地下水重金屬鉻污染試驗觀測與預測分析

彭盼盼，黃 凱,3，伍靖偉

(1.廣西壯族自治區(qū)水利科學研究院，南寧 530023；2. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；3. 廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點試驗室，南寧 530023)

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，地下水污染問題也日益突出。其中重金屬是造成地下水污染的主要原因之一[1]。天津市某化工廠自投產(chǎn)以來共產(chǎn)生47 萬t鉻渣，由于缺乏合理安全有效的處理措施，鉻渣堆露天堆放，由于降雨淋濾和地下徑流的作用，對周圍區(qū)域的土壤和地下水造成嚴重的污染。其淋濾液中的Cr(Ⅵ)是一種具有較強遷移性，有毒的污染物[2, 3]。由于大量鉻渣的長期露天堆放，Cr(Ⅵ)會隨著雨雪或地表徑流等滲入土壤和地下水中，從而對周圍的土壤、地下水和地表水造成污染，對其范圍內(nèi)人類健康和動植物的安全造成威脅[4]。為有效的防范和治理地下水污染，保護地下水環(huán)境，應根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)和地下水環(huán)境特征，對污染物的運動遷移趨勢進行模擬和預測，分析污染物對地下水環(huán)境可能造成的污染程度，進而為鉻污染的防治提供科學的依據(jù)。

利用數(shù)值模擬軟件對地下水的水分運動和溶質(zhì)運移進行計算和分析，是目前研究地下水流動和評價地下水環(huán)境狀況的主要技術之一[5]。對地下水運動和溶質(zhì)運移的數(shù)值模型軟件中，在國際上應用較為廣泛的有：MODFLOW, MT3D, MT3DMS、PEST, FEFLOW, Visual Groundwater, GMS，PHASTI.2, FLOTRAN，Compac, EDGIS，PHREEQC2，HYDRUS-1 D和PHREEQM等[6]。本文采用國際上最為流行且被各國同行一致認可的三維有限差分地下水流和溶質(zhì)運移模擬評價的標準可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)----Visual MODFLOW，模擬研究區(qū)地下水中鉻的運移，對地下水的污染進行預測分析。

1 原理與方法

1.1 地下水流數(shù)學模型

不考慮水密度變化的條件下，地下水在空隙介質(zhì)中的三維空間的流動可采用如下方程[7]表示：

(1)

式中：Kxx、Kyy、Kzz是各項異性含水層X，Y上的滲透系數(shù)，m/s；假定滲透系數(shù)的主軸方向與坐標軸方向一致，h是測壓管水頭，m；W是單位體積流量，1/s；t是時間，s；Ss為空隙介質(zhì)的貯水率，1/m。

1.2 污染物遷移數(shù)學模型

描述非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)中污染物k運移的偏微分方程可寫成[8]：

(2)

式中：Ck是地下水中污染物k的濃度，g/cm3；t是時間，d；Dij是水動力彌散系數(shù)，cm2/d；vi是地下水滲流速度，cm/d；qs是含水層源匯項的單位流量，cm3/d；Cs是污染物k源匯項的濃度，g/cm3；θ是地層介質(zhì)的孔隙度，無量綱；∑Rn是化學反應項。

本研究采用有限差分法[9]進行水流運動和污染物運動的數(shù)值求解工作。

1.3 研究方法

本研究通過實地勘測，確定研究區(qū)地形地貌、鉻渣分布、農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)、灌溉及居民用水情況以及污染物與周邊區(qū)域的聯(lián)系情況；在此基礎上，在研究區(qū)代表性位置布置觀測井對地下水位和地下水中污染物濃度進行動態(tài)監(jiān)測；通過實地勘測和資料搜集，初步確定六價鉻在地下水中運移的相關物理參數(shù)，利用Visual MODFLOW建立三維數(shù)值模擬模型，進而對鉻在地下水中的運移變化趨勢進行預測分析。

2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于天津市北辰區(qū)李嘴村，范圍覆蓋東經(jīng)117°05′01.21″-117°06′45.25″，北緯39°13′55.38″-39°14′34.84″，北部邊界為新引河和永定新河支流，西部和南部邊界為北運河支流，東部邊界為外環(huán)西路及京津公路，總面積約1.87 km2。

