地下水污染環(huán)境影響模擬與預測

范 宇，謝世紅，李任政，張 浩（上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司，上海 200072）

?

地下水污染環(huán)境影響模擬與預測

范 宇，謝世紅，李任政，張 浩
（上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司，上海 200072）

摘 要：地下水污染具有過程緩慢、不易發(fā)現(xiàn)和難以治理等特點，屬重大環(huán)境問題。為進一步了解地下水污染的環(huán)境影響，以某污水處理廠為例，結(jié)合所在場區(qū)的地質(zhì)特征，采用注水試驗確定場地內(nèi)土層的滲透系數(shù)；建立數(shù)學模型對環(huán)境影響進行模擬，并利用已知的各項水文地質(zhì)參數(shù)，對正常工況排水條件下污染物的環(huán)境影響范圍進行預測，為地下水污染的防治實踐提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：地下水污染；環(huán)境影響；模擬預測

地下水資源是水資源系統(tǒng)中的重要組成部分，在保障我國城鄉(xiāng)居民生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、維護生態(tài)平衡，支持社會經(jīng)濟發(fā)展等方面具有重要作用[1]。但是近年來，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，城市化程度的不斷增加以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中各種化學藥劑的大量使用，造成地下水嚴重污染，進而加大了對周邊環(huán)境的影響[2,3]，因此對場地污染的影響進行模擬與預測就顯得極為重要。本文以某污水處理廠為實例，進行場區(qū)環(huán)境影響評價的模擬預測，為該處理廠的地下水污染防治提供技術(shù)支持。

1　概況

該污水處理廠位于上海市黃浦江上游飲用水水源保護區(qū)。場地東側(cè)為淀山湖水系之汪洋港，處于地下水徑流的下游；場地以西有王港村，與其他工廠相隔。

該廠的污水處理工程規(guī)模為5000m3/d，采用一體化生物反應(yīng)池工藝，以高效纖維布濾池過濾工藝深度處理污水，并采用加氯接觸消毒。污泥濃縮后經(jīng)離心脫水，運至污泥固態(tài)好氧發(fā)酵處理廠處理。而COD和氨氮是“十二五”國家總量控制指標，故作為本文研究的主要關(guān)注指標。COD和氨氮設(shè)計進水濃度分別為300mg/l和25mg/l，出水水質(zhì)執(zhí)行《城市污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）的一級A標準，COD和氨氮的設(shè)計出水濃度分別為50mg/l和5mg/l。

根據(jù)現(xiàn)場勘察情況，在場地內(nèi)布設(shè)6口潛水觀測井，并利用場地東側(cè)2個河道觀測點和3個民井作為水文地質(zhì)觀測點。在潛水井施工完成后，采用電測水位儀對各水文地質(zhì)觀測點進行24小時連續(xù)水位觀測，根據(jù)潛水水位觀測結(jié)果，采用美國Golden Software公司發(fā)布的Surfer10.0軟件描述場地潛水流場，如圖1所示。

從流場圖可知，觀測期間評價區(qū)域的潛水流場總體上自西北向東南流動，場地內(nèi)潛水與地表水聯(lián)系密切，一般情況下向汪洋港排泄。

圖1　場區(qū)實測潛水流場（等水位線）圖Fig.1 Equal-level contour of groundwater from field measure in study area

2　土層滲透性測定

場區(qū)地貌類型屬湖沼平原，場區(qū)地勢較為平坦，地面標高在3.47～4.38m之間，一般在3.80m左右，實測勘探孔孔口高程在3.60～4.32m之間。根據(jù)現(xiàn)場巖土工程勘察成果，潛水含水層厚約10m，地層自地表往下依次為：填土（灰黃色粘性土為主）、灰黃色粉質(zhì)粘土、灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、暗綠—草黃色粉質(zhì)粘土及草黃色砂質(zhì)粉土。

