基于数值模拟的地表水体对地下水源地影响研究

周瑞静　宋炜　倪宝峰

摘 要：选取通州区纳污河流运潮减河和通州区区级水源地，运用地下水水流模型Visual-Modflow和多组分溶质运移模型MT3DMSD耦合，以运潮减河中浓度较高的耗氧量和氨氮为特征污染物，模拟了当耗氧量和氨氮的初始浓度分别为20 mg/L、10 mg/L时，5年后耗氧量和氨氮在左岸潜水含水层的最大超标范围为153 m和176 m，对承压水没有影响。但在运潮减河保持现状水质情况下，潜水污染面积会逐年增大并持续向下渗滤，对承压水造成威胁，进而影响水源地水质质量。

关键词：地表水;地下水;水源地;数值模拟

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为居民生产、生活主要供水水源的国际化大都市，2015年北京市将通州区定位为城市副中心，成为北京城市行政功能战略转移区域，肩负着承接中心城区的行政功能，并以此带动其他功能疏解的使命。在为区域发展带来机遇的同时，又对其可持续发展提出了更高的要求，也给该区地下水环境保护与管理带来了更大的挑战。目前，城市副中心区域第一含水层组地下水多个指标出现超标，以无机指标超标为主，局部区域甚至呈现无机与有机组两类污染双重污染的状况，地下水环境形势严峻（郭高轩等，2014）。通州区地势低凹，自古有“九河下梢”之称，区内地表水系水质较差，多为劣Ⅴ类水质（北京市水务局，2018）。运潮减河作为通州区的纳污河流，多年来河水来源主要是雨水直排、污水处理厂再生水排放等，水质监测结果多年为Ⅴ类，且河底没有防渗衬层。

李中阳等（2012）和马闯等（2012）的研究结果显示再生水灌溉会造成表层土壤重金属浓度升高，深层土壤和含水层中重金属浓度变化很小，表明符合灌溉标准的再生水不会对地下水造成重金属污染，但是聚集在表层土壤中的重金属对地下水的潜在污染风险也不可忽视。陈卫平等（2013）研究了不同回灌方式下再生水对地下水的污染风险，重金属的研究结果与李中阳和马闯等的结论一致，均为对地下水的影响较小，而盐分和硝态氮在地下水中都表现出明显的增加趋势。贾忠华等（2018）研究了雨水花园入渗雨水对地下水水质的影响，结果表明地下水中总氮在短期内显著增加，氨氮增加不显著，硝态氮在雨后有明显升高。李贺强等（2015）用数值模拟法研究了深井雨水回灌对深层地下水的水质影响，结果表明回灌水量和溶质浓度均对溶质的迁移扩散有影响。杜新强等（2007）研究了地表水注入对地下水水质的影响，并模拟了地表水进入含水层后发生的水-岩相互作用，得出了优质地表水注入补给地下水可以改善劣质地下含水层水质。谷小溪（2012）利用人工试验场研究了人工回灌对地下水水质的影响，总结了人工回灌下地下水中8大离子和5种微量元素受混合作用、离子交换作用及含水层岩石溶解作用的影响程度，得出地下水具有一定的缓冲作用，自来水回灌地下水不会对地下水环境造成影响。

本次研究使用地下水模拟领域广泛应用的Visual Modflow软件系统，该系统在整合了水流评价、平面和剖面流线示踪分析、水文地质参数估计与优化和溶质运移评价等软件基础上，开发出了强大的图形可视界面功能，是一款被国内外各机构认可的地下水流场和溶质运移三维综合评价软件系统（王庆永等，2007;冯洁，2013;蔚东升等，2014;赵贝等，2015）。已有运用Visual Modflow模拟再生水长期排入地表水体对当地地下水質量影响进行评价的研究报道（崔瑜等，2018）。

