北京某擬建再生水廠地下水環境影響研究

李 鵬, 劉 殷, 孫 穎

（北京市水文地質工程地質大隊, 北京 100195）

北京某擬建再生水廠地下水環境影響研究

李 鵬, 劉 殷, 孫 穎

（北京市水文地質工程地質大隊, 北京 100195）

研究區位于潮白河沖洪積扇中上部，第四系松散孔隙含水層顆粒粗大，易接受補給，地下水固有防污性能處于差和較差，地下水水質整體良好。采用數值模擬方法，建立了三維地下水流數值模型，對孔隙度、彌散系數進行了率定，利用GMS中的MT3DMS模塊建立了溶質運移模型。選取COD作為模擬指標，根據模型對水廠投產30年后兩種不同情景方案下地下水水質狀況進行了預測分析。結果顯示，在正常工況和處理流程出現故障兩種條件下，再生水廠對周圍地下水環境有一定程度影響，但重點研究區內地下水模擬濃度遠小于《地下水質量標準》中Ⅲ類水標準，污染物濃度雖低，影響距離卻很遠，因此要建立覆蓋全廠區的地下水長期監控系統，避免污染事故。

溶質運移模型；水文地質條件；再生水廠；地下水環境

0 引言

北京市人均水資源占有量為191m3（北京市水務局，2013），人多水少是北京的基本市情水情。因此，實現水資源的合理配置、優水優用、分質供水、城市污水回用是解決水資源短缺的一個重要途徑（呂曉儉等，2015；黃大英，2005；張玲，2007）。擬建的再生水廠經污水集中處理后，根據規劃將部分退水作為綠化、道路澆灑、工業冷卻水、河道補水等多種用途。建設地點位于密云縣經濟開發區，結合密云工業開發區的發展規劃和用地布局，確定項目廠址位于潮白河下游南岸，工業三期西南角，北側為左堤路和潮白河，南側為京承高速公路，東側為西統路，西側為綠化帶。

由于該區第四系顆粒較粗，包氣帶防污性能弱，且位于水源地補給區上游，下游有八廠水源地。因此，本次確定研究范圍為696km2，西北側為潮白河，沿潮白河至下游水源八廠，以一個大的水文地質單元為整體；重點評價區范圍為86.8km2，包括潮白河周邊的灌溉區、水源八廠補給區等（圖1）。通過模擬預測，評判再生水廠運行過程中對地下水環境可能造成的影響，并針對可能的影響提出污染防治措施與建議，預防與控制地下水環境惡化，保護區域地下水安全。

圖1 區域水文地質圖Fig.1 Regional hydrogeological map

1 地下水環境現狀調查與評價

1.1 研究區概況

密云縣位于北京市東北部，密云水庫位于其中，縣境內主要河流有潮河、白河、潮白河等。研究區東部、西部和北部三面環山，南為平原，總的趨勢是北部狹窄，南部開闊。牛欄山以北及河流兩側為由全新世沖積、洪積物組成的一級階地；牛欄山以南的一級階地外側分布有更新世沖積、洪積物組成的二級階地；潮白河等現代河流兩側有現代沖積層。區內的斷裂構造有北東向牛欄山斷裂，南部分布馬昌營斷裂。區內第四系為沖洪積成因類型地層，巖性為卵石、礫石、砂類土與粘性土，其中砂類土以中、粗砂為主，細砂、粉砂次之，粘性土中以砂質粘土為主。沉積厚度由北部溪翁莊、東北部河南寨的20～50m，向東南逐漸加大到大胡營的200m，在兩河附近最大，超過300m。下伏基巖地層包括長城系、薊縣系、青白口系、寒武系、奧陶系、石炭—二疊系和侏羅—白堊系。廠址區包氣帶巖性平面上主要為砂類土，剖面上從上向下依次為卵石、礫石、砂類土與粘性土，下層粘性土主要是粉質粘土和粘質粉土，厚度4～8m，且分布連續、穩定。

1.2 水文地質條件

研究區位于潮白河地下水子系統中上部，第四系孔隙水主要賦存于河流沖洪積作用形成的砂及砂卵礫石中，含水層垂直滲透性強，極易接受大氣降水和地表水的補給，地下水和地表水聯系密切，是補給地下水的極佳地段，但其含水層具有易污染特征。根據含水層巖性、富水性及埋藏條件將研究區劃分為三個主區，單井出水量在1500～5000 m3/d之間，而山麓坡積裙地帶，第四系沉積物主要為坡積、洪積物，富水性不均一（圖1）。整個研究區內滲透系數的變化范圍為3～300m/d，給水度的變化范圍為0.03～0.23，降雨入滲系數變化范圍為0.15～0.65。根據場地的滲水試驗結果，其滲透系數在6.88×10-4～8.55×10-4cm/s，地下水固有防污性能處于差和較差區（北京市地質礦產勘查開發局等，2008）。

