沈陽市地下水反應運移特性分析

安秉鋒

（遼寧省沈陽水文局，遼寧沈陽110043）

沈陽市地下水反應運移特性分析

安秉鋒

（遼寧省沈陽水文局，遼寧沈陽110043）

地下水反應運移特性的分析是地下水污染風險評價的重要工具，但目前以城市或行政區劃為尺度的相關研究卻很少。本文對沈陽市32個樣點的樣品進行土柱實驗分析，得到沈陽市地下水反應運移滲透系數、彌散系數、分配系數及遲滯因子四項參數。結果表明基于這些參數的對流-彌散-反應模型可準確預測研究區域內地下水反應溶質的濃度變化情況，為降低地下水污染評價成本與提高效率提供參考。

沈陽市；地下水；反應運移；對流-彌散-反應

1 地下水污染風險評價現狀

地下水污染對農田、人類健康、以及地表水質等都有嚴重的負面作用，因此已成為十分重要的研究課題。地下水污染風險評價是減緩地下水污染影響的重要工具，其實際應用已越來越廣泛，例如，可以根據地下水污染風險進行工廠合理選址、水質重點整治、以及灌溉取水規劃等。目前，地下水污染的評價及分析方法主要有三種，分別為綜合指數法、數據分析法和過程模擬法。綜合指數法所得結論較為直觀，但過于依賴主觀判斷；數據分析法可以根據統計規律得到地下水污染的基本趨勢，但精確度不夠高；過程模擬法是近幾十年新興的地下水分析方法，它基于準確的物理規律，因此發展潛力巨大。

地下水反應運移特性的研究即屬于過程模擬法的一種，是地下水污染風險評價的重中之重，其主要目的是準確地判斷出污染物質在地下水體中的擴散、吸附、流動以及反應等過程，從而可以得到不同污染源情況下不同時間各位置處污染物的濃度情況。其相關研究主要始于上世紀中葉，Nielson與Bigger推導出了著名的對流-彌散方程，從而使污染物質在水體中運動及擴散情況的計算成為可能。但在實際情況中，地下水污染物質除發生運移及擴散外，還往往伴有生物化學反應過程，因此，想要準確地預測出不同位置處污染物的濃度變化情況，則需將水動力運移模型與溶質多組分化學平衡模型結合起來進行系統分析。這類耦合模型可稱為對流-彌散-反應方程系統，它能完整地表達出地下水中污染物的物理、化學與生物過程，但模型中有四項不確定的參數，分別為：滲透系數、彌散系數、分配系數以及遲滯因子。目前，這些參數的確定還大多只停留在實驗室或小尺度分析中，而以城市或行政區劃為尺度的相關研究卻幾乎沒有。

本文在沈陽市32個不同的位置進行采樣，對采集的樣品進行土柱實驗分析，得到了沈陽市地下水反應運移的平均滲透系數、分配系數和遲滯因子，以及彌散系數的空間分布情況。這些參數可以代表沈陽市的地下水反應運移特性，并可用于快速計算研究區域內任意位置處的地下水污染物質運動、擴散及反應情況。為驗證這些參數的準確性，利用這些參數結合Galerkin有限單元法及Picard迭代法對對流-彌散-反應模型進行求解，預測試驗點鈣、鈉、鎂、鉀四種主要離子的濃度變化情況，將預測結果并與實測值進行比較，證明這些參數較為精確且本文所提方法較為合理，一方面可以極大地降低研究區域內的地下水污染評價成本、并提高評價效率，另一方面也可以為其它地區的地下水反應運移特性分析提供參考方法。

2 反應運移參數

研究區域為遼寧省省會沈陽市。沈陽轄10區、1縣級市、2縣，面積1.3萬km2，人口825.7萬，是東北地區經濟中心、環渤海經濟圈核心城市。屬溫帶半濕潤性氣候，平均氣溫8.3℃，年降雨量500mm。四季分明，溫差較大。目前，關于該市地下水反應運移的研究較少，而關于該市地下水反應運移滲透系數、彌散系數、分配系數和遲滯因子四項基本參數的總結則幾乎沒有。本文旨在確定沈陽市的這四項地下水反應運移基本參數，主要有三重研究目的。（1）清晰地表達出該市地下水反應運移特性；（2）為后續的地下水污染評價提供參數，從而節省其地下水反應運移情況的預測成本并提高其效率；（3）為其它地區的地下水反應運移特性分析提供思路。

