密怀顺地区地下水位回升对硝酸盐氮的影响研究*

张雨航 史芫芫 孙长虹 安同艳# 何 炜 范 清 罗 孜 史慧敏

(1.北京市生态环境保护科学研究院,北京 100037;2.国家城市环境污染控制工程技术研究中心,北京 100037)

我国的水资源量分布不均匀,呈现北少南多的特点。《北京市水资源公报(2021年度)》显示,全市水资源总量61.30亿m3[1],常住人口2 189.3万,人均水资源量不足280 m3,属于极度缺水地区,因此保护好首都有限的水资源至关重要。1998—2015年北京市社会经济快速发展,需水量不断增加,地下水开采量持续加大,导致全市地下水位下降了13.78 m,出现多个漏斗区,水资源环境现状堪忧。2014年南水北调工程引水进京后,北京市的供水格局开始发生深刻变化,地下水资源在供水结构的占比不断降低,同时北京市开启了大规模自备井置换和地下水源压采工作,并利用地表水回补涵养地下水。在多重积极因素的叠加效应下,2015年后地下水位快速回升,同时,快速回升可能带来的风险因素应予以重视,比如对于城市地下建筑、农业、环境造成潜在风险[2],因此有必要对地下水位的时空变化特征及其产生的环境风险予以关注。

南水北调来水通过地表河道回补密怀顺地区地下水,直接影响地下水位和储水量变化。何亚平等[3]利用模型对密怀顺地区潮白河的水位情况进行了预测分析,发现2018年比2017年水位出现明显升高,其中牛栏山区域、怀柔应急水源地、潮白河橡胶坝回升明显;李志强等[4]对2021年潮白河春季生态补水及地下水位的响应研究中,发现地下水位对补水的响应存在一定滞后性,距离河道越近响应越快,反之亦然;李海军[5]通过对150眼地下水监测井补水期间监测数据分析,发现潮白河冲洪积扇中上部地下水位上升幅度最高、范围最大,且短时间集中补水,对河道附近地下水影响大[6]。

南水北调补给地下水,对地下水产生的环境风险也是关注的重点。刘立才等[7]通过溶质运移模型,得出南水北调水源进入密怀顺地区含水层过程中,对地下水水质的稀释作用占主导地位;2015年后土地利用发生了较为剧烈变化,伴随着地下水位抬升,包气带变薄,地表与地下输水通道变短,地下水浸泡原有包气带,地下水环境风险随之加大[8];再生水排放是密怀顺地区地下水环境安全的主要污染风险[9];该地区地下水三氮主要来自工业源、生活农业源和自然源,其中硝酸盐氮主要来自工业源[10];氨氮和硝酸盐氮对水质未达标的贡献率较高[11];该区域西部的风险高于东部,且随着回补后地下水位升高,地表污染源对地下水的危害性增强[12]。

地下水位的回升波动导致地下水氮素变化,近几年逐渐引起学者们的关注。一些研究者通过土柱实验,发现地下水埋深变动可以显著影响硝酸盐氮在土壤剖面上的纵向迁移,容易造成地下水体的污染[13-14];ZANG等[15]通过准三维反馈模型,定量评估了地下水位恢复对包气带硝酸盐氮浸出通量和地下水硝酸盐氮动态的影响,发现在地下水位恢复的情况下,土壤污染物的强化浸出对地下水质量产生了负面影响;刘鑫等[16]提到地下水位波动带中的三氮迁移转化已经成为新的研究领域,应进一步细化分析更多情境、更多影响因素随水位波动过程,识别水位波动带动三氮转化的关键影响要素。

密怀顺地区地下水位回升后,原先包气带受到浸泡和地表到地下水路径的缩短,所引起的地下水环境风险影响研究不足。本研究对2014—2019年密怀顺地区地下水位变化所引起的地下水位升幅带面积、包气带厚度变化,及地下水中硝酸盐氮的响应变化进行研究,将支撑地下水应急反应、地下水政策制定及地下水型水源地的精细化管理。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

