沈阳市地下水反应运移特性分析

安秉锋

（辽宁省沈阳水文局，辽宁沈阳110043）

沈阳市地下水反应运移特性分析

安秉锋

（辽宁省沈阳水文局，辽宁沈阳110043）

地下水反应运移特性的分析是地下水污染风险评价的重要工具，但目前以城市或行政区划为尺度的相关研究却很少。本文对沈阳市32个样点的样品进行土柱实验分析，得到沈阳市地下水反应运移渗透系数、弥散系数、分配系数及迟滞因子四项参数。结果表明基于这些参数的对流-弥散-反应模型可准确预测研究区域内地下水反应溶质的浓度变化情况，为降低地下水污染评价成本与提高效率提供参考。

沈阳市；地下水；反应运移；对流-弥散-反应

1 地下水污染风险评价现状

地下水污染对农田、人类健康、以及地表水质等都有严重的负面作用，因此已成为十分重要的研究课题。地下水污染风险评价是减缓地下水污染影响的重要工具，其实际应用已越来越广泛，例如，可以根据地下水污染风险进行工厂合理选址、水质重点整治、以及灌溉取水规划等。目前，地下水污染的评价及分析方法主要有三种，分别为综合指数法、数据分析法和过程模拟法。综合指数法所得结论较为直观，但过于依赖主观判断；数据分析法可以根据统计规律得到地下水污染的基本趋势，但精确度不够高；过程模拟法是近几十年新兴的地下水分析方法，它基于准确的物理规律，因此发展潜力巨大。

地下水反应运移特性的研究即属于过程模拟法的一种，是地下水污染风险评价的重中之重，其主要目的是准确地判断出污染物质在地下水体中的扩散、吸附、流动以及反应等过程，从而可以得到不同污染源情况下不同时间各位置处污染物的浓度情况。其相关研究主要始于上世纪中叶，Nielson与Bigger推导出了著名的对流-弥散方程，从而使污染物质在水体中运动及扩散情况的计算成为可能。但在实际情况中，地下水污染物质除发生运移及扩散外，还往往伴有生物化学反应过程，因此，想要准确地预测出不同位置处污染物的浓度变化情况，则需将水动力运移模型与溶质多组分化学平衡模型结合起来进行系统分析。这类耦合模型可称为对流-弥散-反应方程系统，它能完整地表达出地下水中污染物的物理、化学与生物过程，但模型中有四项不确定的参数，分别为：渗透系数、弥散系数、分配系数以及迟滞因子。目前，这些参数的确定还大多只停留在实验室或小尺度分析中，而以城市或行政区划为尺度的相关研究却几乎没有。

本文在沈阳市32个不同的位置进行采样，对采集的样品进行土柱实验分析，得到了沈阳市地下水反应运移的平均渗透系数、分配系数和迟滞因子，以及弥散系数的空间分布情况。这些参数可以代表沈阳市的地下水反应运移特性，并可用于快速计算研究区域内任意位置处的地下水污染物质运动、扩散及反应情况。为验证这些参数的准确性，利用这些参数结合Galerkin有限单元法及Picard迭代法对对流-弥散-反应模型进行求解，预测试验点钙、钠、镁、钾四种主要离子的浓度变化情况，将预测结果并与实测值进行比较，证明这些参数较为精确且本文所提方法较为合理，一方面可以极大地降低研究区域内的地下水污染评价成本、并提高评价效率，另一方面也可以为其它地区的地下水反应运移特性分析提供参考方法。

2 反应运移参数

研究区域为辽宁省省会沈阳市。沈阳辖10区、1县级市、2县，面积1.3万km2，人口825.7万，是东北地区经济中心、环渤海经济圈核心城市。属温带半湿润性气候，平均气温8.3℃，年降雨量500mm。四季分明，温差较大。目前，关于该市地下水反应运移的研究较少，而关于该市地下水反应运移渗透系数、弥散系数、分配系数和迟滞因子四项基本参数的总结则几乎没有。本文旨在确定沈阳市的这四项地下水反应运移基本参数，主要有三重研究目的。（1）清晰地表达出该市地下水反应运移特性；（2）为后续的地下水污染评价提供参数，从而节省其地下水反应运移情况的预测成本并提高其效率；（3）为其它地区的地下水反应运移特性分析提供思路。

