基于GMS的有機污染物在土壤及地下水運移規律的綜合研究

韓鵬飛 崔陽 魏瑩瑩 魏國振

摘要：隨著社會的不斷進步，人們的生活水平逐步提高，我們日常生活中產生的有機污染物的數量也在不斷增加，一些有機污染物在土壤和地下水環境中發生遷移活動，明顯不利于環境管理和環境污染控制以及在日常生活中對水質的控制等。因此，本文對 GMS 的相關知識、有機污染物的定義以及 GMS 在環境管理中的應用進行了綜述，分析研究了有機污染物在土壤和地下水中的遷移規律及對環境的影響，提出了解決有機污染物對周圍生活環境嚴重污染的最優方案。

關鍵詞：GMS;有機污染物;土壤和地下水運移規律

中圖分類號：X832? 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）03-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.018

GMS based comprehensive study on the movement of organic pollutants in soil and groundwater

Han Pengfei1，Cui Yang1，Wei Yingying1，Wei Guozhen2

（1.Hebei Geological Environment Monitoring Institute，Shijiazhuang Hebei 050000，China;

2.Hebei Hydrogeological Engineering Geological Exploration Institute，Shijiazhuang Hebei 050000，China）

Abstract：With the constant progress of the society ，peoples living standard gradually improve， at the same time to produce the amount of organic pollutants in our daily life is increasing， and some of the organic pollutants in soil and groundwater environment corresponding migration activities ，obviously bad for the environment management and control of environmental pollution，and in the daily life of water quality control ，and so on .Therefore，in this paper，relevant knowledge about GMS，definition of organic pollutants，impact on the environment and migration law of organic pollutants in soil and groundwater were analyzed and studied accordingly ，and then the optimal solution was proposed to solve the serious pollution caused by organic pollutants to the surrounding living environment.

Key words：GMS;Organic contaminant;Law of soil and groundwater migration

1 GMS

1.1 GMS 的定義

GMS（Groundwater Modeling System） 地下水模擬系統是當今世界上較先進的地下水模擬系統軟件包。同時，GMS 是由 Brigham yongUniversity的環境模型實驗室和美國軍工水道實驗站合作而開發出的，具有強大功能性的圖形界面，綜合性能強的地下水模型構建，在 3D環境下能夠開發對地下水的近期狀況進行透視化的模擬以及數值模擬環境的功能性的軟件包。

1.2 GMS 的主要組成部分

GMS 主要的模塊可以分為兩大部分，分別是：第一，計算機模塊。計算機模塊又包括了九個基本模塊。其中 Modflow 主要用于專門模擬介質中體下水流動的三維有限差分的軟件，同時，具有結構的模塊化，離散方法的解算簡單，求解的方法多樣化的特點，使得其能夠應用在模擬各種地下水流的系統，進而在應用之中能夠快速的發展，滿足現今的需求。Femwater 模塊主要是用于模擬飽和流與非飽和流條件下水流和溶質的具體運移的三維有限元耦合的模型，同時還可以用于模擬咸水入侵等密度變化的水流以及運移等其他問題解決之中。Mt3dms 模塊主要用來模擬地下水系統中對流、彌散以及化學反應的三維溶質運移模塊模型，在計算的過程中經常與 Modflow 混合連用。Rt3d 模塊主要用來處理多組反應中的三維運移模型，一般應用于模擬自然衰減以及生物的恢復之中。Seam3d 模塊經常被用來模擬復雜的生物降解的關鍵問題的模型，其中包括了多酶，多電子接收器。Modpath 用于在確定時間內穩定或者是非穩定流中質點運移路徑的三維示蹤模型，同時也就需要與 Modflow 混合聯用。Seep2d 用來計算壩剖面滲透的二維有限元穩定流的具體模型，同時也可用來模擬承壓流及無壓流問題以及模擬飽和與非飽和的問題。Nuft 模擬三維多相不等溫水流和運移模型，適合于解決包氣帶中的某些問題。Utchen 模擬多相流和運移的模型，對于抽水和水位恢復的模擬較為理想，已經在許多的問題中被廣泛應用。第二是輔助模塊。輔助模塊又包括了 Pest 與 Ucode 模塊主要在使用 modflow 和 Feflow 等計算模塊的時候交替使用，來調整選定的參數，直到計算結果與野外觀測值相吻合。

2 有機污染物的定義

有機污染物指的是以碳水化合物、蛋白質氨基酸以及脂肪等其他形式存在的天然有機物質及其他種類的可以生物降解的人工合成有機物質為主要成分的污染物的總稱。有機污染物的存在形式主要是揮發態有機污染物。所以，這些揮發性的污染物借助揮發、淋浴以及濃度上的差距來進一步的擴散到所有的環境中，接著對周邊的空氣、水源、生態系統以及人們造成嚴重的危害，不利于人們的生活、社會的進步。

