溶質運移解析法在某污水處理廠地下水環境影響分析中的應用

張小亮，晏 婷，林勇山，侯雪超，時燕華

（江西省核工業地質局測試研究中心，江西 南昌 330002）

近年來，水污染物因泄漏引發的環境污染問題越來越突出[1，2]。污水處理廠污水池一般為地下/半地下裝置，污水池中污水停留時間較長，污水貯存水量較大，污水池底部破損泄漏處較隱蔽且很難及時被發現。因此，本文以安義某工業園區污水處理廠污水池所在場地為例，應用解析法對污水池氨氮污染物發生持續泄漏情況下對地下水環境的影響進行分析預測，為污水處理廠污水池泄漏在地下水污染防治中提供依據[3-5]。

1 場地水文地質條件

本次目標場地出露的地貌為潦河及其一級支流沖積平原，在安義縣城以西與II 級階地成內疊關系，目標場地根據地下水埋藏條件和賦存特性，將其劃分為：松散巖類孔隙水、紅色碎屑巖孔隙裂隙水。

1.1 松散巖類孔隙水

主要分布在潦河及其支流河谷地帶，目標場地依其巖性和富水程度可細分為兩個亞組：全新統沖積砂礫石水量中等的孔隙含水亞組，①全新統沖積物組成潦河主、支流的I 級階地或河漫灘。巖層具二元結構。上部為黃褐色亞粘（砂）土，厚度0.5m～2.5m 左右，下部為砂卵石層，厚度2m～6m，平均含水層厚度4.2m；②上更新統沖積層出露較少，組成不明顯的II 級階地，具二元結構。上部為棕黃色含鐵、錳質結核的亞粘土，厚度2m～4m，下部為砂卵石層，厚度為5m～8m 左右，含水層厚度一般4m～5m。地下水位深1m～3m。。它們相互之間以及與地表水體的水力聯系均較密切。除豐水季節能獲得部分地表水補給外，地下水主要接受大氣降水和基巖裂隙水補給，一般均向河流排泄。

1.2 紅色碎屑巖類孔隙裂隙水

主要分布在場區及其周邊，主要為第三系武寧群“紅巖系”，除第三系（Ewn4）外，均只含微量風化裂隙水，地表泉水稀少，流量甚微，只有在地形地貌條件特別有利的洼地、坡腳才有少數下降泉。巖石被鈣質膠結，常見薄層石膏夾層或其他充填于裂隙之中被地下水溶蝕成0.5mm～1.0mm 的溶洞，一般厚達0.5mm～3.0mm，分布較穩定，因此除有微量風化裂隙水外深部還可能存在著微弱的孔隙水層，整個紅層均為弱富水巖組。

1.3 水文地質勘查與試驗

根據本次研究目標為松散巖類孔隙潛水含水層，該含水層滲透系數來源于場地內鉆孔抽水試驗數據，確定松散巖類孔隙潛水含水層滲透系數K 取值為0.1004m/d。場區內包氣帶巖性主要為第四系為全新統粉質黏土，厚度約為0.6m～11.2m，包氣帶入滲系數Ka 為1.16×10-4cm/s。

2 研究方法

2.1 預測情景

在正常工況下，污水處理廠污水池等各裝置單元均采取了相應的防腐防滲處理，防滲層能有效的阻隔污染物與包氣帶的聯系，污染物一般不會滲入地下進入含水層。因此，本文重點預測分析在非正常工況下，污水池底部發生破損泄漏導致污染物氨氮持續入滲對地下水環境產生的影響。本次預測時段為污染源持續發生事故泄漏后的100d、1000d、3650d。

2.2 預測模型建立

2.2.1 數學模型

（1）水文地質條件概化：根據場區內水文地質勘察資料分析可知，預測范圍內第四系松散巖類孔隙水整體地下水流向為北西向東南方向；含水巖組主要為沖積層粉質粘土、亞粘土及礫砂巖等，滲透系數和有效孔隙度變化不大，因此將評價區地下水概化為均質各向異性一維穩定流地下水系統。

（2）污染源概化：在非正常工況下，污水處理站污水池廢水通過池底破損面泄漏穿過包氣帶進入地下水中，因此本次將污水處理站污水池事故狀態下的污染源整體概化為連續排放的平面點源。