研究區(qū)屬于海積沖積低平原地貌，整體地勢低平，局部由于人類活動影響有高差，海拔位于5～8 m間。區(qū)內(nèi)有農(nóng)田、生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、坑塘等，分別約占比40%、22%，37%，1%。該區(qū)域地下水埋深較淺，常年位于3 m以上，農(nóng)田區(qū)地下水位稍高于工業(yè)區(qū)，地下水埋深在灌溉時期小于1 m。根據(jù)天津海濱工程勘察設計有限公司2015年5月完成的《引河橋李嘴村鉻污染調(diào)查項目土工試驗報告(工號：2015-063)》，研究區(qū)域埋深3 m深度范圍內(nèi)土壤類型從上到下依次為人工填土層，厚度約為1.0 m；粉質(zhì)黏土,厚度約為1.0 m；粉土，厚度約為1.0 m。

3 試驗觀測

3.1 試驗方案

基于對研究區(qū)的地形、污染源位置和土地利用情況的綜合考慮，結(jié)合第一次土樣采集的打井位置，在整合研究時段(自2015年3月份土壤化凍開始至同年12月份中旬)，分批布置了11個采樣點，其中2015年3月30日鉆取觀測井1～4號井，2015年5月7日第二批鉆取了5～8號井，2015年7月16日第三批鉆取了10號和11號井。在使用鉆井機鉆井取樣后，使用Φ75×6 000 mm的PVC管深入所鉆取的井口中并固定，做成半永久式地下水取樣監(jiān)測井。其中2號井由于施工中途塌陷，因此無法獲取2號井連續(xù)的水樣數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 觀測井分布圖Fig.1 Observation well distribution

2015年3月20日-2015年7月23日對觀測井約每10 d監(jiān)測一次水位、取一次水樣，2015年8月-2015年11月約每月監(jiān)測一次水位、取一次樣，共取樣16次，共取得水樣92個。分析10口井地下水中總鉻以及Cr(Ⅵ)的含量。

3.2 觀測結(jié)果分析

(1)由圖2和表1可見，地下水中Cr(Ⅵ)與總鉻含量變化趨勢較為一致。對各監(jiān)測井地下水中年平均鉻濃度進行分析可見，由于三價鉻主要以絡合物的形式存在，極易被土壤顆粒吸附，具有遷移難度大的特點，而Cr(Ⅵ)以游離態(tài)存在，會隨土壤水分的運動進入深層土壤或者地下水中，所以在地下水中，鉻主要以Cr(Ⅵ)的形式存在，三價鉻含量甚微；所以本文只研究Cr(Ⅵ)在地下水中的遷移趨勢；其中與鉻渣堆只有一墻之隔的1、10、11號井地下水中的鉻嚴重超標，稍遠一點的5、6、7、8號井地下水鉻含量大大減少，并且鉻含量隨著離污染源距離的增大而減小；距離鉻渣堆500 m以外的3、4、9號井中地下水鉻含量非常小，位于《國家地下水質(zhì)量標準》(GB/T14848-93)中Ⅴ類(0.005 mg/L)和Ⅵ類(0.01 mg/L)水質(zhì)標準之間。

(2)地下水中鉻含量受該地區(qū)降雨量的影響而發(fā)生變化。從圖2(a)、圖2(e)、圖2(i)、圖2(h)、圖2(j)可見，地下水中鉻含量隨降雨量的增加而增加。由于降雨下滲，將土壤中的鉻淋洗到地下水中，造成地下水中鉻含量的增加。

圖2 各監(jiān)測井鉻含量隨時間動態(tài)變化圖Fig.2 Chromium content of monitoring wells with time dynamic map

mg/L

4 模型的建立和參數(shù)的設置

本研究中采用Visual MODFLOW進行鉻離子在地下水中的遷移擴散趨勢的模擬與預測。該軟件由一個主程序和多個高度獨立的子程序包組成，用于模擬計算不同條件下的地下水流動。其中包括基本子程序包、滲流、河流、補給、井流、溝渠、蒸發(fā)蒸騰和通用水頭邊界等子程序包，用于模擬各種外應力對地下水流動的影響。

