北京西南近郊包氣帶和滲流場對地下水中硝酸鹽氮的影響

摘"要：為了研究北京西南近郊地表污染物通過包氣帶后進入地下水中以及其受地下水流場的影響，利用Hydrus軟件建立不同位置包氣帶數值模型，研究不同地層條件下初始濃度為30 mg·L^-1的高硝酸鹽氮廢水在包氣帶中的遷移規律，分析各模擬點位在50、100、200、300、400、500 d時硝酸鹽氮濃度隨地層深度變化特征，以及各模擬點包氣帶底部硝酸鹽氮濃度隨時間變化特征。分析結果顯示：北京市西南近郊4個模擬點包氣帶對硝酸鹽氮攔截率分別為5.93%、10.69%、15.87%、33.83%，表明研究區從西向東包氣帶對地下水的防護作用由弱變強，結合研究區多年硝酸鹽氮超標范圍、多點位硝酸鹽氮濃度多年監測數據和第四系地下水水位及補給徑流條件，可知地下水中硝酸鹽氮遷移變化受地下水流場影響較大，根據研究區實際提出了預防該區域硝酸鹽氮污染進一步加重的管理建議。

關鍵詞：包氣帶；數值模擬；地下水；硝酸鹽氮

Influence of aeration zone and flow field on groundwater nitrate nitrogen in southwest suburb of Beijing

ZHOU Ruijing， HU Yuxin， LI Xiaopeng

（Beijing Institute of Engineering Geology， Beijing 100048， China）

Abstract： This paper focuses on the amount of nitrate nitrogen of the surface pollutants entering groundwater after passing through vadose zone and its influence by groundwater flow field in the southwest suburb of Beijing. Based on the numerical simulation of vadose zone at different locations in that area， it studies the migration law of wastewater with initial concentration of 30"mg·L^-1"nitrate nitrogen in vadose zone under different stratum conditions. The nitrate nitrogen concentration changes are analyzed on the 50th， 100th， 200th， 300th， 400th and 500th day at each simulation point， which shows that the nitrate nitrogen concentration at the bottom of vadose zone at each simulation point changes with time. The interception rates of nitrate nitrogen in the aeration zone at the four simulated sites were 5.93%， 10.69%， 15.87% and 33.83%， respectively， indicating that the protective effect of the aeration zone on groundwater from west to east in the study area changes from weak to strong. Combined with the over-standard range of nitrate nitrogen in the study area for years， the quaternary groundwater level and recharge runoff conditions， this paper presents the influencing factors of nitrate nitrogen in the groundwater and puts forward proposals to prevent nitrate nitrogen pollution from further aggravating.

Keywords： aeration zone; groundwater; nitrate nitrogen; numerical simulation

包氣帶作為降水、地表水、土壤水同地下水相互轉化的紐帶，是地表水體和污染物進入地下水必須經過的介質（劉玉梅，2014；李曉欣等，2021；姜媛等，2022），不僅影響地表下滲的通量，而且通過物理化學作用延緩污染物到達地下水面的過程，部分污染物在通過包氣帶過程中濃度降低（張光輝等，2007；段鵬，2013；繆澤等，2022），因此了解污染物在包氣帶中遷移轉化規律，是開展區域地下水污染分析及溯源必不可少的過程。

北京市西南近郊第四系地下水自20世紀80年代起即出現個別指標超標的情況，隨著北京開展了一系列水環境保護工作，平原區第四系地下水質量整體向好，但是西南近郊仍有小面積區域為Ⅴ類（北京市地質環境監測所，2022）。北京市西南近郊第四系地下水富水性好，建有城市供水水源地，該區地下水一直受到廣泛關注，關于區域水文地質條件、地下水質量評價、地下水水化學特征等方面的研究較多（翟遠征等，2011；肖勇等，2021；秦景等，2020；孔曉樂等，2021），也有部分研究聚焦地下水硝酸鹽氮質量評價和污染成因（劉宏斌等，2006；李文娟，2013；徐慶勇等，2018），但是關于北京西南近郊包氣帶對地下水中硝酸鹽氮影響的研究較少。

