鐘祥市某磷石膏渣場地下水中氨氮和砷的運移模擬研究*

徐怒潮 劉記來 張宗文 吳 嶠 丁貞玉#

(1.生態環境部環境規劃院，北京 100012；2.北京新敖宇軒天地環保科技有限公司，北京 100161)

在過去的幾十年里，我國的磷化工行業得到了前所未有的發展，特別是磷肥工業經過20多年的發展，我國已經實現了由磷肥進口大國變成了磷肥制造大國。磷石膏為磷肥生產過程中的中間產物，其中含有潛在污染物氨氮、砷[1]。目前，國內的磷石膏資源利用率并不高，磷石膏渣場大量的磷石膏露天堆存導致污染物進入地下水環境中，使堆存區的淺層地下水遭到污染[2-3]。2019年開始，國家全面啟動了“三磷”排查整治，其中磷石膏渣場造成地下水污染的防治是重中之重。有效開展地下水污染調查，掌握污染物在地下水中的運移情況是地下水污染防治的先決條件，因此研究磷石膏渣場地下水中的污染物運移規律，對地下水環境保護具有重要的理論指導意義。

污染物在地下水中運移的模擬研究是地下水污染調查的重要環節[4]。國內外相關學者已對地下水中污染物運移的模擬開展了廣泛的研究。20世紀80年代，美國地質調查局(USGS)開發了一套用于孔隙介質中地下水流動數值模擬的軟件Visual Modflow，已經在全世界范圍內的多個領域得到廣泛應用[5-6]。1990年，鄭春苗等[7]在Visual Modflow軟件的基礎上開發了用于地下水溶質運移模擬的MT3DMS模塊，在國內已被廣泛應用于地下水中污染物的數值模擬[8-9]。

湖北省鐘祥市有“中原磷都”之稱，有大量磷石膏渣場存在。本研究選取了鐘祥市某已堆存磷石膏90萬t的磷石膏渣場為研究對象，渣場底部覆蓋有厚度大于1.5 m的黏土層作為防滲措施。該渣場的滲濾液收集池設計容量為1.1萬m3，防滲主要靠3 mm厚的高密度聚乙烯(HDPE)膜。一般而言，渣場的滲濾液都會經管道排放進入滲濾液收集池并進行簡單處理，而滲濾液收集池的HDPE膜防滲效果很好，能有效阻隔滲濾液向外遷移，但若HDPE膜由于老化等原因而破損，滲濾液就會從破損處向外遷移，污染地下水。因此，正常情況下只有渣場區域的極少量滲濾液會發生緩慢滲漏，當滲濾液收集池的HDPE膜破損時渣場區域的滲濾液滲漏可以忽略不計。本研究利用Visual Modflow軟件的MT3DMS模塊模擬了該磷石膏渣場正常情況下和滲濾液收集池在HDPE膜破損情況下的污染物氨氮和砷在地下水含水層中運移的規律，為磷石膏渣場地下水污染防治提供技術指導。

1 模型的建立

1.1 水文地質和模擬范圍的確定

本研究的磷石膏渣場處于山谷地形中，地下水流向由東南流向西北進入俐河后匯入漢江。在全國重要地質鉆孔數據庫服務平臺提取該渣場周邊的17個鉆孔資料，鉆孔井深為40～180 m。通過提取的鉆孔資料及監測井、對照井和擴散井的監測結果分析發現，地下水埋深為43～95 m，地下水主要賦存于基巖裂隙含水層中，以水平運動為主，地下水力梯度為2.8%。綜合考慮渣場周邊的地貌特征、地質條件、水文條件和地下水流向，確定模擬范圍東部以漢江為界，西部以地表分水嶺為界，北部以俐河為界，南部至秦沖村。

1.2 剖分與調整

應用Visual Modflow軟件的MT3DMS模塊對模擬范圍進行矩形剖分，除了遵循一般的剖分原則外，本研究在充分考慮模擬范圍邊界以及巖性分區邊界的基礎上進行了加密，將網格大小剖分為32 m×48 m，局部加密區網格大小剖分為4 m×6 m，共計剖分出125 564個網格，把地下水流場與實際流場調整一致。

