考慮土壤吸附作用的地下水污染物運(yùn)移特征研究

鄭玉虎，吳明洲，徐愛蘭，楊道軍

(1.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210093；2.南通市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 南通 226000)

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考慮土壤吸附作用的地下水污染物運(yùn)移特征研究

鄭玉虎1，吳明洲1，徐愛蘭2，楊道軍1

(1.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210093；2.南通市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 南通 226000)

地下水是水資源的重要組成部分，若被污染，則再難于恢復(fù)到原來的狀態(tài)，探討分析地下水污染物運(yùn)移特征對(duì)于保護(hù)地下水資源具有重要意義。本文以南通某沿海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)為例，對(duì)研究區(qū)內(nèi)的地下水和包氣帶進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并運(yùn)用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件GMS，對(duì)研究區(qū)典型污染物運(yùn)移特征進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，探討分析土壤吸附作用對(duì)污染物運(yùn)移的影響。結(jié)果表明，污染物遷移距離和運(yùn)移面積與污染物源強(qiáng)呈正相關(guān)關(guān)系，考慮吸附作用時(shí)，COD和氨氮污染物中心點(diǎn)濃度分別降低29.9%和29.8%，最大遷移距離分別降低20.4%和24.9%，超標(biāo)面積分別降低32.4%和29.2%，吸附作用對(duì)污染物具有顯著的削減作用。

地下水監(jiān)測(cè)；吸附作用；溶質(zhì)運(yùn)移；地下水污染防治

地下水是水資源的重要組成部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國水資源總量約為27 940億 m3，其中1/3為地下水[1]。隨著人口的增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加快，地下水污染問題日趨嚴(yán)重。由于地下水的隱蔽性、不可逆性以及構(gòu)成因素的多樣性和系統(tǒng)的復(fù)雜性，其一旦被污染，則再難于恢復(fù)到原來的狀態(tài)[2～4]。本文以南通某沿海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)為例，對(duì)研究區(qū)內(nèi)的地下水和包氣帶進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并結(jié)合數(shù)值模擬的方法，探討分析典型污染物在地下水中的遷移特征，以期為環(huán)境管理與地下水污染防治提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況[1]

研究區(qū)為南通某沿海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，累計(jì)落戶項(xiàng)目100多個(gè)，形成集醫(yī)藥、農(nóng)藥、高分子材料為主導(dǎo)的三大產(chǎn)業(yè)板塊群。開發(fā)區(qū)東枕黃海，占地面積約9.7 km2，區(qū)位條件得天獨(dú)厚。研究區(qū)地貌特

征為典型的濱海平原，場(chǎng)地較平緩開闊，地形坡度3°以內(nèi)，自然地面標(biāo)高3.79～5.69 m(黃海高程系)，總體呈西南高東北低狀。研究區(qū)地處亞熱帶與溫暖帶的過渡地段，為典型的海洋性氣候，年平均氣溫為14.9℃，年平均降水量為1 044.7 mm，年平均蒸發(fā)量為1 369.8 mm。

研究區(qū)西部以振洋河為界，北部以黃海為界，東部以匡河為界，南部以一內(nèi)陸河為界，整個(gè)研究區(qū)范圍面積約16 km2。本區(qū)大地構(gòu)造處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)東部，地層屬于揚(yáng)子地層區(qū)。地表第四系廣泛覆蓋，無基巖出露。區(qū)內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水，具有分布廣、層次多、水量豐富，水質(zhì)復(fù)雜等特征。區(qū)內(nèi)潛水含水層地層巖性主要為粉土、粉砂，層厚33.4～37.2 m，承壓含水層地層巖性主要為粉細(xì)砂，層厚5.1～6.7 m，潛水含水層隔水底板埋深35.2～39.8 m，巖性主要為淤泥質(zhì)粘土，滲透性較弱。區(qū)內(nèi)淺層地下水埋深較淺，一般在1.55～2.83 m左右，地下水流向主要由西南向東北。

