廢棄氟化工園區(qū)地下水污染特征及污染物擴(kuò)散模擬研究

徐 穎，張 溪，邰姍姍，李夢(mèng)雪，毛俊楠，孫一平

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

受經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求影響，城市工業(yè)園區(qū)不斷擴(kuò)建與廢棄，廢棄化工園區(qū)對(duì)地下水的污染問(wèn)題逐漸突出。一方面，地下水埋藏于地下，且水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，致使地下水污染具有很強(qiáng)的隱蔽性，修復(fù)和治理的難度較高；另一方面，污染物長(zhǎng)期存在于地下水中，且污染物會(huì)不斷向周邊地下水?dāng)U散，致使污染范圍持續(xù)擴(kuò)張，污染程度持續(xù)加劇。不難看出，地下水污染及擴(kuò)散情況的探究頗具實(shí)踐意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用軟件建立運(yùn)移數(shù)學(xué)模型，對(duì)地下水中重金屬等污染物進(jìn)行擴(kuò)散模擬研究，探索污染物遷移擴(kuò)散規(guī)律、擴(kuò)散范圍及濃度變化，為地下水的污染防治提供理論論據(jù)。郭芷琳等總結(jié)了地下水污染物在高度非均質(zhì)介質(zhì)中遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律，探討了含水層非均質(zhì)性、非菲克彌散機(jī)理和模擬應(yīng)用；沈婷婷利用Visual Modflow軟件中MT3D模塊，以Cu為溶解物質(zhì)，模擬了污染物的運(yùn)移情況，預(yù)測(cè)了地下水中污染物的分散情況。本文以廢棄氟化工園區(qū)為研究區(qū)，利用Visual Modflow軟件的MT3D模塊對(duì)地下水中污染物進(jìn)行擴(kuò)散模擬研究，為實(shí)現(xiàn)地下水污染管理與防治提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)處于遼寧省阜新市海州區(qū)韓家店鎮(zhèn)，屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨季與炎熱期大致重合，氣候干燥，年均溫是7.8 ℃，降水時(shí)空分布不均，年平均降水量約為480 mm，年平均蒸發(fā)量約為1 746 mm。該區(qū)域地勢(shì)平坦，東南部緊鄰大凌河的支流細(xì)河。本文以廢棄氟化工園區(qū)為研究對(duì)象，園區(qū)企業(yè)以生產(chǎn)氟化學(xué)類產(chǎn)品為主，占地面積為34.81 km，化工園區(qū)中心地理坐標(biāo)為東經(jīng)121°35′、北緯41°56′。根據(jù)研究區(qū)地下水的走向及周邊地形地貌情況，在園區(qū)及四周設(shè)置9個(gè)采樣點(diǎn)，有效覆蓋整個(gè)研究區(qū)。

2 研究區(qū)地下水污染特征

為了更好了解園區(qū)內(nèi)地下水的污染狀況，在一年的三個(gè)時(shí)期采集地下水樣品，樣品采集時(shí)間分別為2018—2019年的11月（枯水期）、5月（平水期），6—7月（豐水期）。根據(jù)化工園區(qū)企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品情況，確定地下水污染物檢測(cè)指標(biāo)，如表1所示。

表1 檢測(cè)指標(biāo)分析

2.1 地下水污染評(píng)價(jià)方法

測(cè)定廢棄化工園區(qū)9個(gè)采樣點(diǎn)的地下水污染物濃度，依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）的Ⅲ類水質(zhì)指標(biāo)，利用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)地下水污染。

單因子污染指數(shù)法是對(duì)單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，單因子污染指數(shù)的計(jì)算公式為

式中：P為第個(gè)指標(biāo)的單因子污染指數(shù)；C為第個(gè)指標(biāo)的實(shí)際濃度，mg/L；C為第個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)濃度，mg/L。

當(dāng)P≤1時(shí)，地下水未受到污染；當(dāng)P＞1時(shí)，地下水受到污染，且P值越大，受污染程度越嚴(yán)重。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是一種全面評(píng)價(jià)水質(zhì)的方法，其計(jì)算過(guò)程方便簡(jiǎn)潔，評(píng)價(jià)效果更接近實(shí)際水質(zhì)情況。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的計(jì)算公式為

評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 水體內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)與污染等級(jí)

2.2 地下水污染特征分析

2.2.1 單因子污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)單因子污染指數(shù)計(jì)算，研究區(qū)內(nèi)超出標(biāo)準(zhǔn)的污染物質(zhì)詳情如表3所示。研究區(qū)主要超標(biāo)污染物的超標(biāo)率排序?yàn)镕e＞Mn＞F＞As，其中F和As是毒理學(xué)指標(biāo)。污染物來(lái)源于企業(yè)生產(chǎn)廢水直排或滯留原地，該地區(qū)地下水徑流條件較差，污染物容易滯留于此，對(duì)地下水造成嚴(yán)重污染。

表3 各指標(biāo)單因子污染指數(shù)與超標(biāo)率

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算，所有采樣點(diǎn)地下水污染等級(jí)為Ⅵ級(jí)，具體數(shù)據(jù)如表4所示。在地下水中，各類污染物貢獻(xiàn)率的排序依次為Fe＞Mn＞F＞As，污染最嚴(yán)重的采樣點(diǎn)為9號(hào)，該采樣點(diǎn)周邊企業(yè)較多，且位于地下水補(bǔ)給區(qū)下游。因此，利用Visual Modflow軟件對(duì)9號(hào)采樣點(diǎn)進(jìn)行污染擴(kuò)散模擬，研究污染物擴(kuò)散區(qū)域和濃度變化情況，為地下水污染治理提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

