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北京市南水北調(diào)受水區(qū)垃圾場地下水污染預(yù)測

文檔作者：盧麗1’2 裴建國1 文檔來源： 1．中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所國土資源部巖溶動力學(xué)重點(diǎn)實驗室 2．水利部水資源管理中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2025年08月31日
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44 節(jié)水灌溉·2013年第8期
文章編號：1007—4929(2013)08 0044—06
北京市南水北調(diào)受水區(qū)垃圾場地下水污染預(yù)測
盧麗1’2，裴建國1
(1．中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所國土資源部巖溶動力學(xué)重點(diǎn)實驗室，廣西桂林541004；
2．水利部水資源管理中一t7，北京100053)
摘要：根據(jù)南水北調(diào)供水方案，南水北調(diào)進(jìn)京10年后，受水區(qū)內(nèi)垃圾場將會被地下水浸泡，如不采取防治措施，
會對含水層水質(zhì)造成嚴(yán)重污染。以北京西郊為研究區(qū)，利用Visual Modflow軟件中的M()DFLoW模塊和MT3DMS
模塊分別建立了地下水水流模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型，對研究區(qū)內(nèi)污染物運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測結(jié)果表明，10 a后氯離
子(C1一)、硝酸鹽氮(NO；一)和總硬度(THD)3種離子的最高濃度和被污染的面積均增大，預(yù)測結(jié)果可作為調(diào)整地下
水開采與調(diào)蓄方案和垃圾場防滲規(guī)劃設(shè)計的依據(jù)。
關(guān)鍵詞：南水北調(diào)；地下水污染；溶質(zhì)運(yùn)移；數(shù)值模擬；Visual Modflow
中圖分類號：X523；P641．69 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
Prediction of Groundwater Pollution in Dump of腸ter-recipient Areas of
South—to-North Water Transfer Project of Beijing
LU Lih2，PEI Jian—gu01
(1．Institute of Karst Geology，CAGS／Karst Dynamics Laboratory，MLR，Guilin 541004，China；
2．Water Resources Management Center，Ministry of Water Resources，Beijing 100053，China)
Abstract：According tO the water supply scheme of the South—tO—North Water Transfer Project，the dumps are soaked by groundwa—
ter on the water-recipient areas after ten years．If the prevention measures are not taken，the aquifer water quality will be severely
polluted．Using MODFI。()W and MT3DMS module in Visual Modflow software。the groundwater flow model and solute transport
model are established and the pollution transport is predicted for a case study on the western suburbs in Beij ing．The result shows
that the highest concentration of three ions，including C1一，Na and THD，and the polluted are8 are becoming larger after ten years，
which provides scientific basis for adiusting groundwater exploitation and storage scheme and designing seepage prevention planning．
Key words：south-to—north water Transfer；groundwater pollution；solute transport；numerical simulation；Visual Modflow
長期過量開采地下水，會產(chǎn)生降落漏斗不斷增大、地面沉
降、地下水污染嚴(yán)重等生態(tài)環(huán)境問題，北方地區(qū)尤其是華北平
原上的大中城市大都已經(jīng)發(fā)生了類似的問題，而北京市的環(huán)境
地質(zhì)問題更為突出[I--3]。南水北調(diào)工程是解決這些問題的重
要手段和有效途徑[4]，其不僅是一項水資源配置工程，也是一
