南水北调水回补对北京密怀顺河道回补区地下水水质影响

王 鑫，李炳华，潘兴瑶，夏绮文，郭敏丽

1. 中国地质大学（北京）水资源与环境学院，水资源与环境工程北京市重点实验室，北京 100083

2. 北京市水科学技术研究院，北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，北京 100048

近年来，地下水可持续供给研究成为全球热点[1-2]，流域与区域间水资源调配需求日益迫切[3]. 我国北方地区长期受水资源短缺问题困扰而大量开采地下水，导致地下水超采和环境质量恶化问题严重[4-5]. 北京市作为北方特大城市，地下水是其主要供水水源，有研究[6]表明，北京市密云区、怀柔区、顺义区和城郊地下水已过量开采. 由于地下水源地长期开采、上游来水减少，潮白河流域河道基本处于干涸状态，水源地周边地下水埋深达50 m以上并呈持续减小趋势.为缓解北方地区水资源不足问题，我国实施了南水北调工程，由此带来的地下水回补利用问题成为当前的研究热点.

当回补水渗透到地下含水层时，污染物会发生过滤、吸附、沉淀以及各种生物和化学降解等作用. 这些作用有利于去除溶解和悬浮污染物[7]、藻类[8]，降低浊度[9]与TDS浓度[10]等，病原体和其他化学指标(如BOD、COD等)通常也会随之减小[11-12]. 但部分微量金属、有毒有害污染物可能随回补水进入土壤(包气带)和含水层[13]. 此外，河道土壤成分复杂，既可能是污染物的源，也可以是污染物的汇，其与回补水源所含成分和土壤污染物浓度均相关，回补水的入渗也可能改变地下水环境条件而导致微量金属释放引发次生风险[14-16]. 因此地下水回补前应做详细规划模拟，在回补过程中进行全面水质监测，深入探究回补引起的污染物和病原体的分布与归趋，避免对地下水造成污染[17-20]. 有学者对以再生水为回补水源的场地进行分析，发现再生水中的污染物难以有效去除，对地下水产生了污染风险[21]，为避免回补水对地下水环境产生不良影响，应使用更优质水源如南水进行回补[22].在南水北调回补区水化学方面，有学者通过将南水和本地地下水水样进行混合试验和动态模拟含水层试验，分析水质变化和水岩作用的影响，发现南水北调回补地下水以混合作用为主，一定程度上可以改善地下水水质，但可能引起地下水硬度的升高[23-24]. 有学者[25]以模型模拟的方法对地下水回补造成的水动力场影响范围进行分析预测. 此前有学者对滹沱河超采区地下水回补的水化学效应开展了现场动态监测和地下水化学效应研究[26]，但从相关文献可以看出，关于潮白河地区地下水回补利用研究多集中于室内试验和模型模拟，野外实际回补场地的监测研究相对较少. 然而实际场地与室内试验条件和尺度存在较大区别，二者的研究结论可能存在较大不同. 因此，开展实际回补场地的地下水水化学演化和机制研究更具现实意义.

该文重点针对北京密怀顺南水北调水回补河道区地下水的水质变化进行探究，结合水质评价、统计学方法和水文地球化学模拟，对比分析回补区长系列地下水水质指标监测数据，以期揭示南水回补对研究区地下水水质演化的影响及成因，为地下水安全回补提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于北京市东北部，面积约487 km2，包括北京市密云区、怀柔区的平原区域，以及顺义区潮白河向阳闸以北的平原区，地理坐标为40º10′N~40º26′N、116º34′E~116º53′E，具体位置如图1所示. 研究区河流属潮白河水系，主要河流为潮河、白河、潮白河、怀河及雁栖河. 潮白河水系多年平均降雨量为644 mm，通过查阅历年《北京市水资源公报》以及收集密云区、怀柔区、顺义区监测站日降雨数据进行核对，得到3个区2015−2018年降雨分布情况，降雨主要集中在汛期6−9月，占全年降水量的80%左右.

图1 研究区范围及采样点布设示意Fig.1 Schematic diagram of the study area and the layout of sampling points

研究区牛栏山以北主要为单层含水层，以第四系孔隙含水层为主，岩层厚度由薄变厚，是地下水自然回补的良好场地. 区域内含水层结构东西方向差异较大，东部含水层巨厚，层次少、粒径大、孔隙大；西部含水层薄，层次多、粒径较小、透水性相对较差. 根据1979年调蓄工程研究成果显示，研究区不同位置岩性有差异，但整体相似，给水度基本处于0.22~0.28之间，全区平均给水度约0.25[27].

