地下水污染环境影响模拟与预测

范 宇，谢世红，李任政，张 浩（上海市岩土地质研究院有限公司，上海 200072）



地下水污染环境影响模拟与预测

范 宇，谢世红，李任政，张 浩
（上海市岩土地质研究院有限公司，上海 200072）

摘 要：地下水污染具有过程缓慢、不易发现和难以治理等特点，属重大环境问题。为进一步了解地下水污染的环境影响，以某污水处理厂为例，结合所在场区的地质特征，采用注水试验确定场地内土层的渗透系数；建立数学模型对环境影响进行模拟，并利用已知的各项水文地质参数，对正常工况排水条件下污染物的环境影响范围进行预测，为地下水污染的防治实践提供技术支持。

关键词：地下水污染；环境影响；模拟预测

地下水资源是水资源系统中的重要组成部分，在保障我国城乡居民生活用水、工业用水、农业用水、维护生态平衡，支持社会经济发展等方面具有重要作用[1]。但是近年来，随着工业的不断发展，城市化程度的不断增加以及农业生产活动中各种化学药剂的大量使用，造成地下水严重污染，进而加大了对周边环境的影响[2,3]，因此对场地污染的影响进行模拟与预测就显得极为重要。本文以某污水处理厂为实例，进行场区环境影响评价的模拟预测，为该处理厂的地下水污染防治提供技术支持。

1　概况

该污水处理厂位于上海市黄浦江上游饮用水水源保护区。场地东侧为淀山湖水系之汪洋港，处于地下水径流的下游；场地以西有王港村，与其他工厂相隔。

该厂的污水处理工程规模为5000m3/d，采用一体化生物反应池工艺，以高效纤维布滤池过滤工艺深度处理污水，并采用加氯接触消毒。污泥浓缩后经离心脱水，运至污泥固态好氧发酵处理厂处理。而COD和氨氮是“十二五”国家总量控制指标，故作为本文研究的主要关注指标。COD和氨氮设计进水浓度分别为300mg/l和25mg/l，出水水质执行《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的一级A标准，COD和氨氮的设计出水浓度分别为50mg/l和5mg/l。

根据现场勘察情况，在场地内布设6口潜水观测井，并利用场地东侧2个河道观测点和3个民井作为水文地质观测点。在潜水井施工完成后，采用电测水位仪对各水文地质观测点进行24小时连续水位观测，根据潜水水位观测结果，采用美国Golden Software公司发布的Surfer10.0软件描述场地潜水流场，如图1所示。

从流场图可知，观测期间评价区域的潜水流场总体上自西北向东南流动，场地内潜水与地表水联系密切，一般情况下向汪洋港排泄。

图1　场区实测潜水流场（等水位线）图Fig.1 Equal-level contour of groundwater from field measure in study area

2　土层渗透性测定

场区地貌类型属湖沼平原，场区地势较为平坦，地面标高在3.47～4.38m之间，一般在3.80m左右，实测勘探孔孔口高程在3.60～4.32m之间。根据现场岩土工程勘察成果，潜水含水层厚约10m，地层自地表往下依次为：填土（灰黄色粘性土为主）、灰黄色粉质粘土、灰色淤泥质粉质粘土、暗绿—草黄色粉质粘土及草黄色砂质粉土。

为取得场地内土层的渗透性参数，选择J1、J2、J3号观测井进行野外降水头注水试验。

井孔降水头注水试验是野外测定地层渗透性的一种比较规范的方法。向套管内注入清水，使管中水位高出地下水位一定高度（初始水头值）或至套管顶部后，停止供水，开始记录管内水位高度随时间的变化。根据观测结果，分别作lnH0/Ht～t关系曲线，如图2所示。

图2　lnH0/Ht～t关系曲线Fig.2 The curve of lnH0/Ht～t

由曲线求得注水试验特征时间，并采用下式计算试验土层的渗透系数k值，计算结果如表1所示。

k=(πr2)/(AT0)

式中：T0为注水试验的特征时间（s），取lnH0/Ht=1时对应的时间；Ht为注水时间为t时的水头值（cm）；H0为注水试验的初始水头值（cm）；r为套管内径（cm）；A为形状系数，应满足L/r>8，根据上海地层组合和注水试验方法，潜层含水层取(2πL)/ln(L/r)，L为试验段长度（cm）。

表1　场地注水试验结果Table 1 The test results of site injection

由表1可知，场地内土层渗透系数为2.25×10-5cm/s至6.9×10-5cm/s，潜层土壤介于粉质粘土和粘质粉土，分布较为均匀。

3　环境影响模拟

3.1 数学模型构建

根据研究区水文地质条件建立数学模型，地下水运动的控制方程和相应的边界和初始条件如下：

控制方程：

式中：μs为贮水率（1/m），W为源汇项（1/d），Kx、Ky、Kz为x、y、z方向上的渗透系数（m/d），h为地下水水位（m），t为时间。

初始条件：

式中，h0(x,y,z)为已知水位分布，Ω为模型模拟区。边界条件：

式中，Γ2为第二类边界。

为预测本次污染物在地下水中的运移过程，建立地下水溶质运移的数学模型，其控制方程为：

式中：R为迟滞系数；ρb为土壤的容重；θ为土壤人孔隙率；C为组分浓度（mg/l）；为土壤颗粒骨架吸附的溶质浓度（mg/l）；Dij为弥散系数（m2/d）；vi为地下水速度张量；W为水流的源汇项，λ1和λ2分别为溶解相和吸附相的反应速率。