研究區孔隙水的補給來源主要是大氣降水、農田灌溉水、地表水（河道、渠道水）入滲補給和山區基巖裂隙水側向補給，近年來人工回灌也成為地下水補給來源之一。地下水位變化除受人工開采影響外，還受降水量大小影響。孔隙水的排泄以人工開采方式為主，其次是側向徑流排泄。由于受到懷柔應急水源地及水源八廠常年抽水影響，加之潮白河已干涸多年，不存在補給潛水的穩定地表水，造成了潮白河西岸潛水位標高整體低于東岸。地下水徑流方向與地形地貌變化一致，即由山前向平原，由北西向南東流動，并隨徑流條件變化，徑流強度發生變化。現狀條件下，八廠水源地及懷柔應急水源地地下水集中開采改變了其自然狀態，在開采量較大的地區，形成了大面積的區域性降落漏斗（圖2）。

圖2 地下水邊界條件及流場擬合圖Fig.2 Boundary conditions and ftting curve of groundwater

1.3 地下水環境現狀

根據重點研究區內近一個水文年三期潛水含水層的水樣監測結果，采用單因子指數法進行了水質評價，標準采用《地下水質量標準》（GB/ T14848－93）中的Ⅲ類標準，標準中沒有的因子參照《生活飲用水衛生標準》（GB 5749－2006）。結果顯示，25項檢測指標中23項濃度均優于上述標準值，水質良好。總硬度、硝酸鹽（以N計）等兩個指標水質稍差，位于河南寨鎮西南部附近，而其上下游的水質監測點兩指標的濃度均優于標準值。

2 地下水環境影響預測與評價

2.1 地下水流數值模型

數值模型是某些復雜的物理實體及其內部流程的簡化和概化（孫納正，1981）。建立地下水流模型的過程，就是建立和運行能代表實際含水層行為的模型（James，1981）。本次借助基于有限差分法原理的GMS軟件建立地下水數值模型（Brigham Young University-Environmental Modeling Research Laboratory，2002；祝曉彬，2003）。

由地下水位等值線（圖2）可以看出，研究區地下水流總體由北向南流動，在開采強度大的地區，形成區域地下水位降落漏斗。地下水在第四系松散多孔介質中的流動符合質量守恒定律和達西定律；考慮到由層間水頭差異引起含水層之間的垂向水量交換，故地下水運動為三維流；地下水的補排項以及水位是隨時間變化的，故為非穩定流；由于介質的非均勻性造成水文地質參數隨空間變化，體現了系統的非均質性；由于含水介質的成層性，造成垂向和水平水文地質參數的差異，因而可概化為水平各向同性、垂向各向異性介質。將重點研究區及以北區域模型概化為一層單一的潛水含水層，以南的區域含水層較厚，未處理為單一含水層。

根據研究區水文地質條件和地下水開發利用特點，側向邊界設置如圖2所示，垂向上第四系松散層的底界處理為隔水邊界。源匯項數據均按照鄉鎮分為22個區進行整理，之后輸入模型中進行計算。將模擬區各層采用100m×100m的剖分格式。地下水流場模擬期為2010年12月到2011年12月，以2010年12月地下水流場作為模型的初始流場。滲透系數等水文地質參數處理為shp區文件直接輸入模型。

利用研究區2011年12月的實際流場與模擬的2011年12月的流場，進行識別驗證。可以看出，模擬流場與實際流場總體流動方向相同，降落漏斗的影響范圍和最大降深相同，擬合效果良好。

2.2 預測指標及情景設定

擬建再生水廠一期（2015年）建設規模6.5×104m3/d，二期（2020年）建設規模3.5×104m3/d，總規模10.0×104m3/d。工程處理出水達到《城市污水再生利用 城市雜用水水質》（GB/T18920-2002）中的城市綠化和道路清掃的水質標準，《城市污水再生利用 景觀用水水質》（GB/T18921-2002）中的觀賞性景觀環境用水（河道類）的水質標準，同時考慮滿足北京市地方標準《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》 （DB11/890-2012）表 1 中的 A 標準。設計出水水質見表1。

表1 再生水廠進出水水質指標Tab.1 The designed quality of raw wastewater and treated water

擬建再生水廠的進水水質指標中COD的濃度最高，初始濃度500mg/L，故選用COD作為模擬指標。設定出水濃度為20mg/L。研究區位于潮白河沖洪積扇的中上部，這些區域地下水循環快，相對隨地下水流的排泄來說，在吸附、生物降解等作用下消耗掉的量顯得微弱， 所以本次模擬僅考慮了對流-彌散作用。

溶質運移模型的預測期為2015年1月至2045年1月，共30年。不同情景污染源強按以下兩種方案確定：

（1）正常工況下即再生水廠正常運轉

預測源強設定為COD出水濃度20mg/L。

（2）再生水廠處理流程出現故障

再生水廠突發污染事件，如爆炸等。進水未經過處理，直接由再生水廠補給地下水造成污染，模擬其對地下水的影響。進水水質的COD濃度為500mg/L，假定以此濃度泄漏持續時間15天，通過計算污染物滲漏量為4814.8g/d。

