密懷順地區(qū)地下水位回升對硝酸鹽氮的影響研究*

張雨航 史芫芫 孫長虹 安同艷# 何 煒 范 清 羅 孜 史慧敏

(1.北京市生態(tài)環(huán)境保護科學研究院,北京 100037;2.國家城市環(huán)境污染控制工程技術研究中心,北京 100037)

我國的水資源量分布不均勻,呈現(xiàn)北少南多的特點。《北京市水資源公報(2021年度)》顯示,全市水資源總量61.30億m3[1],常住人口2 189.3萬,人均水資源量不足280 m3,屬于極度缺水地區(qū),因此保護好首都有限的水資源至關重要。1998—2015年北京市社會經(jīng)濟快速發(fā)展,需水量不斷增加,地下水開采量持續(xù)加大,導致全市地下水位下降了13.78 m,出現(xiàn)多個漏斗區(qū),水資源環(huán)境現(xiàn)狀堪憂。2014年南水北調(diào)工程引水進京后,北京市的供水格局開始發(fā)生深刻變化,地下水資源在供水結構的占比不斷降低,同時北京市開啟了大規(guī)模自備井置換和地下水源壓采工作,并利用地表水回補涵養(yǎng)地下水。在多重積極因素的疊加效應下,2015年后地下水位快速回升,同時,快速回升可能帶來的風險因素應予以重視,比如對于城市地下建筑、農(nóng)業(yè)、環(huán)境造成潛在風險[2],因此有必要對地下水位的時空變化特征及其產(chǎn)生的環(huán)境風險予以關注。

南水北調(diào)來水通過地表河道回補密懷順地區(qū)地下水,直接影響地下水位和儲水量變化。何亞平等[3]利用模型對密懷順地區(qū)潮白河的水位情況進行了預測分析,發(fā)現(xiàn)2018年比2017年水位出現(xiàn)明顯升高,其中牛欄山區(qū)域、懷柔應急水源地、潮白河橡膠壩回升明顯;李志強等[4]對2021年潮白河春季生態(tài)補水及地下水位的響應研究中,發(fā)現(xiàn)地下水位對補水的響應存在一定滯后性,距離河道越近響應越快,反之亦然;李海軍[5]通過對150眼地下水監(jiān)測井補水期間監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)潮白河沖洪積扇中上部地下水位上升幅度最高、范圍最大,且短時間集中補水,對河道附近地下水影響大[6]。

南水北調(diào)補給地下水,對地下水產(chǎn)生的環(huán)境風險也是關注的重點。劉立才等[7]通過溶質(zhì)運移模型,得出南水北調(diào)水源進入密懷順地區(qū)含水層過程中,對地下水水質(zhì)的稀釋作用占主導地位;2015年后土地利用發(fā)生了較為劇烈變化,伴隨著地下水位抬升,包氣帶變薄,地表與地下輸水通道變短,地下水浸泡原有包氣帶,地下水環(huán)境風險隨之加大[8];再生水排放是密懷順地區(qū)地下水環(huán)境安全的主要污染風險[9];該地區(qū)地下水三氮主要來自工業(yè)源、生活農(nóng)業(yè)源和自然源,其中硝酸鹽氮主要來自工業(yè)源[10];氨氮和硝酸鹽氮對水質(zhì)未達標的貢獻率較高[11];該區(qū)域西部的風險高于東部,且隨著回補后地下水位升高,地表污染源對地下水的危害性增強[12]。

地下水位的回升波動導致地下水氮素變化,近幾年逐漸引起學者們的關注。一些研究者通過土柱實驗,發(fā)現(xiàn)地下水埋深變動可以顯著影響硝酸鹽氮在土壤剖面上的縱向遷移,容易造成地下水體的污染[13-14];ZANG等[15]通過準三維反饋模型,定量評估了地下水位恢復對包氣帶硝酸鹽氮浸出通量和地下水硝酸鹽氮動態(tài)的影響,發(fā)現(xiàn)在地下水位恢復的情況下,土壤污染物的強化浸出對地下水質(zhì)量產(chǎn)生了負面影響;劉鑫等[16]提到地下水位波動帶中的三氮遷移轉(zhuǎn)化已經(jīng)成為新的研究領域,應進一步細化分析更多情境、更多影響因素隨水位波動過程,識別水位波動帶動三氮轉(zhuǎn)化的關鍵影響要素。