共选取32个采样点（图1），市区地下水质相对较差，则取样密度相对较大，而在其它地区则取样点分布较为系数。对采样点进行检测，得到其地下水总硬度、硫酸根、氯离子等水质指标参数，并对所收集样品进行传统的土柱实验，分析不同溶质在所取样品土壤中的运移及反应情况。其实验流程为土壤筛选捣实、注水淋洗、加入溶质溶液、分析溶液。通过实验，测得土柱达饱和状态时各取样管水位上升高度、取样管间距、流出水量、流出离子质量浓度随时间变化情况、土柱中水的流速等基本或中间参数，再对所有参数进行分组并进行无量纲化分析，得到沈阳市的平均渗透系数、弥散系数、分配系数和迟滞因子。

图1 研究区域、取样点与试验点

式中，k即代表渗透系数、Q代表一段时间内的渗水量、t代表时间、L代表渗流长度、A代表截面面积，而ΔH代表水头差。将所得参数按分母与分子分组并无量纲化，其中分子所在参数组称为上参数组，而分母所在参数组称为下参数组，将下无量纲化的下参数组数值为横坐标、无量纲化的上参数组数值为纵坐标做散点图，再做线性拟合线，其拟合线的斜率表达的是所有渗透参数的平均值，所以拟合线方程中自变量系数即为沈阳市平均渗透系数。由图2可知，沈阳市平均渗透系数为0.0032。使用相同方法，求得沈阳市的平均弥散系数、分配系数以及迟滞因子分别为0.0195、0.0002和1.0016。

渗透系数可反映土的渗透能力，可由室内试验或野外试验法来确定，室内试验法又可分为常水头法和变水头法两种。本文采用较为简单的室内常水头法，根据达西定律公式进行分析：

图2 地下水反应运移特性基本参数分析图

这四项参数代表了沈阳市地下水反应运移的特性，并且在以后的沈阳市地下水反应运移预测中，可直接利用以上参数进行初步分析。但需注意以上参数表示的为沈阳市的平均水平，因此在进行小区域分析时还应对这些参数进行适当的修正，从而可以进一步提升预测精确度。在修正过程中，可以选用所有参数的实际值，但为减少预测与计算时间，可以先对所选模型进行敏感性分析，若某一参数对结果影响不大则可以直接使用以上平均值，若影响较大则应根据各样点的该参数值推求研究区域内实际研究点的参数值，从而即保证预测精确性又不使预测成本过高。

3 反应运移预测

为验证以上参数精确性并举例其实际应用方法，选择在试验点（图1）进行示踪溶液的测量和计算，并将两组数据进行进行比较。示踪溶液含有钙、钠、镁、钾四种离子，其初始pH值为3× 10-6，试验点孔隙水流速为9.213×10-11m/s。在试验点水流下游5至60m范围内取12处监测点，测得四种离子的浓度变化情况。主要反应过程为阳离子交换，具体表达式如下：

式中，Na，Ca，Mg，和K分别表示钠、钙、镁和钾，X表示阳离子交换位。

选择的计算模型为对流-弥散-反应模型，分析、离散与求解方法分别为Galerkin有限单元法、有限差分法、和Picard迭代法。为节省预测时间，首先对模型进行敏感性分析，结果发现渗透系数、分配系数和迟滞因子对结果的影响相对较小，因此分别采用研究区域内的平均值，即0.0032、0.0002和1.0016。计算结果受弥散系数的影响较大，因此若只采用研究区域的平均值，则其误差将较大，于是根据土柱实验所得32个样点处的结果、并用Kring泛克里格法网格化绘制沈阳市弥散系数分布云图（图3）。