3.2 模型离散化

在平面上边界条件以内的计算区域为0.5km2，进行模型的离散化，共剖分了约6000个网格，在污水处理厂区域与王港村存在民用井的区域加密网格。不考虑水头与污染浓度在垂向上的变化，因此，在垂向上该含水层仅划分为一层。网格剖分结果与边界条件设置见图3。

图3　模型离散化网格剖分Fig.3 The gridding partition of model dispersed

3.3 水文地质参数

模型的主要水文地质参数包括含水层的渗透系数K、给水度、有效孔隙度、纵向弥散度、横向弥散度。根据现场注水试验结果，渗透系数取J1、J2、J3号观测井试验结果的平均值4.43×10-5cm/s，并认为该含水层各向同性。给水度与有效孔隙度根据经验分别取0.2和0.15。

本次地下水污染模拟过程未考虑污染物在含水层中的吸附、挥发、生物化学反应，溶质运移仅考虑对流扩散与机械弥散，纵向弥散度与横向弥散度根据经验均取保守值10m。

3.4 模型求解

利用美国地质调查局（USGS）开发的MODFLOW程序求解水流方程；结合水流计算结果，利用MT3DMS求解溶质运移方程。

4　环境影响预测

4.1 流场预测

为满足地下水污染预测的目的，须首先对地下水流场进行模拟，稳定状态时的地下水流场模拟结果如图4所示。

图4　地下水预测流场（预测等水位线）分布图Fig.4 Equal-level contour of prediction groundwater level

由地下水流场模拟结果可知，潜水流场总体上向东南方向流动，往汪洋港排泄，故有利于防止污染物在地下水中向上游扩散，避免大面积的地下水污染。

地下水模拟流场与实测流场（图1）相比，地下水流向基本一致，但在靠近汪洋港的污水处理厂区域，实测流场的水头梯度大于模拟流场，这可能是因为在成井过程中地下水流场受到了干扰，地下水位还没有恢复到稳定状态。地下水流场梯度越小，污染物可向上游迁移距离越远，因此，为预测可能的最大污染范围，采用地下水模拟流场用于地下水溶质运移模拟。

4.2 情景预测

污水处理厂处理后的尾水直接排放至汪洋港，由于污水厂场地内地下水与汪洋港联系密切，因此，正常工况排水情况下，尾水中污染物会通过汪洋港与地下水的补给作用影响地下水。

正常工况排水情况下，源强预测为：污水排放量5000m3/d，COD的排放浓度为设计出水浓度50mg/l，氨氮的排放浓度为设计出水浓度5mg/l。由于污染物连续释放，地下水中污染物的浓度和影响范围随时间增加而不断增加。根据《地下水环境质量标准》（GB/T 14848-93），分别以III类地下水中高锰酸盐指数浓度（3.0mg/l）和氨氮浓度（0.2mg/l）预测COD和氨氮的影响范围。正常工况排水1年后，在潜水含水层中COD附加浓度的影响范围为325.5m2，5年之后影响范围为656.7m2，10年之后影响范围为896.5m2，20年之后影响范围为1181.4m2。而在潜水含水层中氨氮附加浓度的影响范围，在正常工况排水1年后为386.3m2，5年之后影响范围为784.1m2，10年之后影响范围为1083.4m2，20年之后影响范围为1433.2m2。

正常工况下COD和氨氮的影响范围的趋势预测如图5。COD的曲线拟合为Y=326.74X0.4327，拟合度R2=0.9997；氨氮的曲线拟合为Y=387.14X0.4403，拟合度R2=0.9996。由此可见，污染物影响范围随时间增长将以指数函数形式扩张，且氨氮的影响范围略大于COD的影响范围。

图5　污染物影响范围预测Fig.5 The forecast of pollutants influence range

根据地下水环境影响预测结果，在污水处理厂正常工况排水情景下，污染物将自污染源向汪洋港横向扩散，这有利于防止污染物向厂区内部以及位于上游的王港村扩散，避免造成大面积地下水污染。同时，由于地下水自北向南流，污染物在纵向上会沿着汪洋港有一定扩散。由于污水处理厂排水口靠近汪洋港，污染物主要沿着地下水流场向汪洋港迁移，且污染物浓度较低，因此污染物的影响范围有限。

5　结语

本文利用水文地质概念模型对污水处理厂可能对地下水污染的环境影响进行了模拟与预测，模拟结果与实测基本一致，且通过预测明确了未来地下水污染的环境影响范围，为地下水污染防治提供了技术支持。

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The environmental impact simulation and prediction of groundwater pollution

FAN Yu,XIE Shi-Hong,LI Ren-Zheng,ZHANG Hao
(Shanghai Geological Engineering &Geology Institute Co.Ltd,Shanghai 200072,China)

Abstract:At present,groundwater pollution has been a serious environment problem in our country.The pollution always runs slow,and is difficult to detect and control.In order to further understand the environmental impact of groundwater pollution,this paper take a sewage treatment plant as an example and considers the geological characteristics of the site.A water injection test is used to determine the soil permeability coefficient,an established mathematical model used to simulate environmental impact,and to identify the known hydrogeological parameters in order to predict the scope of the environmental impact of pollutants.Results are compared under normal and abnormal conditions.The purpose of this research is to eventually provide some technical support for the research and governance of groundwater pollution.

Key words:groundwater pollution;environmental impact;simulation and prediction

作者简介:范宇(1988-),女,硕士,助理工程师,主要从事环境水文地质研究.

修订日期:2016-03-10

收稿日期:2016-01-18

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.020

中图分类号：P641.3

文献标志码：A

文章编号：2095-1329(2016)01-0086-04

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