4.1 網(wǎng)格剖分

由于Visual MODFLOW軟件對研究區(qū)的劃分采用等距的矩形剖分，因此研究區(qū)取計算長度南北寬3 000 m，東西長3 000 m，在水平方向上將研究區(qū)剖分為50×50個單元格。在垂直方向上共18 m，按照地質(zhì)勘探提供的地質(zhì)分層資料分為五層，0～1 m為粉黏土層，1～2為粉土層，2～6 m為黏土層，6～13 m為粉黏土層，13～18 m為黏土層。在北部有兩條河流從西向東構(gòu)成河流邊界，分別是新引河和永定新河。在西部和南部有北運河作為河流邊界。三維數(shù)值模型網(wǎng)格剖分圖見圖3。

圖3 模擬區(qū)域網(wǎng)格剖分圖Fig.3 Grid split map of the Simulation area

4.2 邊界條件的劃分

垂直邊界:上部邊界為潛水面，是水量交換邊界，下部邊界全新統(tǒng)下組陸相沖積層，有厚度大于7.2 m的黏土層，是區(qū)域性隔水層，概化為隔水邊界。

側(cè)向邊界: 模擬區(qū)域的四面皆為已知水位的河流邊界，模擬區(qū)地下水與周邊四條河流的補排關系取決于研究區(qū)地下水與河流水位之間的水力梯度。

溶質(zhì)邊界:對于溶質(zhì)邊界，在本次模擬中通過連接上一章節(jié)里污染物在土壤中遷移模擬結(jié)果賦鉻濃度值進而實現(xiàn)溶質(zhì)通量，因此設為溶質(zhì)通量邊界。

本模型的垂向排泄主要是潛水蒸發(fā)。潛水蒸發(fā)是淺層地下水向非飽和帶運移，通過土壤蒸發(fā)和作物散發(fā)，輸送到大氣中的過程。潛水蒸發(fā)的強度受地下水埋深、氣象條件、土壤質(zhì)地、地面覆蓋等多個因素影響。參照前人已有研究成果[10]，初步制定研究區(qū)域平均潛水蒸發(fā)率取0.4。

4.3 參數(shù)的設置

由于區(qū)域表層土壤質(zhì)地空間變異性大，本研究依據(jù)實地勘察結(jié)果為基礎，選取各層水文地質(zhì)參數(shù)，同時利用克里金插值法對模擬區(qū)表層水文地質(zhì)參數(shù)插值。通過對水流模型、溶質(zhì)運移模型共同調(diào)參，得到模擬區(qū)含水層的水文地質(zhì)參數(shù)取值如表2。

表2 水文地質(zhì)參數(shù)Tab.2 Hydrogeological parameters

注：KH為水平方向的滲透系數(shù)，m/s；KV為垂向滲透系數(shù)，m/s；N為孔隙度。

4.4 模型的標定和驗證

模型的驗證和標定是數(shù)值模擬研究問題的必要環(huán)節(jié)，只有經(jīng)過精準度驗證后的模型才可以準確預測污染物的運移情況。研究區(qū)域布置11口觀測井，從2015年3月30日-2015年12月1日對觀測井中地下水中污染物濃度和水位觀進行動態(tài)檢測。將觀測數(shù)據(jù)用于模型的驗證(圖4，圖5)。

圖4 觀測井地下水位模擬值與實測值對比圖Fig.4 Comparison of simulated and measured values of groundwater level in observation wells

圖5 觀測井中污染物濃度模擬值與實測值對比Fig.5 Comparison of simulated values of pollutant concentration in observation wells with measured values

由圖4及圖5可以看出，地下水位和地下水中污染物濃度的模擬值和實測值擬合較好，相差較小，能夠真實反映研究區(qū)地下水位變化和污染物運移情況，模型的構(gòu)建與設置符合實際情況。因此該模型可以用來預測地下水中鉻的運移。

5 地下水中Cr(Ⅵ)污染的預測分析

5.1 污染物范圍在水平方向上的擴散

污染物進入地下水后，會隨著地下水的流動向周圍擴散，其濃度也會隨著時間的推移發(fā)生變化。污染物的遷移變化如圖6～圖10所示。

由圖6～圖10可見，在天然條件下，由于地下水的流場作用和研究區(qū)域的地質(zhì)條件的影響，污染暈由污染源處向四周擴散，并且高濃度污染物的區(qū)域范圍隨著時間的推移也在不斷地擴大。