密懷順地區(qū)地下水位回升后,原先包氣帶受到浸泡和地表到地下水路徑的縮短,所引起的地下水環(huán)境風險影響研究不足。本研究對2014—2019年密懷順地區(qū)地下水位變化所引起的地下水位升幅帶面積、包氣帶厚度變化,及地下水中硝酸鹽氮的響應變化進行研究,將支撐地下水應急反應、地下水政策制定及地下水型水源地的精細化管理。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

密懷順地區(qū)是北京市重要的水源涵養(yǎng)區(qū),是北京市自來水有限責任公司第八水廠(以下簡稱第八水廠)、懷柔應急水源地、潮白河應急水源地等多個水源地的所在區(qū)域,地處順義區(qū)(174.71 km2)、懷柔區(qū)(147.79 km2)、密云區(qū)(164.43 km2)三區(qū)接壤地區(qū),面積約486.93 km2,處于116°30′E～117°0′E、40°10′N～40°30′N。研究區(qū)東部、西部和北部三面環(huán)山,南部為平原,年平均降水量為615.6 mm。區(qū)內(nèi)河流屬潮白河水系,最大河流為潮白河,懷河是本區(qū)第二大河流,系潮白河的支流。研究區(qū)河道砂石裸露,包氣帶巖性主要為單一砂卵礫石層,中間夾有粉質(zhì)黏土透鏡體,具有強滲透性能。地下水屬于潮白河地下水子系統(tǒng)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。

1.2 數(shù) 據(jù)

1.2.1 水位和水質(zhì)

數(shù)據(jù)來自北京市水資源公報(2014—2019年度);硝酸鹽氮數(shù)據(jù)來源于年度監(jiān)測,共31個監(jiān)測井(見圖1),監(jiān)測井深度為34.5～110.0 m,平均井深63.85 m,井孔取水深度為19.60～57.60 m,平均井孔取水深度為36.66 m,均監(jiān)測潛水含水層水質(zhì),監(jiān)測時段為2015—2019年,采樣在每年5月進行。

圖1 密懷順地區(qū)硝酸鹽氮監(jiān)測井空間分布Fig.1 Spatial distribution of nitrate nitrogen sampling points in Miyun-Huairou-Shunyi recharge area

1.2.2 高 程

數(shù)字高程模型(DEM)是描述地表起伏形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)模型,由地面規(guī)則格網(wǎng)點的高程構成矩陣,形成柵格結構高程數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)分辨率為10 m。

1.3 研究方法

對2014—2019年北京市地下水位等值線圖進行配準,選取27個配準點,提取出地下水位等值線,通過矢量捕捉功能,每間隔100 m賦予點狀水位數(shù)據(jù),通過克里金插值,制成10 m分辨率的地下水位柵格結構數(shù)據(jù),結合DEM高程數(shù)據(jù),分析研究區(qū)地下水位、地下水位升幅帶面積及包氣帶厚度的時空變化特征。

1.3.1 克里金插值

克里金插值是依據(jù)協(xié)方差函數(shù)對隨機過程/隨機場進行空間建模和預測(插值)的回歸算法。克里金插值廣泛用于地學[17-18]、氣象學[19-20]、環(huán)境科學[21-22]等各類觀測數(shù)據(jù)的空間插值。本研究中地下水位和硝酸鹽氮的柵格結構數(shù)據(jù)集均通過克里金插值得到。

