地下水污染模型在地下水調(diào)查中的應(yīng)用

中煤科工集團(tuán)杭州研究院有限公司 柴萬里

一、前言

工業(yè)污染源及周邊地下水環(huán)境污染狀況調(diào)查通常采用系統(tǒng)布點，具體布點方式包括網(wǎng)格式、隨機(jī)式以及輻射式[1]。工業(yè)企業(yè)內(nèi)部可見污染源，如污水處理站，是地下水污染狀況重點調(diào)查對象[2]，其污水泄漏至周邊地下水環(huán)境中，屬于較為復(fù)雜的水動力彌散情景。因此，采用傳統(tǒng)的系統(tǒng)布點方式，調(diào)查針對性不強(qiáng)，會導(dǎo)致調(diào)查結(jié)果不準(zhǔn)確，增加調(diào)查成本。地下水污染模型可以預(yù)測地下水污染狀況，結(jié)合地下水污染模型預(yù)測結(jié)果，能夠優(yōu)化監(jiān)測點布置方案，提高調(diào)查結(jié)果準(zhǔn)確度。

二、地下水污染模型

地下水污染模型是研究溶質(zhì)在地下水流中濃度隨時間、空間變化的數(shù)學(xué)模型，與溶質(zhì)在地下水中的彌散效應(yīng)、化學(xué)作用以及地下水對流作用有關(guān)[3]。地下水污染模型是結(jié)合水質(zhì)、水量問題的整體模型，可以用于預(yù)測地下水動態(tài)變化，分析不同時間、地點地下水受污染情況。

三、地下水污染模型優(yōu)化監(jiān)測井布置方案

地下水污染狀況調(diào)查的目的在于查明地下水污染源以及影響范圍，因此，地下水污染狀況初步調(diào)查點的布設(shè)，需要能夠明確污染源所在位置以及污染擴(kuò)散范圍。利用二維無限平面的地下水動力模型，可以計算得到地下水污染二維空間分布情況，再結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)特征，便能優(yōu)化初步調(diào)查監(jiān)測井布置方案，具體步驟為：（1）確定污染源項；（2）模擬地下水污染狀況；（3）優(yōu)化布點方案。

（一）確定污染源項

根據(jù)工業(yè)企業(yè)內(nèi)部可能存在的具體污染源項進(jìn)行分析，選擇合適的模型來進(jìn)行地下水污染狀況模擬。

（二）模擬地下水污染狀況

建立地下水污染概念模型，根據(jù)概念模型選擇適用的地下水污染數(shù)學(xué)模型，計算得到地下水污染時間、空間分布情況。

（三）優(yōu)化布點方案

根據(jù)地下水污染狀況模擬結(jié)果，結(jié)合前期獲得的水文地質(zhì)信息，對地下水監(jiān)測布點進(jìn)行優(yōu)化。

四、工程實例

本文以某化工廠污水處理站為污染源，結(jié)合實際工程條件，利用地下水污染模型計算結(jié)果，優(yōu)化該化工廠地下水污染初步調(diào)查監(jiān)測布點方案。

（一）工程概況

浙江地區(qū)某化工廠主要以高性能聚合物材料及單體的研發(fā)生產(chǎn)為主，企業(yè)廢水包括工藝直接廢水、設(shè)備清洗廢水、地面沖洗水、廢氣處理廢水和生產(chǎn)區(qū)初期雨水，工藝廢水污染因子復(fù)雜，特征污染物為COD、氨氮、苯酚類，廢水懸浮物含量較高。廠區(qū)污水處理站廢水處理量為85t/d。

（二）區(qū)域水文地質(zhì)

廠區(qū)所在地位于沖積平原，地貌單一，地勢平坦，水網(wǎng)眾多，根據(jù)場地勘探結(jié)果，廠區(qū)地下水為第四系松散巖類孔隙潛水?？辈炱陂g實測潛水位埋深為1.00m～1.30m，水位處于動態(tài)變化之中。豐水期時，地下水位高于地表。區(qū)域地下水水位起伏較小，地下水徑流微弱，地下水流向為自北向南。

（三）污染物泄漏情況

1.污染源參數(shù)

工廠污水處理站調(diào)節(jié)池為地上池，調(diào)節(jié)池尺寸為35×35×2.0m3（長×寬×高），正常工況下調(diào)節(jié)池內(nèi)蓄水不超過1.5m。假設(shè)泄露情境為，在調(diào)節(jié)池底部中央出現(xiàn)小孔，滲漏廢水全部通過透水層滲入地下水環(huán)境，在地下水環(huán)境監(jiān)測周期內(nèi)持續(xù)滲漏?？紤]工廠的生產(chǎn)內(nèi)容，特征污染物（示蹤溶質(zhì)）選擇揮發(fā)性酚類，結(jié)合廠區(qū)所在地地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，選擇《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)為地下水環(huán)境質(zhì)量限值，即揮發(fā)性酚類（以苯酚計）≤0.01mg/L。

2.地層參數(shù)