密怀顺地区南水北调水回补包括3条路径：①通过李家史山闸放水，进入小中河后入怀河，由于牛栏山橡胶坝(NLSD)拦截作用，向北进入潮白河；②通过密云水库放水进入潮河和白河；③通过京密引水渠将南水北调水放入雁栖河和沙河. 其中李家史山闸−小中河−潮白河为核心调水回补路线.

1.2 采样与分析

研究区存在多处地下水水源地、密云污水处理厂(再生水厂)、怀柔污水处理厂(再生水厂)，地下水水质面临污染风险. 为客观反映地下水水质状况，充分考虑再生水利用河道等地下水的主要风险源，综合利用现有的地下水环境监测点，选取南水北调水回补的潮白河河道附近地下水进行长期取样监测，采样点位置如图1所示. 小中河回补区沿潮白河河道布设了4个水质监测点(W3、W4、W5、W6)，NLSD南侧(NLSD下游前期有污水处理湿地，出水对该区域水质影响较大)布设了4个水质监测点(1#、4#、5#、7#)，另有桃山、大胡营等地下水监测点. 该区域地下水水质监测点自2015年4月开始监测，监测频率每年3~4次. 东北部布设了10个水质监测点，其中MY1~MY4自2016年开始监测，DZ1~DZ6于2018年进行了3次监测. 同时补水期间也对回补区河道水体(共布设李家史山闸、小中河入怀河、牛栏山橡胶坝、3号橡胶坝、潮汇大桥橡胶坝5个地表水监测断面)进行了取样测试，频率为每年2~3次.

使用棕色玻璃瓶采集水样，采样后密封冷藏于采样箱中，立即运送到实验室低温保存，样品由北京市理化分析测试中心进行水质分析，采用电感耦合等离子体发射光谱法进行32种元素的测定，采用离子色谱法进行无机阴离子(F−、Cl−、NO2−、Br−、NO3−、PO43−、SO32−、SO42−)浓度的测定，采用HJ 535−2009《水质氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》测定NH4+-N浓度，采用HJ 636−2012《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》测定TN浓度，pH由玻璃电极法测定. 采样、送样和测试过程均经过严格的质量控制. 选取部分水质数据连续且具代表性的监测点进行水质分析，主要分析指标包括地下水常规离子Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3−、SO42−、Cl−、CO32−以及TDS(溶解性总固体)和pH等，对水质监测结果进行可靠性分析，进行阴阳离子平衡检验后，剔除异常值，得到最终用于水化学分析的水质数据.

1.3 数据处理及水质评价

采用Microsoft Excel软件对样品数据检验以及图像绘制，应用RockWare Aq·QA软件绘制样品Piper三线图并进行水化学分析. 利用IBM SPSS Statistics 25.0统计分析软件中的R型聚类开展数据分析，R型聚类可根据不同变量间相关程度高低对变量进行分类，同一类变量之间有较强相关性. 该研究采用该方法对2015−2018年补水前后小中河补水河道附近地下水以及下游湿地地下水水质监测数据进行聚类，分析不同阶段回补水影响范围.

参照GB/T 14848−2017《地下水质量标准》[28]开展地下水质量单指标评价，在指标限值相同时，从优不从劣. 主要评价指标包括Fe、Mn、Al、Ba、pH、NH4+-N、NO3−-N、NO2−-N、SO42−、TH(总硬度)、TDS、Na+、F−、Cl−共14项.

