀(jì)60—70年代研究區(qū)北部及主城區(qū)存在大量污水直排和滲坑滲井，結(jié)合該區(qū)域包氣帶對(duì)硝酸鹽氮的攔截率可知，1983年存在的多點(diǎn)硝酸鹽氮超標(biāo)情況與人類活動(dòng)密集的主城區(qū)生活污水直排息息相關(guān)。鑒于歷史地下水流場(chǎng)和超標(biāo)點(diǎn)位變化情況，結(jié)合現(xiàn)狀地下水流場(chǎng)特征和超標(biāo)范圍，在沒(méi)有新的污染物輸入情況下，預(yù)計(jì)該區(qū)域硝酸鹽氮濃度會(huì)自西向東衰減，超標(biāo)范圍會(huì)持續(xù)緩慢向東南方向移動(dòng)，建議增加局部地下水微循環(huán)，適當(dāng)取用淺層地下水用于表層黏性土較厚地區(qū)的綠化，利用包氣帶黏性土的天然過(guò)濾作用凈化地下水。同時(shí)針對(duì)歷史上存在大量滲坑滲井且距主城區(qū)較近的區(qū)域，加強(qiáng)地下水以及地下水水位以上包氣帶中硝酸鹽氮濃度的監(jiān)測(cè)，避免歷史遺留硝酸鹽氮經(jīng)淋溶或浸泡進(jìn)入地下水中。

5 "結(jié)論

1）研究區(qū)從西向東包氣帶對(duì)地下水的防護(hù)作用由弱變強(qiáng)，但受地層巖性影響，包氣帶對(duì)硝酸鹽氮攔截率最高不超過(guò)34%，該區(qū)域地下水水質(zhì)受地表影響較大。

2）砂卵礫石、細(xì)砂、砂土、黏土對(duì)硝酸鹽氮的吸附攔截作用逐漸增強(qiáng)，北京西南近郊自1980年起在臨近主城區(qū)區(qū)域即出現(xiàn)的硝酸鹽氮超標(biāo)現(xiàn)象與該區(qū)域包氣帶巖性和人類生活排放密切相關(guān)。

3）地下水中硝酸鹽氮遷移變化受地下水流場(chǎng)影響較大，整體從北部臨近主城區(qū)區(qū)域先自北向南遷移，后隨地下水流場(chǎng)變化表現(xiàn)出自西北向東南遷移的趨勢(shì)。

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