1.3.2 柵格的疊加計算

第1個輸入柵格的參數(shù)值減去第2個輸入柵格的參數(shù)值,得到柵格輸出的目標結果,地下水位的升幅和包氣帶厚度運算,均用到該方法。

2 結果與分析

2.1 水位變化分析

南水北調(diào)通過3條線路回補研究區(qū)域地下水[23]:第1條是通過李家史山閘放水,進入小中河后入懷河,由于牛欄山橡膠壩攔截作用,向北進入潮白河,該線路為核心地下水補水線路,研究顯示該線路河道附近地下水中南水已經(jīng)占主導地位;第2條是通過密云水庫放水進入潮河和白河;第3條是通過京密引水渠將南水北調(diào)水放入雁棲河和沙河。

2014—2019年密懷順地區(qū)地下水位變化情況見圖2,密懷順地區(qū)整體地下水位升高了12.31 m,年均升高2.46 m;密云區(qū)、懷柔區(qū)、順義區(qū)分別升高9.59、15.17、12.50 m,懷柔區(qū)升幅最大;在2014—2016年,研究區(qū)地下水位整體有下降趨勢,從9.79 m下降至7.14 m,下降了2.65 m,但順義區(qū)地下水位在這個時段仍呈上升趨勢;2016—2019年地下水位連續(xù)大幅快速升高,整體從7.14 m上升至22.10 m,升高了14.96 m,南水北調(diào)對區(qū)域地下水位的影響從2016年開始顯現(xiàn)。對各區(qū)情況進行分析,僅順義區(qū)地下水位從2014年開始持續(xù)上升,這與該地區(qū)位于回補線路的核心線路有關,地下水最先受到補給;密云區(qū)和懷柔區(qū)呈現(xiàn)先緩慢下降,再迅速上升的趨勢,這與回補格局和補水量相關,在南水北調(diào)入京初期,僅有少量水通過向陽閘以上河道補給地下水,從2017年后密懷順地區(qū)進行了多次大流量集中補水,大規(guī)模自備井置換和地下水源地實施壓采形成積極合力,導致區(qū)域地下水出現(xiàn)整體快速升高。2019年與2014年相比,懷柔區(qū)地下水位從9.11 m上升至24.28 m,升幅最大,升幅最快,達到3.03 m/a。2014年,密云區(qū)、懷柔區(qū)和順義區(qū)包氣帶厚度分別為43.41、39.40、45.80 m,2019年分別變?yōu)?3.82、24.23、33.30 m;2014年和2019年相比,懷柔區(qū)包氣帶厚度一直最小,而密云區(qū)和順義區(qū)的包氣帶厚度排位發(fā)生了置換(見圖3)。

圖2 2014—2019年地下水位變化Fig.2 Changes of groundwater level from 2014 to 2019

圖3 2014—2019年包氣帶厚度變化Fig.3 Changes of vadose zone thickness from 2014 to 2019

2.2 地下水位升幅帶變化分析

密懷順地區(qū)地下水位在短時間內(nèi)快速上升,本研究據(jù)此提出“地下水位升幅帶”這一概念,便于開展后續(xù)研究。以2014年地下水位作為基準,對照2019年地下水位,地下水位升高的區(qū)域定義為地下水位升幅帶,該定義在時間維度上具有一定相對性,在地下水快速增長的情況下具有一定研究意義。對比圖4(a)和圖4(b)可知,2019年相比2014年,地下水位變幅為-3.59～22.38 m,地下水位升高的區(qū)域面積占99.43%,潮白河應急水源地和第八水廠水源地的降落漏斗區(qū)明顯縮小。

