基于大凌河集中式饮用水水源地地下水污染预警研究

杨天宇

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

地下水是组成地球系统的重要自然资源，在地质构造与水循环系统中时刻传递复杂庞大的信息。目前，受人类活动和气候条件影响地下水资源正面临着日趋突出的问题，如工农业的发展、城镇化进程的加快、水资源开采技术的进步等对地下水及其生态环境构成严重的威胁。地下水具有一定的隐蔽性与延迟性，因此通常情况下不易发觉水体是否已被污染，而一旦察觉则其修复与治理工程角度较大，不易开展且所需资金投入较高。所以，对地下水体污染防治方面是目前水资源与水环境研究的热点。当前，地下水污染风险及其脆弱性分析的相关研究较多，主要是探讨分析地下水体在潜在污染源作用下可能被污染的程度以及地下水系统抵抗污染的能力。随着地下水污染监测方法的不断改进以及评价方法的逐渐完善，地下水负向演化、恶化趋势以及污染现状的分析逐渐得以发展，在地下水资源管理与保护、水资源可持续利用等方面发挥着重要作用。已有相关研究涉及水生态环境、人类健康与地下水污染预警等内容相对较少。据此，本文通过分析地下水体污染预警指标及其涵义，模拟大凌河集中式饮用水水源地地下水污染预警体系，以期为该区域地下水体污染控制、监测以及防治提供一定参考依据。

1 构建地下水污染预警模型

地下水污染预警是对未来水质发展趋势，通过对现有污染源和水文地质条件的调查、监测和分析进行定量化预测，分析地下水在某一时段内可能发生的污染程度和污染区域，从而在地下水污染之前实现准确、客观的预报和预警。根据地下水污染源的特征和范围可将预警指标划分为潜在污染源、地下水脆弱性、地下水水质变化趋势和地下水功能预警四种类型，它不仅综合了地下水水质、污染源潜在污染能力、包气带过渡地带防护性能以及地下水水量等因素，而且可构成地下水污染预警系统的主要内容。本文根据地下五级水污染风险和四级突发环境事件应急预案，将预警等级划分为四个级别和无预警级别，按照不同的灰色、蓝色、黄色、橙色和红色代表不同的预警等级。

根据溶质迁移转化模型以及饱和带、包气带水流模型对污染物在地下水系统中的转移转化过程进行模拟预测，从而实现对保护目标影响程度的预测分析，然后根据不同区域地下水污染程度和影响范围确定相应的预警级别，该过程为地下水污染预警的过程模拟主要内容。它不仅可对地下水系统中的水质与水量进行综合的评价分析，而且可进一步验证模型本身的可靠性与可行性。溶质迁移转化模型以及饱和带、包气带水流模型可涵盖整个水系统的预警指标。地表潜在污染源是指包气带过程模拟中的“源”，其实现“路径”是指垂向包气带在污染源处的厚度范围，潜水含水层水面是实现该过程模拟的“目标”。

在地下水脆弱性分析中DRASTIC模型应用较为普遍，对模型评价指标应根据区域实际状况进行分析，模拟范围内地形坡度T和净补给量相差不大；包气带厚度可通过地下水埋深D替代，而地下水脆弱性受包气带厚度及其岩性的影响作用可通过包气带影响I反映。溶质运移模型综合考虑了潜在污染源的特征以及污染物浓度、种类、降解系数与吸附系数等内容，并且还分析了污染物的释放途径、排放量以及污染源类型等。所以，包气带过程模拟是综合考虑了潜在污染源、地下水埋深D、包气带影响I、净补给量R以及地形坡度T等预警因子。采用松散连接作为包气带与饱和带之间的链接方式，在本研究中可体现在如下方面：从地面达到潜水面的最大污染物浓度值为Cmax；饱和带过程模拟的上部边界输入条件可通过文件的形式进行反映。

进入到潜水含水层水面的污染物为饱和带过程模拟的“源”，其实现“路径”是指地下水的径流方向，具有重要意义的河流、井和泉为实现该过程模拟的“目标”。建立饱和带水流模型的重要参数和基础材料主要包括含水层导水系数C和含水层介质A，并且在该模型中的地下水资源功能可通过地下水水位变化情况进行反映，地下水地质环境功能可通过水文地质概念模型体现，而地下水生态功能可根据二维稳定流模型反映，地下水水质变化趋势预警因子根据饱和带溶质运移模型体现。所以，饱和带过程模拟是综合考虑了含水层介质A、导水系数C、地下水功能以及水质变化趋势等。