為取得場地內(nèi)土層的滲透性參數(shù)，選擇J1、J2、J3號觀測井進行野外降水頭注水試驗。

井孔降水頭注水試驗是野外測定地層滲透性的一種比較規(guī)范的方法。向套管內(nèi)注入清水，使管中水位高出地下水位一定高度（初始水頭值）或至套管頂部后，停止供水，開始記錄管內(nèi)水位高度隨時間的變化。根據(jù)觀測結(jié)果，分別作lnH0/Ht～t關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2　lnH0/Ht～t關(guān)系曲線Fig.2 The curve of lnH0/Ht～t

由曲線求得注水試驗特征時間，并采用下式計算試驗土層的滲透系數(shù)k值，計算結(jié)果如表1所示。

k=(πr2)/(AT0)

式中：T0為注水試驗的特征時間（s），取lnH0/Ht=1時對應(yīng)的時間；Ht為注水時間為t時的水頭值（cm）；H0為注水試驗的初始水頭值（cm）；r為套管內(nèi)徑（cm）；A為形狀系數(shù)，應(yīng)滿足L/r>8，根據(jù)上海地層組合和注水試驗方法，潛層含水層取(2πL)/ln(L/r)，L為試驗段長度（cm）。

表1　場地注水試驗結(jié)果Table 1 The test results of site injection

由表1可知，場地內(nèi)土層滲透系數(shù)為2.25×10-5cm/s至6.9×10-5cm/s，潛層土壤介于粉質(zhì)粘土和粘質(zhì)粉土，分布較為均勻。

3　環(huán)境影響模擬

3.1 數(shù)學模型構(gòu)建

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件建立數(shù)學模型，地下水運動的控制方程和相應(yīng)的邊界和初始條件如下：

控制方程：

式中：μs為貯水率（1/m），W為源匯項（1/d），Kx、Ky、Kz為x、y、z方向上的滲透系數(shù)（m/d），h為地下水水位（m），t為時間。

初始條件：

式中，h0(x,y,z)為已知水位分布，Ω為模型模擬區(qū)。邊界條件：

式中，Γ2為第二類邊界。

為預測本次污染物在地下水中的運移過程，建立地下水溶質(zhì)運移的數(shù)學模型，其控制方程為：

式中：R為遲滯系數(shù)；ρb為土壤的容重；θ為土壤人孔隙率；C為組分濃度（mg/l）；為土壤顆粒骨架吸附的溶質(zhì)濃度（mg/l）；Dij為彌散系數(shù)（m2/d）；vi為地下水速度張量；W為水流的源匯項，λ1和λ2分別為溶解相和吸附相的反應(yīng)速率。

3.2 模型離散化

在平面上邊界條件以內(nèi)的計算區(qū)域為0.5km2，進行模型的離散化，共剖分了約6000個網(wǎng)格，在污水處理廠區(qū)域與王港村存在民用井的區(qū)域加密網(wǎng)格。不考慮水頭與污染濃度在垂向上的變化，因此，在垂向上該含水層僅劃分為一層。網(wǎng)格剖分結(jié)果與邊界條件設(shè)置見圖3。

圖3　模型離散化網(wǎng)格剖分Fig.3 The gridding partition of model dispersed

3.3 水文地質(zhì)參數(shù)

模型的主要水文地質(zhì)參數(shù)包括含水層的滲透系數(shù)K、給水度、有效孔隙度、縱向彌散度、橫向彌散度。根據(jù)現(xiàn)場注水試驗結(jié)果，滲透系數(shù)取J1、J2、J3號觀測井試驗結(jié)果的平均值4.43×10-5cm/s，并認為該含水層各向同性。給水度與有效孔隙度根據(jù)經(jīng)驗分別取0.2和0.15。

本次地下水污染模擬過程未考慮污染物在含水層中的吸附、揮發(fā)、生物化學反應(yīng)，溶質(zhì)運移僅考慮對流擴散與機械彌散，縱向彌散度與橫向彌散度根據(jù)經(jīng)驗均取保守值10m。