2 地下水污染現(xiàn)狀分析

根據(jù)研究區(qū)用地功能區(qū)劃、地下水埋藏特征、區(qū)域地下水流向，采用控制性布點(diǎn)和功能性布點(diǎn)相結(jié)合的原則，在區(qū)內(nèi)共布設(shè)了地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)10個(gè)，包氣帶監(jiān)測(cè)點(diǎn)5個(gè)。按照《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 164-2004)要求進(jìn)行地下水樣采集，分別對(duì)淺層20 cm包氣帶和深部80 cm包氣帶進(jìn)行采樣分析。分析方法分別采用《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸鹽法》(GB 11914-1989)以及《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535-2009)。監(jiān)測(cè)結(jié)果采用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-93)中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。

表1 地下水、包氣帶監(jiān)測(cè)值統(tǒng)計(jì)分析

注：地下水中COD和氨氮單位為mg/L，包氣帶中COD和氨氮單位為mg/kg。

圖1 地下水COD、氨氮污染物濃度等值線圖

采用surfer13.0對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(見圖1)，插值方法采用克里金法(Kriging)，該方法是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變差函數(shù)為主要工具，在保證估計(jì)值滿足無偏性條件和最小方差條件的前提下求得估計(jì)值。據(jù)分析，研究區(qū)COD和氨氮污染物主要有以下污染特征：(1)潛水含水層中COD和氨氮污染物在廠區(qū)附近濃度較大，在居民區(qū)和耕種區(qū)濃度較小，并從廠區(qū)向居民區(qū)和耕種區(qū)遞減，表明廠區(qū)附近污染程度較大，廠區(qū)防滲系統(tǒng)存在一定程度的破損，污染物入經(jīng)包氣帶入滲至淺層地下水中造成污染；(2)包氣帶中COD和氨氮污染物濃度由表層向深層遞減，表明污染物主要富集在包氣帶表層土壤，向下遷移難度較大，包氣帶對(duì)于污染物遷移起到了一定程度的阻滯作用；(3)包氣帶中COD污染物濃度相對(duì)潛水含水層較大，表明COD污染物主要集中在包氣帶中，部分已經(jīng)運(yùn)移到下部淺層地下水，區(qū)內(nèi)淺層地下水中COD污染程度較小。

3 地下水溶質(zhì)遷移特征分析

溶質(zhì)在地下水中的遷移過程是水動(dòng)力彌散作用的結(jié)果，水動(dòng)力彌散是由溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中的機(jī)械彌散和分子擴(kuò)散所引起的。除了機(jī)械彌散和分子擴(kuò)散外，某些其他現(xiàn)象也會(huì)影響多孔介質(zhì)中溶質(zhì)的濃度分布，如多孔介質(zhì)中固體顆粒表面對(duì)溶質(zhì)的吸附、沉淀，水對(duì)固體骨架的溶解和離子交換等。此外，液體內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致溶質(zhì)濃度的變化[5]。

近年來，基于地下水溶質(zhì)運(yùn)移理論開發(fā)的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件已較為成熟，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。這里，運(yùn)用基于有限差分原理的GMS(Groundwater Modeling System)，對(duì)研究區(qū)污染物溶質(zhì)運(yùn)移特征進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)分析。GMS是由Brigham Young大學(xué)環(huán)境模擬研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的先進(jìn)的、基于概念模型的地下水環(huán)境模擬軟件。GMS是唯一支持TINs、Solids、鉆孔數(shù)據(jù)、2D和3D地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的地下水流模擬軟件。GMS數(shù)值模擬功能強(qiáng)大，能模擬多相多組分的溶質(zhì)運(yùn)移的同時(shí)，該軟件還提供了多種組建地下水?dāng)?shù)值模型的方法[6]。

3.1 水文地質(zhì)概念模型

水文地質(zhì)概念模型是建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。研究區(qū)潛水含水層地層巖性主要為粉土、粉砂，區(qū)域地下水流向主要由西南向東北。該區(qū)地表水與地下水水力聯(lián)系較好，確定模擬區(qū)四周分別以振洋河、內(nèi)陸河、匡河和黃海為給定水頭邊界。下邊界為透水性差的以淤泥質(zhì)粘土為主的弱透水層，該層阻斷了潛水含水層與下伏承壓含水層的水力聯(lián)系，故定義為隔水邊界。根據(jù)模擬區(qū)地層條件，污染進(jìn)入地下主要污染潛水含水層。因此，模擬層位為第四系潛水含水層。