2 实例应用

2.1 大凌河流域概况

大凌河流域位于我国辽宁省西部，全长398km，流域内大小支流交错，面积约2.35万km2，坡降比为2.35‰，为辽宁省重要的生活用水及工农业用水的主要来源之一；属于大陆性季风气候，年降雨量为450～600mm，受地形与气候环境等因素影响，全年58%以上的降水量集中在6～9月份；年平均温度为8.5～10.0℃，并且季节性温差较大。流域内地势结构以低山、低丘陵区为主，局部地区为平原区，汛期暴雨时洪峰流量较大，且可预见期短。地下水侧向径流、辽河入渗以及大气降雨入渗为该区域地下水主要补给来源。

本文主要是针对锦州市大凌河集中式饮用水水源地，在降水作用下土壤中的污染物经包气带进入含水层和地下水体中的迁移转化规律进行分析，并对该区域供水井水质的影响作用预测，给出了水体污染预警级别。

2.2 包气带过程模拟

利用Hydurs- 1D软件建立污染物迁移转化和垂向一维水流模型为包气带过程模拟的主要内容，通过模拟包气带中垃圾堆场地内土壤的硝酸盐氮、氨氮以及有机氮浓度变化，污染物到达潜水面的浓度大小等揭示污染物迁移转化规律。根据场地包气带介质可将模型从上至下划分为三个层次，即种植土层、细砂层以及粗砂含砾层。场地中有机氮浓度为2.45mg/L、氨氮为1.12mg/L、硝酸盐氮为4.70mg/L，氨氮的线性吸附和消化作用以及硝酸盐氮的反消化作用为包气带过程模拟的主要方面，模拟时间为7200d。随着时间的推移，包气带模拟出的硝酸盐氮以及氨氮浓度变化趋势如图1所示。

图1 硝酸盐氮与氨氮浓度变化趋势

根据上图变化趋势可知，在降雨淋滤作用下场地土壤中的硝酸盐氮在第1年即可达到潜水含水层，而氨氮穿过包气带到达潜水含水层则需要6年时间。在前12年期间，硝酸盐氮和氨氮达到地下水水面的浓度值随时间的延续呈对数增长的变化趋势，然后逐渐趋于稳定，其中硝酸盐氮达到最大浓度值为12.25mg/L，氨氮浓度为1.06×10-3mg/L。氨氮浓度相对于输入基准值降低，而硝酸盐氮逐渐增大，由此表明该场地的氨氮硝化作用大于硝酸盐氮的反硝化，该区域Eh值处于较高范围并属于氧化环境，同时表明该区域河流、水井以及泉受硝酸盐氮进入含水层的影响作用较大。

2.3 饱和带过程模拟与预警分区

选取含水层岩性为粗砂、砂卵石以及砂砾石为主的区域作为饱和带过程模拟范围，模拟区占地面积21km2，长宽为3100m×6800m。将含水层系统沿垂向划分为粗砂、亚黏土和砂砾石层次，分别对应于25m的潜水层、6m厚的弱透水层以及30m厚的承压含水层，各层次渗透系数、给水度等参数见表1。

表1 含水层水文地质条件

模型底部水流的下渗可通过顶部补给边界进行补给，由于该区域水流方向为东南流向西北，因此可将补给流量和排泄边界分别选取为东南部和西北部相邻河流。隔水边界选取承压含水层底板并将其作为模型模拟底部，补给来源主要有河流、侧向径流或排泄、测向补给等，采取人工开采的方式作为排泄项。模拟区域地下水流速度较慢且面积较小，因此可采取二维稳定流模型作为该区域的水流概化状况。然后将示踪粒子设置于场地单元格内，污染物在降雨淋滤作用下到达地下水后的迁移路径，可通过MODPATH模块进行模拟，结果表明示踪粒子在水源地供水时可随地下水水流运移并偏向于供水井的流向。若不能采取有效的防范措施，在长期的淋滤作用下场地内的土壤终将污染该区域的水源地。

结合包气带模拟结果，模型顶部的硝酸盐输入浓度为12.25mg/L，氨氮输入浓度为1.06×10-3mg/L，人类活动是影响硝酸盐氮污染的关键因素，并以人为因素最为明显。因此，在地下水水流运动分析时可选取影响较大的硝酸盐氮，并将其作为供水井水质影响的关键因子。

在饱和带过程模拟时不考虑其他硝酸盐氮的来源、背景值、吸附作用以及反硝化作用，而仅仅考虑含水层中硝酸盐氮的对流-弥散效应。因此，在预警等级设定时，只要满足水源井硝酸盐氮预警值即可发出警报。模型中共包括承压与潜水含水层，相对于潜水含水层的污染治理，承压含水层的治理难度更大，地下水系统的恢复和治理工作更加困难，难以准确预测水体污染对生态环境、人类健康的风险程度，因此在划定预警临界值时应充分考虑其与潜水含水层之间的区别以及关联作用。