1.3 地下水污染物運移的數學模型

假定污染物能夠到達含水層，并且考慮最不利情況，污染物運移的數學模型參考文獻[10]。

以污染物未開始遷移時的濃度作為初始條件[11]。邊界的濃度設置參考Neumann邊界條件[12]，本次模擬邊界的初始濃度設為零。

渣場底部覆蓋有大于1.5 m的黏土層，根據《磷石膏庫安全技術規程》(AQ 2059—2016)，將其滲透系數設置為1×10-7cm/s，考慮渣場滲漏一般難以短時間被發現，通常為持續滲漏，因此模擬時間最長設置到20年(即7 300 d)。

滲濾液收集池的HPDE膜破損時，滲濾液就會從破損處向外遷移，防滲能力將大大減弱，本次模擬將此時的滲透系數擴大10倍，即1.0×10-6cm/s，由于滲濾液收集池內設有監測系統，一般可在較短時間內發現HDPE膜破損，本研究假定100 d內可以發現HDPE膜破損并進行修復處理后重新達到防滲要求。模擬時將污染源看成點源，污染物在渣場和滲濾液收集池中的濃度分別作為正常情況下和滲濾液收集池在HDPE膜破損情況下污染物未開始遷移時的質量濃度(見表1)，模擬周期為7 300 d。

表1 污染物未開始遷移時的質量濃度Table 1 Mass concentrations of pollutants before transferred mg/L

2 地下水中污染物運移模擬結果

2.1 正常情況下地下水中污染物的運移

圖1考察了正常情況下在地下水流下游方向距離污染源10、50、100 m處的污染物隨時間的變化情況。總體而言，在正常情況下，運移到某一位置的污染物濃度會隨時間積累，距離污染源越近，積累速率越快，污染物濃度越高，但一直到模擬結束的7 300 d時，氨氮、砷均未超過《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)Ⅲ類標準(限值分別為0.50、0.01 mg/L)。因此，正常情況下，在地下水流下游方向距離污染源100 m以內，可以保證20年內氨氮和砷滲漏所導致的地下水中濃度不超過GB/T 14848—2017 Ⅲ類標準。

圖1 正常情況下污染物的運移Fig.1 Pollutants transfer under normal condition

2.2 滲濾液收集池在HDPE膜破損情況下地下水中污染物的運移

圖2考察了滲濾液收集池HDPE膜破損情況下在地下水流下游方向距離污染源10、50、100 m處的污染物隨時間的變化情況。總體與在正常情況下相似，到7 300 d模擬結束時，氨氮、砷也均未超過GB/T 14848—2017Ⅲ類標準。因此，滲濾液收集池HDPE膜破損情況下，若能及時發現并進行修復處理，仍然可以保證在地下水流下游方向距離污染源100 m以內、20年內氨氮和砷滲漏所導致的地下水中濃度不超過GB/T 14848—2017 Ⅲ類標準。

圖2 滲濾液收集池HDPE膜破損情況下污染物的運移Fig.2 Pollutants transfer under HDPE membrane of leachate collector damaged condition

為了進一步找出風險點，考慮最不利條件，又在HDPE膜破損后未及時修復的持續滲漏情況下進行了模擬，結果只發現，距離污染源10 m處地下水中砷會在100 d后超過GB/T 14848—2017 Ⅲ類標準，不過在3 000 d后濃度可以基本趨于穩定(見圖3)。

圖3 持續滲漏情況下砷的運移Fig.3 Arsenic transfer under continuous leakage condition

3 結論與建議

3.1 主要結論

(1) 鐘祥市某石膏渣場在正常情況下，在地下水流下游方向距離污染源100 m以內，可以保證20年內氨氮和砷滲漏所導致的地下水中濃度不超過GB/T 14848—2017 Ⅲ類標準。

(2) 在滲濾液收集池HDPE膜破損情況下，若能及時發現并進行修復處理，仍然可以保證在地下水流下游方向距離污染源100 m以內、20年內氨氮和砷滲漏所導致的地下水中濃度不超過GB/T 14848—2017 Ⅲ類標準。

(3) 考慮最不利條件，在HDPE膜破損后持續滲漏情況下也只有距離污染源10 m處地下水中砷會在100 d后超過GB/T 14848—2017 Ⅲ類標準，不過在3 000 d后濃度可以基本趨于穩定，但應該引起重視。

3.2 建 議

(1) 目前國內磷石膏渣場較多，對渣場地下水環境關注較少，其地下水中污染物運移的模擬工作開展極少，建議重視這一工作，以保護磷石膏渣場周邊地下水。

(2) 滲濾液收集池應做好防滲措施，定期維護，防止破損等情況出現，盡量做到早發現問題、早解決問題，從而有效降低地下水污染風險。