地下水污染環(huán)境影響模擬與預(yù)測(cè)

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）

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地下水污染環(huán)境影響模擬與預(yù)測(cè)

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(guò)程緩慢、不易發(fā)現(xiàn)和難以治理等特點(diǎn)，屬重大環(huán)境問(wèn)題。為進(jìn)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(chǎng)區(qū)的地質(zhì)特征，采用注水試驗(yàn)確定場(chǎng)地內(nèi)土層的滲透系數(shù)；建立數(shù)學(xué)模型對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行模擬，并利用已知的各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)，對(duì)正常工況排水條件下污染物的環(huán)境影響范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，為地下水污染的防治實(shí)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(yù)測(cè)

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(guó)城鄉(xiāng)居民生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、維護(hù)生態(tài)平衡，支持社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面具有重要作用[1]。但是近年來(lái)，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(dòng)中各種化學(xué)藥劑的大量使用，造成地下水嚴(yán)重污染，進(jìn)而加大了對(duì)周邊環(huán)境的影響[2,3]，因此對(duì)場(chǎng)地污染的影響進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)就顯得極為重要。本文以某污水處理廠為實(shí)例，進(jìn)行場(chǎng)區(qū)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的模擬預(yù)測(cè)，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(hù)區(qū)。場(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(yùn)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(guó)家總量控制指標(biāo)，故作為本文研究的主要關(guān)注指標(biāo)。COD和氨氮設(shè)計(jì)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，COD和氨氮的設(shè)計(jì)出水濃度分別為50mg/l和5mg/l。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，在場(chǎng)地內(nèi)布設(shè)6口潛水觀測(cè)井，并利用場(chǎng)地東側(cè)2個(gè)河道觀測(cè)點(diǎn)和3個(gè)民井作為水文地質(zhì)觀測(cè)點(diǎn)。在潛水井施工完成后，采用電測(cè)水位儀對(duì)各水文地質(zhì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)水位觀測(cè)，根據(jù)潛水水位觀測(cè)結(jié)果，采用美國(guó)Golden Software公司發(fā)布的Surfer10.0軟件描述場(chǎng)地潛水流場(chǎng)，如圖1所示。

從流場(chǎng)圖可知，觀測(cè)期間評(píng)價(jià)區(qū)域的潛水流場(chǎng)總體上自西北向東南流動(dòng)，場(chǎng)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(chǎng)區(qū)實(shí)測(cè)潛水流場(chǎng)（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(cè)定

場(chǎng)區(qū)地貌類(lèi)型屬湖沼平原，場(chǎng)區(qū)地勢(shì)較為平坦，地面標(biāo)高在3.47～4.38m之間，一般在3.80m左右，實(shí)測(cè)勘探孔孔口高程在3.60～4.32m之間。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)地內(nèi)土層的滲透性參數(shù)，選擇J1、J2、J3號(hào)觀測(cè)井進(jìn)行野外降水頭注水試驗(yàn)。

井孔降水頭注水試驗(yàn)是野外測(cè)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(kāi)始記錄管內(nèi)水位高度隨時(shí)間的變化。根據(jù)觀測(cè)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(yàn)特征時(shí)間，并采用下式計(jì)算試驗(yàn)土層的滲透系數(shù)k值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

k=(πr2)/(AT0)

式中：T0為注水試驗(yàn)的特征時(shí)間（s），取lnH0/Ht=1時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間；Ht為注水時(shí)間為t時(shí)的水頭值（cm）；H0為注水試驗(yàn)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(mǎn)足L/r>8，根據(jù)上海地層組合和注水試驗(yàn)方法，潛層含水層取(2πL)/ln(L/r)，L為試驗(yàn)段長(zhǎng)度（cm）。

表1　場(chǎng)地注水試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The test results of site injection

由表1可知，場(chǎng)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(xué)模型構(gòu)建

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件建立數(shù)學(xué)模型，地下水運(yùn)動(dòng)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(xiàng)（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(shí)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(lèi)邊界。

為預(yù)測(cè)本次污染物在地下水中的運(yùn)移過(guò)程，建立地下水溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)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(xiàng)，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?xún)?nèi)的計(jì)算區(qū)域?yàn)?.5km2，進(jìn)行模型的離散化，共剖分了約6000個(gè)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(jiàn)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(chǎng)注水試驗(yàn)結(jié)果，滲透系數(shù)取J1、J2、J3號(hào)觀測(cè)井試驗(yàn)結(jié)果的平均值4.43×10-5cm/s，并認(rèn)為該含水層各向同性。給水度與有效孔隙度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分別取0.2和0.15。

本次地下水污染模擬過(guò)程未考慮污染物在含水層中的吸附、揮發(fā)、生物化學(xué)反應(yīng)，溶質(zhì)運(yùn)移僅考慮對(duì)流擴(kuò)散與機(jī)械彌散，縱向彌散度與橫向彌散度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)均取保守值10m。

3.4 模型求解

利用美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）開(kāi)發(fā)的MODFLOW程序求解水流方程；結(jié)合水流計(jì)算結(jié)果，利用MT3DMS求解溶質(zhì)運(yùn)移方程。

4　環(huán)境影響預(yù)測(cè)

4.1 流場(chǎng)預(yù)測(cè)

為滿(mǎn)足地下水污染預(yù)測(cè)的目的，須首先對(duì)地下水流場(chǎng)進(jìn)行模擬，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的地下水流場(chǎng)模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4　地下水預(yù)測(cè)流場(chǎng)（預(yù)測(cè)等水位線）分布圖Fig.4 Equal-level contour of prediction groundwater level

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

地下水模擬流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)（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(shí)測(cè)流場(chǎng)的水頭梯度大于模擬流場(chǎng)，這可能是因?yàn)樵诔删^(guò)程中地下水流場(chǎng)受到了干擾，地下水位還沒(méi)有恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。地下水流場(chǎng)梯度越小，污染物可向上游遷移距離越遠(yuǎn)，因此，為預(yù)測(cè)可能的最大污染范圍，采用地下水模擬流場(chǎng)用于地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬。

4.2 情景預(yù)測(cè)

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(chǎng)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(huì)通過(guò)汪洋港與地下水的補(bǔ)給作用影響地下水。

正常工況排水情況下，源強(qiáng)預(yù)測(cè)為：污水排放量5000m3/d，COD的排放濃度為設(shè)計(jì)出水濃度50mg/l，氨氮的排放濃度為設(shè)計(jì)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(shí)間增加而不斷增加。根據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-93），分別以III類(lèi)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(yù)測(cè)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(shì)預(yù)測(cè)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(jiàn)，污染物影響范圍隨時(shí)間增長(zhǎng)將以指數(shù)函數(shù)形式擴(kuò)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(yù)測(cè)Fig.5 The forecast of pollutants influence range

根據(jù)地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)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(kuò)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(kuò)散，避免造成大面積地下水污染。同時(shí)，由于地下水自北向南流，污染物在縱向上會(huì)沿著汪洋港有一定擴(kuò)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(chǎng)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(yǔ)

本文利用水文地質(zhì)概念模型對(duì)污水處理廠可能對(duì)地下水污染的環(huán)境影響進(jìn)行了模擬與預(yù)測(cè)，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)基本一致，且通過(guò)預(yù)測(cè)明確了未來(lái)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。

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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(jiǎn)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(lèi)號(hào)：P641.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1329(2016)01-0086-04

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