北運河流域土溝段地下水水力截獲效果評估

李炳華,郝仲勇, 黃俊雄, 張家銘

(1.北京市水科學技術研究院非常規水資源開發利用與節水工程研究中心，北京 100048；2.中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083)

地下水是北京市水資源的重要組成部分，占全市飲用水供水總量近70%。作為地下水的重要補給來源之一，地表水在入滲補給地下水的過程中，所攜帶的無機污染組分及部分有毒有害的有機污染物也會同時進入地下水[1-2]，對地下水安全造成極大威脅。歷年資料表明，北京市的諸多污染河流已對當地地下水水質產生了負面影響。北運河流域(北京段)作為典型污染河流，是北京市地表水環境質量最差的水系，附近地下水已遭受不同程度污染。

目前，在實際工程中廣泛應用的地下水污染修復技術有水力截獲技術、原位生物處理法和滲透反應墻技術等[3-4]。其中，水力截獲技術是通過設置一系列抽(注)水井，形成人工流場，最大限度地抽取受污染地下水，以達到抑制污染羽擴散并修復受污染含水層的目的[5]。該技術實施過程簡單，見效快且顯著，適用于常規和應急修復[6]。本文選取北運河流域土溝段作為試驗區，通過開展不同深度含水層的水力截獲試驗，探討水力截獲技術在傍河場地的實際應用效果，以期為北運河流域地下水污染防控提供技術支撐。

1 研究區概況

北運河水系共有溫榆河、清河等13條一級支流，總長度達300 km，流域面積4 423 km2，是北京市人口最集中、產業最聚集、城市化水平最高的流域。但由于其承擔著中心城區90%的排水任務，北運河流域地表水污染十分嚴重[7]。北運河流域土溝段位于溫榆河水文地質單元內。根據土溝段新建井的巖性資料，靠近溫榆河的地層表現為黏砂與細砂互層，其中厚度0～10 m、15～30 m、35～40 m和65～75 m為黏砂層，其他均為細砂層；而遠離河道的第四系巖性與近河段相比則顯得較為單一，15 m以上為細砂層，15～25 m為黏砂層，以下為細砂層(圖1)。土溝段20 m含水層地下水位平均埋深13.53 m，地下水整體流向為由西北流向東南，主要接受大氣降水、農田灌溉入滲和河流入滲等補給。

圖1 土溝段地質剖面

時間氯化物硫酸鹽總硬度氨氮溶解性總固體CODMnTOC鉀鈉抽水前58.536.2290.110.35206.41.412.481.4抽水后37.317.6280.31.954721.190.72.6474.4

2 水力截獲試驗設計

結合研究區鉆孔資料可知，研究區巖性主要以細砂、粉細砂和粉質黏土為主，因此，在垂向上將研究區概化為4個含水層和3個弱透水層，其中第1、3、5、7層為含水層，巖性主要為細砂、粉細砂，個別含水層夾有砂礫石；第2、4、6層為弱透水層，巖性主要為粉質黏土。在抽水井實際成井過程中，分別在20 m、60 m的開采層位處安裝孔徑為13 mm、高度為5～8 m的濾水管，并在外圍回填4～7 mm的石英砂濾料，管井其余部分則均由黏土顆粒包裹UPVC井管。為保證水力截獲試驗設計的科學性、可靠性，利用土溝段已有監測井進行為期10 d的抽水試驗，抽水流量為10～40 m3/d，并在抽水前和抽水停止時分別采集了20 m、60 m層位的地下水樣品。地下水水質結果表明：抽水后的地下水水質各指標濃度較抽水前的濃度明顯降低。以60 m處含水層抽水試驗為例，氨氮、氯化物、硫酸鹽、鉀、鈉等指標質量濃度都有不同程度的下降，其中氨氮下降幅度最大，達到81% (表1)。這與地下含水層氧化還原環境變化，地下水在巖性互層的地質結構中運移速率慢，滯留時間長，其水質變化與吸附作用、降解作用、水-巖相互作用以及地下水物理稀釋作用有著極大關系[8-10]。

根據土溝段監測井所在的含水層埋藏條件，該區域試驗場區可概化為含水層巖性較均勻，厚度較穩定，地下水運動為層流，符合裘布依方程的使用條件。采用承壓水穩定流完整井公式計算滲透系數：

(1)

式中：K為滲透系數，m/d；Q為抽水井涌水量，m3/d；R為抽水影響半徑，m；r為抽水井半徑，m；M為承壓水含水層厚度，m；S為抽水井水位降深值，m。

研究區埋深在30 m以內的淺層地下水基本不被利用，60 m深含水層主要為農業井開采。總體上看，淺層地下水開發利用程度相對較小，地下水流動緩慢，水力坡度小于1‰。本研究于2016年新建7眼地下水水井，開展水力截獲試驗，使淺層地下水具有適當的流動速度，從而充分利用埋深60 m以內的粉質黏土層的吸附作用和土著微生物的降解作用等凈化來自上游受污染的地下水[11-13]。同時，抽水試驗結果表明：20 m含水層的滲透系數為7.33 m/d，60 m含水層的滲透系數為0.54 m/d，而80 m含水層厚度薄且滲透系數較小。因此，選擇20 m和60 m含水層作為水力截獲的含水層具有一定的可行性和可操作性。為使水力截獲試驗滿足既不疏干含水層，又能持續抽水的條件，其具體方案見表2。

