煤矸石作路基材料對地下水硝酸鹽污染的數值模擬分析

杜勇立, 黃向京, 戚芳方, 黃滿紅

(1.中南大學 土木學院, 長沙 410075; 2.湖南省交通規劃勘察設計院, 長沙 410008;3.東華大學 環境科學與工程學院, 上海 201620)

0 概 述

采用煤矸石作為公路鐵路的路基材料,不但可以解決煤矸石占地大、污染大的問題,還能節省大量的土方,從而減少工程用土對沿線田地的破壞.但是,大量應用煤矸石后,是否會對道路的沿線環境造成二次污染也是一個不容忽視的問題.煤矸石中的有害物質很可能在經過雨雪的淋洗或者地下水的浸泡后被溶出,進而對道路周邊環境,例如地下水源、農田等造成直接而長遠的危害,也極有可能通過食物鏈進入人體來直接危害道路沿線居民的身體健康[1].

地下水硝酸鹽污染成為國際性問題,已在世界上多數國家造成危害[2].在美國及歐洲的一些國家里已經相當嚴重,對人類健康構成潛在威脅.近幾十年來的監測結果顯示,地下水中硝酸鹽氮濃度正在逐年增高[3].美國許多地區水中硝酸鹽平均每年增長0.8 mg·L-1,1895～1970年在伊利諾斯州、以阿華州、明尼蘇達州等均有許多農場井水的硝酸鹽含量為45～450 mg·L-1的記載[4-5].1999年歐洲22%農業地下水硝酸鹽氮濃度超過10 mg·L-1[6].在德國,有50%的農用井水硝酸鹽氮濃度超過了60 mg·L-1[7].1996年以來,丹麥和荷蘭地下水中硝酸鹽氮濃度以每年0.2～1.3 mg·L-1的速度上升[8].

2003年的國家地質調查局數據表明,全國118個大中城市中有76個城市地下水存在嚴重的硝酸鹽污染,占總數的64%;39個城市輕度污染,占總數的33%,僅有3個城市未受污染[9].北方以地下水為主要供水水源的大城市污染更為明顯,硝酸鹽氮濃度超過世界衛生組織(WHO)衛生標準的面積在100～200 km2以上的城市就有4個[10].WHO和美國EPA最高污染物水平(MCL)控制標準規定,飲用水中硝酸鹽濃度不得超過10 mg·L-1[11- 12],我國飲用水衛生標準(GB 5749～2006)最新規定的飲用水中硝酸鹽濃度限值也為10 mg·L-1[13].可見,隨著工農業的迅猛發展和城市人口的急劇膨脹,地下水硝酸鹽污染在全國范圍內都達到了相當嚴重的程度,對安全飲水和人民身體健康構成了嚴重威脅.

1 實驗材料與方法

實驗所用的煤矸石和粘土均取自于某高速公路用材,采用連續式勻速淋溶來模擬自然降雨,利用恒流泵控制加入的蒸餾水每次約為600 mL,持續加水60 min,然后停水120 min,再繼續加入蒸餾水,共加水8次.用錐形瓶接收分液漏斗的溶出液,分別接8次,每次約為120 mL.接收完溶出液后,錐形瓶瓶口用保鮮膜封好,以免水樣被污染.

圖1 淋溶實驗裝置

實驗分析時,采用離子色譜法測定濾液中的硝酸鹽濃度.

實驗裝置見圖1.在實驗室內,將各種樣品粉碎成粒徑小于10 mm的顆粒.在1000 mL的筒式分液漏斗底部緊密鋪兩層定量濾紙,然后裝入厚度約為200 mm(約1000 g)的煤矸石樣品,輕輕晃動分液漏斗,使顆粒緊實無空隙,記為樣品1.另取4個分液漏斗,分別按10%、20%、40%的比例加入土壤和煤矸石樣品的混合物,記為樣品2、3、4,按高度比為0.5∶6.0∶1.0裝入10、120、20 mm的沙礫、煤矸石和土壤,記為樣品5.

2 數值模擬

淋溶煤矸石路堤所產生的污染物在土壤-水環境體系中進行的擴散是一個三維流體運動,相關研究者[1,14]假設土壤為各向同性、均質的多孔介質,然后根據淋溶煤矸石所產生的污染物(即溶質)隨水分遷移的規律,建立了煤矸石路堤下土壤水分運移的一維控制數學模型為:

(1)

式中:I=[0,∞),但在實際計算中常取I=[0,L](L為某一時刻或距離);z為溶質垂向運移距離,取向下為正,cm;t為時間,min;T為某一時刻,min;θ為土壤含水量,g/cm3;θm為初始含水量,g/cm3;θb為上邊界含水量,g/cm3;K(θ)、D(θ)分別為非飽和土壤導水率和擴散率;i(t)為降雨強度,mm/min.

