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摘 要：

为研究北京市朝阳区地下水压采过程中硝酸盐污染发展趋势，基于近年来地下水观测资料及钻孔资料，利用地下水数值模拟软件GMS,建立地下水水流和溶质运移耦合模型，对研究区地下水硝酸盐的迁移扩散进行了数值模拟，并分别预测了5 a后在丰水年、平水年和枯水年三种情景下硝酸盐的分布状况和浓度变化趋势。研究表明：地下水压采过程中，研究区地下水位基本呈逐年上升的趋势，平水年地下水漏斗中心水位上升2.0～2.5 m,地下水呈西南向东北流向。硝酸盐污染羽的扩散方向与地下水流动方向较为一致，污染中心北侧污染羽向东北方向扩散，且丰水年扩散距离最远。整个区域内Ⅰ、Ⅱ类水质面积逐渐减小。污染较严重的西南地区硝酸盐浓度有所降低，且浓度梯度减小。研究区地下水流与溶质运移两者之间有着密切的联系，应加强对地下水资源的科学调度，防止地下水环境的进一步恶化。

关键词：

朝阳区;地下水压采;硝酸盐污染;数值模拟;水质;水环境;二维地下水水流-溶质运移耦合模型;水污染风险;

作者简介：

郑凌云(1994—),女，硕士研究生，主要从事地下水环境数值模拟研究。E-mail:979998051@qq.com;

*张永祥(1962—),男，教授，博士研究生导师，博士，主要从事水资源和污染控制模拟技术研究。E-mail:yxzhang@bjut.edu.cn;

基金：

国家重点研发计划(2016YFC0401404);

2020年度地下水水质评价(40004016202001);

引用：

郑凌云, 张永祥, 贾瑞涛, 等. 基于 GMS 的北京市朝阳区地下水环境数值模拟与预测分析[J]. 水利水电技术(中英文), 2022, 53(1): 114- 123.

ZHENG Lingyun, ZHANG Yongxiang, JIA Ruitao, et al. GMS-based numerical simulation and prediction analysis of groundwater environment in Chaoyang District of Beijing [J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2022, 53(1): 114- 123.

地下水是北京市主要的供水来源。上世纪70年代初期，北京市开始大规模开采地下水，至90年代，地下水利用超过地表水。多年来由于超采地下水位呈持续下降的趋势，并且在朝阳区和顺义区交界处形成了地下水降落漏斗，地下水漏斗的扩展增加了地下水接受补给的范围以至于超出水源地保护区范围，扩大了受污染面积，加大了地下水污染的风险。同时，由于过量开采地下水导致上覆第四系隔水层被破坏，地表污水及劣质潜水通过塌陷段渗入，使深层地下水受到污染。为缓解地下水位下降带来的地面沉降和水质恶化等问题，近年来北京市推进地下水压采工作，地下水位总体回升。地下水位回升导致浅层含水层中水生态环境变化。作为北京市地下水漏斗中心的朝阳区地下水位有所上升，因此有必要对地下水压采以后的水位和水质状况进行评估和预测。地下水数值模拟方法由于其有效性、灵活性和相对廉价性的特点在地下水研究领域被广泛采用，其中包括水资源的配置和评价，地下水的溶质迁移和热量运移等方面。因此，本文选用数值模拟的方法对朝阳区地下水环境进行预测和分析。

在针对北京市地下水水流数值模拟的研究中，已经建立了较为成熟的水文地质概念模型和数值模型，所建模型大致分为北京市平原区模型和局部区域模型两类。准确地对水文地质条件进行概化是数值模拟工作中最重要的一步，需要建立在详细的钻孔资料的基础上。王丽亚等、章树安等在分析大量钻孔资料的基础上建立了北京市平原区地下水水流模型，并利用多年观测资料对模型进行了校正，所建模型能较好地刻画地下水流动特征，并在行政区界给出了非自然边界处边界条件的处理方法。李琴等将近100 m深的第四系分成23层，建立了房山平原区水文地质概念模型。模拟了8种不同开采情景下的地下水水位。吴乐等建立了北京西山地区地下水流模型，分析了在南水北调来水条件下，不同开采方案的区域含水层系统响应特征。YANG等通过水文地质资料及观测资料的分析，建立了北京市大兴区地下水稳态和非稳态流动模型，并对导水系数和蓄水系数进行了标定，为了解地下水系统的动态行为和预测地下水水位的时空分布提供了依据。