3.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，評(píng)價(jià)范圍內(nèi)地下水流運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型可以表示為潛水含水層非均質(zhì)、各向異性三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型，其控制方程及定解條件如下[7]：

(1)

其中：Kxx，Kyy，Kzz為主坐標(biāo)軸方向多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)，[LT-1]；h：水頭，[L]；W為單位面積垂向流量，[LT-1]，用以表示源匯項(xiàng)；μ為多孔介質(zhì)的給水度(或飽和差)；z為潛水含水層的底板標(biāo)高，[L]；t為時(shí)間，[T]。

方程(1)加上相應(yīng)的初始條件和邊界條件，就構(gòu)成了描述地下水運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本次模擬的定解條件可表示為：

初始條件：H(x，y，z，0)=H0(x，y，z) (x，y，z)∈Ω

(2)

第一類邊界條件：H(x，y，z，t)|Γ1=H1(x，y，z，t)

(3)

式中：Ω表示滲流區(qū)域；Γ1表示第一類給定水頭邊界。

3.3 地下水污染物遷移數(shù)學(xué)模型

污染物在地下水中的運(yùn)移包括對(duì)流、彌散以及溶質(zhì)本身的物理、化學(xué)變化等過程，可表示為：

(4)

假設(shè)溶質(zhì)的吸附能達(dá)到平衡，同時(shí)其化學(xué)反應(yīng)為一階不可逆的，則方程(4)可用下面的方程來表示：

(5)

式中：λ1和λ2分別表示溶質(zhì)在溶解相和吸附相中的衰變速率[T-1]；表示含水層介質(zhì)吸附溶質(zhì)的能力[MM-1]；ρb表示介質(zhì)的體積密度[ML-3]；R為阻滯因子，并且R=1+ρbKd/θ；Kd為溶質(zhì)吸附相與溶解相的平衡分布系數(shù)[L3M-1]。

由方程(5)與其相應(yīng)的定解條件即可構(gòu)成評(píng)價(jià)區(qū)地下水中溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型。

圖2 模型網(wǎng)格剖分

3.4 模型校正與識(shí)別

研究區(qū)內(nèi)地下水污染源主要有污水處理站、固廢堆場(chǎng)、儲(chǔ)罐區(qū)、生產(chǎn)車間等構(gòu)筑物，根據(jù)構(gòu)筑物特征將污染源概化為一面源污染。為更精確模擬溶質(zhì)運(yùn)移，在污染源處加密網(wǎng)格，最小網(wǎng)格空間長(zhǎng)度達(dá)到5 m，共計(jì)剖分87 615個(gè)矩形單元網(wǎng)格，剖分后的網(wǎng)格見圖2。網(wǎng)格垂向上剖分依據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)含水層特征劃分為三層。第一層為粉土，厚度4 m左右；第二層粉質(zhì)粘土夾粉土，厚度3 m左右；第三層為粉土夾粉砂，為主要含水層，含水層厚度18 m左右。模擬計(jì)算含水層地下水水位與實(shí)測(cè)地下水水位誤差均在0.2 m以內(nèi)，模擬誤差較小，在一定程度上反映模型計(jì)算的合理性，見圖3。

圖3 計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比圖

圖4 工況一COD污染物運(yùn)移分布圖(100 d、1 000 d、10 000 d)

圖5 工況一氨氮污染物運(yùn)移分布圖(100 d、1 000 d、10 000 d)

圖6 工況二COD污染物運(yùn)移分布圖(100 d、1 000 d、10 000 d)

圖7 工況二氨氮污染物運(yùn)移分布圖(100 d、1 000 d、10 000 d)