硝酸盐氮在包气带底部浓度进入含水层时可明显降低，并且随着模拟时间的延长，场地含水层的硝酸盐氮浓度呈逐渐增加的趋势，因此对潜水层预警界线可采取四分位距法进行确定，相应的警戒值分别为1.20mg/L、2.5mg/L和5.00mg/L。抽水井、潜水含水层、承压含水层中的最大硝酸盐氮浓度在不同时间的取值范围见表2。

表2 最大硝酸盐氮浓度值取值范围

由表2统计结果可以看出，潜水层中的最大污染物浓度值在相同时间段内基本是承压含水层的50倍，因此在设定预警等级临界值时承压层预警应为潜水层的1/50，因此其警戒线为0.03mg/L、0.06mg/L、0.12mg/L。

对比分析不同时间内水源井的硝酸盐氮浓度范围以及污染晕中的硝酸盐氮最大浓度值，结果显示污染物浓度在场地土壤持续堆放垃圾的条件下进入地下水环境中，并且随着地下水流方向污染晕质心不断增大，其影响范围也逐渐扩大。水源井浓度和最大浓度值不断增加，承压层预警级别的划分相对于潜水含水层应更加慎重。潜水含水层的预警级别随着时间推移应低于承压含水层，从而实现承压含水层水资源的更好保护。时间与承压含水层最大污染物浓度值呈指数相关性，其相关系数R2达到0.9826；而与潜水含水层呈线性相关性，其相关系数R2为0.9730，由此表明可利用该模型进行更长时间序列的预测。

2.4 预警管理措施

根据上述不同含水层的预警分析结果，对其管理措施主要可分为预防、监测、控制等，其中预防和监测应主要分布于一级和零级预警区。监测是指将监测网布置于水源地污染晕附近范围，通过监测污染物浓度的变化速度和污染晕扩散速率分析其时空变化趋势；而预防措施是指在对硝酸盐氮达到水源地时间范围内进行模拟预测。在零级预警区范围内，可通过采取适当的防渗措施处理堆积的垃圾及其场地土壤，对地下水中的污染物可利用合适的清除措施进行洁净处理。对于一级预警区已经达到水源地的硝酸盐氮，其浓度较低，因此可采取的措施有：移走场地垃圾并切断污染源，适当处理场地土壤；利用注水或抽水的方式改变模拟区的地下水流场，并以此改变污染物的扩散方向，避免向水源地扩散。

监测和控制措施主要发生在二至四级预警区范围，地下水污染预警在达到此程度时，其水质已表现出较为显著的恶化趋势并且污染物浓度往往较高。据此，应在调查分析污染途径和主要污染源的基础上，及时切断地下水污染源并采取如下控制措施：对含水层系统中的贮存量通过抽水或注水的方式进行改变，对已经被污染的地下水利用合适的物理化学法进行净化处理，为防止污染物进一步向含水系统扩散可采取生物法对污染较重的包气带进行处理；对地下水中的污染物弥散过程可通过截留或堵塞措施进行控制，并以此防止进入水源地。

地下水中的污染物浓度在二至四级预警区往往较高，并对水质已造成明显的影响，在此条件下应对地下水污染进行及时的观测并在短期内熟知污染物浓度、类型、来源、污染物及其可能造成的各种影响。与此同时，还需要在短期内及时制定一整套科学、适用的监测方案，对各影响因素进行充分的分析。

3 结论

本文以大凌河集中式饮用水水源地为例，对场地土壤场地硝酸盐氮、氨氮到达地下水水面的详细过程利用包气带过程模拟进行了深入分析，并在此基础上制定了相应的临界值。

(1)在降雨淋滤作用下场地土壤中的硝酸盐氮在第1年即可达到潜水含水层，而氨氮穿过包气带到达潜水含水层则需要6年。在前12年期间，硝酸盐氮和氨氮达到地下水水面的浓度值随时间的延续呈对数增长的变化趋势，然后逐渐趋于稳定。

(2)相对于潜水含水层的污染治理，承压含水层的治理难度更大，地下水系统的恢复和治理工作更加困难，难以准确预测水体污染对生态环境、人类健康的风险程度，因此在划定预警临界值时应充分考虑其与潜水含水层之间的区别以及关联作用。

(3)污染物浓度在场地土壤持续堆放垃圾的条件下进入地下水环境中，并且随着地下水流方向污染晕质心不断增大，其影响范围也逐渐扩大。水源井浓度和最大浓度值不断增加，承压层预警级别的划分相对于潜水含水层应更加慎重。

(4)潜水含水层的预警级别随着时间推移应低于承压含水层，从而实现承压含水层水资源的更好保护。时间与承压含水层最大污染物浓度值呈指数相关性，而与潜水含水层呈线性相关性。