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北京市南水北调受水区垃圾场地下水污染预测

文档作者：卢丽1’2 裴建国1 文档来源： 1．中国地质科学院岩溶地质研究所国土资源部岩溶动力学重点实验室 2．水利部水资源管理中心		点击数：	更新时间： 2025年08月31日
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44 节水灌溉·2013年第8期
文章编号：1007—4929(2013)08 0044—06
北京市南水北调受水区垃圾场地下水污染预测
卢丽1’2，裴建国1
(1．中国地质科学院岩溶地质研究所国土资源部岩溶动力学重点实验室，广西桂林541004；
2．水利部水资源管理中一t7，北京100053)
摘要：根据南水北调供水方案，南水北调进京10年后，受水区内垃圾场将会被地下水浸泡，如不采取防治措施，
会对含水层水质造成严重污染。以北京西郊为研究区，利用Visual Modflow软件中的M()DFLoW模块和MT3DMS
模块分别建立了地下水水流模型和溶质运移模型，对研究区内污染物运移规律进行预测。预测结果表明，10 a后氯离
子(C1一)、硝酸盐氮(NO；一)和总硬度(THD)3种离子的最高浓度和被污染的面积均增大，预测结果可作为调整地下
水开采与调蓄方案和垃圾场防渗规划设计的依据。
关键词：南水北调；地下水污染；溶质运移；数值模拟；Visual Modflow
中图分类号：X523；P641．69 文献标识码：A
Prediction of Groundwater Pollution in Dump of肠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
长期过量开采地下水，会产生降落漏斗不断增大、地面沉
降、地下水污染严重等生态环境问题，北方地区尤其是华北平
原上的大中城市大都已经发生了类似的问题，而北京市的环境
地质问题更为突出[I--3]。南水北调工程是解决这些问题的重
要手段和有效途径[4]，其不仅是一项水资源配置工程，也是一
项生态环境工程IS]。南水北调供水后，可以使北京地下水水资
源短缺的情况得到缓解，增加地下水可开采量。但另一方面，
随着地下水水位的恢复，会产生新的环境地质问题。根据《南
水北调(北京段)环境地质问题调查评价》报告，南水北调水进
京10年后，受水区内潜水含水层地下水位将普遍抬高10～16
m，将有25处非正规垃圾场受到地下水的浸泡，其中未做防渗
处理的非正规垃圾场主要集中在北京西郊地区，如不采取处理
措施，将对含水层造成严重污染。因此本文以北京西郊垃圾场
为研究区，利用Visual Modflow软件建立垃圾场地下水溶质运
移模型[6-16]，预测在南水北调水进京10年后北京西郊垃圾场
污染物浓度分布规律，为垃圾场污染物防渗处理和地下水水位
合理控制提供科学依据。
1研究区水文地质概况
研究区位于北京平原西部，地处永定河冲洪积扇地带，面
收稿日期：2013—04—01
基金项目：“973”国家重点基础研究计划项目(2010CTM28800)；国家自然科学基金项目(40772164)；北京市水务局重点攻关项目(2006016)；中
国地质科学院岩溶地质研究所基本科研业务费项目(2012014)。
作者简介：卢丽(1985一)，女，硕士，实习研究员，研究方向为地下水模拟、地下水水污染防治。E-mail：luli@karst．ac．cn。
万方数据
北京市南水北调受水区垃圾场地下水污染预测卢丽裴建国45
积为49．8 km2，分布有7个垃圾场(见图1)，含水层垂向上分
潜水含水层和承压含水层。潜水含水层主要以单一砂卵砾石
结构为主，含水层厚度变化较大，一般在30～250 m之间，水平
渗透系数的变化范围为100～300 m／d，垂向渗透系数一般为水
平渗透系数的10-3～10一，潜水含水层是地下水主要开采层；
承压含水层主要以多层砂卵砾石结构为主，含水层厚度变化相
对较小，一般在6～50 m之间，水平渗透系数的变化范围大致
在100～160 m／d之间，垂向渗透系数一般为水平渗透系数的
10_3～10一。降水入渗补给、山区和上游的侧向补给、河湖人
渗补给、农业灌溉回渗和基岩水顶托补给为地下水的主要补给
源，地下水主要排泄途径为人工开采和侧向流出。地下水动态
主要为降雨一人工开采型，潜水、承压水多年动态变化趋势一
致。地下水化学类型主要为HC03一一Ca2++M酽+型，矿化度