項生態(tài)環(huán)境工程IS]。南水北調(diào)供水后，可以使北京地下水水資
源短缺的情況得到緩解，增加地下水可開采量。但另一方面，
隨著地下水水位的恢復(fù)，會產(chǎn)生新的環(huán)境地質(zhì)問題。根據(jù)《南
水北調(diào)(北京段)環(huán)境地質(zhì)問題調(diào)查評價》報告，南水北調(diào)水進(jìn)
京10年后，受水區(qū)內(nèi)潛水含水層地下水位將普遍抬高10～16
m，將有25處非正規(guī)垃圾場受到地下水的浸泡，其中未做防滲
處理的非正規(guī)垃圾場主要集中在北京西郊地區(qū)，如不采取處理
措施，將對含水層造成嚴(yán)重污染。因此本文以北京西郊垃圾場
為研究區(qū)，利用Visual Modflow軟件建立垃圾場地下水溶質(zhì)運(yùn)
移模型[6-16]，預(yù)測在南水北調(diào)水進(jìn)京10年后北京西郊垃圾場
污染物濃度分布規(guī)律，為垃圾場污染物防滲處理和地下水水位
合理控制提供科學(xué)依據(jù)。
1研究區(qū)水文地質(zhì)概況
研究區(qū)位于北京平原西部，地處永定河沖洪積扇地帶，面
收稿日期：2013—04—01
基金項目：“973”國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計劃項目(2010CTM28800)；國家自然科學(xué)基金項目(40772164)；北京市水務(wù)局重點(diǎn)攻關(guān)項目(2006016)；中
國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項目(2012014)。
作者簡介：盧麗(1985一)，女，碩士，實習(xí)研究員，研究方向為地下水模擬、地下水水污染防治。E-mail：luli@karst．a(chǎn)c．cn。
萬方數(shù)據(jù)
北京市南水北調(diào)受水區(qū)垃圾場地下水污染預(yù)測盧麗裴建國45
積為49．8 km2，分布有7個垃圾場(見圖1)，含水層垂向上分
潛水含水層和承壓含水層。潛水含水層主要以單一砂卵礫石
結(jié)構(gòu)為主，含水層厚度變化較大，一般在30～250 m之間，水平
滲透系數(shù)的變化范圍為100～300 m／d，垂向滲透系數(shù)一般為水
平滲透系數(shù)的10-3～10一，潛水含水層是地下水主要開采層；
承壓含水層主要以多層砂卵礫石結(jié)構(gòu)為主，含水層厚度變化相
對較小，一般在6～50 m之間，水平滲透系數(shù)的變化范圍大致
在100～160 m／d之間，垂向滲透系數(shù)一般為水平滲透系數(shù)的
10_3～10一。降水入滲補(bǔ)給、山區(qū)和上游的側(cè)向補(bǔ)給、河湖人
滲補(bǔ)給、農(nóng)業(yè)灌溉回滲和基巖水頂托補(bǔ)給為地下水的主要補(bǔ)給
源，地下水主要排泄途徑為人工開采和側(cè)向流出。地下水動態(tài)
主要為降雨一人工開采型，潛水、承壓水多年動態(tài)變化趨勢一
致。地下水化學(xué)類型主要為HC03一一Ca2++M釅+型，礦化度
小于1 g／L。
圖1城區(qū)第四系水文地質(zhì)圖
Fig．1 The inner--city quaternary hydrogeological map
2地下水污染現(xiàn)狀
根據(jù)北京市2006--2011年水資源公報，北京市淺層水(主
要開采層)污染較為嚴(yán)重，地下水水質(zhì)呈現(xiàn)逐年惡化趨勢，Ⅳ～
V類水面積由2006年的2 340 km2擴(kuò)大到2011年的3 107
km2，所占比例由2006年的36．8％增加到2011年的49％，超
標(biāo)指標(biāo)主要為總硬度、氯化物、硝酸鹽氮等；深層水水質(zhì)相對較
好，除2010年外，其Ⅳ～V類水所占比例均未超過20％，超標(biāo)
指標(biāo)也較少，主要是氨氮和氟化物；基巖水水質(zhì)較好，均符合Ⅲ
類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
由此可見，主要開采層(潛水含水層)中地下水水質(zhì)較差，
污染面積較大。因此急需對該地區(qū)開采層中的各污染組分運(yùn)
移規(guī)律進(jìn)行預(yù)測研究。
3數(shù)值模型的建立與識別
3．1地下水水流模型
通過對研究區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，建立水文地質(zhì)概
念模型。在此基礎(chǔ)上確定研究區(qū)的邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)，
并對源匯項進(jìn)行分析與計算，從而建立地下水水流模型。
3．1．1水文地質(zhì)條件概化
根據(jù)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，將研究區(qū)含水層結(jié)構(gòu)概化為2
層：第一層為潛水含水層；第二層為承壓含水層。其邊界條件
概化如下：在水平方向上，將研究區(qū)邊界分為側(cè)向補(bǔ)給邊界和
側(cè)向流出邊界。在垂直方向上，潛水含水層自由水面作為上邊
界，通過該邊界，潛水與系統(tǒng)外發(fā)生垂向上的水量和溶質(zhì)交換，
如大氣降水人滲補(bǔ)給、灌溉回滲補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄、垃圾淋濾液的
入滲補(bǔ)給等。模型底界為隔水邊界。
