拟建污水处理厂事故条件下排水对地下水环境影响预测

张洪英 高宗军 王敏 时孟杰

摘要：分析拟建污水处理厂事故条件下排水对地下水环境的影响，使建设单位和设计单位在建设、设计和运行中做好污染控制和环境保护，为以后环境管理工作提供依据。在日照市五莲县环境水文地质调查的基础上，对拟建设污水处理厂及其周边地下水环境质量现状，利用GMS进行数值模拟分析。基于地下水数值模型通过建立溶质运移模型，以COD作为模拟分析因子，对地下水COD的浓度变化进行模拟。对污水处理厂事故条件下排水后的COD污染范围和程度进行预测分析。若在场区内发生持续渗漏事故，则对当地地下水的水质有较明显的影响，上部和下部含水层中污染物的最高浓度都将超过一级A标准所规定的限值。如果拟建污水处理厂发生持续渗漏事故，地下水中COD浓度会严重超标，严重污染地下水，因此对于拟建污水处理厂要做好保护防渗措施，避免对地下水造成污染。

关键词：污水处理厂；地下水环境；影响预测；COD；数值模拟

1. 引言

地下水是水资源的一个重要组成部分，地下水污染问题越来越被世界各国所重视[1]，并引起全球普遍关注，有关地下水环境的研究也得到各国学者的高度重视[2]。为了保护水资源，维护水域生态功能，满足人类各种用水需求，大部分国家都根据自身的自然环境和人文特征、科学技术发展水平和社会经济状况，通过不同的评价方法来分析地下水的环境影响[3]。目前国际上常用的地下水数值模拟软件有：基于有限单元法FEFLOW，基于有限差分的GMS、Visual MODFLOW、PMWIN等软件。在地下水环境分析中，地下水数值模拟是地下水定量环境影响预测的重要方法[4][GMS在地下水环境影响评价中的应用_李立军]。数值模拟技术诞生于1953年Bruce G.H和PeacemanD.W模拟了一维气相不稳定径向和线形流[5]。我国地下水污染研究起步较晚，20世纪80年代初才开始研究含水层中污染物的运移[6]。翁帮华等人深入研究了地下水环境影响评价，通过利用GMS软件建立稳定地下水流的模型、并通过MT3DMS构建连续的点源渗漏的地下水污染的预测模型，直观地展现出各污染物迁移和变化规律，从而预测对地下水资源环境的影响。

2. 地下水类型

研究区位于五莲县城区，频临沂沭断裂带，地层发育主要有古元古代粉子山群、中生代白垩纪莱阳群、青山群和新生代第四纪地层。地层岩性及地貌形态的组合决定了区内地下水的补给、径流、排泄条件及赋存、富集特征（图1）。评估区域地下水类型有松散岩孔隙水、碳酸盐类裂隙岩溶水、碎屑岩类裂隙水、基岩裂隙水。

3. 模型建立

根据研究区地质及水文地质条件，同时考虑了拟建污水处理厂场区内部与外排水问题，在此基础上建立该区地下水系统数值模拟模型。

3.1 水文地质概念模型

将模型概化为两层含水层，即上部孔隙含水层和下部裂隙含水层。

拟建区位于五莲县高泽镇洪凝河与高泽河交汇处东南侧。模拟区北部为墙夼水库，将模拟区的北部定为定水头边界；模拟区南部有一北东向的断裂经过，将该边界作为流量边界处理，故该断裂定为第二类边界条件。模拟区东部和西部都是基岩裸露区，根据地下水径流方向及地形，将东西边界定为第二类边界条件。本次模拟区范围即图2中黑色线条所圈闭的区域。

3.2 地下水流数学模型

对于上述水平各向同性、空间三维结构、稳定地下水流系统，建立潜水数值模拟的偏微分方程，并结合边界及初始条件形成如下定解问题（式1）：

3.3 溶质运移模拟模型

考虑溶质和溶剂组成的二元体系，取平衡单元体相同的单元体，研究其中溶质的质量守恒，可得描述饱和带溶质运移的对流―弥散方程如下（式2）：

3.4 数值模拟模型

模拟采用GMS软件。在研究区水流模型确定的基础上，用以Modflow为运算基础的MT3DMS溶质运移模型。本次溶质运移模拟仅考虑对流、弥散两种作用，不考虑溶解、吸附作用，以求达到最大风险程度。