圖4 2014—2019年地下水位變化Fig.4 Changes of groundwater level from 2014 to 2019

結合利用等間距法對地下水位升幅帶進行重分類,結果見圖4(c)。將地下水位升幅-3.59～5.06 m定義為地下水位低升幅帶,面積為26.54 km2,占研究區(qū)面積的5.45%;地下水位低升幅帶49.93%分布于密云區(qū),50.07%分布于順義區(qū)。地下水位升幅>5.06～13.72 m定義為地下水位中升幅帶,面積為213.22 km2,占研究區(qū)面積的43.79%;地下水位中升幅帶46.70%分布于密云區(qū),37.88%分布于順義區(qū),15.42%分布于懷柔區(qū)。地下水位升幅>13.72～22.38 m定義為地下水位高升幅帶,面積為247.17 km2,占研究區(qū)面積的50.76%;地下水位高升幅帶51.42%分布于懷柔區(qū),31.87%分布于順義區(qū),16.72%分布于密云區(qū)。密懷順地區(qū)以地下水位高升幅帶為主,而高升幅帶主要分布于懷柔區(qū)。

2.3 地下水硝酸鹽氮變化

對比圖5(a)和圖5(b)可知,2015年區(qū)域地下水中硝酸鹽氮為0.26～49.04 mg/L,2019年為1.61～32.91 mg/L,2019年相比2015年硝酸鹽氮濃度范圍收窄,但濃度最高點均出現(xiàn)在研究區(qū)東北的密云經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和河南寨鎮(zhèn)一帶,受到潮白河再生水的影響;2019年相比2015年潮白河再生水回補河段地下水硝酸鹽氮平均質(zhì)量濃度降幅達到32.89%。2015—2019年整個研究區(qū)硝酸鹽氮升高區(qū)域的面積312.98 km2,占研究區(qū)面積的64.28%,硝酸鹽氮降低區(qū)域的面積173.95 km2,占研究區(qū)面積的35.72%,硝酸鹽氮升高區(qū)域面積是降低區(qū)域面積的1.80倍;升高區(qū)域占據(jù)主導,分布于研究區(qū)西部和南部,而降低區(qū)域分布于研究區(qū)東部(見圖5(c))。2015—2019年整個密懷順地區(qū)硝酸鹽氮平均值在9.99～11.61 mg/L波動;在潮白河補水初期,區(qū)域硝酸鹽氮濃度有所下降,但隨著地下水位的不斷抬升,硝酸鹽氮濃度出現(xiàn)了升高,尤其是懷柔區(qū),地下水包氣帶厚度最薄,同時地下水位的升幅速度最快,2019年比2015年硝酸鹽氮濃度升高了2.59 mg/L,升幅35.47%,年均增長0.65 mg/L,明顯高于其他地區(qū)(見圖6)。近幾年,南水北調(diào)來水使密懷順地區(qū)地下水位升高,儲水量增加,潮白河再生水回補河段地下水中硝酸鹽氮降低,但某些低值區(qū)域卻出現(xiàn)了硝酸鹽氮升高,密懷順地區(qū)硝酸鹽氮呈現(xiàn)“削高填低”的現(xiàn)象。

圖5 2015—2019年地下水硝酸鹽氮變化Fig.5 Changes of nitrate nitrogen concentration in groundwater from 2015 to 2019

圖6 2015—2019年密懷順地區(qū)地下水硝酸鹽氮變化Fig.6 Changes of nitrate nitrogen concentration in groundwater in Miyun-Huairou-Shunyi recharge area from 2015 to 2019

3 討 論

從20世紀末到2014年,密懷順地區(qū)地下水位持續(xù)下降了30 m左右,形成了北京地區(qū)明顯的地下水降落漏斗區(qū),意味著包氣帶厚度也隨之增加。而這個時期,密懷順地區(qū)社會經(jīng)濟快速發(fā)展,分布著多個工業(yè)園區(qū)和眾多工業(yè)企業(yè),但近些年隨著首都定位日漸明確,疏解非首都供能,并治理散亂污,企業(yè)也急劇減少。然而,長年以來工業(yè)企業(yè)的長時間生產(chǎn)活動,以及農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖、再生水回補等眾多環(huán)境風險因素[24]共同存在;在地下水位下降的背景下,地表到地下水的路徑變長,在包氣帶土壤中聚集的環(huán)境風險因素變多,存在包氣帶環(huán)境風險釋放到地下水的可能性。