北京市西南近郊西側接永定河，永定河河道與西南郊地下水聯系緊密；北側臨中心城區，城市發展較早，地下水水質受人類活動影響也較早。北邊界為蓮花河和護城河，這兩條河流在20世紀60年代—21世紀初為北京市排污河流，地下水受生活污水影響多年，同時該區域在20世紀80—90年代存在大面積污灌區，污水灌溉也對當地地下水產生了一定的影響（楊華鋒等，2005；朱桂珍，2001），多年來西南近郊地下水中硝酸鹽氮濃度普遍較高，甚至存在大面積超標，以往關于硝酸鹽氮的研究多為水質監測、評價或定性的污染成因研究，隨著地下水污染防治研究工作的逐漸深入，以及人們對地下水關注度的日益上升，有必要定量研究地表污染物通過包氣帶對地下水的影響程度。本文利用HYDRUS模型模擬廢水下滲進入包氣帶的遷移轉化過程，研究硝酸鹽氮在不同巖性包氣帶中的遷移規律，分析地下水流場對含水層中硝酸鹽氮遷移的影響，以便制定更精確更有針對性的地下水污染防治政策。

1 "研究區概況

研究范圍：北以蓮花河—南護城河為界，南至南五環，東以東三環為界，西至西五環，總面積228 km²。研究區位于永定河沖洪積扇的中上部，其西側接永定河主河道，受永定河沖積影響，西側部分區域表層砂卵礫石裸露，自西向東包氣帶黏性土厚度逐漸增厚，至東側包氣帶黏性土厚度可達5～10 m。區內大部分地區含水層以砂卵石、砂礫石層為主，馬家堡、花鄉、西紅門以西為單一含水層區，均為極富水區（Ⅰ區）；以東為兩至多層含水層區，部分區域為極富水區（Ⅰ區），部分區域為富水區（Ⅱ區）；研究區內僅東北部小面積范圍為中等富水區（Ⅲ區）（圖1）。

北京市主城區部分區域第四系地下水中硝酸鹽氮濃度超過《地下水質量標準》Ⅲ類標準限值20 mg·L^-1（以下簡稱“超標”）由來已久，根據北京市地下水監測網水質數據，北京西南近郊自1976年起便有個別點位硝酸鹽氮濃度超標。從圖2得知：1980年緊鄰西城區的部分區域地下水硝酸鹽氮超標面積約10.2 km²，1990年硝酸鹽氮超標范圍向西向南擴大至92.6 km²，年均擴大范圍可達8.24 km²。2000年西南郊硝酸鹽氮超標范圍為67.3 km²，表現出自西向東南方向遷移的趨勢；2010年西南郊硝酸鹽氮超標范圍128.5 km²，較2000年擴大一倍，大紅門以東也出現硝酸鹽氮超標情況；2016年西南郊硝酸鹽氮超標范圍為183.1 km²，擴大速率較2000年至2010年更快，大紅門以東、以南均有大面積硝酸鹽氮超標情況。2020年西南郊硝酸鹽氮超標范圍為88.4 km²，超標范圍大面積縮小，大紅門以東大部分區域硝酸鹽氮達標。

2 "研究方法

Hydrus模型充分考慮了污染物在包氣帶遷移過程中非飽和帶土壤對污染物的吸附、解析過程，能夠相對客觀地預測污染物在非飽和帶土壤中的遷移規律。HYDRUS 軟件在土壤學、水文地質學、環境學等領域得到了廣泛應用（龐雅婕等，2013；陳佩等，2016；林挺等，2019）。

研究區緊鄰北京市中心城區，北邊界的蓮花河、南護城河歷史上曾長期接受生活污水直排，該區域也曾存在大量的生活滲坑滲井，目前區內大面積為城市居民區，污水管網遍布，近幾十年來生活污水一直是該區域地下水主要風險源，高硝酸鹽氮是生活污水的主要特征之一（向梅華，2007）。本文利用HYDRUS模型模擬含硝酸鹽氮廢水從地表下滲進入包氣帶的遷移轉化過程，估算硝酸鹽氮進入地下含水層的穿透時間及下滲量，為研究當地地表硝酸鹽氮進入地下含水層的定量化估算提供依據。并結合西南近郊水動力流場變化，分析了該區域硝酸鹽氮超標的原因。

2.1 "包氣帶概念模型

本研究以鉆孔資料為基礎，結合20世紀80—90年代污水滲坑和排污河流的分布以及區域地層條件，在城南近郊選擇不同位置、不同地層巖性的4個鉆孔，利用HYDRUS 軟件構建模型，以一維垂向為主，研究廢水中硝酸鹽氮下滲進入包氣帶后的遷移轉化過程。

