地下水污染物遷移變化研究

王 丹

(遼寧省清河水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 鐵嶺 112000)

近幾十年來，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在地下水資源的不斷開發(fā)利用的同時(shí)，地下水污染問題也隨著而來，由點(diǎn)狀污染、條帶狀污染向面上擴(kuò)散，由淺層向深層滲透，從城市向周圍蔓延。

目前，安鄉(xiāng)縣共有37個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠，城區(qū)有近50個(gè)地源熱泵，均采用地下水源，許多不同類別的污染源對(duì)城市的地下水造成不同程度的影響，這些污染源包括城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)污水和農(nóng)業(yè)污水。污水中的污染物會(huì)通過天然下滲的作用進(jìn)入地下水體，從而對(duì)地下水造成污染。在地下水中，會(huì)隨著水流的流動(dòng)及擴(kuò)散作用發(fā)生遷移，安鄉(xiāng)縣面臨的主要地下水環(huán)境問題是氨氮的嚴(yán)重超標(biāo)。因此，本文將氨氮列為所研究的污染物，重點(diǎn)研究氨氮在地下水中的遷移轉(zhuǎn)化情況。

1 數(shù)學(xué)模型

地下水中氨氮的遷移轉(zhuǎn)化可以用如下的反應(yīng)方程式加以刻畫：

(1)

式中：C為地下水中氨氮濃度，mg/L；Dxx、Dxy、Dxz、Dyx、Dyy、Dyz、Dzx、Dzy、Dzz為污染物的彌散系數(shù)，m2/d；vx、vy、vz為污染物在x、y、z三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)速度，m/d；t為時(shí)間，d；R為污染物遷移的遲滯系數(shù)；W為目標(biāo)污染物進(jìn)入或者遷出水文地質(zhì)單元的速率，mg/(m3·d)；I為通過化學(xué)反應(yīng)生成或者消耗的目標(biāo)污染物的速率，mg/(m3·d)，在本模型中無需考慮氨氮的硝化或者反硝化反應(yīng)，取I=0。

2 參數(shù)確定

2.1 初始濃度

在進(jìn)行安鄉(xiāng)縣地下水中污染物遷移模擬前，需要首先確定初始時(shí)刻各水廠的氨氮濃度。由于現(xiàn)有資料中記載的各水廠的第一個(gè)氨氮濃度對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)各不相同，需要對(duì)初始時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一。為了在更大的時(shí)間尺度上分析安鄉(xiāng)縣境內(nèi)的氨氮濃度變化，選擇以2005年作為初始的零時(shí)刻，見表1。

2.2 污染物彌散度

在污染物遷移的模型中，污染物運(yùn)動(dòng)的流速完全由地下水動(dòng)力場(chǎng)決定，因而無需對(duì)污染物的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行確定。僅需確定地下水中污染物的彌散系數(shù)。彌散度與尺度具有正相關(guān)關(guān)系，兩者的關(guān)系可以用下式進(jìn)行表示：

α=cLm

(2)

式中：α為地下水中污染物的縱向彌散度，m；L為研究域的尺度，m；c與m為待定常數(shù)，本次取c=0.085，m=0.81。

根據(jù)測(cè)量，安鄉(xiāng)縣在南北方向總長(zhǎng)為72 km，在東西方向總長(zhǎng)為31 km，由于安鄉(xiāng)總體尺寸為菱形，其中南北方向較長(zhǎng)，東西方向較短，總體上來看為細(xì)長(zhǎng)型。綜上，取其有效長(zhǎng)度為6178 m，得到其彌散度為100 m。

TRPT和TRVT計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

在本模型計(jì)算中，取TRPT=0.1，TRVT=0.01，因此Dxz、Dyz均為1；Dxy、Dyx、Dzx、Dzy均為10。

3 地下水中氨氮濃度分布的時(shí)空變化

根據(jù)模型擬合結(jié)果，可以繪制不同時(shí)間點(diǎn)上安鄉(xiāng)縣不同地層的地下水中的氨氮濃度分布情況。由于安鄉(xiāng)縣境內(nèi)的承壓含水層主要為第3層和第5層，因此下面著重對(duì)這2個(gè)地層中的地下水氨氮濃度變化進(jìn)行繪制。圖1繪制了這2個(gè)地層在2011年與2017年時(shí)的氨氮濃度分布圖。