小于1 g／L。
图1城区第四系水文地质图
Fig．1 The inner--city quaternary hydrogeological map
2地下水污染现状
根据北京市2006--2011年水资源公报，北京市浅层水(主
要开采层)污染较为严重，地下水水质呈现逐年恶化趋势，Ⅳ～
V类水面积由2006年的2 340 km2扩大到2011年的3 107
km2，所占比例由2006年的36．8％增加到2011年的49％，超
标指标主要为总硬度、氯化物、硝酸盐氮等；深层水水质相对较
好，除2010年外，其Ⅳ～V类水所占比例均未超过20％，超标
指标也较少，主要是氨氮和氟化物；基岩水水质较好，均符合Ⅲ
类水质标准。
由此可见，主要开采层(潜水含水层)中地下水水质较差，
污染面积较大。因此急需对该地区开采层中的各污染组分运
移规律进行预测研究。
3数值模型的建立与识别
3．1地下水水流模型
通过对研究区内水文地质条件进行分析，建立水文地质概
念模型。在此基础上确定研究区的边界条件、水文地质参数，
并对源汇项进行分析与计算，从而建立地下水水流模型。
3．1．1水文地质条件概化
根据水文地质结构模型，将研究区含水层结构概化为2
层：第一层为潜水含水层；第二层为承压含水层。其边界条件
概化如下：在水平方向上，将研究区边界分为侧向补给边界和
侧向流出边界。在垂直方向上，潜水含水层自由水面作为上边
界，通过该边界，潜水与系统外发生垂向上的水量和溶质交换，
如大气降水人渗补给、灌溉回渗补给、蒸发排泄、垃圾淋滤液的
入渗补给等。模型底界为隔水边界。
3．1．2数学模型
根据研究区水文地质条件，地下水水流数学模型可概化为
非均质、各向异性三维非稳定流模型，如下式所示：
s蔷=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厂1
式中：力为研究区域；h(x，Y，z，￡)为含水层的水位标高，m；
万方数据
46 北京市南水北调受水区垃圾场地下水污染预测卢丽裴建国
虬、％、K：分别为z、儿z方向的渗透系数，m／d；K。为边界面
法向方向的渗透系数，m／d；S为承压含水层的贮水系数；／2为
潜水含水层的给水度；e为含水层的源汇项(1／d)；P为潜水面
的蒸发和降水入渗强度等，m／d；h。为含水层的初始水位，m；1"o
为研究区域的上边界，即地下水的自由表面；n为研究区域的
二类边界；n为边界面的法线方向；口(z，Y，z，￡)为二类边界的
单位面积的流量，m3／(d·m2)，流人为正，流出为负，隔水边界
为0。
3．1．3模型的建立
利用Visual Modflow中的MODFLOW模块建立地下水
水流模型。在平面上，按250 ril×250 m对研究区进行网格剖
分。在垂向上，根据研究区水文地质条件，概化为2层，从上而
下，依次为潜水含水层和承压含水层。模拟时间段为2005年1
月至2006年12月，时间步长为1个月。根据所收集的资料，
并结合研究区内水文地质条件，将渗透系数、给水度、贮水系数
等水文地质参数输入模型，同时对研究区地下水的源汇项进行
合理概化，并输入模型进行计算。
3．1．4模型识别与验证
为了确保所建立的地下水水流模型符合研究区水文地质
条件，并真实反映实际流场的特点，需要根据实测水位数据对
模型进行识别和验证。选择2005年1—12月和2006年1—12
月2个时段的实测水位数据分别作为模型的识别阶段和验证
阶段，识别结果和验证结果如图2和图3所示。从图2和图3
中可以看出，水位拟合误差小于lm，这说明模型较为准确的反
映了研究区的实际情况。
32}
3仆
30}
E
理29}
*
28F
27}
+实测水位
26
A{螽惧
图2西黄村观测孔水位识别结果
Fig．2 n抡recognition result of the groundwater level of
Xihuangcun observation hole
3．2地下水溶质运移模型
3．2．1数学模型
R著一壶(现蓦)一熹c地c，+
詈c：一A(c+鲁警)X,y,z∈n，c≥o
C(x，y，z，f)1户。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∈胁≥o
26 L_广1，1—1—了—百—了—南—丽—T丁。万一
A愤l旯
图3西黄村观测孔水位验证结果
Fig．3 The validation result of the groundwater level of