1.4 水文地球化学模拟

南水回补对潮白河牛栏山地区水质影响较大，回补后地下水水化学指标浓度变化取决于回补水源的水质、地下水水质及含水层矿物成分特征. 利用PHREEQC软件对南水北调水源补给地下水过程中的水文地球化学作用进行模拟，演算不同混合比例下南水与本地地下水混合后的结果，以探究在南水回补过程中与地下水混合后引起的水质变化以及潜在的对于矿物相溶解平衡的影响. 模拟中的回补水源选择实际回补的南水. 假定回补水源进入地下后直接与地下水发生混合，之后混合水与含水层矿物发生热力学的溶解平衡. 模拟主要涉及PHREEQC软件中的SOLUTION、MIX、EQUILIBRIUM以及EXCHANGE模块，各模块主要参数设置情况如下：①SOLUTION模块. 溶液单元，用于定义混合前水化学组分和模拟温度. 模拟过程中，水化学组分采用实际水质监测数据，水温设置为20 ℃. ②EQUILIBRIUM(溶质平衡)模块. 用于模拟混合水与选定矿物相之间的溶解平衡反应. 由于南水与地下水中可溶性化学成分主要为K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl−、SO42−、CO32−、HCO3−，主要阳离子为Ca2+、Na+，主要阴离子为HCO3−、SO42−和Cl−，考虑北京地区典型矿物类型[29]并参考当地土样矿物测试结果，选取钠长石(NaAlSi3O8)、钾长石(KAlSi3O8)、钙蒙脱石〔Ca0.165Al2.33Si3.67O10(OH)2〕、方解石(CaCO3)和白云石〔CaMg(CO3)2〕作为潮白河地区含水层中可能存在的典型矿物相. ③MIX(混合)模块. 设置南水和地下水按不同体积比例混合，共10组(南水∶地下水=1∶1, 1∶2, …, 1∶10). ④EXCHANGE(交换)模块. 用来定义交换物质的组分和数量. 阳离子交换吸附相为NaX、KX、CaX2、MgX2(X为阴离子)，参考文献中获得的潮白河补给区的平均阳离子交换容量为0.03 mmol/g[30].

2 结果与讨论

2.1 回补区域地下水水质评价及时空变化情况分析

2.1.1 回补区域地下水水质评价

按照GB/T 14848−2017对不同区域回补前后地下水水质进行评价，评价结果如表1所示. 受不同补给水源的影响，密怀顺回补区内不同区域地下水水质变化具有差异. 南水回补前，受再生水影响，密云区地下水水质相对较差，主要污染源来自潮白河干流、潮河及白河周边，主要污染范围为潮白河干流. 南水回补后，地表水监测断面中，潮汇大桥橡胶坝和3号橡胶坝附近地表水中包括再生水，再生水中多项指标超标，主要影响因子为石油类、NH4+-N和TP，故南水进入河道后对密云区地下水水质的改善作用较弱，地下水超标率依然较高. 对于顺义区，南水北调来水前，地下水水质较好[31]，但湿地监测点大部分Fe浓度超标，导致水质综合评价结果为GB/T 14848−2017 Ⅴ类；南水回补后，李史山闸、小中河入怀河断面和NLSD断面地表水水质较好，这3个位置河道中主要水源为南水北调水，地表水的入渗使得顺义区地下水水质明显改善，其中潮白河河道附近监测点W3、W4、W5补水后TH有所下降.

表1 地下水水质评价结果Table 1 Groundwater quality evaluation results

此外，南水回补对不同季节水质改善作用也具有差异. 回补前枯水期地下水超标率达到79.0%，主要影响因子为NH4+-N、Fe、Mn、NO3−-N浓度及TH；丰水期地下水超标率为52.6%，主要影响因子为NH4+-N、Fe、Mn、NO3−-N浓度及pH. 回补后枯水期地下水超标率为36.8%，主要影响因子为NH4+-N、NO3−-N、Mn浓度以及pH、TH；丰水期地下水超标率为47.3%，主要影响因子为NH4+-N、Fe、Mn、NO3−-N浓度及pH. 已有研究[22,32]表明，研究区自南水北调回补以来，地下水水质明显改善，大部分指标呈下降趋势，并且回补对枯水期水质改善作用较大.

2.1.2 补水河道附近地下水水化学时空变化特征

利用Piper三线图法对主要补水区域小中河回补区补水前后地下水水化学类型进行分析. 小中河回补区地下水水化学类型主要为HCO3-Ca-Mg型，极少数时段出现SO42−或者Na+、K+浓度偏高的情况[33]. 南水北调补水前，NLSD以北的W3、W4、W5、W6监测点地下水主要离子组分与NLSD以南的1#、4#、5#、7#监测点地下水主要离子组分具有一定差异. NLSD以北的地下水中Ca2+、HCO3−浓度高于NLSD以南的地下水，而Na+、Cl−、SO42−浓度则相对较低. Piper图〔见图2(a)〕显示，两个区域的地下水投影点位于不同位置.