根據(jù)工廠所在地水文地質(zhì)概況，選擇最不利地層條件作為模型計算參數(shù)，假設(shè)污水站調(diào)節(jié)池防滲層下為均勻的砂質(zhì)粉土。地質(zhì)勘查結(jié)果表明，工廠所在地的第一層砂質(zhì)粉土層孔隙度n為0.45?？v向彌散系數(shù)DL取經(jīng)驗值10m2/d，橫向的彌散系數(shù)DT取經(jīng)驗值2m2/d。地下水類型為潛水，水位埋深取最小值1.0m，地下水監(jiān)測井深6.0m，則承壓含水層的厚度M取5.0m。根據(jù)廠區(qū)地下水等水位線及達(dá)西定律，不考慮地表蒸發(fā)徑流，廠區(qū)污水站調(diào)節(jié)池周邊100m范圍內(nèi)地下水流動速度u取0.007m/d。

3.滲漏速率

調(diào)節(jié)池滲漏速率取平均蓄水量的1%，滲漏速率為18.5m3/d，根據(jù)工程經(jīng)驗，調(diào)節(jié)池內(nèi)揮發(fā)性酚類濃度為2.0mg/L，則污染物揮發(fā)性酚類單位時間滲漏量mt取0.037kg/d。

（四）地下水污染預(yù)測

1.地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

污染物在地下水中的運(yùn)移為多孔介質(zhì)中的水動力彌散，《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》（HJ610-2016）[4]給出了一維穩(wěn)定流動二維水動力彌散模型，連續(xù)注入示蹤劑的解析方程，具體如下。

式中：x，y—計算點處的位置坐標(biāo)；t—時間，d；C(x,y,t)—t時刻點x，y處的示蹤劑濃度，g/L；M—承壓含水層的厚度，m；mt—單位時間注入示蹤劑的質(zhì)量，kg/d；u—水流速度，m/d；ne—有效孔隙度，無量綱；DL—縱向彌散系數(shù)，m2/d；DT—橫向y方向的彌散系數(shù)，m2/d；π—圓周率。K0(β)—第二類零階修正貝塞爾函數(shù)；—第一類越流系統(tǒng)井函數(shù)。

2.計算方法

一維穩(wěn)定流動二維水動力彌散模型需要通過數(shù)值解獲得對流項參數(shù)，本文通過MATLAB進(jìn)行數(shù)值計算，并將計算結(jié)果進(jìn)行圖像化顯示。

3.預(yù)測結(jié)果

污水處理站調(diào)節(jié)池中心點南側(cè)30m處為工廠地下水監(jiān)測水井，測井深度5m，用于企業(yè)地下水常規(guī)監(jiān)測。在預(yù)設(shè)情景下，該點（x=5m;y=30m）地下水中揮發(fā)性酚類濃度隨時間變化曲線如圖1所示，根據(jù)預(yù)測結(jié)果可知，在第49天之后，地下水中揮發(fā)性酚類濃度超過0.01mg/L。

圖1 固定點（x=5;y=30）揮發(fā)性酚類濃度隨時間變化

在預(yù)設(shè)情景下，對第90天地下水各點位揮發(fā)性酚類濃度進(jìn)行預(yù)測，等值線分布圖見圖2。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，在距離泄漏中心點水平距離45m以外，地下水中揮發(fā)性酚類濃度低于0.01mg/L。

圖2 第90天不同位置處揮發(fā)性酚類濃度等值線圖

（五）布點方案

在本文預(yù)設(shè)的情景下，監(jiān)測水井（x=5m;y=30m）可在泄漏第49天之后檢測出地下水中揮發(fā)性酚類濃度超過0.01mg/L；而在持續(xù)泄漏90天后，距離泄漏中心點水平距離45m以內(nèi)，埋深20m以內(nèi)的地下水均能檢測出揮發(fā)性酚類濃度超過0.01mg/L。因此，可以將污水處理站調(diào)節(jié)池中心點下游45m范圍內(nèi)設(shè)置為污染影響區(qū)域。

工廠生產(chǎn)期間未出現(xiàn)地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)異常情況，因此在地下水污染狀況調(diào)查時，可以將污染源監(jiān)測點布置在污水調(diào)節(jié)池中心點下游（南側(cè)）10m處，污染擴(kuò)散監(jiān)測點可布置在污水調(diào)節(jié)池下游（南側(cè)）50m處，對照監(jiān)測點布置在污水調(diào)節(jié)池北側(cè)30～50m處。

五、結(jié)語

（1）本次采用的地下水模型僅考慮對流彌散，實際的污染物在地下水中的運(yùn)移情況更加復(fù)雜，而地下水污染物遷移轉(zhuǎn)化涉及復(fù)雜的物理化學(xué)過程，因此通過該模型進(jìn)行布點優(yōu)化僅適用于化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定的污染物。

（2）地下水污染預(yù)測結(jié)果是在理想條件下計算獲得，實際的地下水污染狀況要更加復(fù)雜，在監(jiān)測布點中應(yīng)以現(xiàn)場情況進(jìn)行判斷與調(diào)整。