近些年密懷順地區(qū)地下水位的快速升高,使得原先的地下水漏斗區(qū)范圍縮小,地下水虧空得以填補,給供水安全和環(huán)境因素帶來了積極的因素,但地下水的快速大幅提升,使得原先包氣帶地層位置被地下水上升所浸泡,這部分地層中由于常年的地表入滲積累,可能蘊藏著潛在的地下水環(huán)境風險,在地下水浸泡過程中得以顯現(xiàn),對地下水產(chǎn)生一定風險;同時,會使得包氣帶厚度大幅變薄,這就意味著地表風險到下水面的路徑變短,從一定程度上縮短了地表風險到地下水的時間。

2019年和2014年相比,地下水位升高區(qū)域的面積占研究區(qū)面積的99.43%,同時硝酸鹽氮升高區(qū)域的面積312.98 km2,占研究區(qū)面積的64.28%,是降低區(qū)域面積的1.80倍,所以在區(qū)域地下水位升高的背景下硝酸鹽氮濃度也有所升高。2019年地下水位高升幅帶面積為247.17 km2,占研究區(qū)面積的50.76%,懷柔區(qū)是以高升幅帶為主;同時懷柔區(qū)相較于密云區(qū)和順義區(qū),包氣帶最薄,地表到達地下的路徑更短,隨著地下水位的升高,風險也隨著變大,研究區(qū)中懷柔區(qū)部分地下水中硝酸鹽氮升高了35.47%。懷柔區(qū)的雁棲經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、懷北鎮(zhèn)、懷柔地區(qū)辦事處、廟城地區(qū)辦事處、橋梓鎮(zhèn)、泉河街道、雁棲地區(qū)辦事處均出現(xiàn)了地下水硝酸鹽氮升高趨勢,需引起關注。密懷順地區(qū)出現(xiàn)部分地區(qū)地下水中硝酸鹽氮升高的直接原因是地下水位回升導致包氣帶土壤中氮素釋放到地下水中的量變大,根本原因則是眾多環(huán)境風險因素在雨水淋濾和地下水動力作用下使得氮素在包氣帶土壤中得以聚集,因此在此次研究的基礎上,確定硝酸鹽氮升高顯著區(qū),厘清和量化包氣帶土壤中氮素的來源,進行進一步的源解析研究顯得尤為重要。

4 結 論

(1) 2014—2019年研究區(qū)地下水位升高12.31 m,密云區(qū)、懷柔區(qū)、順義區(qū)分別升高9.59、15.17、12.50 m,懷柔區(qū)升幅最大;懷柔區(qū)包氣帶一直最薄,地表到地下水的路徑最短。

(2) 2014—2019年地下水位低升幅帶面積為26.54 km2,占研究區(qū)面積的5.45%;地下水位中升幅帶面積為213.22 km2,占研究區(qū)面積的43.79%;地下水位高升幅帶面積為247.17 km2,占研究區(qū)面積的50.76%。其中,地下水位高升幅帶主要集中在懷柔區(qū)。

(3) 2019年與2015年相比,地下水位升高,儲水量變多,在一定程度上稀釋了密云經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和河南寨鎮(zhèn)一帶硝酸鹽氮濃度,使密云區(qū)潮白河再生水回補河段地下水硝酸鹽氮平均質(zhì)量濃度降低了32.89%,但整個研究區(qū)硝酸鹽氮升高區(qū)域面積312.98 km2,占研究區(qū)面積的64.28%,硝酸鹽氮升高區(qū)域面積是降低區(qū)域面積的1.80倍。2015—2019年懷柔區(qū)(尤其是轄區(qū)內(nèi)多個鄉(xiāng)鎮(zhèn))出現(xiàn)了硝酸鹽氮升高的趨勢,懷柔區(qū)硝酸鹽氮升高了35.47%,高于密云區(qū)和順義區(qū)。