地下水污染模型在地下水調查中的應用

中煤科工集團杭州研究院有限公司 柴萬里

一、前言

工業污染源及周邊地下水環境污染狀況調查通常采用系統布點，具體布點方式包括網格式、隨機式以及輻射式[1]。工業企業內部可見污染源，如污水處理站，是地下水污染狀況重點調查對象[2]，其污水泄漏至周邊地下水環境中，屬于較為復雜的水動力彌散情景。因此，采用傳統的系統布點方式，調查針對性不強，會導致調查結果不準確，增加調查成本。地下水污染模型可以預測地下水污染狀況，結合地下水污染模型預測結果，能夠優化監測點布置方案，提高調查結果準確度。

二、地下水污染模型

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

三、地下水污染模型優化監測井布置方案

地下水污染狀況調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查點的布設，需要能夠明確污染源所在位置以及污染擴散范圍。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，再結合區域水文地質特征，便能優化初步調查監測井布置方案，具體步驟為：（1）確定污染源項；（2）模擬地下水污染狀況；（3）優化布點方案。

（一）確定污染源項

根據工業企業內部可能存在的具體污染源項進行分析，選擇合適的模型來進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，根據概念模型選擇適用的地下水污染數學模型，計算得到地下水污染時間、空間分布情況。

（三）優化布點方案

根據地下水污染狀況模擬結果，結合前期獲得的水文地質信息，對地下水監測布點進行優化。

四、工程實例

本文以某化工廠污水處理站為污染源，結合實際工程條件，利用地下水污染模型計算結果，優化該化工廠地下水污染初步調查監測布點方案。

（一）工程概況

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

（二）區域水文地質

廠區所在地位于沖積平原，地貌單一，地勢平坦，水網眾多，根據場地勘探結果，廠區地下水為第四系松散巖類孔隙潛水。勘察期間實測潛水位埋深為1.00m～1.30m，水位處于動態變化之中。豐水期時，地下水位高于地表。區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

工廠污水處理站調節池為地上池，調節池尺寸為35×35×2.0m3（長×寬×高），正常工況下調節池內蓄水不超過1.5m。假設泄露情境為，在調節池底部中央出現小孔，滲漏廢水全部通過透水層滲入地下水環境，在地下水環境監測周期內持續滲漏。考慮工廠的生產內容，特征污染物（示蹤溶質）選擇揮發性酚類，結合廠區所在地地表水質量標準，選擇《地下水質量標準》（GB/T14848-2017）Ⅳ類標準為地下水環境質量限值，即揮發性酚類（以苯酚計）≤0.01mg/L。

2.地層參數

根據工廠所在地水文地質概況，選擇最不利地層條件作為模型計算參數，假設污水站調節池防滲層下為均勻的砂質粉土。地質勘查結果表明，工廠所在地的第一層砂質粉土層孔隙度n為0.45。縱向彌散系數DL取經驗值10m2/d，橫向的彌散系數DT取經驗值2m2/d。地下水類型為潛水，水位埋深取最小值1.0m，地下水監測井深6.0m，則承壓含水層的厚度M取5.0m。根據廠區地下水等水位線及達西定律，不考慮地表蒸發徑流，廠區污水站調節池周邊100m范圍內地下水流動速度u取0.007m/d。

3.滲漏速率

調節池滲漏速率取平均蓄水量的1%，滲漏速率為18.5m3/d，根據工程經驗，調節池內揮發性酚類濃度為2.0mg/L，則污染物揮發性酚類單位時間滲漏量mt取0.037kg/d。

（四）地下水污染預測

1.地下水溶質運移數學模型

污染物在地下水中的運移為多孔介質中的水動力彌散，《環境影響評價技術導則地下水環境》（HJ610-2016）[4]給出了一維穩定流動二維水動力彌散模型，連續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；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，m2/d；DT—橫向y方向的彌散系數，m2/d；π—圓周率。K0(β)—第二類零階修正貝塞爾函數；—第一類越流系統井函數。

2.計算方法

一維穩定流動二維水動力彌散模型需要通過數值解獲得對流項參數，本文通過MATLAB進行數值計算，并將計算結果進行圖像化顯示。

3.預測結果

污水處理站調節池中心點南側30m處為工廠地下水監測水井，測井深度5m，用于企業地下水常規監測。在預設情景下，該點（x=5m;y=30m）地下水中揮發性酚類濃度隨時間變化曲線如圖1所示，根據預測結果可知，在第49天之后，地下水中揮發性酚類濃度超過0.01mg/L。

圖1 固定點（x=5;y=30）揮發性酚類濃度隨時間變化

在預設情景下，對第90天地下水各點位揮發性酚類濃度進行預測，等值線分布圖見圖2。根據預測結果，在距離泄漏中心點水平距離45m以外，地下水中揮發性酚類濃度低于0.01mg/L。

圖2 第90天不同位置處揮發性酚類濃度等值線圖

（五）布點方案

在本文預設的情景下，監測水井（x=5m;y=30m）可在泄漏第49天之后檢測出地下水中揮發性酚類濃度超過0.01mg/L；而在持續泄漏90天后，距離泄漏中心點水平距離45m以內，埋深20m以內的地下水均能檢測出揮發性酚類濃度超過0.01mg/L。因此，可以將污水處理站調節池中心點下游45m范圍內設置為污染影響區域。

工廠生產期間未出現地下水監測數據異常情況，因此在地下水污染狀況調查時，可以將污染源監測點布置在污水調節池中心點下游（南側）10m處，污染擴散監測點可布置在污水調節池下游（南側）50m處，對照監測點布置在污水調節池北側30～50m處。

五、結語

（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移情況更加復雜，而地下水污染物遷移轉化涉及復雜的物理化學過程，因此通過該模型進行布點優化僅適用于化學性質相對穩定的污染物。

（2）地下水污染預測結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雜，在監測布點中應以現場情況進行判斷與調整。