北京市地下水水质状况受到众多学者的关注，多用统计分析的方法对地下水水质及污染风险进行评价。张世伟等采用对比分析及显著性分析方法研究了北运河流域河水与地下水中多环芳烃的组成、含量及时空分布特征，并利用风险熵法进行风险评价。李炳华等应用相关分析法、水化学方法和离子比例法分析朝阳区地下水水化学特征、影响因素和变化规律。王乃天等针对北京市朝阳区地下水污染的复杂性，利用DRABICLE模型对朝阳区地下水污染风险进行评价。评价结果显示朝阳区整体地下水污染风险较低，但随着地下水开采量的减少，地下水位逐渐回升，加大了地下水污染的风险。杜婷婷等采用阿列金分类法对2006—2015年顺义区地下水水化学类型进行统计分析，并对水质进行评价，指出水质变化的原因可能是地下水限采政策的实施以及南水北调进京对地下水源的补给涵养。以上学者通过对水质及污染风险进行评价，分析污染的影响因素及变化规律，指出地下水位变化是影响水质的重要因素，地下水位的回升可加大污染的风险，为后续的研究提供重要思路。然而，这种方法无法得出地下水位变化与污染发展趋势之间的量化关系。

目前对北京市地下水的相关研究虽然建立了较为成熟的地下水水流模型及地下水污染风险评价方法，但较少通过建立地下水水流-溶质运移耦合模型来研究地下水流场变化对污染发展趋势影响，二者之间的关系尚不明晰。本文基于GMS中的Map、Conceptual Model以及MT3DMS等模块构建了朝阳区二维地下水水流-溶质运移耦合模型，对研究区地下水水位变化及硝酸盐污染发展趋势进行分析和预测，并量化了地下水位回升过程中硝酸盐污染的变化过程，为污染控制与地下水修复提供理论依据。

朝阳区位于北京中心城区的东南部，介于北纬39°49′—40°5′,东经116°21′—116°38′之间，面积470.8 km2,是北京市中心城区中面积最大的一个区。全区地势低平，平均海拔34 m, 地面坡度在1/1 000～1/2 500之间。属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。年平均气温为10～12 ℃,1月气温最低，7月气温最高。降水主要集中在夏季，占全年的75%,7月、8月尤为集中。研究区地质剖面图如图1所示。研究区内含水层主要为第四系砂、砂砾石所组成，厚度为45～100 m。第四系地层的更新世中期底部为棕红色，灰褐色的泥砾，上部为棕色、棕黄色黏性土与砂或砂砾石互层，是本区主要的深层含水层，更新世晚期底部为黄褐色泥砾、砂砾石层，中部为黄色土和淤泥质土互层，上部为灰色和浅黄色泥砾，是本区主要的浅层含水层。研究区有较丰富的地下水，除来广营、金盏一带是弱富水区(1 000 m3/d)外，全区大部分地区是较富水区(1 000～2 000 m3/d)。地下水流向为由西南流向东北，主要赋存于各类砂层与砂砾石的孔隙中，含水砂层由西向东逐渐增厚。研究区第四纪沉积物主要受基岩地质构造和气候变化的控制，由西北向东南方向第四系厚度逐渐加大，岩性也逐渐由黏性土与多层砂、砂砾石互层过渡为黏性土与细砂互层。研究区内地下水资源受各污染源长期影响。根据已有地下水监测井水质资料，硝酸盐污染主要集中在西南部，这是由于农业大量使用氮肥，及村镇生活污水排放，氮素污染物经过淋滤进入浅层地下水，因此选择硝酸盐作为污染物运移和扩散的研究对象。

图1 地质剖面(单位：m)