（3）預測模型及水文地質參數的確定：本研究場地內水文地質條件較為簡單，依據《環境影響評價技術導則 地下水環境》（HJ610-2016）要求，本次解析解預測模擬估算不考慮污染物在包氣帶中的遷移過程，非正常工況下污染物在淺層含水層中的遷移可概化為污水持續泄漏對地下水的污染影響預測采用“連續注入示蹤劑-平面連續點源預測模型”，取平行地下水流動的方向為x 軸的正方向時，則求取污染組分濃度分布模型如下：

式中：

x，y 為計算點處的位置坐標；t 為時間，d；C（x,y,t)—t 時刻點x，y 處的示蹤劑濃度，mg/L；M 為承壓含水層的厚度，m；mt 為單位時間注入示蹤劑的質量，kg/d；u 為水流速度，m/d；ne為有效孔隙度，無量綱；DL為縱向彌散系數，m2/d；DT為橫向y 方向的彌散系數，m2/d；π—圓周率；為第二類零階修正貝塞爾函數；為第一類越流系統井函數。

2.2.2 模型參數的選擇

由上述模型可知，模型需要的參數有：注入的示蹤劑質量m；含水層厚度M；有效孔隙度ne；水流速度u；縱向彌散系數DL；橫向彌散系數DT。

（1）預測源強：假設污水處理廠污水池底發生破裂而導致污水直接入滲，以水平和垂直兩個方向擴散。運行期間污水池內液體有一定液位，池水滲漏進入地下屬于有壓滲透，按達西公式原理計算入滲污染物穿透防滲層進入含水層的穿透量、源強，估算前提假設不考慮污水入滲過程中土壤吸附、毛細水稀釋以及污染物生化降解、化學反應轉化等消減因素影響。本次預測因子選擇氨氮，滲入地下水的污染物源強濃度按其進水水質濃度氨氮50mg/L 計算：

穿透通道 q=Ka[（H+D）/D]

入滲穿透量 Q=qA裂

式中：Q 為滲入到地下的污水量，m3/d；Ka 為垂向入滲系數，m/d；H 為積水液位，m；D：包氣帶厚度，m；A裂為池底裂縫總面積，假定為池底總面積的1%；某污水處理廠污水池底總面積約4000m2。由此計算可知，場區內包氣帶平均厚度約2.0m，某污水處理廠污水池液位平均高度5m，包氣帶滲透系數取值為1.16×10-4cm/s，則污染物入滲穿透量為14m3/d。

（2）注入的示蹤劑質量：由源強分析可知，污水處理站污水池池底破損導致污水泄漏污染物質量m 氨氮為700g/d。

（3）其它參數：場區內含水層平均厚度約10m，本次預測含水層平均有效孔隙度取值n 為0.4；利用達西定律計算地下水流實際流速u 為0.001m/d。結合本次污染場地的研究尺度，模型計算中縱向彌散系數DL為0.01m2/d，橫向彌散系數（DT）一般為縱向彌散系數的10%為0.001m2/d。

3 模擬預測結果

根據本次建立模擬預測情景，選定水污染物氨氮為優控污染物，預測污染物在地下水中遷移過程，進一步分析污染物影響范圍、程度及最大遷移距離；氨氮超標限值參考《地下水質量標準》（GB/T14848-2017）Ⅲ類標準0.5mg/L，檢出下限值參考儀器檢出限0.004mg/L。

模型預測結果表明，污水池發生污染泄露100 天后，含水層中污染物氨氮影響范圍為20.9m2，超標范圍18.7m2，地下水流向上、下游最大運移距離分別為5.3m、5.4m，沿水流方向垂向最大遷移距離2.3m；1000 天后，含水層中污染物氨氮影響范圍為335.3m2，超標范圍240.7m2，地下水流向上、下游最大運移距離分別為20.4m、22.2m，沿水流方向垂向最大遷移距離8.7m；3650 天后，含水層中污染物氨氮影響范圍為1562.2m2，超標范圍971.6m2，地下水流向上、下游最大運移距離分別為37.2m、44m，沿水流方向垂向最大遷移距離25.1m。

4 結論

本文應用地下水溶質運移解析法，在非正常工況下污水處理廠污水池氨氮污染物發生持續泄漏情況下對地下水環境的影響進行分析預測，預測結果表明，隨著氨氮污染物在含水層中的遷移時間延長，含水層中氨氮的超標及影響范圍逐漸擴大。因此，建設單位需嚴格按要求做好污水池的防腐防滲工作，同時在污水池地下水下游設置監控井，防止污染地下水。