第一類初始條件:

(2)

第二類初始條件:

(3)

式中:c0為土壤中溶質的初始質量濃度(由上述淋溶實驗所確定),mg/L;D為水動力彌散系數,cm;c為土壤中溶質的濃度,mg/L;v為水在z或y方向的速度,cm/s.第一類初始條件考慮濃度的z向遷移,第二類初始條件則考慮水的動力擴散和彌散[15].

本研究采用地下水模擬軟件GMS對所研究區域地下水中的硝酸鹽濃度進行數值模擬,從而得到煤矸石淋溶的主要污染成分硝酸鹽的遷移變化規律.

GMS是Groundwater Modeling System的簡寫,是美國Brigham Young University的環境模型研究室和美國軍隊排水工程試驗工作站開發的用于地下水模擬的軟件包.GMS運行方式以地下水流模擬為基礎,在地下水流模擬的基礎上,建立一系列的水質模擬.水量模擬軟件為MODFLOW(有限差分法)和FEMWATER(有限元法),水質模擬軟件有MT3D和RT3D[16].

數值模擬中的占地面積、降雨量、抽水量、雨水入滲量以及水質現狀指標為實際工程所在地的實際數據,污染物源強采用上述淋溶實驗數據,具體計算如下:

2.1 源強計算

對于硝酸鹽污染源注入的原始濃度,利用實驗室模擬自然降雨動態淋溶試驗確定五類煤矸石樣品的累積濃度的平均值,從而計算出該研究路段10年內的降雨淋溶下的平均值(認為淋溶將持續10年左右),該值即作為污染源的原始濃度連續滲入地下水,具體計算過程如下:

該研究路段占地面積約為9.441×105m2,每年的平均降雨量約為1400 mm,所以該研究路段平均一年的降水量約為9.441×105×102×14=1.32×109L.

取淋溶實驗所得硝酸鹽濃度的平均值進行擬合,得到淋溶液中硝酸鹽濃度與降水量(淋溶量)V的關系為C=C0e-nV=55.569e-1.0288V,對其進行積分,就可得到降水量為V時硝酸鹽污染因子的釋放總量為

(4)

式中:C為降水量(淋溶量)所對應的硝酸鹽的濃度,mg/L;V為降水量(淋溶量),mL;C0,n為淋溶系數和指數[17].代入數據得該路段10年的硝酸鹽釋放總量為540 mg/L(以N計:135 mg/L).

2.2 模擬參數的確定

本文作者以湖南省安化至邵陽高速公路的漣源市伏口鎮標江村至窄山路段及周圍區域作為研究對象.模擬區域利用實際地形圖確定范圍,如圖2所示,地下水水流模型邊界按實際水文地質資料為定壓水頭邊界,西北有一座井,抽水量約為100 m3/d.

圖2 模擬區域地形圖

表1 模擬參數(水文地質資料)

數值模擬參數主要使用當地提供的水文地質資料,而硝酸鹽的污染源注入初始濃度采用實驗結果,計算出樣品在10年的降雨量淋溶下的硝酸鹽釋放總量為135×10-6,將該值作為污染源的初始濃度值連續地滲入地下水系統.其他模擬參數,如表1所示.

2.3 地下水流動的主要模擬結果

由于地下水的流量是由水頭梯度決定的,故由已知水頭分布的水頭模型即可算得地下水的流量.這種模型可用來計算地下水的水頭在時間、空間上的變化,為地下水資源的準確評價和合理開發、抽水引起的地面沉降的預測、地下水污染的預測和控制,為查明放射性廢物在地下儲存的可能性、肥料在土壤中的運移等提供依據.

根據當地有關部門提供的實際水文地質資料模擬地下水的流動情況,其主要模擬結果見圖3.

從圖3中可以看出,研究路段的地下水水頭橫向變化不明顯,縱向變化顯著,自北向南逐漸減小.

圖3 模擬地下水流動等水頭線分布圖

2.4 淋溶液污染組分硝酸鹽運移規律數值模擬

在模擬地下水流動的基礎上,本文作者對煤矸石樣品淋溶液中主要污染成分硝酸鹽在地下水系統中的濃度分布規律進行了數值模擬.

研究結果如圖4所示.由圖4分析得出:

(1) 隨著時間的推移,受污染面積不斷向橫縱兩軸擴大,且橫向更為顯著,污染范圍逐漸呈橢圓形,另外,地下水流的下游方向比上游方向的受污染范圍更大.

(2) 地下水的受污染程度與其距污染源的距離有關,距離污染源越遠,污染物的濃度越低.

(3) 同一位置處污染物的濃度隨著時間的持續不斷增大,最后趨于穩定.

(4) 隨著時間的推移,污染物擴散遷移的速率越來越小,煤矸石所產生的硝酸鹽污染在地下水環境中的擴散遷移緩慢.10年后,該研究路段的硝酸鹽污染程度(以N計)處于5～20 mg/L,達到地下水環境質量標準(GB/T14848-93)Ⅲ類標準,而在地下水下游區域硝酸鹽濃度(以N計)處于2 mg/L到5 mg/L,達到地下水環境質量標準(GB/T14848-93)Ⅱ類標準,在地下水上游區域硝酸鹽濃度(以N計)處于2 mg/L以下,達到地下水環境質量標準(GB/T14848-93)Ⅰ類標準.