根据钻孔资料及水文资料，对研究区实际水文地质条件进行概化，建立水文地质概念模型。根据实际水文地质条件和研究需要，将含水层概化为非均质各向同性的二维非稳定流潜水含水层。研究区部分地区为微承压，以第四系松散层中细砂层为主要含水介质，在垂向上稳定的隔水层间存在透水部位，即各层具有统一水位，含水层厚度范围在80～110 m。

根据北京市平原区地下水位等值线分布，将研究区边界条件分为给定流量边界和零通量边界两类。如图2所示，西部与东北部水位等值线与边界平行为侧向流入边界，东南部为侧向流出边界;西北部、东部与西南部水位等值线与边界垂直为零通量边界;上边界主要接受大气降水补给，为潜水面边界。地下水多埋藏在地面20 m以下，忽略蒸发。根据钻孔资料统计，含水层大多集中在埋深150 m以上，其下较厚的黏土层，因此将150 m埋深的岩层概化为隔水底板，即下边界。将溶质运移模型四周边界处理为给定溶质浓度边界，将浓度明显高于其他地方的观测井处理为点源。另外，降水中硝酸盐入渗到地下水中处理为面源净补给溶质浓度。

图2 边界条件与观测孔分布

3.1 水流水质数据

根据研究区20a的地下水监测资料，选择典型的2017年1月至2019年12月的水位和水质观测资料来进行模型的识别与验证。

根据研究区降水资料、地下水位、地下水开采量资料，确定模拟期间2017年1月至2019年12月的水均衡量。根据《中国统计年鉴》中降雨数据确定研究区降雨入渗量，2017年降雨入渗量计算结果如表1所列。

研究区2017—2019年地下水补给、排泄和水均衡计算结果如表2所列，可以看出近年来朝阳区地下水处于正均衡状态，地下水位逐步回升。

3.2 参数确定

根据钻孔资料将研究区划分为六个水文地质参数分区，分区结果如图3所示。水流模型计算所用到的参数为渗透系数K和给水度μ。参考《水文地质手册》确定K和μ的初始取值范围。选取40个典型钻孔,利用单井等效渗透系数计算公式计算其渗透系数，并分别对参数区内钻孔等效渗透系数的计算结果取平均值作为各参数区的渗透系数。溶质运移过程中由于分子扩散远小于机械弥散，因此忽略分子扩散。溶质运移模型计算所用到的参数为纵向弥散度αL和横向弥散度αT,在水文地质参数分区的基础上对弥散度进行分区，初值的选取参考前人研究成果。参数初值如表3所列。

图3 参数分区及钻孔位置

3.3 数值方法

根据研究区水文地质概念模型，综合考虑模拟精度和资料精度，对研究区进行离散化处理。空间上采用矩形网格对研究区进行剖分，网格间距为150 m×150 m, 共生成46325个网格。模拟期设定为2017年1月—2019年12月，应力期为1个月，共划分36个应力期。分别采用GMS中的MODFLOW模块和MT3DMS模块构建地下水流模型和溶质运移模型，将研究区内水流、水质数据进行离散后分别输入到MODFLOW模块和MT3DMS模块，在水流模型计算结果的基础上运行溶质运移模型。

3.4 模型识别与验证

根据2017年1月—2019年12月期间18个水位观测井和28个水质观测井的数据分别对地下水流模型和溶质运移模型进行识别和验正。通过改变模型参数，调整边界条件，重复试算，直到大部分观测孔的计算值与观测值误差达到模拟的精度要求。在地下水流模型识别过程中主要调整边界条件和模型参数，如给水度、渗透系数等。而溶质运移模型的识别验证，则主要调整弥散度。经过多次运行和反复调参，根据《地下水流数值模拟技术要求》将模型误差控制在可接受范围之内，使计算值和观测值达到最佳拟合。水位和水质观测井的计算值与模拟值误差如表4、表5所列。水流模型计算值与观测值绝对误差小于1 m的占87%,最大绝对误差为1.89 m, 最大相对误差为16.24%。溶质运移模型计算值与观测值最大绝对误差为0.17 mg/L,最大相对误差为18.89%。最终确定各区参数取值如表6所列。