图3 弥散系数空间分布云图

总体来看，沈阳市弥散系数成由北至南逐渐递增趋势，即沈阳市南部的污染物质扩散速度较大，南北污染物质扩散速度最大比值为6，因此南部地下水污染物质的稀释速率较快、即其自净能力强于北部地区。

将实验点影响范围内的弥散系数值应用在对流-弥散-反应模型中并对试验区的污染物质浓度情况进行预测。将预测结果与测量结果绘制与图4中，其中横坐标为各观测点距离试验点的水平距离，纵坐标表示观测点所对应的四种离子的浓度，散点为实测值，而曲线为预测值。各离子浓度的量级相差较大，因此采用LOG类图纸，从而实现所有数据的整合呈现。

图4 反应溶质浓度计算值与测量值

观察图4可知，预测值与实测值比较接近，两者的差别主要由以下原因引起。（1）为简化分析方法，预测模型采用了区域平均的渗透系数、分配系数以及迟滞因子；（2）不同求解方法的预测结果略有差异；（3）实测结果也存在一定误差；（4）原地下水中也可能存在一定量的所研究的离子，因此预测的离子浓度略低于实测浓度。但总体来说，本文所提方法可以很好地预测沈阳市的地下水反应运移情况，因此可以在以后的沈阳市及其它地区地下水反应运移特性分析中得到应用。

4 结语

根据沈阳市32个采样点的样品土柱实验结果得到了研究区域内地下水反应运移的四项参数平均值，其中渗透系数为0.0032、分配系数为0.0002，迟滞因子为1.0016、弥散系数为0.019。总体来看，沈阳市弥散系数成由北至南逐渐递增趋势，即沈阳市南部的污染物质扩散速度较大、即其自净能力强于北部地区。在地下水污染风险评价、灌溉取水、工厂选址等应用中，可以采用对流-弥散-反应模型、根据以上四项参数及本文所得弥散系数分布图快速预测研究范围内的污染物质浓度变化情况，从而降低评价成本与时间，而同样的方法也可用于其它地区的地下水反应运移特性分析中。

［1］米热古丽·麦麦提.地下水污染现状调查及处理［J］.水利规划与设计，2013（11），35-37.

［2］孙宁.城市水资源污染治理与环境保护刍议［J］.水利技术监督，2016，24（01），45-46.

［3］许天福，金光荣，岳高凡，等.地下多组分反应溶质运移数值模拟地质资源和环境研究的新方法［J］.吉林大学学报：地球科学版，2012，42（05），1410-1425.

［4］梁冰，王岩.于家沟地下水反应溶质运移规律数值仿真［J］.地球科学与环境学报，2007，28（04），58-63.

［5］李玮，何江涛，刘丽雅，等.Hyd rus-1D软件在地下水污染风险评价中的应用［J］.中国环境科学，2013，33（04），639-647.

［6］毛晓敏，刘翔.PHREEQC在地下水溶质反应-运移模拟中的应用［J］.水文地质工程地质，2004，31（02），20-24.

［7］武桐，刘翔.UNSATCHEM在土壤溶质反应-运移模拟中的应用［J］.福建农业学报，2004，19（01），45-49.

［8］张德生，沈冰.土壤中反应溶质运移的对流—弥散模型及其解析解［J］.西安理工大学学报，2001，17（02），122-126.

［9］张丛志，徐绍辉，张佳宝.多孔介质中多组分反应性溶质运移的研究进展［J］.土壤，2006，38（03），242-248.

［10］钱家忠，刘咏，张勇，等.多孔介质双分子反应溶质运移实验与模拟研究［J］.中国科学技术大学学报，2013，43（02），104-109.

P641

A

1008-1305（2017）01-0063-03

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

2016-05-20

安秉锋（1970年—），男，高级工程师。

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