地下水重金屬污染遷移模擬及防控技術研究

王傳志

（河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000）

地下水重金屬污染作為當今污染面積廣、污染程度嚴重的水文環境問題，必須給予足夠的重視。地下水中所受到的重金屬污染主要包括：砷、汞、鉻、銅、鉛、氟、鎘、鐵、錳以及鎳等，在地下水污染中比例超過質量標準所形成的重金屬污染[2]。由于地下水重金屬污染物中包含對人類健康危害極大的生物學元素，也就是所謂的“五毒”，分別為：汞、鎘、砷、鉛以及鉻，這些生物學元素一旦通過食物鏈進入人體，會引發多種疾病，常見的有我國的“大脖子病”、泰國的“黑腳病”、日本的“骨痛病”以及粵北的“癌癥村”。為有效解決地下水中重金屬污染問題，這次想通過對地下水重金屬污染遷移模擬及防控技術作研究對象，從重金屬污染物的污染源以及分布特性來分析，結合重金屬污染物防控現實要求，為改善地下水環境質量等方面的研究提供幫助。

1 地下水重金屬污染遷移模擬

表1 地下水重金屬污染遷移模擬總述表

考慮到地下水重金屬污染在復雜的多孔介質中運動的特點，本文根據達西定律進行地下水重金屬污染遷移模擬。地下水重金屬污染遷移模擬總述表，如表1所示。

根據表1所示，可以根據地下水重金屬污染遷移模擬總述表綜合分析重金屬污染物在地下水環境中的運動方向。其中，地下水重金屬污染分布特性中垂直分布特性，是地下水中重金屬污染的一個重要分布特性。本文基于此，進行地下水重金屬污染水平遷移模擬以及對流彌散模擬。

1.1 地下水重金屬污染水平遷移模擬

在地下水重金屬污染遷移模擬中，必須確定地下水流形態類型，針對地下水重金屬污染各項遷移指標不隨時間的改變而改變的穩定流，本文以重金屬Co元素為例，由左及右模擬地下水重金屬污染水平遷移。地下水重金屬污染由左及右水平遷移模擬示意圖，如圖1所示。

根據圖1所示，可以根據地下水重金屬污染物的由左及右水平運動遷移情況，對地下水重金屬污染進行防控。在此基礎上，針對地下水重金屬污染各項遷移指標隨時間的改變而改變的非穩定流，由左及右模擬地下水重金屬污染對流彌散的狀態。地下水重金屬污染由左及右對流彌散模擬示意圖，如圖2所示。

結合圖2所示，地下水重金屬污染對流彌散的遷徙狀態為從左右兩側分散遷徙。

1.2 地下水重金屬污染對流彌散遷移模擬

在明確重金屬污染由左及右水平遷移以及對流彌散的基礎上，分別根據達西定律的線性滲透定律，進行地下水重金屬污染水平遷移以及對流彌散的遷移模擬[1]。將重金屬污染水平遷移模擬原理，代入達西定律，可得地下水重金屬污染水平遷移模擬的數學表達式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，Q指的是模擬地下水重金屬污染遷移的滲透流量；K指的是該重金屬污染物的滲透系數，為實數；A指的是過水橫截面積；L指的是重金屬污染物在地下水中的滲透途徑；h2-h1指的是地下水下游斷面的水頭與地下水上游斷面的水頭之間的差值；I指的是地下水水力梯度。根據地下水水力學可知：Q=AV；因此，可以得出地下水重金屬污染遷移模擬的簡化公式，如公式（2）所示。

在公式（2）中，V指的是地下水重金屬污染遷移的滲透速度。通過公式（2），可實現重金屬污染水平遷移模擬。

將重金屬污染對流彌散遷移模擬原理，代入達西定律，可得地下水重金屬污染三維對流彌散方程的一般形式，如公式（3）所示。

在公式（3）中，?指的是重金屬污染物在地下水中分子擴散系數；θ指的是有效孔隙度；C指的是示蹤劑的濃度；t指的是重金屬污染物在地下水中分子擴散長度；q指的是達西速度；qs指的是單位體積含水層的體積流量；Cs指的是單位儲水量。通過公式（3），可實現重金屬污染對流彌散遷移模擬。通過利用在線監控與控制系統相結合，模擬地下水的遷移情況，找出地下水重金屬污染源，為地下水重金屬污染防控提供數據支持。

2 地下水重金屬污染防控技術

在明確地下水重金屬污染防控要求的基礎上，利用添加還原性有機物質的生物學防控技術，實現地下水重金屬污染防控[3]。考慮到不同流域的地下水水質也存在區別，因此應用生物學防控技術在地下水中添加還原性有機物質分解生成有機酸，如：胡敏酸、富里酸、氨基酸，或者糖類及含氮、硫雜環化合物等，再利用其活性基團與重金屬元素砷、汞、鉻、銅、鉛、氟、鎘、鐵、錳以及鎳等絡合或螯合，達到影響重金屬污染物有效性的目的。

由于還原性有機物質細胞外多聚物表面含有大量可與重金屬污染物離子發生相互作用的官能團，可對重金屬污染物離子發生吸附或鰲合作用。研究表明，通過生物學防控技術添加還原性有機物質的生物膜能將Co以硫化鎘的形式沉積在生物膜表層，將Co以硫化銅的形式沉淀在生物膜表層和液相界面處，實現了對重金屬污染物的吸附作用。

除此之外，生物學防控技術還具有礦化固定作用，重金屬污染物能夠在還原性有機物質作用下將離子態重金屬污染物轉變為固相態，對重金屬污染進行防治。通過生物學防控技術對重金屬污染物的鈍化固定、真菌體內有機酸根離子或無機酸根離子與重金屬形成沉淀等作用，均可使地下水中的重金屬污染物固化，有效降低了重金屬污染物對地下水的毒害。

綜上所述，使用生物學防控技術凈化地下水和檢測地下水時，基于地下水的復雜環境，可以根據地下水結構的分層不同，向每個水層泵送或注入水，從而改變水力梯度，將水和重金屬污染物分離開，實現地下水重金屬污染防控。在應用生物學防控技術進行現場防控處理工作時，能夠在保證防控效果的同時，取得非常好的經濟效益。

通過該技術防控地下水重金屬污染，可以減少地上的處理設備，從而在一定程度上減少對環境造成的污染。由于這項技術能夠取得良好的防治效果以及經濟效益，因此具有十分廣闊的發展前景。

3 結束語

通過對地下水重金屬污染遷移模擬及防控技術的研究，為地下水污染的防治提供一條解決路徑。解決了由于地下水重金屬污染物的癥像隱蔽、分布不均、累積性強且長期存在，以及重金屬污染物整體類型多、超標點位多、復合污染等弊端的存在，使防控地下水重金屬污染的工作人員無從下手的難題。

本文不足之處在于，沒有針對除抽出處理技術以外的地下水重金屬污染防控技術進行深入分析，相信這一點可以作為地下水重金屬污染防控領域未來研究方向。雖然現階段地下水重金屬污染防控仍處于不完全成熟的階段，但現在各級領導及員工已經認識到地下水重金屬污染防控的必要性，那日后畢將研究出更佳經濟適用的創新技術，為未來保障人民的生活質量、實現長久資源可持續發展提供重要依據。