密怀顺地区是北京市重要的水源涵养区,是北京市自来水有限责任公司第八水厂(以下简称第八水厂)、怀柔应急水源地、潮白河应急水源地等多个水源地的所在区域,地处顺义区(174.71 km2)、怀柔区(147.79 km2)、密云区(164.43 km2)三区接壤地区,面积约486.93 km2,处于116°30′E～117°0′E、40°10′N～40°30′N。研究区东部、西部和北部三面环山,南部为平原,年平均降水量为615.6 mm。区内河流属潮白河水系,最大河流为潮白河,怀河是本区第二大河流,系潮白河的支流。研究区河道砂石裸露,包气带岩性主要为单一砂卵砾石层,中间夹有粉质黏土透镜体,具有强渗透性能。地下水属于潮白河地下水子系统中上部,第四系孔隙水主要赋存于河流冲洪积作用形成的砂及砂卵砾石中。

1.2 数 据

1.2.1 水位和水质

数据来自北京市水资源公报(2014—2019年度);硝酸盐氮数据来源于年度监测,共31个监测井(见图1),监测井深度为34.5～110.0 m,平均井深63.85 m,井孔取水深度为19.60～57.60 m,平均井孔取水深度为36.66 m,均监测潜水含水层水质,监测时段为2015—2019年,采样在每年5月进行。

图1 密怀顺地区硝酸盐氮监测井空间分布Fig.1 Spatial distribution of nitrate nitrogen sampling points in Miyun-Huairou-Shunyi recharge area

1.2.2 高 程

数字高程模型(DEM)是描述地表起伏形态特征的空间数据模型,由地面规则格网点的高程构成矩阵,形成栅格结构高程数据集,该数据分辨率为10 m。

1.3 研究方法

对2014—2019年北京市地下水位等值线图进行配准,选取27个配准点,提取出地下水位等值线,通过矢量捕捉功能,每间隔100 m赋予点状水位数据,通过克里金插值,制成10 m分辨率的地下水位栅格结构数据,结合DEM高程数据,分析研究区地下水位、地下水位升幅带面积及包气带厚度的时空变化特征。

1.3.1 克里金插值

克里金插值是依据协方差函数对随机过程/随机场进行空间建模和预测(插值)的回归算法。克里金插值广泛用于地学[17-18]、气象学[19-20]、环境科学[21-22]等各类观测数据的空间插值。本研究中地下水位和硝酸盐氮的栅格结构数据集均通过克里金插值得到。

1.3.2 栅格的叠加计算

第1个输入栅格的参数值减去第2个输入栅格的参数值,得到栅格输出的目标结果,地下水位的升幅和包气带厚度运算,均用到该方法。

2 结果与分析

2.1 水位变化分析

南水北调通过3条线路回补研究区域地下水[23]:第1条是通过李家史山闸放水,进入小中河后入怀河,由于牛栏山橡胶坝拦截作用,向北进入潮白河,该线路为核心地下水补水线路,研究显示该线路河道附近地下水中南水已经占主导地位;第2条是通过密云水库放水进入潮河和白河;第3条是通过京密引水渠将南水北调水放入雁栖河和沙河。

2014—2019年密怀顺地区地下水位变化情况见图2,密怀顺地区整体地下水位升高了12.31 m,年均升高2.46 m;密云区、怀柔区、顺义区分别升高9.59、15.17、12.50 m,怀柔区升幅最大;在2014—2016年,研究区地下水位整体有下降趋势,从9.79 m下降至7.14 m,下降了2.65 m,但顺义区地下水位在这个时段仍呈上升趋势;2016—2019年地下水位连续大幅快速升高,整体从7.14 m上升至22.10 m,升高了14.96 m,南水北调对区域地下水位的影响从2016年开始显现。对各区情况进行分析,仅顺义区地下水位从2014年开始持续上升,这与该地区位于回补线路的核心线路有关,地下水最先受到补给;密云区和怀柔区呈现先缓慢下降,再迅速上升的趋势,这与回补格局和补水量相关,在南水北调入京初期,仅有少量水通过向阳闸以上河道补给地下水,从2017年后密怀顺地区进行了多次大流量集中补水,大规模自备井置换和地下水源地实施压采形成积极合力,导致区域地下水出现整体快速升高。2019年与2014年相比,怀柔区地下水位从9.11 m上升至24.28 m,升幅最大,升幅最快,达到3.03 m/a。2014年,密云区、怀柔区和顺义区包气带厚度分别为43.41、39.40、45.80 m,2019年分别变为33.82、24.23、33.30 m;2014年和2019年相比,怀柔区包气带厚度一直最小,而密云区和顺义区的包气带厚度排位发生了置换(见图3)。