3．1．2數(shù)學(xué)模型
根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，地下水水流數(shù)學(xué)模型可概化為
非均質(zhì)、各向異性三維非穩(wěn)定流模型，如下式所示：
s薔=未(K差)+
￡(巧器)+未(K：蓑)+e x,y,z∈n，z≥o
P篆=比(差)2+墨(甍)2+
K：(蓑)2_蓑(K。+夕)+p x,y,z∈Fo,t≥o
h(x，Y，2，￡)Ipo=ho ．7C，Y，z，∈n，t≥
K。警l —q(z，y，z，￡) z，y，z∈n，￡≥o
On l廠1
式中：力為研究區(qū)域；h(x，Y，z，￡)為含水層的水位標(biāo)高，m；
萬方數(shù)據(jù)
46 北京市南水北調(diào)受水區(qū)垃圾場地下水污染預(yù)測盧麗裴建國
虬、％、K：分別為z、兒z方向的滲透系數(shù)，m／d；K。為邊界面
法向方向的滲透系數(shù)，m／d；S為承壓含水層的貯水系數(shù)；／2為
潛水含水層的給水度；e為含水層的源匯項(1／d)；P為潛水面
的蒸發(fā)和降水入滲強(qiáng)度等，m／d；h。為含水層的初始水位，m；1"o
為研究區(qū)域的上邊界，即地下水的自由表面；n為研究區(qū)域的
二類邊界；n為邊界面的法線方向；口(z，Y，z，￡)為二類邊界的
單位面積的流量，m3／(d·m2)，流人為正，流出為負(fù)，隔水邊界
為0。
3．1．3模型的建立
利用Visual Modflow中的MODFLOW模塊建立地下水
水流模型。在平面上，按250 ril×250 m對研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖
分。在垂向上，根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，概化為2層，從上而
下，依次為潛水含水層和承壓含水層。模擬時間段為2005年1
月至2006年12月，時間步長為1個月。根據(jù)所收集的資料，
并結(jié)合研究區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件，將滲透系數(shù)、給水度、貯水系數(shù)
等水文地質(zhì)參數(shù)輸入模型，同時對研究區(qū)地下水的源匯項進(jìn)行
合理概化，并輸入模型進(jìn)行計算。
3．1．4模型識別與驗證
為了確保所建立的地下水水流模型符合研究區(qū)水文地質(zhì)
條件，并真實反映實際流場的特點(diǎn)，需要根據(jù)實測水位數(shù)據(jù)對
模型進(jìn)行識別和驗證。選擇2005年1—12月和2006年1—12
月2個時段的實測水位數(shù)據(jù)分別作為模型的識別階段和驗證
階段，識別結(jié)果和驗證結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖2和圖3
中可以看出，水位擬合誤差小于lm，這說明模型較為準(zhǔn)確的反
映了研究區(qū)的實際情況。
32}
3仆
30}
E
理29}
*
28F
27}
+實測水位
26
A{螽懼
圖2西黃村觀測孔水位識別結(jié)果
Fig．2 n掄recognition result of the groundwater level of
Xihuangcun observation hole
3．2地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型
3．2．1數(shù)學(xué)模型
R著一壺(現(xiàn)驀)一熹c地c，+
詈c：一A(c+魯警)X,y,z∈n，c≥o
C(x，y，z，f)1戶。一Co(z，y，z) z，Y，z∈f2
C(x，y，2，￡)I rl—C1(z，y，2) z，Y，z∈P1，t≥o
一磷薹k=五(x,y,z)x,y,z∈脅≥o
26 L_廣1，1—1—了—百—了—南—麗—T丁。萬一
A憤l旯
圖3西黃村觀測孔水位驗證結(jié)果
Fig．3 The validation result of the groundwater level of
Xihuangcun observation hole
式中：力為研究區(qū)域；C(x，y，z，f)為污染物濃度，mg／L；碥為
地下水實際流速，m／d；Do為水動力彌散張量；R為阻滯因子；
co(z，y，z)為污染物初始濃度，mg／L；n為一類邊界；Cl(z，
Y，z，f)為一類濃度邊界值，mg／L；／'2為二類邊界；工(z，Y，z)
為二類邊界值，mg／m2；A為生物降解系數(shù)；C。為固體顆粒吸附
的溶質(zhì)濃度，mg／L；艿為含水層巖土的干容重；咒為有效孔
隙度。
3．2．2溶質(zhì)運(yùn)移模型
利用MT3DMS模塊建立地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型，網(wǎng)格剖分
和模擬時段均與水流模型一致。根據(jù)北京市地下水污染現(xiàn)狀，
選取開采層中主要超標(biāo)項目氯離子(C1一)、硝酸鹽氮(N0；一)、
總硬度(THD)進(jìn)行模擬計算，以2005年1月濃度場為初始濃
度場。根據(jù)收集到的資料，將溶質(zhì)運(yùn)移模型中的縱向彌散度、
橫向彌散度、垂向彌散度、孔隙度等參數(shù)輸人模型，通過模型調(diào)
式，最終確定各參數(shù)值。根據(jù)氯離子(C1一)、硝酸鹽氮(N0；一)
和總硬度(THD)3種離子實測濃度場對溶質(zhì)運(yùn)移模型進(jìn)行識
別和驗證，選擇2005年12月和2006年12月作為模型的識別