共選取32個采樣點（圖1），市區地下水質相對較差，則取樣密度相對較大，而在其它地區則取樣點分布較為系數。對采樣點進行檢測，得到其地下水總硬度、硫酸根、氯離子等水質指標參數，并對所收集樣品進行傳統的土柱實驗，分析不同溶質在所取樣品土壤中的運移及反應情況。其實驗流程為土壤篩選搗實、注水淋洗、加入溶質溶液、分析溶液。通過實驗，測得土柱達飽和狀態時各取樣管水位上升高度、取樣管間距、流出水量、流出離子質量濃度隨時間變化情況、土柱中水的流速等基本或中間參數，再對所有參數進行分組并進行無量綱化分析，得到沈陽市的平均滲透系數、彌散系數、分配系數和遲滯因子。

圖1 研究區域、取樣點與試驗點

式中，k即代表滲透系數、Q代表一段時間內的滲水量、t代表時間、L代表滲流長度、A代表截面面積，而ΔH代表水頭差。將所得參數按分母與分子分組并無量綱化，其中分子所在參數組稱為上參數組，而分母所在參數組稱為下參數組，將下無量綱化的下參數組數值為橫坐標、無量綱化的上參數組數值為縱坐標做散點圖，再做線性擬合線，其擬合線的斜率表達的是所有滲透參數的平均值，所以擬合線方程中自變量系數即為沈陽市平均滲透系數。由圖2可知，沈陽市平均滲透系數為0.0032。使用相同方法，求得沈陽市的平均彌散系數、分配系數以及遲滯因子分別為0.0195、0.0002和1.0016。

滲透系數可反映土的滲透能力，可由室內試驗或野外試驗法來確定，室內試驗法又可分為常水頭法和變水頭法兩種。本文采用較為簡單的室內常水頭法，根據達西定律公式進行分析：

圖2 地下水反應運移特性基本參數分析圖

這四項參數代表了沈陽市地下水反應運移的特性，并且在以后的沈陽市地下水反應運移預測中，可直接利用以上參數進行初步分析。但需注意以上參數表示的為沈陽市的平均水平，因此在進行小區域分析時還應對這些參數進行適當的修正，從而可以進一步提升預測精確度。在修正過程中，可以選用所有參數的實際值，但為減少預測與計算時間，可以先對所選模型進行敏感性分析，若某一參數對結果影響不大則可以直接使用以上平均值，若影響較大則應根據各樣點的該參數值推求研究區域內實際研究點的參數值，從而即保證預測精確性又不使預測成本過高。

3 反應運移預測

為驗證以上參數精確性并舉例其實際應用方法，選擇在試驗點（圖1）進行示蹤溶液的測量和計算，并將兩組數據進行進行比較。示蹤溶液含有鈣、鈉、鎂、鉀四種離子，其初始pH值為3× 10-6，試驗點孔隙水流速為9.213×10-11m/s。在試驗點水流下游5至60m范圍內取12處監測點，測得四種離子的濃度變化情況。主要反應過程為陽離子交換，具體表達式如下：

式中，Na，Ca，Mg，和K分別表示鈉、鈣、鎂和鉀，X表示陽離子交換位。

選擇的計算模型為對流-彌散-反應模型，分析、離散與求解方法分別為Galerkin有限單元法、有限差分法、和Picard迭代法。為節省預測時間，首先對模型進行敏感性分析，結果發現滲透系數、分配系數和遲滯因子對結果的影響相對較小，因此分別采用研究區域內的平均值，即0.0032、0.0002和1.0016。計算結果受彌散系數的影響較大，因此若只采用研究區域的平均值，則其誤差將較大，于是根據土柱實驗所得32個樣點處的結果、并用Kring泛克里格法網格化繪制沈陽市彌散系數分布云圖（圖3）。