3.4.1 模拟区面积

本次模拟区总面积约41.80km2。计算时，将模拟区剖分为80行、80列、2层的规则矩形网格，其中有效网格上部含水层为3564个，下部含水层为3681个，两层共有7245个有效网格。网格剖分示意图见图3。

3.4.2 模拟时间的确定

依据模拟区潜水径流较缓慢的特点，模拟时间取50年，即约18250天。

3.4.3 降水量及入渗量的处理

本次模拟采用多年降水量平均值1020.72mm。第四系降雨入渗补给系数取0.25。河流入渗量取河流量的5%。

3.4.4 模型参数的选取

模型中使用的水文地质参数根据渗水试验、抽水试验进行试选取具体见表1。

4. 污水处理厂污水发生面状连续泄漏对地下水的影响预测

模拟由于各种因素影响，污水处理厂污水管道发生泄漏使污水未经处理就渗漏到含水层中这一极端条件下地下水中COD的浓度及分布范围。污水入渗量取污水处理厂污水总量的10%，即2000m3/d，COD浓度取500mg/L。

沿地下水流向，在距污水处理厂中心点西北方向200m、400m、600m各处取一个观察点并且命名为1、2、3号点，在距第三污水处理厂中心点正南方向200m处取一个观察点并命名为4号点（如图5）。

（1）1号点。在上部含水层中，污染物渗漏发生约500天时地下水中COD浓度从0升高至50mg/L。污染物到达下部含水层并使污染物的浓度达到50mg/L需要的时间是1500天。两层含水层中污染物的浓度在模拟末期，污染物COD浓度都达到最大值500mg/L。

（2）2号点。上部含水层渗漏发生约3500天后地下水中COD浓度开始逐步升高，在模拟末期地下水中COD的浓度最高达到350mg/L。污染物运移至观测点2号点并且到达深部含水层的时间大约为4000天，在模拟结束时深部含水层中污染物的浓度达到最大值400mg/L。对比含水层在模拟结束后达到的最高浓度值可知污染物同时在两层含水层中运移，并且在深部含水层中运移的速度更快一些。

（3）3号点。上部含水层渗漏发生约8000天后地下水中COD浓度开始逐步升高，浓度上升速度很缓慢，在模拟末期地下水中COD的浓度最高达到30mg/L。下部含水层中COD的浓度升高发生在渗露后的6000天，污染物浓度在模拟末期达到最大值48mg/L。

（4）4号点。上部含水层渗漏发生地下水中COD浓度就开始逐步升高，浓度上升速度很缓慢，在模拟末期地下水中COD的浓度最高达到45mg/L。深部含水层渗漏发生后地下水中COD浓度开始逐步升高，在模拟末期地下水中COD的浓度最高达到45mg/L。对比位于污水处理厂中心的北部200m的观察点1可以看出，污染物运移的方向主要是沿流场方向向下游运移。

5 结论及建议

5.1 结论

（1）拟建污水处理厂场区正常工作情况下不会对当地地下水环境造成污染。

（2）在事故条件下，污染物会进入含水层，对当地地下水环境造成一定的影响，且发生污染物连续排放产生的危害更大。

（3）若在场区内的发生持续渗漏事故，则对当地地下水的水质是有较明显的影响，上部和下部含水层中污染物的最高浓度都将超过一级A标准所规定的限值，出现严重污染。

参考文献：

[1] 张人戈.我国城市供水行业的政府规制研究[D].吉林大学，2013.

[2] Heyden C J V D， New M G. Groundwater pollution on the ZambianCopper belt： deciphering the source and the risk [J]. Science of theTotal Environment， 2004， 327（1-3）：17-30.

[3] 高正夏，汤瑞凉.地下水开发对环境的危害及其对策.河海科技进展，1993，13（1），53～57.

[4] 周羽化，卢延娜，张虞，等.某城市城镇污水处理厂COD排放现状评价分析[J].环境科学，2014（10）：3998-4002.

[5] 地下水数值模拟技术发展现状，2012-09-12，www.xzbu.com.

[6] 寇文杰.地下水化学分类方法的思考[J].西部资源，2012，05.

[7] Smith L， Schwartz F W. Mass transport： 1. A stochastic analysis of macroscopic dispersion [J]. Water Resources Research， 1980， 16（2）：303–313.