1）包氣帶數學模型

選擇Van Genuchten模型進行模擬計算，同時不考慮水流運動的滯后現象。HYDRUS-1D水流模塊中Soil Catalog項包含砂土、粉土、黏土等12種典型土壤介質及其土壤水分特征曲線相關參數，但是缺少粗砂、砂礫等粗顆粒介質的水分特征曲線參數值，與之相關的研究也不多見，故針對每個鉆孔點的具體情況，與Soil Catalog項相對應的介質類型，使用軟件默認的土壤水分特征曲線參數值進行計算；粗砂、砂礫等Soil Catalog項中不包含的介質，使用HYDRUS-1D自帶的神經元網絡預測法，在Rosetta Lite V 1.1模塊中，輸入介質中砂土、粉土、黏土的比例及介質容重經驗值，將砂土的比例適當放大，粉土及黏土的比例適當縮小以模擬粗顆粒介質，通過模塊自動計算該種介質相對應的水分特征曲線參數值。經Rosetta 模塊計算所得的介質水分特征曲線參數值見表1。

2）溶質運移模型

HYDRUS-1D 中將化學反應分為化學平衡反應和化學非平衡反應兩大類，本次研究反應按照平衡模型進行。

2.2 "數值模擬模型

1）時空離散

時間離散：模擬時間開始于1980年1月，模擬期根據運移結果進行調整，至包氣帶底部濃度達到最高值為止。

空間離散：模擬深度取至地面以下潛水面處，單元剖分采用伽遼金有限元法剖分，在HYDRUS-1D模擬中的soil profile模塊可以設置剖分包氣帶結構。在profile discretization中輸入節點數，可以以任意相等間距剖分包氣帶結構，也可以局部加密剖分包氣帶。按照研究區實際鉆孔資料及地層分區情況對包氣帶進行劃分，本次研究每個鉆孔處模型包氣帶的總節點均為101個。

2）初始條件和邊界條件

水流運移模型初始條件：采用插值的含水率、壓力水頭值進行"100 d的計算，初始條件最終定為100 d時的穩定計算的結果。

水流運移模型邊界條件：上邊界為定通量邊界，根據北京市降水監測數據（中國氣象數據網），北京市城六區多年平均降雨量560 mm；下邊界為地下水面，壓力水頭為零。

溶質運移模型初始條件：初始土層剖面濃度為零。

溶質運移模型邊界條件：上邊界為定濃度邊界，搜集1976—1980年龍潭湖泵站污水中硝酸鹽氮濃度監測值，取多年監測最大值（30 mg·L^-1）；下邊界為零濃度梯度邊界（董克虞等，1993）。

3）參數設置

模型中土壤剖分依據勘察資料劃分的地層成果進行分層。模型中所使用的水力特征參數如表2所示，殘余含水率、飽和含水率、水力形狀系數、水力參數等參數均由HYDRUS-1D 軟件自帶的網絡神經預測模塊根據土壤顆粒分級及干容重進行預測。飽和滲透系數"Ks依據土工試驗結果和經驗值而定。包氣帶剖分根據勘察孔實際分層情況進行，在每個地層底部及包氣帶底部布設觀測點，巨厚疏干卵石層相對均勻布設觀測點。

3 "結果與分析

3.1 "模擬結果分析

從不同時間下硝酸鹽氮濃度隨深度變化曲線（圖3）和包氣帶底部硝酸鹽氮濃度隨時間變化曲線（圖4）可以看出，D1點硝酸鹽氮經過20 m厚的卵石層濃度僅降低了5.93%（表3），該部分還包括彌散作用的稀釋，表明該處包氣帶的防污性能極差，可見1"m厚素填土和20 m厚砂卵石對硝酸鹽氮的吸附作用極小，地表污染物極易隨降水滲入包氣帶，且迅速到達含水層。D2 和D3點包氣帶地層顆粒度較D1點越來越細。D4點有4.7 m厚的粉質砂土和1.1 m厚的黏土等細顆粒地層，硝酸鹽氮在該點達到包氣帶底部時間較另外3個模擬點均長，包氣帶底部濃度峰值最小，且濃度升高速率最緩慢，該點對硝酸鹽氮的攔截率最高達33%以上，可見細砂對硝酸鹽氮的吸附作用較卵礫石略好，粉質黏土對硝酸鹽氮的吸附作用明顯好于砂和卵礫石。