3.4 模型求解

利用美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）開發(fā)的MODFLOW程序求解水流方程；結(jié)合水流計算結(jié)果，利用MT3DMS求解溶質(zhì)運移方程。

4　環(huán)境影響預測

4.1 流場預測

為滿足地下水污染預測的目的，須首先對地下水流場進行模擬，穩(wěn)定狀態(tài)時的地下水流場模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4　地下水預測流場（預測等水位線）分布圖Fig.4 Equal-level contour of prediction groundwater level

由地下水流場模擬結(jié)果可知，潛水流場總體上向東南方向流動，往汪洋港排泄，故有利于防止污染物在地下水中向上游擴散，避免大面積的地下水污染。

地下水模擬流場與實測流場（圖1）相比，地下水流向基本一致，但在靠近汪洋港的污水處理廠區(qū)域，實測流場的水頭梯度大于模擬流場，這可能是因為在成井過程中地下水流場受到了干擾，地下水位還沒有恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。地下水流場梯度越小，污染物可向上游遷移距離越遠，因此，為預測可能的最大污染范圍，采用地下水模擬流場用于地下水溶質(zhì)運移模擬。

4.2 情景預測

污水處理廠處理后的尾水直接排放至汪洋港，由于污水廠場地內(nèi)地下水與汪洋港聯(lián)系密切，因此，正常工況排水情況下，尾水中污染物會通過汪洋港與地下水的補給作用影響地下水。

正常工況排水情況下，源強預測為：污水排放量5000m3/d，COD的排放濃度為設(shè)計出水濃度50mg/l，氨氮的排放濃度為設(shè)計出水濃度5mg/l。由于污染物連續(xù)釋放，地下水中污染物的濃度和影響范圍隨時間增加而不斷增加。根據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB/T 14848-93），分別以III類地下水中高錳酸鹽指數(shù)濃度（3.0mg/l）和氨氮濃度（0.2mg/l）預測COD和氨氮的影響范圍。正常工況排水1年后，在潛水含水層中COD附加濃度的影響范圍為325.5m2，5年之后影響范圍為656.7m2，10年之后影響范圍為896.5m2，20年之后影響范圍為1181.4m2。而在潛水含水層中氨氮附加濃度的影響范圍，在正常工況排水1年后為386.3m2，5年之后影響范圍為784.1m2，10年之后影響范圍為1083.4m2，20年之后影響范圍為1433.2m2。

正常工況下COD和氨氮的影響范圍的趨勢預測如圖5。COD的曲線擬合為Y=326.74X0.4327，擬合度R2=0.9997；氨氮的曲線擬合為Y=387.14X0.4403，擬合度R2=0.9996。由此可見，污染物影響范圍隨時間增長將以指數(shù)函數(shù)形式擴張，且氨氮的影響范圍略大于COD的影響范圍。

圖5　污染物影響范圍預測Fig.5 The forecast of pollutants influence range

根據(jù)地下水環(huán)境影響預測結(jié)果，在污水處理廠正常工況排水情景下，污染物將自污染源向汪洋港橫向擴散，這有利于防止污染物向廠區(qū)內(nèi)部以及位于上游的王港村擴散，避免造成大面積地下水污染。同時，由于地下水自北向南流，污染物在縱向上會沿著汪洋港有一定擴散。由于污水處理廠排水口靠近汪洋港，污染物主要沿著地下水流場向汪洋港遷移，且污染物濃度較低，因此污染物的影響范圍有限。

5　結(jié)語

本文利用水文地質(zhì)概念模型對污水處理廠可能對地下水污染的環(huán)境影響進行了模擬與預測，模擬結(jié)果與實測基本一致，且通過預測明確了未來地下水污染的環(huán)境影響范圍，為地下水污染防治提供了技術(shù)支持。

參考文獻(References)

[1] 薛禹群.地下水資源科學管理與地面沉降系統(tǒng)調(diào)控[J].上海地質(zhì),2010,31(4):1-6.Xue Y Q.Scientific management of groundwater resource and systematic control of land subsidence[J].Shanghai Geology,2010,31(4):1-6.