表2 水力截獲試驗方案

此次水力截獲試驗共持續69 d，其中20 m含水層水力截獲試驗持續33 d，總抽水量1 489.2 m3；60 m 含水層水力截獲試驗持續36 d，總抽水量1 869.8 m3；地下水位數據采集頻率均為12次/h。當進行20 m含水層水力截獲試驗時，除了監測3眼20 m地下水井外的水位變化外，還對T1-10地下水井(井深10 m)進行水位監測；當進行60 m含水層水力截獲試驗時，同時監測1眼20 m地下水井(T1-20)，監測井分布見圖2。各地下水井中均采用Levelogger Edge記錄儀監測地下水動態變化，地下水動力場采用Feflow 6.2模擬得出。

圖2 20 m、60 m含水層試驗監測井分布

監測的地下水水質指標分為兩類，第一類為常規水化學指標，包括13種：pH、鉀、鈉、鈣、鎂、氯離子、硫酸根離子、硝酸鹽氮、氨氮、碳酸氫根離子、總硬度、溶解性總固體、CODMn；第二類為痕量有機污染物指標，包括3種：鄰苯二甲酸酯、壬基酚、多環芳烴。常規水化學指標水樣分別于試驗前及試驗開始后的第5、10、15、20，25、30天順序取樣。其中20 m含水層在停止抽水后的第35、41、46天各取樣1次；60 m含水層在停止抽水后的第6和第11天各取樣1次。而痕量有機污染物均監測僅有4次，取樣時間為試驗開始前及試驗開始后的第5、15、30天。

3 試驗結果與討論

3.1 含水層水動力場變化

試驗分別對20 m含水層3眼地下水井(T1-20、T2-20、T3-20)和60 m含水層4眼地下水井(T1-60、T2-60、T3-60、T4-60)抽水，根據Feflow軟件模擬結果，得出近似變化厚度水動力場，20 m和60 m含水層抽水后水位等值線見圖3。

(a)20 m含水層

(b)60 m含水層

同時抽取3眼20 m含水層水井33d后，地下水水位最大降深為2 m，最大影響半徑為80.2 m；而同時抽取4眼60 m含水層水井36d后，地下水位最大降深為1.54 m，最大影響半徑為150.6 m。地下水動力場條件發生變化，將引起地下含水層環境變化：首先，包氣帶厚度增加，地層內氧化還原條件發生改變，在原含水層轉變為包氣帶的過程中，原含水層介質內的有機質可能被氧化，釋放二氧化碳，促進碳酸巖鹽的溶解，鈣離子濃度會有所提升；其次，氧化環境會使微生物的硝化作用增強，部分氨氮會被轉化為亞硝氮與硝氮，導致氨氮濃度有所降低[14-16]。

3.2 含水層水質變化

3.2.1 鉀、鈉、鈣和鎂離子

20 m含水層中的鉀、鈉和鎂離子質量濃度總體呈現下降趨勢，而鈣離子質量濃度呈現上升趨勢(圖4)。T1-20監測井鉀離子質量濃度由初始的6.5 mg/L降低至抽水結束時的1.6 mg/L；鈉離子質量濃度由初始的100.0 mg/L降低至抽水結束時的66.0 mg/L；鎂離子質量濃度由初始的46.0 mg/L下降至40.0 mg/L；而鈣離子質量濃度由初始的62 mg/L上升至抽水結束時的101.0 mg/L。抽水結束后，鉀、鈉和鎂離子質量濃度緩慢回升，而鈣離子質量濃度呈下降趨勢。T2-20監測井的數據變化與前者相同。20 m含水層鈣離子質量濃度上升而鈉離子濃度下降的原因，一方面是由于地下水動力場的改變，地層由還原環境轉變為氧化環境，促使碳酸鹽介質溶解進入地下水中；另一方面，可能是地下水-包氣帶介質發生陽離子交換吸附，地下水中鈉離子、鉀離子和介質中的鈣離子相互交換，鈣離子進入地下水中，而鈉離子進入介質中[17-19]。

(a)T1-20

(b)T2-20

(c)T1-60

(d)T2-60

60 m含水層中的鉀、鈣和鎂離子質量濃度都呈現下降趨勢，而鈉離子質量濃度呈現上升趨勢。T1-60 監測井鉀離子質量濃度由初始的5.8 mg/L降低至抽水結束時的2.0 mg/L；鈣離子質量濃度由初始的104.0 mg/L降低至抽水結束時的76.0 mg/L；鎂離子質量濃度由初始的40.0 mg/L降低至抽水結束時的36 mg/L；而鈉離子質量濃度由初始的69.0 mg/L上升至抽水結束時的82.0 mg/L。抽水結束后，鉀、鈣、鎂離子質量濃度緩慢回升。T2-60監測井相應的數據變化與其相同，這可能是由于60 m 含水層發生了與20 m含水層相反的陽離子交換吸附所導致的。

