擬建污水處理廠事故條件下排水對地下水環境影響預測

張洪英 高宗軍 王敏 時孟杰

摘要：分析擬建污水處理廠事故條件下排水對地下水環境的影響，使建設單位和設計單位在建設、設計和運行中做好污染控制和環境保護，為以后環境管理工作提供依據。在日照市五蓮縣環境水文地質調查的基礎上，對擬建設污水處理廠及其周邊地下水環境質量現狀，利用GMS進行數值模擬分析。基于地下水數值模型通過建立溶質運移模型，以COD作為模擬分析因子，對地下水COD的濃度變化進行模擬。對污水處理廠事故條件下排水后的COD污染范圍和程度進行預測分析。若在場區內發生持續滲漏事故，則對當地地下水的水質有較明顯的影響，上部和下部含水層中污染物的最高濃度都將超過一級A標準所規定的限值。如果擬建污水處理廠發生持續滲漏事故，地下水中COD濃度會嚴重超標，嚴重污染地下水，因此對于擬建污水處理廠要做好保護防滲措施，避免對地下水造成污染。

關鍵詞：污水處理廠；地下水環境；影響預測；COD；數值模擬

1. 引言

地下水是水資源的一個重要組成部分，地下水污染問題越來越被世界各國所重視[1]，并引起全球普遍關注，有關地下水環境的研究也得到各國學者的高度重視[2]。為了保護水資源，維護水域生態功能，滿足人類各種用水需求，大部分國家都根據自身的自然環境和人文特征、科學技術發展水平和社會經濟狀況，通過不同的評價方法來分析地下水的環境影響[3]。目前國際上常用的地下水數值模擬軟件有：基于有限單元法FEFLOW，基于有限差分的GMS、Visual MODFLOW、PMWIN等軟件。在地下水環境分析中，地下水數值模擬是地下水定量環境影響預測的重要方法[4][GMS在地下水環境影響評價中的應用_李立軍]。數值模擬技術誕生于1953年Bruce G.H和PeacemanD.W模擬了一維氣相不穩定徑向和線形流[5]。我國地下水污染研究起步較晚，20世紀80年代初才開始研究含水層中污染物的運移[6]。翁幫華等人深入研究了地下水環境影響評價，通過利用GMS軟件建立穩定地下水流的模型、并通過MT3DMS構建連續的點源滲漏的地下水污染的預測模型，直觀地展現出各污染物遷移和變化規律，從而預測對地下水資源環境的影響。

2. 地下水類型

研究區位于五蓮縣城區，頻臨沂沭斷裂帶，地層發育主要有古元古代粉子山群、中生代白堊紀萊陽群、青山群和新生代第四紀地層。地層巖性及地貌形態的組合決定了區內地下水的補給、徑流、排泄條件及賦存、富集特征（圖1）。評估區域地下水類型有松散巖孔隙水、碳酸鹽類裂隙巖溶水、碎屑巖類裂隙水、基巖裂隙水。

3. 模型建立

根據研究區地質及水文地質條件，同時考慮了擬建污水處理廠場區內部與外排水問題，在此基礎上建立該區地下水系統數值模擬模型。

3.1 水文地質概念模型

將模型概化為兩層含水層，即上部孔隙含水層和下部裂隙含水層。

擬建區位于五蓮縣高澤鎮洪凝河與高澤河交匯處東南側。模擬區北部為墻夼水庫，將模擬區的北部定為定水頭邊界；模擬區南部有一北東向的斷裂經過，將該邊界作為流量邊界處理，故該斷裂定為第二類邊界條件。模擬區東部和西部都是基巖裸露區，根據地下水徑流方向及地形，將東西邊界定為第二類邊界條件。本次模擬區范圍即圖2中黑色線條所圈閉的區域。

3.2 地下水流數學模型

對于上述水平各向同性、空間三維結構、穩定地下水流系統，建立潛水數值模擬的偏微分方程，并結合邊界及初始條件形成如下定解問題（式1）：

3.3 溶質運移模擬模型

考慮溶質和溶劑組成的二元體系，取平衡單元體相同的單元體，研究其中溶質的質量守恒，可得描述飽和帶溶質運移的對流―彌散方程如下（式2）：

3.4 數值模擬模型

模擬采用GMS軟件。在研究區水流模型確定的基礎上，用以Modflow為運算基礎的MT3DMS溶質運移模型。本次溶質運移模擬僅考慮對流、彌散兩種作用，不考慮溶解、吸附作用，以求達到最大風險程度。