另外,在研究路段及周邊區域選取B(506,349)、C(511,289)、D(669,316)、A(385,318)4個預測點考察研究路段南北方向與地下水上下游方向的污染情況,如圖5所示,由GMS軟件模擬得出1、5以及10年后該預測點處的硝酸鹽濃度,見表2.實際測定該研究路段地下水水質現狀見表3.

圖4 1、5、10年硝酸鹽污染暈二維濃度場等值線分布圖

圖5 預測點選取

表2 1、5以及10年后各預測點處的硝酸鹽濃度(以N計,mg/L)

表3 該研究路段地下水水質現狀

3 結 論

采用模擬自然降水的淋溶實驗,獲得硝酸鹽污染物的初始濃度,將其定義為研究路段的污染物初始濃度,然后利用GMS軟件進行數值模擬,對所研究區域地下水系統中的煤矸石淋溶液中硝酸鹽濃度進行了數值模擬.結果表明:隨著時間的推移,受污染面積不斷向橫縱兩軸擴大,且橫向更為顯著,污染范圍逐漸呈橢圓形,另外,地下水流的下游方向比上游方向的受污染范圍更大;地下水的受污染程度與其距污染源的距離有關,距離污染源越遠,污染物的濃度越低;同一位置處污染物的濃度隨著時間的持續不斷增大,最后趨于穩定;隨著時間的推移,污染物擴散遷移的速率越來越小,煤矸石所產生的硝酸鹽污染在地下水環境中的擴散遷移緩慢.10年后,該研究路段的硝酸鹽(以N計)處于5～20 mg/L,達到地下水環境質量標準(GB/T14848-93)Ⅲ類標準,而在地下水下游區域硝酸鹽濃度(以N計)處于2～5 mg/L,達到地下水環境質量標準(GB/T14848-93)Ⅱ類標準,在地下水上游區域硝酸鹽濃度(以N計)處于2 mg/L以下,達到地下水環境質量標準(GB/T14848-93)Ⅰ類標準.

參考文獻:

[1] 鄧仁健,任伯幟,周賽軍.煤矸石淋溶污染物對高速公路沿線土壤水環境污染的仿真研究[J]. 環境污染與防治,2008,30(3):32-38.

[2] CHOI W J,HAN G H,LEE S M,et al.Impact of land-use types on nitrate concentration and δ15N in unconfined groundwater in rural areas of Korea.agriculture[J].Ecosystems & Environment,2007,120(5):259-268.

[3] VITOUSEK P M.Human alterations of the global nitrogen cycle sources and consequences[J].Ecol Appl,1997,7(3):737-750.

[4] World Health Orgainizaton.Guidelines for drinking water quality[M].Genev:World Health Organization,1996.

[5] COSTA J L.Nitrate contamination of aquifer and accumulation in the unsaturated zone[J].Agricultural Water Management,2002(57):33-47.

[6] CEPUDER P,SHUKLA K M.Groundwater nitrate in Austria:a case study in Tullnerfeld[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems,2002,64(3):301-315.

[7] ONORATI G,MEO T D,BUSSETTINI M,et al.Groundwater quality monitoring in Italy for the implementation of the EU water framework directive[J].Physics and Chemistry of the Earth,2006,31(17):1004-1014.

[8] LUK G K,AU Y W C.Experimental investigation on the chemical reduction of nitrate from groundwater[J].Advances in Environmental Research,2002,6(4):441-453.

[9] 徐芳香,陸雍森.我國地下水中硝酸鹽污染防治及水源保護區劃分[J].污染防治技術,1999,12(1):20-23.

[10] 朱濟成.關于地下水硝酸鹽污染原因的探討[J].北京地質,1995,2(2):20-26.

[11] World Health Organization.Guidelines for drinking water quality:Recommendations[M].Geneva:WHO,1984.

[12] YANG L.Investigation of nitrification by co-immobilized nitrifying bacteria and zeolite in a batchwise fluidized bed[J].Water Sci Tech,1997,35(8):169-175.

[13] 張大奕.地下水氮污染控制供碳與生物脫氮效應研究[D].北京:清華大學,2008.

[14] BEAR J,CHENG A.Modeling groundwater flow and contaminant transport[M].New York:Springer-Verlag New York Inc.,2010.

[15] ZHENG C M,GORDON D B.Applied contaminant transport modeling(second edition)[M].Beijing:Higher Education Press,2009.

[16] 易立新.地下水數值模擬:GMS應用基礎與實例[M].北京:化學工業出版社,2009.

[17] 肖麗萍.煤殲石淋溶液對地下水系統污染規律的研究[D].阜新:遼寧工程技術大學,2007.