臺州市某醫化園區土壤地下水污染預測預警模型研究

徐博宇，沈 毅，潘建飛，駱定輝，方 鋮

（1.臺州市污染防治工程技術中心，浙江 臺州 318000；2.浙江省環境科技有限公司，浙江 杭州 310000；3.南方科技大學臺州研究院，浙江 臺州 318000；4.浙江省臺州生態環境監測中心，浙江 臺州 318000）

1 背景

隨著經濟的快速發展，污染源的種類日益增多，特別是化工區、工業集中區及周邊環境，污染方式及生態破壞類型日趨復雜，環境污染負荷逐漸增加，環境污染事故時有發生。同時，隨著公眾環境意識逐漸增強，各類環境污染投訴糾紛日益頻繁，因此對環境監測的種類、要求越來越高。目前臺州市椒江醫化園區存在著潛在的土壤環境污染風險問題，因此，研究土壤環境的監測管理與污染防治技術體系，開發用于工業園區土壤污染監測與預測預警的數字化系統，可強化土壤環境監測監控能力，推進園區土壤污染防治的數字化轉型。建立健全覆蓋污染源和環境質量的園區土壤自動監測監控體系，可提升園區土壤環境管控水平，從而實現生態環境保護的數字治理、精準治理和智能治理。

2 醫化園區現狀

2.1 園區企業生產現狀

臺州市某醫化工業區目前在產企業共31家，主要涉及化學原料和化學制品制造業、染料制造、棉紡織及印染精加工。現有17家被列為2020年重點排污單位，其中水環境重點排污單位16家，土壤環境重點監管單位10家。

2.2 園區地下土壤現狀

臺州市某醫化工業區內分布第四系素填土孔隙潛水含水層、全新統沖海積孔隙潛水含水層組和第四系上更新統沖積孔隙含水層組，屬于中等透水性、滲透性均較好，防污性能較差。園區內地下水開采量很小，地表水與地下水存在一定的水力聯系，主要表現為潛水測滲補給地表水，但總體上交換的水量不大。

根據《區綠色藥都小鎮概念規劃環境影響報告書（報批稿）》中的監測結果，潮水對遠離椒江的孔隙潛水含水層的影響極小，在緊臨椒江大堤的監測井的監測結果顯示，潮位漲落高差達4 m左右，潛水位變化為20～40 mm。其余監測井離椒江邊有一定距離，在量測的精度范圍內幾乎無反應，最大的潛水位變化＜20 mm。監測結果表明，在臨近區內河岸地下潛水，潛水位與地表水基本一致。人為控制河道通往椒江的閘門調控內河水位可以影響河道附近的地下潛水位，從而影響地下水的補徑排條件。

2.3 園區地下水污染物現狀

通過分析園區各企業2019年土壤自行監測報告，依據《建設用地土壤污染風險管控標準》（GB36600-2018）第二類用地標準，在37個土壤采樣點中，土壤環境監測指標pH值、鎘、汞、砷、鉛、銅、鎳、六價鉻、VOCs、SVOC等檢測項目均未出現超標情況，特征指標1，2-二氯乙烷、三氯甲烷、二氯甲烷、氯苯、苯、甲苯、氯乙烯等出現超標情況。

醫化園區各企業污染物種類繁多，除了常規污染物指標COD、氨氮、總磷、總氮外，還有其他潛在污染物近90余種/類，包括有機物、重金屬等；園區內各企業的主要潛在污染物相似，大多為甲苯、苯胺、乙酸乙酯、乙酸、丙酮、甲醇、二氯甲烷等有機物，以上有機物可以表征在COD、總氮、總磷、氨氮等在線監測指標中[1]。

通過監測土壤（地下水）環境變化情況，反映是否有污染物進入土壤、地下水環境之中。為確定各指標的初始（背景）值，2020年8月通過委托第三方專業檢測機構對園區內的23個地下水監測井進行采樣，監測因子包括pH值、電導率、濁度、溶解氧、氧化還原電位、COD、氨氮、總磷、總氮等。根據園區23個地下水監測井的常規指標（水位、水溫、pH值、電導率、濁度、ORP）和污染物指標（COD、氨氮、TN、TP）的檢測結果，園區的COD、氨氮、總磷、總氮污染嚴重，大部分點位遠超過《地下水質量標準》（GB/T14848-2017）V類和《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）V類限值，甚至遠超過《污水排入城鎮下水道水質標準》（GB/T 31962-2015）B級標準。

3 地下水污染預測預警模型

3.1 監測點位布置

臺州市椒江區醫化工業區監測點位布設主要依據《地下水環境監測技術規范》，結合水文地質條件、企業分布、企業內部的重點設施及重點區域分布、平面與垂向布設原則布設監測點位。為了實現園區企業土壤污染（地下水）在線監測預測預警，結合《2020年臺州市重點排污單位名錄》，確定17家企業作為監測對象。依據布設原則，布設監測點位22個，其中，在線監測點位8個（2個重點站、6個微站），人工監測點位14個（包含背景值監測點位2個，水文地質調查點2個）。