圖6 模擬3年后污染物的運移范圍(單位：mg/L)Fig.6 The migration of pollutants after 3 years ofsimulation

圖7 模擬5年后污染物的運移范圍(單位：mg/L)Fig.7 The migration of pollutants after 5 years of simulation

圖9 模擬20年后污染物的運移范圍(單位：mg/L)Fig.9 The migration of pollutants after 20 years of simulation

圖10 模擬30年后污染物的運移范圍(單位：mg/L)Fig.10 The migration of pollutants after 30 years of simulation

5.2 污染物濃度在水平方向上的擴散

模型中，在研究區(qū)相地下水流動方向上，對污染源不同距離處設置了污染物濃度觀測井，各觀測井的污染物濃度變化如圖11～圖14所示。

由圖11、圖12可以看出污染源處污染物濃度整體呈下降趨勢，但是離污染源50 m處的觀測井濃度呈明顯的上升趨勢，嚴重超過了地下水環(huán)境質(zhì)量標準中的Ⅴ類水的鉻離子控制標準，污染非常嚴重。

圖13、圖14可以看出距離污染源500、800 m處污染物濃度在模擬初期0～8 a間都有明顯增高的趨勢，8～30 a間濃度增加速度比較平緩。其中距離污染源500 m處，污染物的濃度在0.027～0.032 mg/L范圍內(nèi)，參照GB/T14848-93可知該范圍內(nèi)地下水屬于Ⅲ類水；距離污染源800 m處，污染物濃度在0.007 5～0.009 mg/L范圍內(nèi)，參照GB/T14848-93可知該范圍內(nèi)地下水屬于Ⅱ類水。

綜上所述，該研究區(qū)域污染源處污染嚴重超標，并且高濃度范圍隨著時間的推移在逐漸擴大，所以需要對污染源采取一定的處理措施。距離污染源較遠的其他區(qū)域，雖然濃度有所升高，但升高趨勢比較緩慢，而且基本沒有超過地下水中容許濃度標準。

建議對污染源處土壤采取電動修復，植物修復或者微生物修復等措施，進而減少淋濾到地下水中的污染物含量[11]；嚴格控制研究區(qū)區(qū)域污染源周圍的地下水開采。

圖11 污染源處污染物濃度隨時間變化Fig.11 Contaminant concentration at the source of pollution varies with time

圖12 距污染源50 m處污染物濃度隨時間變化Fig.12 The concentration of pollutants at 50 m from the source of pollution

圖13 距污染源500 m處污染物濃度隨時間變化Fig.13 The concentration of pollutants at 500 m from the source of pollution

圖14 距污染源800 m處污染物濃度隨時間變化Fig.14 The concentration of pollutants at 800 m from the source of pollution

6 結(jié) 語

(1)本文對研究區(qū)域的地下水位和污染物濃度進行了動態(tài)試驗觀測，實驗結(jié)果表明地下水中鉻主要以Cr(Ⅵ)形式存在；地下水鉻污染程度受距污染源距離和地下水位影響較大，距離污染源越近水位越低受污染程度越高；距污染源距離越遠水位越高，則受污染程度越低。

(2)本研究利用Visual Modflow建立了研究區(qū)地下水中鉻污染的三維數(shù)值模擬模型。

(3)運用建立數(shù)值模擬模型對未來30年Cr(Ⅵ)離子在研究區(qū)域中的運移轉(zhuǎn)化趨勢進行預測。

(4)污染物在地下水遷移過程中，由于機械彌散和對流的共同作用，污染暈的形狀發(fā)生變化，并且向周圍擴散。該研究區(qū)域污染源處地下水中Cr(Ⅵ)含量嚴重超標，并且高濃度范圍隨著時間的推移在逐漸擴大，所以需要對污染源采取一定的處理措施。距離污染源較遠的其他區(qū)域，雖然濃度有所升高，但升高趨勢比較緩慢，而且基本沒有超過地下水中容許濃度標準。

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