Xihuangcun observation hole
式中：力为研究区域；C(x，y，z，f)为污染物浓度，mg／L；碥为
地下水实际流速，m／d；Do为水动力弥散张量；R为阻滞因子；
co(z，y，z)为污染物初始浓度，mg／L；n为一类边界；Cl(z，
Y，z，f)为一类浓度边界值，mg／L；／'2为二类边界；工(z，Y，z)
为二类边界值，mg／m2；A为生物降解系数；C。为固体颗粒吸附
的溶质浓度，mg／L；艿为含水层岩土的干容重；咒为有效孔
隙度。
3．2．2溶质运移模型
利用MT3DMS模块建立地下水溶质运移模型，网格剖分
和模拟时段均与水流模型一致。根据北京市地下水污染现状，
选取开采层中主要超标项目氯离子(C1一)、硝酸盐氮(N0；一)、
总硬度(THD)进行模拟计算，以2005年1月浓度场为初始浓
度场。根据收集到的资料，将溶质运移模型中的纵向弥散度、
横向弥散度、垂向弥散度、孔隙度等参数输人模型，通过模型调
式，最终确定各参数值。根据氯离子(C1一)、硝酸盐氮(N0；一)
和总硬度(THD)3种离子实测浓度场对溶质运移模型进行识
别和验证，选择2005年12月和2006年12月作为模型的识别
和验证时间。从图4～图9可以看出，3种离子的识别和验证
效果较好，这说明溶质运移模型较为准确的反映了研究区的实
际情况．可以对3种离子浓度场进行预测研究。
I兰i例2 ．j i !严／V寓埘浓度／V计算蕺厦
图4 2005．12氯离子(C1一J浓度场拟合图(单位：m_g／L)
№4"lhe dllm'Me ion∞啪喇呐曲I fleM fitlmg d瞄rt in 2I炳n旺lr蛔
万方数据
北京市南水北调受水区垃圾场地下水污染预测卢丽裴建国
图例／y实爵浓度Ⅳ计并浓度
图5 2006．12氯离子(Cl一)浓度场拟合图(单位：mg／L)
№5m咖哪他iolI咖咖岫tiolIfidd nnil瞎chartiIl 2晰December
图例／V实测浓度Ⅳ计并浓度
图6 2005．12硝酸盐氮(N0j一)浓度场拟合图(单位：rag／L)
№6 11．e nit眦IⅡtmgen咖蛐field nt魄chart iII瑚5 Deceml】er
图7 20％．12硝酸盐氯(N()i一)浓度场拟合图(单位：rag／L)
n晷7 n七m打ate ni打叼啪concentration neM nttiI瞎chart iII 2∞6 December
4水质预测
根据北京市2006年制定的《北京市“十一五”时期水资源
图8 2005．12总硬度(THD)浓度场拟合图(单位：rag／L)
n吕8 The total hardness伽啦即打ati啪fie帕fittiI笔chart iII 2∞5 December
图9 2∞6．12总硬度(THD)浓度场拟合图(单位：mg／L)
n晷9 11le total hardness cencentration fie柑ntti嚷chart iII 2006Ⅸ魍Ⅱ岫
保护及利用规划》，北京市地下水开采与调蓄方案共分3个阶
段，分别为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个阶段为保障性
用水阶段和满足奥运用水阶段，地下水水位略有恢复，而第三
阶段属于地下水恢复阶段，地下水水位有明显的上升，垃圾场
被浸泡，因此选择此阶段对污染物的运移规律进行模拟。该阶
段具体开采方案为农业开采量减少0．29亿m3，第三供水厂开
采量减少0．4亿m3，自备井停采。以2010年1月3种离子的
实测浓度场为初始浓度场(图10～图12)，利用经过识别和验
证后的溶质运移模型，对10年后的3种离子的浓度场进行预
测，预测结果如图13～图15所示。
从图12～图14可以看出，10年后3种离子的最高浓度和
被污染面积均比2010年时有所增大，具体变化情况如下：对于
氯离子(C1一)而言，2020年氯离子(CI)虽未出现受污染区域
(浓度>250 rag／L)，但整体浓度呈现增大趋势，最高浓度由
112 mg／L增大到208 mg／L，且均出现在福田寺东侧，高值中
心也由原先的3个增加为4个；硝酸盐氮(N0；一)的受污染面
积(浓度>20 rag／L)明显扩大，由原先的29．94 km2增大到
万方数据
48 北京市南水北调受水区垃圾场地下水污染预测卢丽裴建国
尸。。f22■。。'k。
图10 2010．1氯离子(Cl一)浓度场(单位：rag／L)
Fig．10 The chloride ion concentration field in 2010 January