圖1 第3層和第5層地層中氨氮濃度的變化情況

由圖1可知，由于模型中的氨氮污染源均為地表污染，其遷移方式為從地表的垂直入滲進(jìn)入地下，因此淺層地層會(huì)更快受到污染，第3層的氨氮濃度比第5層的明顯偏高。另外，受到污染源點(diǎn)狀分散分布的特點(diǎn)，在地圖中氨氮在地層中的濃度分布也呈現(xiàn)出點(diǎn)狀，濃度較高的地區(qū)往往在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人口聚集區(qū)，這些地方也往往是水廠取水井的所在地。由于模型中假設(shè)深柳鎮(zhèn)具有很高的氨氮濃度排放(城鎮(zhèn)生活源)，因此隨著時(shí)間的推移，在深柳鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)的地下水中氨氮濃度上升趨勢(shì)十分明顯。另外，安鄉(xiāng)縣南部的氨氮濃度一直偏高，例如安德鄉(xiāng)楊樹水廠、陳家咀鎮(zhèn)常福水廠附近，這是因?yàn)樵摰貐^(qū)地下水中氨氮的初始濃度就有所偏高，另外氨氮的面源排放量也較大所導(dǎo)致的。總體而言，氨氮的濃度呈現(xiàn)北低南高的態(tài)勢(shì)，并且深柳鎮(zhèn)及部分村莊集鎮(zhèn)附近的氨氮在地下水中的濃度有明顯的上升趨勢(shì)。

4 地下水中氨氮濃度預(yù)測(cè)

根據(jù)調(diào)查，安鄉(xiāng)縣存在過量使用化肥農(nóng)藥的問題，且其排放氮量接近氮排放總量的50%。畜禽養(yǎng)殖會(huì)產(chǎn)生大量的畜禽糞便，其占到總量的26.39%，畜禽糞便中的有機(jī)氮在微生物的分解作用下，會(huì)產(chǎn)生大量的氨氮，最終污染地下水體。另外，水產(chǎn)養(yǎng)殖亦投放了過多的含氮飼料，造成了地表水的污染，而地表水通過下滲最終也會(huì)污染地下水。另一個(gè)需要注意的就是生活污水，由于缺乏生活污水的收集和處理措施，導(dǎo)致大量分散的生活污水被隨意排放，且生活垃圾的隨意丟棄也會(huì)產(chǎn)生高氨氮濃度的垃圾滲濾液，從而對(duì)地下水環(huán)境構(gòu)成威脅。

基于此，在未來亟需降低化肥、飼料的投加量，避免過度投加，同時(shí)需要做好畜禽糞便、生物污水、生活垃圾的收集和處理措施，避免產(chǎn)生的高濃度氨氮的廢水下滲污染地下水。據(jù)此，我們假設(shè)在未來的時(shí)間內(nèi)，氨氮的排放強(qiáng)度有所下降較為合適。

假設(shè)2種情形：第一種為在現(xiàn)有條件下，讓所有的氨氮濃度降低20%；第二種為在現(xiàn)有條件下，讓所有的氨氮濃度降低50%。分析2022年和2030年的濃度分布的變化。

在兩種情形下，各區(qū)塊的排放濃度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同情景下的排放濃度計(jì)算表

據(jù)此進(jìn)行情景分析，以模型計(jì)算出來的2017年作為模擬的起點(diǎn)，分別模擬2022年和2030年地下水各層中的濃度變化，得到的結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 氨氮排放源強(qiáng)削減20%后的濃度分布預(yù)測(cè)變化圖

圖3 氨氮排放源強(qiáng)削減50%后的濃度分布預(yù)測(cè)變化圖

從圖2、圖3可知，由于氨氮的排放濃度有所下降，因此各水廠的氨氮濃度的上升趨勢(shì)有所減緩。以安德鄉(xiāng)楊樹水廠為例，當(dāng)污染物排放源強(qiáng)削減20%時(shí)，其在2022年、2030年的氨氮濃度分別為2.84 mg/L和3.39 mg/L；當(dāng)污染物排放源強(qiáng)削減50%時(shí)，其在2022年、2030年的氨氮濃度分別為2.72 mg/L和2.96 mg/L。據(jù)此可知，污染物排放源強(qiáng)削減比例越高，則地下水中的污染物濃度越低。若完全停止污染物的排放，則有望實(shí)現(xiàn)地下水中污染物濃度的下降。

5 結(jié)論

通過安鄉(xiāng)縣地下水污染物遷移變化研究，污染物的變化趨勢(shì)及規(guī)律與實(shí)際狀況基本相符，能夠?yàn)榘侧l(xiāng)縣地下水資源保護(hù)與污染物治理提供依據(jù)。文中采用模型進(jìn)行模擬時(shí)，已經(jīng)實(shí)施了模擬驗(yàn)證，顯示擬合效果較好。但是仍有部分水廠氨濃度擬合效果欠佳，這個(gè)原因可能是多方面的，另外在該模型中未考慮通過硝化反應(yīng)消耗氨氮及通過有機(jī)物的氨化作用生成氨氮等因素。因此，對(duì)于該模型，仍有很大的改進(jìn)空間，在以后的工作中進(jìn)一步對(duì)該模型進(jìn)行修正和完善。