降雨入渗是北京市地下水重要的补给来源，因此在对研究区地下水位进预测时分别对丰水年、平水年和枯水年三种情景进行模拟，年降雨量均值分别为857.63 mm、586.54 mm、485.82 mm。利用经过识别的模型预测研究区地下水位及硝酸盐污染发展趋势。在水流模型的基础上运行溶质运移模型，模型预测时间为2021—2025年，共划分60个应力期。以2020年12月地下水位实测数据和2020年9月硝酸盐浓度实测数据为基础，通过普通克里金插值方法得到地下水初始流场和硝酸盐初始浓度场，如图4所示。从图4可以看出，朝阳区东南部地下水流为东南方向，其余各处均向东北部地下水降落漏斗流动。

图4 2020年12月初始水位和硝酸盐初始浓度等值线

预测期间地下水开采量以研究区近五年地下水开采量为依据，2016—2020年地下水开采量分别为6 028.57万m3、5 996.47万m3、5 425.49万m3、5 241.83万m3、5 117.85万m3,未来五年开采量按照近五年压采平均值180万m3/a递减。在水流预测模型的基础上建立溶质运移预测模型。

图5(a)、(b)和(c)分别是丰水年、平水年和枯水年情景下的2025年地下水流场预测结果。从图中可以看出，三种情景下研究区大部分地区都有不同程度的回升，降雨量越大地下水得到的补给越多，水位上升幅度也越大。东北部地下水降落漏斗处地下水流场基本未发生改变，降落漏斗的面积均有不同程度的减小，地下水位也有明显回升，丰水年、平水年和枯水年漏斗中心处水位分别上升4.14 m、2.49 m和2.01 m。中部地区地下水位上升幅度略低于降落漏斗处，原因是该地区与漏斗中心之间水力梯度较大，虽然中部地区受到南部和西部地区的地下水补给，但是由于中部地区也向漏斗中心进行补给，导致水位上升缓慢。和初始流场相比，东部和南部地下水流场有所改变，尤其是丰水年地下水流场变化较大，不仅水位有较大幅度上升，水流方向也由向边界补给变为由边界向研究区内补给。研究区西部流场未发生明显改变，但是地下水位均有所下降，这是由于该地区降雨入渗量较少，同时地下水向降落漏斗处的补给量较大所致，丰水年下降幅度相对较小，主要原因是该时期地下水侧向补给量较大。

图5 2025年12月地下水水位预测结果

平水年情景下2021—2025年地下水水均衡分析如表7所列。地下水侧向补给量参考前人研究基础上根据模型计算结果进行调整。从表中可以看出地下水处于正均衡状态，地下水净补给量为68 610.0万m3,可使朝阳区地下水位平均上升约1.46 m。上升幅度略小于北京市近五年平原区地下水位上升值。

为了分析地下水位上升过程中的主要影响因素，分别在大屯乡、崔各庄乡、高碑店乡和黑庄户乡选取四个具有代表性的观测孔的计算水位进行分析，图6所示为这四个观测孔在不同情景下的计算水位波动曲线。从图5和图6中可以看出，三种情景下大屯乡所在的西部地区地下水位下降幅度均为为4 m左右，这说明该地区地下水位对降水量的反应不明显，主要是因为该地区多为水泥路面，降雨入渗量较少。位于东北部崔各庄乡的降落漏斗处在三种情景下地下水位均有不同程度回升，这说明该地区地下水位的回升除了受到降雨补给的影响之外，也是受到周边地区地下水补给和地下水压采共同作用的结果。位于中部和东南部的高碑店乡和黑庄户乡在三种情景下的地下水位变化趋势基本一致。在枯水年，前期地下水位略有下降，后期缓慢回升，说明后期地下水进一步压采可以在降雨补给较少的情况下维持地下水的动态平衡。在平水年和丰水年，由于降雨补给的增多，地下水位能够逐渐回升。