[2] 林學鈺.水土環(huán)境質(zhì)量保護是國土資源管理的重要內(nèi)容[J].上海國土資源,2011,32(1):1-7.Lin X Y.Soil and water quality protection is the important part of land and resources management[J].Shanghai Land &Resources,2011,32(1):1-7.

[3] 羅啟仕.我國城市建設(shè)用地水土污染治理現(xiàn)狀與問題分析[J].上海國土資源,2015,36(4):59-63.Luo Q S.Status of remediation of contaminated urban development land in China and analysis of existing problems[J].Shanghai Land &Resources,2015,36(4):59-63.

[4] 夏晨,李金柱,何中發(fā).上海市淺層地下水環(huán)境地球化學背景值研究[J].上海地質(zhì),2006,27(1):24-28.Xia C,Li J Z,He Z F.Research on geochemistry background value for subsurface water in Shanghai[J].Shanghai Geology,2006,27(1):24-28.

[5] 李金柱.上海地區(qū)淺層地下水有機污染基本特征[J].上海國土資源,2012,33(2):25-28.Li J Z.The contamination of phreatic water in Shanghai by organic compounds[J].Shanghai Land &Resources,2012,33(2):25-28.

[6] 薛紅琴.地下水溶質(zhì)運移模型應(yīng)用研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].勘察科學技術(shù),2008,(6):17-22.Xue H Q.Present situation of application research on the mathematic model of groundwater solute migration and its development[J].Site Investigation Science and Technology,2008,(6):17-22.

[7] 金曉文,曾斌,劉建國,等.地下水環(huán)境影響評價中數(shù)值模擬的關(guān)鍵問題討論[J].水電能源科學,2014,32(5):23-28.Jin X W,Zeng B,Liu J G,et al.Discussion on key issues of numerical simulation in groundwater environment impact assessment[J].Water Resources and Power,2014,32(5):23-28.

[8] 張平,陳彥群,黃奇文,等.沈陽石蠟化工有限公司廠區(qū)地下水污染模擬預測[J].沈陽大學學報(自然科學版),2012,24(1):48-52.Zhang P,Chen Y Q,Huang Q W,et al.Simulation forecasting of underground water contamination at factory district of Shenyang Paraffin Wax Chemical Limited Company[J].Journal of Shenyang University (Natural Science),2012,24(1):48-52.

The environmental impact simulation and prediction of groundwater pollution

FAN Yu,XIE Shi-Hong,LI Ren-Zheng,ZHANG Hao
(Shanghai Geological Engineering &Geology Institute Co.Ltd,Shanghai 200072,China)

Abstract:At present,groundwater pollution has been a serious environment problem in our country.The pollution always runs slow,and is difficult to detect and control.In order to further understand the environmental impact of groundwater pollution,this paper take a sewage treatment plant as an example and considers the geological characteristics of the site.A water injection test is used to determine the soil permeability coefficient,an established mathematical model used to simulate environmental impact,and to identify the known hydrogeological parameters in order to predict the scope of the environmental impact of pollutants.Results are compared under normal and abnormal conditions.The purpose of this research is to eventually provide some technical support for the research and governance of groundwater pollution.

Key words:groundwater pollution;environmental impact;simulation and prediction

作者簡介:范宇(1988-),女,碩士,助理工程師,主要從事環(huán)境水文地質(zhì)研究.

修訂日期:2016-03-10

收稿日期:2016-01-18

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.020

中圖分類號：P641.3

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1329(2016)01-0086-04

電子郵箱:fanyuwx@126.com

聯(lián)系電話:021-56063480