圖3 彌散系數空間分布云圖

總體來看，沈陽市彌散系數成由北至南逐漸遞增趨勢，即沈陽市南部的污染物質擴散速度較大，南北污染物質擴散速度最大比值為6，因此南部地下水污染物質的稀釋速率較快、即其自凈能力強于北部地區。

將實驗點影響范圍內的彌散系數值應用在對流-彌散-反應模型中并對試驗區的污染物質濃度情況進行預測。將預測結果與測量結果繪制與圖4中，其中橫坐標為各觀測點距離試驗點的水平距離，縱坐標表示觀測點所對應的四種離子的濃度，散點為實測值，而曲線為預測值。各離子濃度的量級相差較大，因此采用LOG類圖紙，從而實現所有數據的整合呈現。

圖4 反應溶質濃度計算值與測量值

觀察圖4可知，預測值與實測值比較接近，兩者的差別主要由以下原因引起。（1）為簡化分析方法，預測模型采用了區域平均的滲透系數、分配系數以及遲滯因子；（2）不同求解方法的預測結果略有差異；（3）實測結果也存在一定誤差；（4）原地下水中也可能存在一定量的所研究的離子，因此預測的離子濃度略低于實測濃度。但總體來說，本文所提方法可以很好地預測沈陽市的地下水反應運移情況，因此可以在以后的沈陽市及其它地區地下水反應運移特性分析中得到應用。

4 結語

根據沈陽市32個采樣點的樣品土柱實驗結果得到了研究區域內地下水反應運移的四項參數平均值，其中滲透系數為0.0032、分配系數為0.0002，遲滯因子為1.0016、彌散系數為0.019。總體來看，沈陽市彌散系數成由北至南逐漸遞增趨勢，即沈陽市南部的污染物質擴散速度較大、即其自凈能力強于北部地區。在地下水污染風險評價、灌溉取水、工廠選址等應用中，可以采用對流-彌散-反應模型、根據以上四項參數及本文所得彌散系數分布圖快速預測研究范圍內的污染物質濃度變化情況，從而降低評價成本與時間，而同樣的方法也可用于其它地區的地下水反應運移特性分析中。

［1］米熱古麗·麥麥提.地下水污染現狀調查及處理［J］.水利規劃與設計，2013（11），35-37.

［2］孫寧.城市水資源污染治理與環境保護芻議［J］.水利技術監督，2016，24（01），45-46.

［3］許天福，金光榮，岳高凡，等.地下多組分反應溶質運移數值模擬地質資源和環境研究的新方法［J］.吉林大學學報：地球科學版，2012，42（05），1410-1425.

［4］梁冰，王巖.于家溝地下水反應溶質運移規律數值仿真［J］.地球科學與環境學報，2007，28（04），58-63.

［5］李瑋，何江濤，劉麗雅，等.Hyd rus-1D軟件在地下水污染風險評價中的應用［J］.中國環境科學，2013，33（04），639-647.

［6］毛曉敏，劉翔.PHREEQC在地下水溶質反應-運移模擬中的應用［J］.水文地質工程地質，2004，31（02），20-24.

［7］武桐，劉翔.UNSATCHEM在土壤溶質反應-運移模擬中的應用［J］.福建農業學報，2004，19（01），45-49.

［8］張德生，沈冰.土壤中反應溶質運移的對流—彌散模型及其解析解［J］.西安理工大學學報，2001，17（02），122-126.

［9］張叢志，徐紹輝，張佳寶.多孔介質中多組分反應性溶質運移的研究進展［J］.土壤，2006，38（03），242-248.

［10］錢家忠，劉詠，張勇，等.多孔介質雙分子反應溶質運移實驗與模擬研究［J］.中國科學技術大學學報，2013，43（02），104-109.

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1008-1305（2017）01-0063-03

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.021

2016-05-20

安秉鋒（1970年—），男，高級工程師。

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.022