图2 小中河区域监测点地下水Piper图Fig.2 Piper diagram of groundwater monitoring wells in Xiaozhong River area

与NLSD以北的地下水相比，南水中的Ca2+、Mg2+、HCO3−、Cl−浓度均较低，与NLSD以南的地下水相比，南水中Ca2+、Mg2+、Na+、HCO3−、SO42−、Cl−浓度均较低. 经过几年的南水回补入渗，以上点位的地下水在Piper图〔见图2(b)〕中位置逐渐趋于一致，南水入渗对地下水水化学产生较大影响. 但南水入渗过程中，不同位置地下水演化具有一定差异. NLSD以南的监测点1#、4#、5#、7#补水后地下水明显趋近于南水，地下水中的Na+、Cl−浓度明显降低，水化学类型由HCO3-Cl-Ca-Na-Mg型水转变为HCO3-Ca-Mg型水. NLSD以北地下水虽然也逐渐趋近于南水，但由于补水前监测点W3、W4、W5、W6的水化学类型与南水接近，故补水后地下水水化学变化较小，从Piper图中看并不明显，主要是地下水中的Cl−、HCO3−、Ca2+、Mg2+浓度均降低，补水前后地下水类型均为HCO3-Ca-Mg型水.

2.1.3 核心回补区−小中河调水回补区附近地下水受补水影响情况分析

为探究地下水受回补的影响效果，选取小中河调水回补区的6个监测点(W3、W4、W5、1#、4#、7#)对不同时段的地下水水质数据进行分析. 聚类分析结果如图3所示，2015年补水前，河道两侧地下水监测点和湿地出水影响区监测点被聚为2组. 由于NLSD下游湿地前期出水影响，湿地处地下水与补水河道两侧地下水水质有明显区别，且W4、W5监测点更为接近. 随着补水工作进行，地下水水质受到补给水源影响逐渐增大.

图3 小中河区域2015−2018年水质监测点聚类分析结果Fig.3 Cluster analysis results of water quality monitoring wells in Xiaozhong River Region from 2015 to 2018

2016年补水后，湿地处1#、7#、W3、W4监测点被聚为一组，地下水化学成分趋于一致，表明南水入渗已经影响到NLSD南北两侧，但由于2015−2016年补水量较小，1#、7#监测点与W3、W4监测点仍存在一定差别，并且距离较远的监测点水质还未发生明显变化. 随着南水回补量增加(2017−2018年)，湿地处地下水受南水回补影响已超过前期湿地出水影响，水质与补水河道附近的监测点趋于一致. 故在2015−2018年补水期间，河道附近地下水的主要影响因素可能为南水回补混合作用以及入渗过程中的矿物溶解沉淀和阳离子交换作用，而距离南水回补区较远的W5监测点自补水以来明显区别于其余监测点，表明此处可能受到其他水源的影响，南水回补对其影响相对较小. 故在南水回补的影响下，河道附近的地下水水质逐渐趋向于接近南水，水质得到明显改善.

2.2 南水回补地下水过程中水文地球化学模拟

2.2.1 南水北调水回补混合模拟结果分析

由于南水与地下水主要组分之间存在显著差异，回补后导致地下水中离子浓度发生变化，这一过程通常与物理混合作用、矿物相溶解沉淀和阳离子交换作用有关. 为分析引起回补后地下水水化学变化的原因，进行了水文地球化学模拟. 通过PHREEQC模拟不同比例南水与地下水混合作用，以NLSD附近W3监测点在2015年回补前(8月)地下水水质数据作为初始地下水水质，南水水质指标采用2015−2018年的平均数据作为输入条件(见表2). 模拟时矿物饱和指数通过利用Cl−计算不同比例下对应的地下水实际

表2 混合模拟SOLUTION模块的输入水质指标Table 2 Input water quality indexes of the module of mixed simulation SOLUTION

饱和指数获得，阳离子交换容量设置为0.03 mmol/g[30].

模拟结果显示，各项水化学指标〔HCO3−、SO42−、Cl−、N(为模拟中输入的NO3−-N、NO2−-N、NH4+-N三者总量)〕呈现出随南水比例升高而浓度降低的趋势(见图4)，表明地下水水化学指标可能受混合作用影响较大.

