河湖防渗条件下包气带再生水反应运移及其对地下水环境影响研究

发布时间：2020-10-08 15:00

　　北京市水资源短缺制约城市经济发展,导致生态环境恶化。再生水因易获取、来源稳定并且数量大,成为补充河道生态用水的重要水源。但再生水污染物渗漏对河道周边地下水环境构成威胁。所以,探究地下水环境对再生水补充河道用水的响应对于制定防渗措施、保护和开发利用地下水具有重要意义。本文以北京市永定河生态修复为背景,选取包括永定河城市段的城近郊区为典型区,在室内大型土柱试验基础上,构建了不同防渗层条件下考虑优先流的多组分溶质反应运移模型；基于土柱试验和现场调研、资料收集,建立了防渗条件下钻孔尺度的包气带水流及溶质运移模型；利用收集的地下水资料,构建了典型区地下水流和溶质运移模型,并与包气带模型联合预测了再生水回补永定河后对地下水环境的影响。主要研究内容和成果如下： (1)对于有防渗层的包气带土壤结构,基于双区模型采用PHREEQC软件建立了考虑下层土中优先流的多组分溶质反应运移模型,结果表明该模型能够模拟再生水中典型营养性污染物通过层状土柱的迁移转化过程；忽略指流会低估污染风险；在三种不同膨润土比例的生态防渗材料中,膨润土含量较高的防渗材料BE19不仅可以减小渗漏量,还能增强对氨氮NH4+和有机物OM的吸附降解；但利于释放土壤中蓄存的总磷TP和硝氮NO3-,使出流浓度增加。 (2)验证了饱和层最小通量法用于估算钻孔尺度包气带渗漏量的适用性,预测了不防渗、铺设生态防渗层以及铺设土工膜三种情况下的河道渗漏量。利用土柱试验获得的反应参数建立了包气带钻孔尺度反应运移模型,通过数值试验获得了典型污染物通过包气带渗滤的浓度范围,为地下水流和溶质运移模型提供了源汇项。结果表明按照规划水位,铺设BE19生态防渗层和土工膜的稳渗率分别较未防渗减少10-100倍和6-7个数量级。河道防渗可降低NH4+和OM进入地下水的浓度,但可能增加NO3-和TP浓度。 (3)运用FEFLOW建立了典型区地下水流和溶质运移模型,利用2009年6月-2010年12月的水位和典型污染物浓度资料对模型进行率定和验证。率定期和验证期内观测井的地下水位动态均方根误差RMSE均为0.69m,R2分别为0.69和0.59。实测与模拟的地下水位和典型污染物浓度分布基本吻合,表明模型框架正确,参数合理,可用于进一步预测。 (4)基于包气带-地下水联合模型预测了不同河道防渗材料下典型区地下水环境对再生水回补河道的响应。结果表明连续平水年条件下,河道铺设土工膜较未修复对地下水的年补给量稍有增加,较铺设生态防渗层每年可减少地下水补给4.11×108m3。土工膜防渗延长了再生水进入地下水的时间,即使发生破损或污染事故,也较生态防渗层在相同时间内缩小了污染物在地下水中的迁移扩散范围,减少了污染物渗漏量。
【学位单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：X523;P641.131
【部分图文】：

永定河,河道

水是一个有机整体，二者的相互作用在水文循环中发挥着以及人类活动的影响，北京市水资源短缺日益严重，表现超采，制约了经济发展并且导致生态环境恶化。为提高水复河湖生态环境，利用再生水（城市污水回用）补给景观永定河工程是众多应用中的一例。尽管此对策会给城市带表水-地下水的转化关系趋于复杂，并对土壤、地下水环境湖地表水中典型污染物在河道渗漏情形下对地下水环境的以北京市城近郊区为典型区，以永定河生态修复为背景，对地下水环境的影响。市的母亲河，孕育了深厚的文化底蕴和独特的人文资源。道和水源保护区。20世纪70年代以来，由于永定河河道生态涵养和城市景观的作用，导致永定河及沿岸的生态环由于水资源紧缺，永定河有限的水资源几乎全部用于北京道干涸、断流，河道内形成了许多沙坑，河床逐渐沙化，区的经济发展，污水排放量逐年增多，河道被污染，使得了北京母亲河的形象I。

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1.2.2河湖渗漏过程中的污染物迁移一般认为污染物随渗漏河水的迁移转化过程分为三个阶段丨（图1-2)：①污染物在包气带土壤中的垂向一维迁移转化，迁移过程中受到相关物理、化学及生物作用；②污染物进入地下含水层中的垂向二维迁移转化，污水到达地下水面时沿含水层垂直断面扩散，期间污染物可能受到地下水的稀释和物理化学作用；③污染物沿地下水的流动方向迁移，也可以发生相关反应。通常根据具体研究区所处条件不同，对这三个过程进行适当概化。例如，当取水井距离河道较近时，则第三阶段的迁移过程并不充分，则主要考虑前两个过程。在长期稳定渗漏情况下，第二阶段也相对稳定，则主要考虑第一和第三个过程。降雨 I—一、_^ ——2—一一潜水含水层 ③ k ~ ?PraT/vS公份财y淡份公>?说?;?之Z：公份份份纷份份份份份^份松图1-2河湖污水入渗过程示意图河流和地下水脱节的情况下，包气带对于河道以下污染物的迁移、转化和归宿有重要作用。包气带既可以将地表水传输到地下水又可以储存水分

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图2-1永定河流域研究区地理位置温11.7°C，日极端最高气温可达42.6°C (1942年6月15日），日极端最低2月22日），1月份气温最低，无霜期180-200天。据门头沟测站的观测资均气温为-4.3°C，夏季7月份平均年气温达25.8°C。由于降雨量较少，多低，空气干燥，多年平均相对湿度为57%。市水资源的主要来源，也是影响北京市水资源变化的主要因素之一。年内，占年降水量的80%以上。根据研究区的丰台测站的观测资料，1961-2010562.6mm;降水量年际变化较大，1961年以来，降水量最多年份为1964量最少的年份为1999年，仅300.8mm; 1999-2007年连续干旱，平均降水年平均降水量减少110.1_[93]。

【参考文献】