3 有機污染物在土壤中的運移規律

有機污染物在粘土中的運移規律：粘土中含有較多的礦物，顆粒較小，比表面積大，粘土有一定的粘度，導致顆粒表面的薄膜水以及結合水會對有機污染物的彌散形成一定的影響。在觀察有機污染物在粘性土的實驗中發現，有機污染物的濃度會出現“拖拽”的現象，延緩了有機污染物的運移速度，在水平方向上有機污染物會隨著距離污染源的增加而逐漸地下降，而在豎直方向上，有機污染物會隨著距離的增加而緩慢的增加，一般在 0.12～0.30 之間，同時出現“拖拽”的現象。作為對比，有機污染物在砂土中的運移規律卻是在豎直方向上會隨著距離的增加而增加，一般是在 1.34～1.73 之間，偶爾會出現一些“拖拽”的現象，出現的幾率比在粘性土中的幾率小，同時有機污染物會受到其他因素的影響進而影響運移速度。

4 有機污染物在地下水中的運移規律

有機污染物在地下水系統中的遷移、轉化過程屬于復雜的物理、化學及生物綜合作用的效果。在地表的污染物在進入含水層時，一般都要經歷表土層及下包氣帶，而表土層和下包氣帶對污染物不僅有輸送和儲存功能，而且還有延續或衰減污染的效應。所以有人認為表土層和下包氣帶為天然的過濾層。其實，實際上是由于有機污染物經過表土層及下包氣帶時產生了一系列相應的物理、化學和生物的作用，從而使得一些污染物被降解為無毒無害的成分。其中的一些污染物由于過濾、吸附和沉淀而截留在土壤里，其余還有的一些污染物被植物吸收或合成到微生物里，最終使污染物濃度降低，這稱為自凈作用。但是，污染物在上述遷移過程中，還有可能發生與自凈作用相反的現象。就是指有些作用會增加污染物的遷移性能，使其濃度增加，或者是從一種污染物轉化成另一種污染物。例如，對 2002 年發生的垃圾場 NH4 -N 泄露通過 GMS 建模分析后得出了 NH4 -N 在地下水中的運移規律。抽水井一般處于地下水的水界面的飽和水帶，所以會貫穿三層土壤。經過 1800d 后，垃圾場泄露的 NH4 -N 開始進入到抽水井的所處位置，此時的 NH4 -N 的濃度是0.0024mg/L，所以泄露的 NH4 -N 會影響到抽水井中水源的水質。通過參考《地下水環境質量標準》，發現泄漏的污染物在經過 3000d后，抽水井中的 NH4 -N 濃度含量會超標，抽水井中的 NH4 -N 的濃度會達到 0.0622mg/L，此時，垃圾場泄露的 NH4 -N 就會嚴重影響到抽水井的水質，從而對周邊居民的日常生活造成影響，甚至會嚴重威脅到居民的生命安全。同時對于垃圾場的下部區域，會因為防滲層的破壞，其中的滲透液發生泄漏，使得包氣帶中土壤中的 NH4 -N的含量超標。發生泄漏后 3900d 后，該濃度會維持在 1.0468mg/L。因此，由于垃圾場的泄漏，使得滲透進入的污染物必然進行土壤的遷移。與此同時，隨著土壤的遷移，會深刻影響到泄漏液在土壤及地下水中的運移規律。所以，在濾液發生泄漏后 600d 后，相對隔水層的土壤中的含量會超過0.02mg/L，最終保持在 0.1415mg/L，而飽和帶地下水中的泄漏物的濃度最高會是 0.0359mg/L。所以，發生了有機物污染物的泄漏會對廠區下方的飽和帶地下水造成一定的污染，嚴重的話，會迫使居民難以繼續生活在污染物泄漏的附近地區。

5 結語

通過借助 GMS 建模的形式能夠更好地了解到在發生污染物的泄漏后該區域污染物的遷移規律，從而能夠更好地做出預防措施以及做出對應的糾正措施來進一步解決有機物泄漏后對周邊環境造成的影響。使得相關的環境保護部門能夠及時地對發生泄漏的區域進行評估，進行相關的環境保護，進一步實現環境的可持續發展。同時，GMS 也需要進一步的技術研究，因為 GMS 還不能夠準確計算出允許泄露的最大濃度且在應用 GMS 的過程中計算較為復雜、繁瑣。

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收稿日期：2019-12-11

作者簡介：韓鵬飛（1987-），男，漢族，本科學歷，初級職稱，研究方向為水文地質、環境地質。