表4 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

3 污染擴(kuò)散模型構(gòu)建

3.1 研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬條件確定

本次模擬以檢測(cè)污染物濃度為初始濃度，不考慮地下水補(bǔ)給過(guò)程對(duì)污染物的吸收附著、化學(xué)反應(yīng)和生物降解等。研究區(qū)地下水約處于地下4 m，含水層厚約為10 m，各個(gè)含水層之間并無(wú)隔水層，其水力聯(lián)系緊密且處于同一地質(zhì)板塊上，故將目標(biāo)含水層概化為均質(zhì)、各向同性的潛水含水層。對(duì)研究區(qū)進(jìn)行模擬，使用有限差分法劃分的網(wǎng)格，把模擬區(qū)域東西方向作為模型的軸方向，軸指向南北，長(zhǎng)度均為5 900 m，每200 m劃分一條線，構(gòu)成200 m×200 m的正方形網(wǎng)格。研究區(qū)的有效網(wǎng)格為125個(gè)，其余均無(wú)效。

3.2 水流模型參數(shù)確定

研究區(qū)最主要的第四系含水層類型為河漫灘階地砂、砂礫石孔隙潛水含水層，其呈三元結(jié)構(gòu)，上部以亞黏土、亞砂土為主，厚度為2.0～3.5 m，中部為粉細(xì)砂、中粗砂，厚度為1.5～5.3 m，下部巖性以粗砂、砂礫石為主，厚度為1.0～1.5 m，地下水滲透系數(shù)為70～72 m/d，單位涌水量為9.22～11.63 m/h，水力坡度為3‰左右

4 研究區(qū)地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬與預(yù)測(cè)

本次模擬以2018年11月的采樣日期作為初始日期，實(shí)際的地下水水位線作為初始流場(chǎng)，識(shí)別周期為365 d。由于研究區(qū)地下水已停止開采，可確定地下水流域是一個(gè)穩(wěn)定場(chǎng)，地下水處于自然平衡狀態(tài)。

污染物的運(yùn)移模擬預(yù)測(cè)利用Visual Modflow軟件的MT3D模塊，將研究區(qū)的地質(zhì)條件、水文狀況等信息輸入到污染物溶質(zhì)運(yùn)移模型中，模擬污染物Mn、Fe及F分別在第365 d、1 460 d、2 920 d和第3 650 d的擴(kuò)散運(yùn)移狀態(tài)，Mn、Fe及F的模型補(bǔ)給濃度分別為4.84 mg/L、5.11 mg/L、3.45 mg/L。模擬發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，Mn、Fe及F具有明顯擴(kuò)散的趨勢(shì)，污染物會(huì)隨著地下水流場(chǎng)方向不斷向周邊擴(kuò)散。污染物擴(kuò)散運(yùn)移情況如表5所示。

表5 9號(hào)采樣點(diǎn)10年后污染物運(yùn)移情況

經(jīng)過(guò)10年的運(yùn)移模擬，污染物縱向運(yùn)移距離較遠(yuǎn)，這主要受該地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水系影響。污染物在地下水中的運(yùn)移狀態(tài)變化如圖1所示。地下水東北向西南的坡度為3‰，化工園區(qū)的東南側(cè)是細(xì)河，地下水是該河流的重要補(bǔ)給來(lái)源。9號(hào)采樣點(diǎn)中心區(qū)的污染物濃度下降19.7%～23.7%，中心區(qū)的濃度含量受到擴(kuò)散影響，但濃度降低仍舊很慢，其超過(guò)地下水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，仍處于污染狀態(tài)。主要原因是阜新市降水較少，地下水補(bǔ)給困難。

圖1 9號(hào)采樣點(diǎn)的污染羽模擬擴(kuò)散平面圖

5 結(jié)論

本文利用Visual Modflow軟件建立了廢棄化工園區(qū)地下水污染物溶質(zhì)運(yùn)移模型，分析了污染物在地下水中的運(yùn)移擴(kuò)散情況。通過(guò)模擬可知，污染物在地下水的遷移主要被研究區(qū)地理?xiàng)l件、水文因素控制，同時(shí)受水動(dòng)力驅(qū)使，污染物的實(shí)際濃度會(huì)在地下水運(yùn)動(dòng)中逐漸變低。經(jīng)過(guò)10年的運(yùn)移模擬，Mn、Fe及F三種污染物均有不同程度的擴(kuò)散，中心區(qū)的污染物濃度有所減低，但仍超過(guò)地下水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。該廢棄化工園區(qū)污染土壤及廢棄材料是污染物的重要補(bǔ)給源，在一定時(shí)限內(nèi)，地下水污染物的濃度未能降低，尤其是污染物F的濃度會(huì)保持在一定水平。從環(huán)境保護(hù)角度來(lái)看，必須加強(qiáng)區(qū)域地下水監(jiān)測(cè)，尤其在化工園區(qū)的下游位置和受到環(huán)境影響的敏感地域，要建立應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，一旦發(fā)生事故，即可啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。