2.3 地下水水質模型預測與評價

在地下水流數值模型的基礎上利用GMS軟件中的MT3DMS建立溶質運移模型（鄭春苗等，2009），對污染物的運移進行預測評價。溶質模型參數設定，孔隙度為0.3；縱向彌散系數，中粗砂設定為0.2～1.0 m2/d，砂礫石設定為1～5 m2/d。

（1）正常工況下COD運移預測

再生水長期按照出水標準排入潮白河，周邊利用這類水灌溉，做景觀用水。預測結果如圖3所示。污染指標COD隨著時間的增加，濃度越來越高，污染暈的范圍越來越大，并且沿著地下水流動的方向污染暈的影響距離大于其他方向，最大影響距離為6100m。2020年6月污染物運移到水源八廠區，至2045年1月水源八廠區污染物濃度最大值為1.66mg/L，小于地下水質量標準中Ⅲ類水COD的濃度指標3mg/L。故污染物COD對地下水環境僅有微弱的影響。

圖3 正常工況下COD污染擴散圖Fig.3 Distribution of COD plume in normal operation condition

（2）再生水廠處理流程出現故障

污水COD未經過處理的預測結果如圖4所示。由于COD的初始濃度高，污染物運移的速率明顯大于正常工況下污染物的運移速率，最大影響距離為8700m。2038年6月污染物運移到水源八廠區，2045年1月水源八廠區污染物濃度最大值0.22mg/L，遠小于地下水Ⅲ類水標準。故再生水廠處理流程出現故障時，污染物COD對地下水環境影響甚微。

3 結語

通過對區域地質、水文地質條件分析，廠址區地下水固有防污性能處于差和較差區，含水層易污染特征為易，采樣分析評價地下水環境現狀，大部分指標水質良好。利用GMS軟件，建立了地下水流數值模擬模型及溶質運移模型。預測再生水廠投入使用30年后，不同情景方案下地下水水質狀況，結果顯示再生水廠的使用對周圍地下水環境有一定程度影響，但區內主要供水水源地COD濃度均遠小于《地下水質量標準》中Ⅲ類水標準。污染物濃度雖低，影響距離卻很遠，仍要引起重視。

圖4 處理流程故障條件下COD污染擴散圖Fig.4 Distribution of COD plume when process fails

南水北調來水后在研究區進行了地下水回灌涵養，地下水位降落漏斗得以恢復，水動力條件發生變化，污染物運移將減緩，從而也可以改善研究區的地下水環境。

宜建立覆蓋全廠區的地下水長期監控系統，對地下水污染狀況及時發現并控制，避免污染事故的發生。若廠區發生地下水污染事故，應立即啟動應急預案。如控制廠區事故現場，切斷污染源，進行清源處理，同時上報相關部門。對每個可能出現事故的污染暈設置截流帶，布設截獲井，直至地下水污染物含量低于區域背景值后停止抽水。

[1]Brigham Young University-Environmental Modeling Research Laboratory. Groundwater Modeling System Tutorials Volume I, 2002.

[2]James W. Mercer，Charles R.Faust. Ground-Water Modeling[M]. National Water Well Association，1981.

[3]北京市水務局. 北京市水資源公報(2012)[R]. 北京，2013.

[4]呂曉儉，李宇，李志萍. 北京地下水資源與城市協調發展的思考[J]. 城市地質，2015，10(S1)：8～12. [5]黃大英. 淺談北京水資源的合理配置[J]. 水資源保護，2005，21(4)：67～70.

[6]孫納正. 地下水流的數學模型和數值方法[M]. 北京：地質出版社，1981.

[7]北京市地質礦產勘查開發局，北京市水文地質工程地質大隊. 北京地下水[M]. 北京：中國大地出版社，2008.

[8]張玲. 基于不確定性的水資源優化配置模型及案例研究[D]. 北京：中國地質大學(北京)，2007.

[9]鄭春苗，Bennett G D. 地下水污染物遷移模擬[M].北京：高等教育出版社，2009.

[10]祝曉彬. 地下水模擬系統(GMS)軟件[J]. 水文地質工程地質，2003，47 (5)：53～55.

Research on the Effect of Groundwater Environment for a Proposed Water Recycling Plant in Beijing

LI Peng, LIU Yin, SUN Ying
(Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing, 100195)

The study area is located in the upper of the Chaobai River alluvial. Because of the coarse particle size, Quaternary aquifer is easily recharged. Groundwater intrinsic antipollution capability of this area is poor. Groundwater quality is good in general. The index COD is chosen to predict and evaluate the effects of a proposed water recycling plant operation on groundwater in the source area by building up numerical model. The plant may have certain effect on the groundwater environment both in cases of normal operation and during process failures. The forecasting COD concentrations in the groundwater source area are far below the Class III water standard in Standard for Groundwater Quality, but the infuence distance is long, therefore a long-term monitoring system covering the whole plant area should be build to avoid pollution.

Mass transport model; Hydrogeologic conditions; Water recycling plant; Groundwater environment

X523

A

1007-1903（2016）04-0024-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.004

李鵬（1983- ），男，碩士，工程師，主要從事水文地質環境地質工作。E-mail：liplip123@163.com.