3.4.1 模擬區面積

本次模擬區總面積約41.80km2。計算時，將模擬區剖分為80行、80列、2層的規則矩形網格，其中有效網格上部含水層為3564個，下部含水層為3681個，兩層共有7245個有效網格。網格剖分示意圖見圖3。

3.4.2 模擬時間的確定

依據模擬區潛水徑流較緩慢的特點，模擬時間取50年，即約18250天。

3.4.3 降水量及入滲量的處理

本次模擬采用多年降水量平均值1020.72mm。第四系降雨入滲補給系數取0.25。河流入滲量取河流量的5%。

3.4.4 模型參數的選取

模型中使用的水文地質參數根據滲水試驗、抽水試驗進行試選取具體見表1。

4. 污水處理廠污水發生面狀連續泄漏對地下水的影響預測

模擬由于各種因素影響，污水處理廠污水管道發生泄漏使污水未經處理就滲漏到含水層中這一極端條件下地下水中COD的濃度及分布范圍。污水入滲量取污水處理廠污水總量的10%，即2000m3/d，COD濃度取500mg/L。

沿地下水流向，在距污水處理廠中心點西北方向200m、400m、600m各處取一個觀察點并且命名為1、2、3號點，在距第三污水處理廠中心點正南方向200m處取一個觀察點并命名為4號點（如圖5）。

（1）1號點。在上部含水層中，污染物滲漏發生約500天時地下水中COD濃度從0升高至50mg/L。污染物到達下部含水層并使污染物的濃度達到50mg/L需要的時間是1500天。兩層含水層中污染物的濃度在模擬末期，污染物COD濃度都達到最大值500mg/L。

（2）2號點。上部含水層滲漏發生約3500天后地下水中COD濃度開始逐步升高，在模擬末期地下水中COD的濃度最高達到350mg/L。污染物運移至觀測點2號點并且到達深部含水層的時間大約為4000天，在模擬結束時深部含水層中污染物的濃度達到最大值400mg/L。對比含水層在模擬結束后達到的最高濃度值可知污染物同時在兩層含水層中運移，并且在深部含水層中運移的速度更快一些。

（3）3號點。上部含水層滲漏發生約8000天后地下水中COD濃度開始逐步升高，濃度上升速度很緩慢，在模擬末期地下水中COD的濃度最高達到30mg/L。下部含水層中COD的濃度升高發生在滲露后的6000天，污染物濃度在模擬末期達到最大值48mg/L。

（4）4號點。上部含水層滲漏發生地下水中COD濃度就開始逐步升高，濃度上升速度很緩慢，在模擬末期地下水中COD的濃度最高達到45mg/L。深部含水層滲漏發生后地下水中COD濃度開始逐步升高，在模擬末期地下水中COD的濃度最高達到45mg/L。對比位于污水處理廠中心的北部200m的觀察點1可以看出，污染物運移的方向主要是沿流場方向向下游運移。

5 結論及建議

5.1 結論

（1）擬建污水處理廠場區正常工作情況下不會對當地地下水環境造成污染。

（2）在事故條件下，污染物會進入含水層，對當地地下水環境造成一定的影響，且發生污染物連續排放產生的危害更大。

（3）若在場區內的發生持續滲漏事故，則對當地地下水的水質是有較明顯的影響，上部和下部含水層中污染物的最高濃度都將超過一級A標準所規定的限值，出現嚴重污染。

參考文獻：

[1] 張人戈.我國城市供水行業的政府規制研究[D].吉林大學，2013.

[2] Heyden C J V D， New M G. Groundwater pollution on the ZambianCopper belt： deciphering the source and the risk [J]. Science of theTotal Environment， 2004， 327（1-3）：17-30.

[3] 高正夏，湯瑞涼.地下水開發對環境的危害及其對策.河海科技進展，1993，13（1），53～57.

[4] 周羽化，盧延娜，張虞，等.某城市城鎮污水處理廠COD排放現狀評價分析[J].環境科學，2014（10）：3998-4002.

[5] 地下水數值模擬技術發展現狀，2012-09-12，www.xzbu.com.

[6] 寇文杰.地下水化學分類方法的思考[J].西部資源，2012，05.

[7] Smith L， Schwartz F W. Mass transport： 1. A stochastic analysis of macroscopic dispersion [J]. Water Resources Research， 1980， 16（2）：303–313.