和驗證時間。從圖4～圖9可以看出，3種離子的識別和驗證
效果較好，這說明溶質(zhì)運(yùn)移模型較為準(zhǔn)確的反映了研究區(qū)的實
際情況．可以對3種離子濃度場進(jìn)行預(yù)測研究。
I蘭i例2 ．j i !嚴(yán)／V寓塒濃度／V計算蕺廈
圖4 2005．12氯離子(C1一J濃度場擬合圖(單位：m_g／L)
№4"lhe dllm'Me ion∞啪喇吶曲I fleM fitlmg d瞄rt in 2I炳n旺lr蛔
萬方數(shù)據(jù)
北京市南水北調(diào)受水區(qū)垃圾場地下水污染預(yù)測盧麗裴建國
圖例／y實爵濃度Ⅳ計并濃度
圖5 2006．12氯離子(Cl一)濃度場擬合圖(單位：mg／L)
№5m咖哪他iolI咖咖岫tiolIfidd nnil瞎chartiIl 2晰December
圖例／V實測濃度Ⅳ計并濃度
圖6 2005．12硝酸鹽氮(N0j一)濃度場擬合圖(單位：rag／L)
№6 11．e nit眥IⅡtmgen咖蛐field nt魄chart iII瑚5 Deceml】er
圖7 20％．12硝酸鹽氯(N()i一)濃度場擬合圖(單位：rag／L)
n晷7 n七m打ate ni打叼啪concentration neM nttiI瞎chart iII 2∞6 December
4水質(zhì)預(yù)測
根據(jù)北京市2006年制定的《北京市“十一五”時期水資源
圖8 2005．12總硬度(THD)濃度場擬合圖(單位：rag／L)
n呂8 The total hardness伽啦即打ati啪fie帕fittiI筆chart iII 2∞5 December
圖9 2∞6．12總硬度(THD)濃度場擬合圖(單位：mg／L)
n晷9 11le total hardness cencentration fie柑ntti嚷chart iII 2006Ⅸ魍Ⅱ岫
保護(hù)及利用規(guī)劃》，北京市地下水開采與調(diào)蓄方案共分3個階
段，分別為2006年1月至2007年12月、2008年1月至2009
年12月和2010年1月至2020年12月，前2個階段為保障性
用水階段和滿足奧運(yùn)用水階段，地下水水位略有恢復(fù)，而第三
階段屬于地下水恢復(fù)階段，地下水水位有明顯的上升，垃圾場
被浸泡，因此選擇此階段對污染物的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行模擬。該階
段具體開采方案為農(nóng)業(yè)開采量減少0．29億m3，第三供水廠開
采量減少0．4億m3，自備井停采。以2010年1月3種離子的
實測濃度場為初始濃度場(圖10～圖12)，利用經(jīng)過識別和驗
證后的溶質(zhì)運(yùn)移模型，對10年后的3種離子的濃度場進(jìn)行預(yù)
測，預(yù)測結(jié)果如圖13～圖15所示。
從圖12～圖14可以看出，10年后3種離子的最高濃度和
被污染面積均比2010年時有所增大，具體變化情況如下：對于
氯離子(C1一)而言，2020年氯離子(CI)雖未出現(xiàn)受污染區(qū)域
(濃度>250 rag／L)，但整體濃度呈現(xiàn)增大趨勢，最高濃度由
112 mg／L增大到208 mg／L，且均出現(xiàn)在福田寺東側(cè)，高值中
心也由原先的3個增加為4個；硝酸鹽氮(N0；一)的受污染面
積(濃度>20 rag／L)明顯擴(kuò)大，由原先的29．94 km2增大到
萬方數(shù)據(jù)
48 北京市南水北調(diào)受水區(qū)垃圾場地下水污染預(yù)測盧麗裴建國
尸。。f22■。。'k。
圖10 2010．1氯離子(Cl一)濃度場(單位：rag／L)
Fig．10 The chloride ion concentration field in 2010 January
圖11 2010．1硝酸鹽氮(Na一)濃度場(單位：rag／L)
Fig．11 The nitrate nitrogen concentration field in 2010 January
圖12 2010．1總硬度fTHD)濃度場(單位：mg／L)
Fig．12 The total hardness concentration field in 2010 January
42．99 km2，最高濃度也由53 mg／L增大到87 mg／L；總硬度
(THD)的變化趨勢與前2種離子相同，受污染面積(濃度>450
mg／L)增大，由2010年的0．66 kmz增大到2020年的2．23
kmz，最高濃度也由554 mg／L增大到872 mg／L，并出現(xiàn)了V類
圖例
圖13 2020．12氯離子(el一)濃度場(單位：rag／L)
Fig．13 The chloride ion concentration field in 2020 December
圖14 2020．12硝酸鹽氮(N0j一)濃度場(單位：nag／L)
Fig．14 The nitrate nitrogen concentration field in 2020 December
圖例
圖15 2020．12總硬度(THD)濃度場(單位：mg／L)
Fig．15 The total hardne輜concentration field in 2010 December
水區(qū)域，面積約為0．059 km2，高值中心也由1個增加到了
4個。
綜上所述，按照原先的地下水開采與調(diào)蓄方案，研究內(nèi)的
氯離子(CI一)、硝酸鹽氮(NO；s一)、總硬度(THD)3種污染物的
污染面積逐漸擴(kuò)大，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)氐娘嬘盟踩虼诵枰獙?