图2 2014—2019年地下水位变化Fig.2 Changes of groundwater level from 2014 to 2019

图3 2014—2019年包气带厚度变化Fig.3 Changes of vadose zone thickness from 2014 to 2019

2.2 地下水位升幅带变化分析

密怀顺地区地下水位在短时间内快速上升,本研究据此提出“地下水位升幅带”这一概念,便于开展后续研究。以2014年地下水位作为基准,对照2019年地下水位,地下水位升高的区域定义为地下水位升幅带,该定义在时间维度上具有一定相对性,在地下水快速增长的情况下具有一定研究意义。对比图4(a)和图4(b)可知,2019年相比2014年,地下水位变幅为-3.59～22.38 m,地下水位升高的区域面积占99.43%,潮白河应急水源地和第八水厂水源地的降落漏斗区明显缩小。

图4 2014—2019年地下水位变化Fig.4 Changes of groundwater level from 2014 to 2019

结合利用等间距法对地下水位升幅带进行重分类,结果见图4(c)。将地下水位升幅-3.59～5.06 m定义为地下水位低升幅带,面积为26.54 km2,占研究区面积的5.45%;地下水位低升幅带49.93%分布于密云区,50.07%分布于顺义区。地下水位升幅>5.06～13.72 m定义为地下水位中升幅带,面积为213.22 km2,占研究区面积的43.79%;地下水位中升幅带46.70%分布于密云区,37.88%分布于顺义区,15.42%分布于怀柔区。地下水位升幅>13.72～22.38 m定义为地下水位高升幅带,面积为247.17 km2,占研究区面积的50.76%;地下水位高升幅带51.42%分布于怀柔区,31.87%分布于顺义区,16.72%分布于密云区。密怀顺地区以地下水位高升幅带为主,而高升幅带主要分布于怀柔区。

2.3 地下水硝酸盐氮变化

对比图5(a)和图5(b)可知,2015年区域地下水中硝酸盐氮为0.26～49.04 mg/L,2019年为1.61～32.91 mg/L,2019年相比2015年硝酸盐氮浓度范围收窄,但浓度最高点均出现在研究区东北的密云经济开发区和河南寨镇一带,受到潮白河再生水的影响;2019年相比2015年潮白河再生水回补河段地下水硝酸盐氮平均质量浓度降幅达到32.89%。2015—2019年整个研究区硝酸盐氮升高区域的面积312.98 km2,占研究区面积的64.28%,硝酸盐氮降低区域的面积173.95 km2,占研究区面积的35.72%,硝酸盐氮升高区域面积是降低区域面积的1.80倍;升高区域占据主导,分布于研究区西部和南部,而降低区域分布于研究区东部(见图5(c))。2015—2019年整个密怀顺地区硝酸盐氮平均值在9.99～11.61 mg/L波动;在潮白河补水初期,区域硝酸盐氮浓度有所下降,但随着地下水位的不断抬升,硝酸盐氮浓度出现了升高,尤其是怀柔区,地下水包气带厚度最薄,同时地下水位的升幅速度最快,2019年比2015年硝酸盐氮浓度升高了2.59 mg/L,升幅35.47%,年均增长0.65 mg/L,明显高于其他地区(见图6)。近几年,南水北调来水使密怀顺地区地下水位升高,储水量增加,潮白河再生水回补河段地下水中硝酸盐氮降低,但某些低值区域却出现了硝酸盐氮升高,密怀顺地区硝酸盐氮呈现“削高填低”的现象。

图5 2015—2019年地下水硝酸盐氮变化Fig.5 Changes of nitrate nitrogen concentration in groundwater from 2015 to 2019