通州区唯一的区级饮用水水源地部分水源井傍河而建，取第四系潜水和微承压水，其中两眼水源井紧邻运潮减河，水源地的大规模取水也加剧了该区域地表水与地下水的相互影响。本研究为了探究劣质地表水对地下水水源地水质的影响，选取通州区纳污河流运潮减河和通州区区级水源地为例，运用地下水水流模型Visual-Modflow和多组分溶质运移模型MT3DMSD耦合，以运潮减河中浓度较高的耗氧量和氨氮为主要研究对象，模拟了区级水源地现状取水量下运潮减河中Ⅴ类地表水对区级水源地的影响程度和范围。

1 模拟区信息

1.1 水源地概况

通州区区级水源地位于通州区北部，有水源井28眼，其中第四系水源井13眼，位于北京与河北交界，邻潮白河，基岩井15眼，位于城区北侧。该水源地设计取水量1250万t/a，供水对象包括通州城区4个街道办事处全部区域以及永顺镇、梨園镇和宋庄镇部分区域，服务人口达25万人。第四系水源井南侧有运潮减河，东侧有潮白河，多个水源井傍河而建（北京市地质工程勘察院，2016年）。

1.2 第四系含水层特征

模拟区第四系含水层特点是多层次，细颗粒，岩性以中、细、粉砂为主，局部地区以粗砂为主，夹有少量砾石。根据区域水文地质条件，综合分析隔水层的相对厚度及岩性、含水层组之间水力联系和水质等因素，可将模拟区含水层在垂向上概化为4个含水层组：

潜水含水层组以中细砂为主，其次为细砂、粉砂，局部地区含粗砂、砾石。含水层一般有2～3层，累计厚度20～30 m，底板埋深40～50 m左右，地下水位埋深6～7 m。本含水层组富水性差，水位下降5 m时，单井出水量在500～1500 m3/d。

第一承压含水层组以细砂为主，其次为中砂、粗砂，局部地区含砾石。含水层一般有3～5层，累计厚度30～50 m，底板埋深80～100 m左右，地下水位埋深18～20 m。在通州区中北部地区该含水层富水性较好，水位下降5 m时，单井出水量在1500～3000 m3/d。

第二承压含水层组（底界深度150～180 m）和第三承压含水层组（底界深度300 m）主要以细砂为主，中砂和粉砂次之，地下水水位埋深50 m左右。虽然富水性和补给条件较浅层地下水差，但由于埋藏较深，目前受到的污染较少，水质较浅层地下水好。

1.3 地下水质量现状

区级水源地附近有区域地下水分层监测井3眼，井深为41 m、103 m、225 m，分别监测潜水、第一层承压水、第二层承压水。据监测结果潜水含水层总硬度和溶解性总固体超标，耗氧量和氨氮不超标;而第一承压含水层和第二承压含水层地下水水质中总硬度和溶解性总固体相对较好，耗氧量和氨氮不超标（表1）。

2 研究方法

2.1含水层结构概化

通州区区级水源地位于潮白河冲洪积扇中下部，第四系沉积在模拟区范围内为300～500 m。由于本次研究地表水体对水源井水质的影响，综合考虑含水层概化需求及水井深度，模型在垂向上控制在300 m以内。模拟区第四系含水层在300 m深度以内有多个含水层，且各含水层之间存在厚度不等的粉质黏土层，含水层岩性主要为多层薄层中细砂，局部含卵砾石层。垂向上将模型概化为3个含水层、2个弱透水层，共5层：第一层为潜水含水层，深度在40 m左右，岩性以细砂为主;第二层为弱透水层，厚度在10～20 m，岩性以粉质黏土和黏土为主;第三层为浅层承压含水层，深度在80～100 m，岩性主要为细砂，其次为中砂和粗砂;第四层为弱透水层，深度在100～120 m，主要为厚20～40 m的粉质黏土与黏土互层，为该区域第一层厚度相对稳定的隔水含水层;第五层为深层承压含水层组，埋深在120 m以下，主要由细砂组成，中间夹粉质黏土，由于农村改水工程的开展，该层含水层开采量逐渐增加，现已成为主要的开采层。