3.5 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

這里，預(yù)測(cè)不同情況下溶質(zhì)在地下水中的運(yùn)移情況：(1)工況一：地下水防滲系統(tǒng)破損，溶質(zhì)穿過包氣帶進(jìn)入到地下水中造成污染，且只考慮對(duì)流彌散作用，不考慮吸附分解作用；(2)工況二：地下水防滲系統(tǒng)破損，溶質(zhì)穿過包氣帶進(jìn)入到地下水中造成污染，同時(shí)考慮對(duì)流彌散作用和吸附分解作用；(3)工況三：地下水防滲系統(tǒng)完好，具有較好的防滲性能，溶質(zhì)較難入滲污染地下水和包氣帶。預(yù)測(cè)時(shí)間分別為100 d、1 000 d和10 000 d，預(yù)測(cè)源強(qiáng)COD和氨氮分別為5 000 mg/L和100 mg/L，預(yù)測(cè)結(jié)果見圖4～圖7。

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，研究區(qū)COD和氨氮污染物在地下水中的運(yùn)移特征主要有：(1)由于研究區(qū)地下水水力坡度較小，水流速度較緩，污染羽總體上由污染源中心向四周擴(kuò)散，向東北方向微傾，與水流方向一致；(2)污染物遷移距離和運(yùn)移面積與污染物源強(qiáng)呈正相關(guān)關(guān)系，即污染物初始濃度越高，遷移距離越大，污染面積越大；(3)土壤對(duì)溶質(zhì)的吸附分解對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移具有顯著的削減作用，考慮吸附作用時(shí)，COD和氨氮污染物中心點(diǎn)濃度分別降低29.9%和29.8%，最大遷移距離分別降低20.4%和24.9%，超標(biāo)面積分別降低32.4%和29.2%；(4)當(dāng)?shù)叵滤罎B系統(tǒng)完好且具有較好的防滲性能時(shí)，溶質(zhì)較難入滲污染地下水，此時(shí)COD和氨氮污染物中心點(diǎn)濃度分別為0.4 mg/L和0.008 mg/L，相對(duì)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)中的20 mg/L和0.2 mg/L，濃度很小，可認(rèn)為該工況下COD和氨氮污染物不會(huì)對(duì)地下水水質(zhì)造成顯著影響。

表2 不同工況下污染物運(yùn)移特征表

注： “/”前后的值分別表示工況一、工況二和工況三情況下的計(jì)算結(jié)果。

圖8 工況一COD、氨氮污染物濃度-時(shí)間曲線

圖9 工況二COD、氨氮污染物濃度-時(shí)間曲線P

圖10 工況三COD、氨氮污染物濃度-時(shí)間曲線

注：污染源中心網(wǎng)格編號(hào)為7018，污染源邊界網(wǎng)格編號(hào)為8552。

不同工況下，預(yù)測(cè)期內(nèi)污染源中心與污染源邊界處COD和氨氮污染物濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖8～圖10。污染源中心處溶質(zhì)運(yùn)移速度相對(duì)邊界處較快，中心處污染物運(yùn)移速度呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，而邊界處污染物運(yùn)移速度呈現(xiàn)先慢后快的趨勢(shì)，并且在前期一定時(shí)間段內(nèi)，污染物并未運(yùn)移到邊界處，邊界處污染物濃度較低。多孔介質(zhì)中固體顆粒表面對(duì)溶質(zhì)的吸附、沉淀作用主要取決于介質(zhì)的吸附能力，當(dāng)介質(zhì)的顆粒比表面積越大，吸附作用越強(qiáng)[8]。研究區(qū)內(nèi)潛水含水層主要巖性為粉質(zhì)粘土、粉土夾粉砂，粘土顆粒和粉土、粉砂顆粒較細(xì)，吸附作用較強(qiáng)。通過不同工況下的對(duì)比分析，不同工況下，污染物濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)總體上較為一致，但是當(dāng)考慮吸附作用時(shí)，污染物濃度整體上有所降低。這是由于，污染物運(yùn)移速度受對(duì)流彌散作用強(qiáng)烈，溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的過程中，介質(zhì)吸附了地下水中的部分溶質(zhì)，但是對(duì)溶質(zhì)的運(yùn)移速度產(chǎn)生影響較小，表明吸附作用對(duì)于COD和氨氮污染物運(yùn)移具有顯著的削減作用。