3.2 "水動力影響分析

包氣帶防污性能影響了地表污染物進入地下含水層的速度和濃度，地下含水層中水動力條件則影響污染物在含水層中的遷移速度和方向。由圖5可知：西側地下水始終以自西向東為主流向，地下水補給來源穩定；東側地下水流向自1983—2020年經歷了多次明顯改變，說明東側地區地下水的開采量變化較大，與該時期硝酸鹽氮濃度超標范圍變化趨勢具有一定相關性。

在臨近永定河區域，地下水水力梯度較大（1.8‰～2.1‰）；向東進入花鄉一帶，地下水水力梯度減緩（1.3‰～ 1.7‰），徑流速度減慢；從花鄉向東向南至南苑、大紅門一帶，水力坡度較上游大幅變小，大部分區域不足1‰，水流速度進一步減緩，影響該區域硝酸鹽氮向下游的遷移，2000—2020年東側硝酸鹽氮超標范圍變化趨勢為先增大再明顯縮小，與東側地下水開采量變化和水位大幅下降再抬升有關。

4 "討論

北京西南郊西側接永定河，受河流沖積影響，大面積表層包氣帶黏性土厚度小于1 m，D1點所在的臨河區域包氣帶對硝酸鹽氮攔截率只有5.93%，對來自地表的污染物攔截作用極小，如果該區域地下污水管線或化糞池等地下水污染風險源出現滲漏，污染物會快速抵達地下含水層，且進入含水層的污染物濃度同初始滲漏濃度相當，對當地地下水污染風險巨大，因此建議單一含水層地區要進一步提高地下水污染防治要求，加強地表污染物治理，避免遺撒，增加地表硬化率，加強對地下管線、化糞池等地下水污染風險源的現狀評估和監控管理。D3和D4點位于永定河沖洪積的中部，含水層由單層過渡到多層，包氣帶中的砂質黏土和粉質黏土等細顆粒層厚度增加，包氣帶對地表污染物可以起到一定的攔截作用，在一定程度上增強了包氣帶的防護性能。該預測結果與土柱淋溶實驗研究包氣帶黏性土對地表污染物進入地下水起有效阻隔作用的結果相一致（劉長禮等，2006；董佩等，2016；趙紅梅等，2023）。

據模擬數據分析可知，北京西南郊硝酸鹽氮大面積超標與該區域包氣帶對地下水防護性能有關，但地下水中硝酸鹽氮的遷移則受區域地下水流場的影響較大。根據歷史資料，20世紀60—70年代研究區北部及主城區存在大量污水直排和滲坑滲井，結合該區域包氣帶對硝酸鹽氮的攔截率可知，1983年存在的多點硝酸鹽氮超標情況與人類活動密集的主城區生活污水直排息息相關。鑒于歷史地下水流場和超標點位變化情況，結合現狀地下水流場特征和超標范圍，在沒有新的污染物輸入情況下，預計該區域硝酸鹽氮濃度會自西向東衰減，超標范圍會持續緩慢向東南方向移動，建議增加局部地下水微循環，適當取用淺層地下水用于表層黏性土較厚地區的綠化，利用包氣帶黏性土的天然過濾作用凈化地下水。同時針對歷史上存在大量滲坑滲井且距主城區較近的區域，加強地下水以及地下水水位以上包氣帶中硝酸鹽氮濃度的監測，避免歷史遺留硝酸鹽氮經淋溶或浸泡進入地下水中。

5 "結論

1）研究區從西向東包氣帶對地下水的防護作用由弱變強，但受地層巖性影響，包氣帶對硝酸鹽氮攔截率最高不超過34%，該區域地下水水質受地表影響較大。

2）砂卵礫石、細砂、砂土、黏土對硝酸鹽氮的吸附攔截作用逐漸增強，北京西南近郊自1980年起在臨近主城區區域即出現的硝酸鹽氮超標現象與該區域包氣帶巖性和人類生活排放密切相關。

3）地下水中硝酸鹽氮遷移變化受地下水流場影響較大，整體從北部臨近主城區區域先自北向南遷移，后隨地下水流場變化表現出自西北向東南遷移的趨勢。

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