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萬方數(shù)據(jù)
北京市南水北調(diào)受水區(qū)垃圾場地下水污染預(yù)測盧麗裴建國49
原地下水開采方案進(jìn)行調(diào)整，同時對垃圾場進(jìn)行防滲處理，防
止地下水污染進(jìn)一步惡化。
5結(jié)語
根據(jù)《北京市“十一五”時期水資源保護(hù)及利用規(guī)劃》中第
三階段地下水開采與調(diào)蓄方案，利用Visual Modflow軟件對研
究區(qū)內(nèi)的污染物運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果表明，研究內(nèi)的氯離
子(CI一)、硝酸鹽氮(NO；s一)、總硬度(THD)3種污染物污染面
積和整體濃度都較2010年有明顯的擴(kuò)大趨勢，高值中心數(shù)量
增加，而且總硬度(THD)出現(xiàn)了V類水區(qū)域(極度污染區(qū))，因
此需要對原有的地下水開采方案進(jìn)行調(diào)整，對垃圾場進(jìn)行防滲
設(shè)計規(guī)劃，對已有污染源進(jìn)行治理，同時加強(qiáng)地下水保護(hù)和地
下水水質(zhì)監(jiān)測工作。
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(上接第43頁)
4結(jié)語
通過分析上述內(nèi)容，得到以下結(jié)論。
(1)本次基于鉆孔數(shù)據(jù)建立的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型各地層層
面光滑，且通過旋轉(zhuǎn)和調(diào)節(jié)地層透明度，可以直觀、清晰地展示
潮白河沖洪積扇內(nèi)地質(zhì)單元的空間展布及其相互關(guān)系。結(jié)合
研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)相關(guān)資料，觀察三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，發(fā)
現(xiàn)研究區(qū)北部扇頂為山區(qū)，南部扇緣為砂與黏性土互層，底部
為基巖隔水底板，且東、西部隔水底板呈向上延展趨勢，形成巨
大的盆狀儲水空間，因此，潮白河沖洪積扇能夠滿足建立地下
水庫所需的儲水空間。
(2)在構(gòu)建的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用ArcScene中
的Animation工具條，構(gòu)建地下水庫動態(tài)模擬展示模型，通過
控制潛水面升降變化來模擬展示潮白河沖洪積扇地下水庫的
補(bǔ)給與消耗演變過程。在此過程中，可以導(dǎo)人實時水位數(shù)據(jù)，
進(jìn)行相關(guān)水資源量計算，為地下水庫的建立與管理提供依據(jù)。
在研究過程中，存在幾點(diǎn)有待改進(jìn)的地方，需要在后續(xù)工
作中不斷完善。
(1)在建模過程中，未考慮復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造如侵入體、透鏡體
等地質(zhì)體的影響與作用，因此，該方法對地質(zhì)構(gòu)造活動強(qiáng)烈、扭
曲變形嚴(yán)重的地質(zhì)建模效果較差，需要在后續(xù)工作中進(jìn)行逐步
完善。
(2)在建模過程中雖然收集鉆孔資料較多，但由于鉆孔的
成孔時間不一致，關(guān)于巖性的描述有差別。此外，隨著人類活
動的影響，部分較早鉆孔的地表高程、地表巖性都發(fā)生了變化。
這些都導(dǎo)致在建模過程中，地質(zhì)模型與實際情況的偏差，因此
需要在后續(xù)工作中，增加相應(yīng)的調(diào)查，以便進(jìn)行修正。
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