图6 典型观测孔计算水位波动曲线

三种情景下硝酸盐污染趋势预测结果，与初始浓度场相比，污染羽均无显著变化。以平水年计算结果(见图7)为例，从硝酸盐分布来看，污染主要集中在西南部，且浓度梯度较大。相对而言，东部地区和北部地区硝酸盐污染状况较轻，大部分为Ⅰ、Ⅱ类水质。未来五年，随着地下水流的流动，西南地区污染中心浓度有所下降，由最初的16.86 mg/L下降至16.13 mg/L,且浓度梯度逐渐变小。

图7 2025年12月平水年硝酸盐预测浓度场(单位：mg/L)

图8为三种情景下硝酸盐浓度变幅值分布，从图8中可以看出，浓度增加的区域分别集中在西北部、中部和东南部，且大部分区域硝酸盐浓度增幅不超过0.3 mg/L。北部区域污染羽扩散距离：丰水年>平水年>枯水年，污染羽在水流作用下逐渐向地下水漏斗中心扩散。由于丰水年污染羽扩散距离较远，污染范围较大，所以硝酸盐浓度增幅较小。中部污染羽在三种情境下扩散情况相似，且均为向漏斗中心迁移。东南部污染羽扩散距离：平水年>枯水年>丰水年，由于丰水年东南部边界水流向区域内补给，所以硝酸盐污染羽向东南方向扩散距离较近。由此可知，丰水年地下水硝酸盐浓度低于平水年和枯水年，地下水质量较好。在硝酸盐运移的过程中，对流作用占据主导地位，污染羽的扩散方向基本与地下水流动方向一致。

图8 2021—2025年硝酸盐浓度变幅(单位：mg/L)

从整个区域来看，北部和西部污染羽逐渐向东北方向扩散，西南部小红门乡硝酸盐污染羽逐渐向东南方向扩散。硝酸盐污染区域的范围逐渐变大，浓度小于2 mg/L的区域面积逐渐缩减。虽然五年内变化范围相对较小，但若经过长时间扩散，会对东部和北部地区水质造成较大威胁。

当采取控制措施，进入地下水中的硝酸盐污染减少时，硝酸盐浓度梯度降低，扩散作用会相应减弱，扩散范围也会缩小。因此，应重视西南地区地下水硝酸盐污染现状，采取有效控制措施减少硝酸盐污染的输入并防止污染羽进一步扩散。

对地下水污染物的实时监测具有一定难度和较高的经济成本，且无法对污染物的迁移扩散进行预测。数值模拟方法可以模拟各种复杂的水文地质条件及水文地球化学过程，具有广泛的适用性和经济性，通过数值模拟方法预测污染发展趋势也可以为管理部门提供决策依据。在本文研究过程中，由于缺少地下水中氨氮和亚硝酸盐氮的观测数据，在水质模型中未考虑硝化作用和反硝化作用对硝酸盐扩散的影响，精度可能会受到影响。条件允许时可以进行现场试验，对含水层理化性质进行分析，确定硝化作用和反硝化作用的强度及其对污染羽扩散的影响程度。

基于地下水观测资料及钻孔数据建立朝阳区地下水水流-溶质运移耦合模型，并模拟了丰水年、平水年和枯水年三种情景下2021—2025年该地区地下水压采过程中水位和硝酸盐污染发展的趋势，得出如下结论：

(1)地下水压采使未来五年朝阳区大部分地区地下水位逐渐上升，全区平水年地下水位上升均值1.46 m左右，接近北京市平原区近五年地下水位上升值。西部地区水位有所下降，原因是该区域向东北部地下水降落漏斗处补给量大于侧向流入量。

(2)在枯水年和平水年情景下，朝阳区地下水流场基本未发生改变，除南部边界处地区地下水向南流以外，其余地区地下水均向东北部地下水降落漏斗处补给。丰水年南部地区地下水流场发生改变，水流方向由向边界补给变为由边界向研究区内补给。

(3)在预测期内地下水水位和流场的变化未对硝酸盐污染的扩散产生较大影响，大部分地区，包括污染中心处硝酸盐浓度有所降低，降幅在1.0 mg/L以下。污染羽北侧邻近地区浓度略有上升，且与枯水年和平水年相比，丰水年污染羽扩散范围更远。

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