研究目的在于監測園區企業對地下水的污染程度及動態變化，監測點布設深度不考慮承壓含水層，只考慮潛水含水層，監測井深度根據水文地質調查情況確定，深度大于等于已知最大地下水埋深以下2 m。

3.2 地下水自動監控系統建設

土壤（地下水）污染自動監測系統是以在線自動分析儀器為核心，運用現代傳感器技術、自動測量技術、自動控制技術、計算機應用技術以及相關的專用系統管理分析軟件和通信網絡所組成的一個綜合性在線自動監測系統。該系統主要由在線監測儀器、中央控制單元、監測站儀表箱、太陽能供電系統、土壤（地下水）監測井等5部分組成[2]。

監測參數包括：物理參數（水位、水溫等），主要水質參數包括pH值、溶解氧、電導率、濁度、ORP、COD、氨氮和TP，除水位外的其他所有監測指標設備均要求一體化集成到一臺設備，需配備空調設備，能夠適用于當地全年天氣條件下實現長效穩定運行。通過中央控制系統實現水樣自動監測的控制與各項監測數據的實時采集、處理和傳輸。以小型儀表箱為中央控制器、在線儀器監測設備、通訊模塊提供安全的運行環境。通過土壤（地下水）監測井監測地下水質變化情況。

3.3 模型建設

臺州市椒江區醫化工業區土壤污染（地下水）在線監測預測預警系統以Modflow與MT3DMS專業軟件作為計算引擎。為了能夠展現對工業區地下水流及污染物在飽和帶中的遷移轉化規律及不同時間、不同地點處的溶質分布規律，預測污染物在地下水系統中的變化趨勢，在對工業區開展水文地質進行充分調查的基礎上，對工業區的水文地質條件進行合理概化，利用GMS軟件建立飽和帶的水文地質概念模型，并利用其中的Modflow以及MT3DMS計算模塊分別構建地下水流數學模型及溶質運移模型，并進行求解，為在線監測預測預警系統提供合理、精確的計算引擎。

3.3.1 地下水流模擬

（1）數學模型

根據以上分析，數學模型定為第一類邊界條件和第二類邊界條件（零流量）控制的均質各向異性三維穩定流模型，數學模型具體如下：

（2）數值模型構建

①空間劃分

水平上，模型的東西長度為6 412m，南北長度為3 285 m，剖分網格大小為10 m×10 m，共剖分為642列，329行；縱向上，含水層概化為一層，頂面為DEM插值高程，海拔-10 m處作為隔水底面。

②邊界條件

三條河、七條河、八條河、九條河、椒江、水田等一類邊界水頭按實測值數據賦值，小白云山山前邊界和模型西南部分邊界按實測數據與側向補給量、排泄量公式計算賦值，流量邊界及計算公式、結果如下所示：

模型側向補給量計算公式：

Q側=K·M·B·I·t

M—含水層厚度；

B—含水層寬度；

I—邊界水力梯度；

t—側向流量計算時間

③源匯項

當地年均降雨約為1 649.6 mm，當地地下水埋深多在1～1.5 m之間，根據水文地質手冊經驗值，亞粘土、亞砂土降水入滲系數在0.15～0.3之間，埋深1～2 m時亞粘土、亞砂土的降水入滲系數在0.14～0.26之間，綜合分析區域特征、氣候條件和潛水埋深等影響因素后取0.225，折合計算后模型入滲量設定為0.000 452 m/d。

亞粘土、亞砂土在1～1.5 m潛水埋深條件下的潛水蒸發系數為0.147～0.298，綜合分析區域特征、氣候條件和潛水埋深等影響因素后取0.225，由于工業區大量修建廠房，有效入滲區面積較小，調查后發現弱透水區域廠房與透水區的面積比例按9：1設置比較合適，即綜合當地氣溫、濕度、潛水埋深、植被條件等信息，潛水蒸散量統一設置為0.000 1 m/d，蒸發極限埋深設置為4 m。

3.3.2 溶質運移模擬

（1）數學模型

本模型的溶質運移數學模型擬設為第二類邊界條件的均質各向異性三維瞬態溶質運移模型，數學模型具體如下：

（2）數值模型

根據地下水環境監測在線監測和實驗室水質檢測數據，COD、氨氮、總磷、總氮的初始濃度場由23個監測點濃度插值生成。

4 結論

通過對臺州市土壤（地下水）污染在線監測預測預警系統的研究及實施，強化了臺州市環境管理部門對于臺州市土壤（地下水）環境的監測監控能力，對加快推進臺州市土壤（地下水）污染防治數字化轉型，建立健全覆蓋污染源和環境質量的園區土壤自動監測監控體系，提升園區土壤環境管控水平，實現生態環境保護數字治理、精準治理、智能治理具有重大意義。