2.2 边界条件概化

侧向边界：模拟区东部为潮白河，通州区内潮白河河段常年有水，河流底部未防渗，定义为河流边界;西部为温榆河和北运河，通州区内该河段常年有水，河流底部进行了防渗处理，定义为河流边界;根据地下水流场方向，沿地下水等水位线平行方向，将模拟区南部南刘各庄村一线，定义为侧向流出边界;北部以通州区区界与等水位线相切处为界，定义为零通量边界;西北部定义为补给边界（图1）。

垂向边界：模拟区潜水埋深较浅，直接接受大气降水和田间灌溉入渗补给，因此定义潜水自由水面为上边界。模型底部为黏土层夹粉质黏土层，为隔水含水层，定义为隔水边界。

2.3 水流模型建立

模型中潜水含水层、隔水层、承压水含水层的剖分均采用网格剖分法，并对水源地、农村改水井所在位置进行加密剖分，最终每层剖分为48765个单元格。

模拟验证期为2012年6月至2016年6月，以一个月作为一个时间段，识别模型后，地下水流场拟合图和典型地下水动态曲线拟合图结果见图1和图2，表明本次模拟结构合理。在此基础上对运潮减河水质维持现状Ⅴ类的情况对地下水源地水质的影响进行模拟预测。

2.4  MT3DMS溶质运移模型

（1）模型构建

通过建立地下水溶质运移模型模拟污染物的运移。此处考虑最不利情况，假定污染物已到达潜水含水层顶板，且达到最大浓度，以河水中各污染物的浓度作为初始源强计算，在水文地质概念模型的基础上预测污染物在地下水中的运移规律。

溶质运移模型的范围与地下水流数值模型相一致，边界分别对应于水流模型的边界。由于运潮减河河道水质为劣Ⅴ类，耗氧量和氨氮浓度均高于地下水，将其概化为定浓度线源补给边界。

（2）初始浓度设定

运潮减河位于通州区区级水源地二级保护区内，根据检测结果（表2），运潮减河河水水质为劣Ⅴ类，对水源地存在污染的风险。根据建立的数值模拟模型，对运潮减河对水源地影响进行预测评价。按照偏保守的评价原则，模拟地表水氨氮、耗氧量初始浓度分别设定为20mg/L、10mg/L。

2.5 结果与分析

根据预测结果可知，运潮减河河水中超标污染物可以进入地下水环境中，随时间增加污染物影响范围逐渐扩大，预测河水现状水质下，5年后耗氧量和氨氮在左岸潜水含水层的最大超标范围为153 m和176 m，对承压水没有影响，可见地水质差的地表水体对地下水潜水含水层水质有一定影响，短时间内对承压水无影响，见图3至图8。

水源10#和水源19#临运潮减河左岸，水源10#取水层位为第二层承压水，水源19#取水层位为第一层承压水及第二层承压水，由于水源地范围内潜水与第一层承压水之间的弱透水层不够连贯，不排除局部存在透镜体的可能，因此潜水与第一承压水之间水力联系较密切，随着水源地持续开采，地下水水位下降，井周边水力梯度增加，将加剧地下水的径流速度，从而加剧水体中污染物质迁移速度。因此，运潮减河河水对当地地下水的影响不容忽视，尤其需要重视其对水源19#的影响。需加强对水源地源水的监测，密切关注监测指标的变化趋势。同时应对通州区内水质为劣Ⅴ类的地表水体进行集中整治，必要时进行河底淤泥研究治理，铺设防渗衬层。

3 结论

（1）模拟区潜水取样点水质检测结果显示两期潜水耗氧量均超标，氨氮含量未超标，按照地下水质量分类属于Ⅲ类，但是浓度从深层承压水至潜水呈上升趋势。

（2）运潮减河现状水质较差，按照耗氧量20 mg/L、氨氮10 mg/L的初始浓度进行预测，5年后耗氧量和氨氮在左岸潜水含水层的最大超标范围为153 m和176 m，对承压水含水层水质没有影响，可见水质差的地表水体对潜水含水层水质有一定影响，短时间内对承压水水质无影响。

（3）模拟区第一承压水和潜水含水层之间的水力联系紧密，运潮减河保持现状水质情况下，潜水污染面积会逐年增大，甚至对承压水造成污染，进而影响水源地水质。

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