图6 2015—2019年密怀顺地区地下水硝酸盐氮变化Fig.6 Changes of nitrate nitrogen concentration in groundwater in Miyun-Huairou-Shunyi recharge area from 2015 to 2019

3 讨 论

从20世纪末到2014年,密怀顺地区地下水位持续下降了30 m左右,形成了北京地区明显的地下水降落漏斗区,意味着包气带厚度也随之增加。而这个时期,密怀顺地区社会经济快速发展,分布着多个工业园区和众多工业企业,但近些年随着首都定位日渐明确,疏解非首都供能,并治理散乱污,企业也急剧减少。然而,长年以来工业企业的长时间生产活动,以及农业种植、畜禽养殖、再生水回补等众多环境风险因素[24]共同存在;在地下水位下降的背景下,地表到地下水的路径变长,在包气带土壤中聚集的环境风险因素变多,存在包气带环境风险释放到地下水的可能性。

近些年密怀顺地区地下水位的快速升高,使得原先的地下水漏斗区范围缩小,地下水亏空得以填补,给供水安全和环境因素带来了积极的因素,但地下水的快速大幅提升,使得原先包气带地层位置被地下水上升所浸泡,这部分地层中由于常年的地表入渗积累,可能蕴藏着潜在的地下水环境风险,在地下水浸泡过程中得以显现,对地下水产生一定风险;同时,会使得包气带厚度大幅变薄,这就意味着地表风险到下水面的路径变短,从一定程度上缩短了地表风险到地下水的时间。

2019年和2014年相比,地下水位升高区域的面积占研究区面积的99.43%,同时硝酸盐氮升高区域的面积312.98 km2,占研究区面积的64.28%,是降低区域面积的1.80倍,所以在区域地下水位升高的背景下硝酸盐氮浓度也有所升高。2019年地下水位高升幅带面积为247.17 km2,占研究区面积的50.76%,怀柔区是以高升幅带为主;同时怀柔区相较于密云区和顺义区,包气带最薄,地表到达地下的路径更短,随着地下水位的升高,风险也随着变大,研究区中怀柔区部分地下水中硝酸盐氮升高了35.47%。怀柔区的雁栖经济开发区、怀北镇、怀柔地区办事处、庙城地区办事处、桥梓镇、泉河街道、雁栖地区办事处均出现了地下水硝酸盐氮升高趋势,需引起关注。密怀顺地区出现部分地区地下水中硝酸盐氮升高的直接原因是地下水位回升导致包气带土壤中氮素释放到地下水中的量变大,根本原因则是众多环境风险因素在雨水淋滤和地下水动力作用下使得氮素在包气带土壤中得以聚集,因此在此次研究的基础上,确定硝酸盐氮升高显著区,厘清和量化包气带土壤中氮素的来源,进行进一步的源解析研究显得尤为重要。

4 结 论

(1) 2014—2019年研究区地下水位升高12.31 m,密云区、怀柔区、顺义区分别升高9.59、15.17、12.50 m,怀柔区升幅最大;怀柔区包气带一直最薄,地表到地下水的路径最短。

(2) 2014—2019年地下水位低升幅带面积为26.54 km2,占研究区面积的5.45%;地下水位中升幅带面积为213.22 km2,占研究区面积的43.79%;地下水位高升幅带面积为247.17 km2,占研究区面积的50.76%。其中,地下水位高升幅带主要集中在怀柔区。

(3) 2019年与2015年相比,地下水位升高,储水量变多,在一定程度上稀释了密云经济开发区和河南寨镇一带硝酸盐氮浓度,使密云区潮白河再生水回补河段地下水硝酸盐氮平均质量浓度降低了32.89%,但整个研究区硝酸盐氮升高区域面积312.98 km2,占研究区面积的64.28%,硝酸盐氮升高区域面积是降低区域面积的1.80倍。2015—2019年怀柔区(尤其是辖区内多个乡镇)出现了硝酸盐氮升高的趋势,怀柔区硝酸盐氮升高了35.47%,高于密云区和顺义区。