4 結(jié)語

研究區(qū)COD和氨氮污染物存在一定程度的污染，主要集中在化工園區(qū)廠址附近。污染羽受地下水對(duì)流彌散作用強(qiáng)烈，污染物遷移距離和運(yùn)移面積與污染物源強(qiáng)呈正相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)內(nèi)土壤顆粒較細(xì)，吸附作用較強(qiáng)，對(duì)區(qū)內(nèi)COD和氨氮污染物具有顯著的削減作用。

當(dāng)?shù)叵滤罎B系統(tǒng)完好且具有較好的防滲性能時(shí)，溶質(zhì)較難入滲造成地下水污染。土壤對(duì)污染物的吸附作用在一定程度上有削減作用，但是園區(qū)內(nèi)地下水污染源眾多，且地下水一旦受污染其發(fā)現(xiàn)和治理難度都非常難。為了更好的保護(hù)地下水資源，建議采取源頭控制、分區(qū)防滲和地下水污染監(jiān)控相結(jié)合的措施，并制訂相應(yīng)地下水污染事故應(yīng)急預(yù)案，一旦發(fā)生污染，及時(shí)響應(yīng)，將污染程度降至最低。

[1]張新鈺，辛寶東，王曉紅，等.我國地下水污染研究進(jìn)展[J].地球與環(huán)境.2011(03):56-59.

[2]薛禹群，張幼寬.地下水污染防治在我國水體污染控制與治理中的雙重意義[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào).2009(03):32-35.

[3]張磊，展漫軍，杭靜.典型化工園區(qū)地下水環(huán)境調(diào)查及評(píng)價(jià)[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào).2015(18)：87-89.

[4]王賓，王敏，沈?qū)帉?，?再生鉛企業(yè)土壤-地下水中重金屬污染遷移特征[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警.2016(05):54-59.

[5]吳明洲，王錦國，陳舟.沿海灘涂淤泥質(zhì)黏土水鹽遷移試驗(yàn)分析[J].水資源保護(hù).2016(3)：59-62.

[6]仝曉霞，寧立波，董少剛，等.運(yùn)用GMS模型對(duì)某垃圾場(chǎng)地下水污染的研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù).2012(07)：75-79.

[7]薛禹群，吳吉春.地下水動(dòng)力學(xué)[M].北京：水利水電出版社.2009:108-120.

[8]張德生，常安定，沈冰.土壤中吸附性溶質(zhì)運(yùn)移對(duì)流-彌散模型的準(zhǔn)解析解及其數(shù)值模擬[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯). 2005(02):32-38.

Study on the characteristics of ground water contaminant transport considering soil adsorption

ZHENG Yu-hu1, WU Ming-zhou1, XU Ai-lan2, YANG Dao-jun1

(1.Nanjing University environmental planning and Design Institute Company Limited, Nanjing, Jiangsu, 210093, China；2.Nantong environmental monitoring center of Jiangsu, Nantong, Jiangsu, 226000, China)

Once groundwater that is an important part of water resources is contaminated, it is difficult to restore to the original state. It is of great significance to analyze the characteristics of groundwater contaminant transport for the protection of groundwater resources. In this paper, a coastal economic development zone in Nantong as an example, this paper monitored groundwater and applied vamoose zone in the study area and groundwater numerical simulation software GMS to Simulated and predicted Migration characteristics of typical pollutants in the study area, at the same time, this paper studied and analyzed effect of soil adsorption on contaminant transport. The results showed that there was a positive correlation between the migration distance and the migration area and the source intensity. When considering adsorption, the concentration of COD and ammonia nitrogen respectively, decreased 29.9% and 29.8%,the maximum migration distance respectively decreased 20.4% and 24.9%, the area respectively decreased 32.4% and 29.2%.Adsorption has a significant role in reducing pollutants.

groundwater monitoring; adsorption; solute transport; prevention and control of underground water pollution

2017-02-15

江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)科研基金項(xiàng)目(1310)

鄭玉虎(1988-)，男，安徽宿州人，工程師，主要從事地下水?dāng)?shù)值模擬與水環(huán)境治理方面工作。

楊道軍(1982-)，男，安徽馬鞍山人，高級(jí)工程師，主要從事水資源與水環(huán)境研究。

P641.2

A

1004-1184(2017)03-0004-04