图11 2010．1硝酸盐氮(Na一)浓度场(单位：rag／L)
Fig．11 The nitrate nitrogen concentration field in 2010 January
图12 2010．1总硬度fTHD)浓度场(单位：mg／L)
Fig．12 The total hardness concentration field in 2010 January
42．99 km2，最高浓度也由53 mg／L增大到87 mg／L；总硬度
(THD)的变化趋势与前2种离子相同，受污染面积(浓度>450
mg／L)增大，由2010年的0．66 kmz增大到2020年的2．23
kmz，最高浓度也由554 mg／L增大到872 mg／L，并出现了V类
图例
图13 2020．12氯离子(el一)浓度场(单位：rag／L)
Fig．13 The chloride ion concentration field in 2020 December
图14 2020．12硝酸盐氮(N0j一)浓度场(单位：nag／L)
Fig．14 The nitrate nitrogen concentration field in 2020 December
图例
图15 2020．12总硬度(THD)浓度场(单位：mg／L)
Fig．15 The total hardne辎concentration field in 2010 December
水区域，面积约为0．059 km2，高值中心也由1个增加到了
4个。
综上所述，按照原先的地下水开采与调蓄方案，研究内的
氯离子(CI一)、硝酸盐氮(NO；s一)、总硬度(THD)3种污染物的
污染面积逐渐扩大，严重威胁当地的饮用水安全，因此需要对
灿■圜圈闩口H日譬
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万方数据
北京市南水北调受水区垃圾场地下水污染预测卢丽裴建国49
原地下水开采方案进行调整，同时对垃圾场进行防渗处理，防
止地下水污染进一步恶化。
5结语
根据《北京市“十一五”时期水资源保护及利用规划》中第
三阶段地下水开采与调蓄方案，利用Visual Modflow软件对研
究区内的污染物运移规律进行预测，结果表明，研究内的氯离
子(CI一)、硝酸盐氮(NO；s一)、总硬度(THD)3种污染物污染面
积和整体浓度都较2010年有明显的扩大趋势，高值中心数量
增加，而且总硬度(THD)出现了V类水区域(极度污染区)，因
此需要对原有的地下水开采方案进行调整，对垃圾场进行防渗
设计规划，对已有污染源进行治理，同时加强地下水保护和地
下水水质监测工作。
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(上接第43页)
4结语
通过分析上述内容，得到以下结论。
(1)本次基于钻孔数据建立的三维地质结构模型各地层层
面光滑，且通过旋转和调节地层透明度，可以直观、清晰地展示
潮白河冲洪积扇内地质单元的空间展布及其相互关系。结合
研究区地质及水文地质相关资料，观察三维地质结构模型，发
现研究区北部扇顶为山区，南部扇缘为砂与黏性土互层，底部
为基岩隔水底板，且东、西部隔水底板呈向上延展趋势，形成巨
大的盆状储水空间，因此，潮白河冲洪积扇能够满足建立地下
水库所需的储水空间。
(2)在构建的三维地质结构模型基础上，运用ArcScene中
的Animation工具条，构建地下水库动态模拟展示模型，通过
控制潜水面升降变化来模拟展示潮白河冲洪积扇地下水库的
补给与消耗演变过程。在此过程中，可以导人实时水位数据，
进行相关水资源量计算，为地下水库的建立与管理提供依据。
在研究过程中，存在几点有待改进的地方，需要在后续工
作中不断完善。
(1)在建模过程中，未考虑复杂地质构造如侵入体、透镜体
等地质体的影响与作用，因此，该方法对地质构造活动强烈、扭
曲变形严重的地质建模效果较差，需要在后续工作中进行逐步
完善。
(2)在建模过程中虽然收集钻孔资料较多，但由于钻孔的
成孔时间不一致，关于岩性的描述有差别。此外，随着人类活
动的影响，部分较早钻孔的地表高程、地表岩性都发生了变化。
这些都导致在建模过程中，地质模型与实际情况的偏差，因此
需要在后续工作中，增加相应的调查，以便进行修正。
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