图4 不同回补比例条件下地下水中主要指标浓度的变化Fig.4 Changes of main index concentrations in groundwater under different recharge ratios

该研究利用Cl−作为天然保守示踪剂来计算补给水与地下水的混合情况[34]. 因为在地下水中，Cl−在渗透过程中通常不会被吸附作用等其他生物或化学过程影响，因此被视为一种保守离子. 根据模拟结果得到不同南水与地下水混合比下的Cl−浓度〔见图5(a)〕，根据实测水质数据得到不同回补天数下的Cl−浓度〔见图5(b)〕. 混合比例和回补天数都与Cl−浓度存在一定的线性关系，随着回补进行，地下水所占比例逐渐减小，基本符合实际回补情况. 将实际回补天数代入线性回归方程，然后将实际浓度代入模拟所得线性回归方程，得到混合比例.

图5 不同混合比例下Cl−模拟值和实际回补过程中Cl−浓度随时间的变化Fig.5 Simulated Cl− value at different mixing ratios and Cl− concentration change over time in the actual recharge process

经计算，2015年补水初期，南水与地下水比例约为1∶1；2016年回补水量较小，小中河区域调水量约为784×104m3，且补水时间短，水质变化不明显；2017年小中河区域调水量约为5.652×104m3，Cl−浓度达到29.4 mg/L，回补河道附近混合比例变为1∶10，2018年补水量大幅增加，补水位置也分布在全区，研究区回补水量超过1×108m3，W3监测点处地下水水质已接近南水水源，此时含水层中南水占主导成分.

2.2.2 回补过程中水岩作用模拟结果分析

根据地下水Cl−的浓度变化以及Piper图中地下水的演化，2018−2019年河道附近地下水水化学逐渐接近南水，以南水沿河道回补至地下水监测点过程为模拟路径，利用PHREEQC模拟南水在含水层中发生的水岩作用. 应用PHREEQC软件对W3和4#两个监测点的南水与地下水进行质量平衡模拟，模拟不同阶段南水径流路径上矿物反应物和生成物的数量，解释南水入渗对地下水水质的影响.

模拟结果(见表3)显示，由于地下水及南水中的Ca2+、Mg2+、HCO3−等组分浓度较低，通过PHREEQC计算方解石、白云石与钾长石均未饱和，同时南水径流路径上吸收土壤中的CO2，导致碳酸盐类矿物方解石与白云石及长石类矿物钾长石的溶解，产生次生矿物钙蒙脱石. 该过程中的阳离子交换作用主要是南水中的K+交换介质中Ca2+[35-36]. 故南水入渗进入地下水后，不仅发生混合作用，也会产生矿物的溶解与沉淀、

表3 模拟路径的水化学反应结果Table 3 Water chemical reaction results of simulated paths

阳离子交换作用共同改变地下水化学成分. 但不同阶段的水化学作用具有差异，模拟结果表明，随着南水比例的增加，碳酸盐矿物溶解量及CO2吸收量表现为先降再升的趋势. 推测由于前期南水径流过程中吸收土壤中的CO2量较多，导致碳酸盐矿物溶解量较多；随着入渗量增多，土壤中的CO2降低导致碳酸盐矿物溶解量降低；但随着混合比的进一步增加，由于南水中Ca2+、Mg2+、HCO3−等组分浓度低，使得碳酸盐不饱和程度增强，同时大量南水入渗携带CO2，二者促进碳酸盐矿物的溶解. 此外，阳离子交换作用也随着南水比例的升高而增强，钾长石溶解及钙蒙脱石的沉淀量始终较低，对地下水水质影响较小.

3 结论

a) 南水北调水源水化学类型为HCO3-Ca-Mg型，相比于密怀顺地区地下水而言，回补水源的水质评价指标以及典型离子浓度较低. 从地下水水质评价结果来看，回补区整体水质较好，河道回补区附近地下水质基本优于GB/T 14848−2017 Ⅲ类标准. 潮白河河道区域地下水水化学类型主要为HCO3-Ca-Mg型，补水以来，地下水水化学指标发生了一定变化，水质整体得到改善.

b) PHREEQC水文地球化学模拟显示，2017年潮白河南水北调水回补结束后，小中河回补河道附近的地下水中南水与地下水混合比例变为1∶10，2018−2019年补水量较大，河道附近地下水中南水占主导地位，所取地下水样中水化学成分基本与南水一致.

c) 随补水工作持续进行，地下水水质受到补给水源影响越来越大，尤其是河道附近地下水水质变化，其主要影响因素为南水-地下水混合作用. 此外，还伴有矿物溶解及阳离子交换作用.

d) 研究成果揭示了南水回补对密怀顺地区地下水水质演化过程的影响，可为河道安全自然地入渗回补地下水的选址、规划和水源选择提供科学依据.