3.2.2 氯離子和硫酸鹽

20 m、60 m含水層氯離子和硫酸鹽質量濃度均表現出隨抽水時間而呈現下降的趨勢(圖5)。其中T2-20監測井氯離子初始質量濃度為65.0 mg/L，抽水結束時下降為55.0 mg/L；硫酸鹽質量濃度下降幅度較大，由初始質量濃度的114.0 mg/L，下降至抽水結束時的48.0 mg/L，降幅度達到57.9%；T3-20監測井中相應離子濃度變化與前者相同。

(a)T2-20

(b)T3-20

(c)T2-60

(d)T3-60

停止抽水1個月后，氯離子和硫酸鹽離子質量濃度均有所回升。而T2-60監測井在停止抽水6 d后，氯離子和硫酸鹽質量濃度仍然下降，11 d后呈現上升趨勢；T3-60監測井則在停止抽水11 d后，兩者濃度仍然呈現下降趨勢，其極可能是由于周邊未受污染的地下水受水力調控試驗的影響，而對原場地受地下水氯離子和硫酸鹽產生了物理稀釋作用。

3.2.3 痕量有機污染物

監測了6種酞酸酯類污染物，選取地下水中的特征污染物鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和鄰苯二甲酸(2-乙基己基)酯(DEHP)的變化進行分析。20 m和60 m含水層DBP和DEHP質量濃度總體呈現下降趨勢(圖6)。20 m含水層的DBP由初始質量濃度1 451.7 ng/L 下降至停止抽水時的883.2 ng/L，DEHP從初始質量濃度4 742.1 ng/L下降至停止抽水時的177.0 ng/L，降幅達到96.3%。而60 m的含水層DBP和DEHP變化基本一致，DBP由初始質量濃度866.4 ng/L下降至停止抽水時的450.3 ng/L，DEHP從初始質量濃度464.1 ng/L下降至停止抽水時的33.1 ng/L，降幅達到92.9%。

(a)T1-20

(b)T1-60

對于多環芳烴類的特征污染物菲和苯并(K)瑩蒽，在20 m和60 m含水層兩者質量濃度總體呈現下降趨勢(圖7)。其中，20 m含水層中菲的質量濃度降幅極大，由初始的171.7 ng/L下降至停止抽水時的15.0 ng/L；60 m含水層的情況也與其相似，菲的濃度由初始的65.7 ng/L下降至停止抽水時的9.6 ng/L。而酚類的特征污染物——∑壬基酚質量濃度也總體呈現下降趨勢(圖7)。20 m含水層的∑壬基酚由初始質量濃度281.7 ng/L下降至停止抽水時的75.1 ng/L，降幅達到73.4%。 60 m含水層的∑壬基酚由初始質量濃度154.3 ng/L下降至停止抽水時的50.7 ng/L，降幅達到67.2%。這主要歸功于粉質黏土及土壤有機質對特征污染物菲、苯并(K)瑩蒽和∑壬基酚的吸附作用，此外地下水流速的加快，周邊受污染較輕的地下水流入，對含水層污染物的稀釋也發揮一定作用。

(a)T1-20

(b)T1-60

4 結 論

a. 水力截獲試驗的地下水動力場變化為：20 m含水層水位最大降深為2.0 m，影響半徑為80.2 m；60 m含水層的水位最大降深為1.54 m，影響半徑為150.6 m。

b. 水力截獲試驗過程中20 m和60 m含水層中的氯離子、硫酸鹽、鉀離子和鎂離子質量濃度呈現不同程度的下降；但20 m含水層中的鈣離子和60 m含水層中的鈉離子呈現相反的趨勢，可能與20 m含水層和60 m含水層發生的陽離子交換吸附作用有關；檢測的3種痕量有機污染也呈現下降趨勢，其中DEHP下降幅度最大達到96.3%。試驗結束后，各含水層的地下水水質指標濃度隨時間而緩慢回升。

c. 水力截獲試驗表明，淺層地下水在加速循環后，地下水水質呈現明顯好轉的趨勢。地下水動力場的變化對地下水化學特征造成了一定影響。陽離子交換吸附、稀釋作用、包氣帶的氧化還原條件及黏土礦物的吸附作用是影響研究區地下水水質變化的內因。

盡管水力截獲技術可以在短時間內達到修復地下水環境的效果，但根據本研究試驗結果可知，地下水中的污染物會在水力截獲試驗結束后出現緩慢抬升的趨勢。因此，要達到更好的修復效果，還需從源頭消除和過程控制做起，開展河流污水排放口截流和河道減滲處理。