地下水重金属污染迁移模拟及防控技术研究

王传志

（河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450000）

地下水重金属污染作为当今污染面积广、污染程度严重的水文环境问题，必须给予足够的重视。地下水中所受到的重金属污染主要包括：砷、汞、铬、铜、铅、氟、镉、铁、锰以及镍等，在地下水污染中比例超过质量标准所形成的重金属污染[2]。由于地下水重金属污染物中包含对人类健康危害极大的生物学元素，也就是所谓的“五毒”，分别为：汞、镉、砷、铅以及铬，这些生物学元素一旦通过食物链进入人体，会引发多种疾病，常见的有我国的“大脖子病”、泰国的“黑脚病”、日本的“骨痛病”以及粤北的“癌症村”。为有效解决地下水中重金属污染问题，这次想通过对地下水重金属污染迁移模拟及防控技术作研究对象，从重金属污染物的污染源以及分布特性来分析，结合重金属污染物防控现实要求，为改善地下水环境质量等方面的研究提供帮助。

1 地下水重金属污染迁移模拟

表1 地下水重金属污染迁移模拟总述表

考虑到地下水重金属污染在复杂的多孔介质中运动的特点，本文根据达西定律进行地下水重金属污染迁移模拟。地下水重金属污染迁移模拟总述表，如表1所示。

根据表1所示，可以根据地下水重金属污染迁移模拟总述表综合分析重金属污染物在地下水环境中的运动方向。其中，地下水重金属污染分布特性中垂直分布特性，是地下水中重金属污染的一个重要分布特性。本文基于此，进行地下水重金属污染水平迁移模拟以及对流弥散模拟。

1.1 地下水重金属污染水平迁移模拟

在地下水重金属污染迁移模拟中，必须确定地下水流形态类型，针对地下水重金属污染各项迁移指标不随时间的改变而改变的稳定流，本文以重金属Co元素为例，由左及右模拟地下水重金属污染水平迁移。地下水重金属污染由左及右水平迁移模拟示意图，如图1所示。

根据图1所示，可以根据地下水重金属污染物的由左及右水平运动迁移情况，对地下水重金属污染进行防控。在此基础上，针对地下水重金属污染各项迁移指标随时间的改变而改变的非稳定流，由左及右模拟地下水重金属污染对流弥散的状态。地下水重金属污染由左及右对流弥散模拟示意图，如图2所示。

结合图2所示，地下水重金属污染对流弥散的迁徙状态为从左右两侧分散迁徙。

1.2 地下水重金属污染对流弥散迁移模拟

在明确重金属污染由左及右水平迁移以及对流弥散的基础上，分别根据达西定律的线性渗透定律，进行地下水重金属污染水平迁移以及对流弥散的迁移模拟[1]。将重金属污染水平迁移模拟原理，代入达西定律，可得地下水重金属污染水平迁移模拟的数学表达式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，Q指的是模拟地下水重金属污染迁移的渗透流量；K指的是该重金属污染物的渗透系数，为实数；A指的是过水横截面积；L指的是重金属污染物在地下水中的渗透途径；h2-h1指的是地下水下游断面的水头与地下水上游断面的水头之间的差值；I指的是地下水水力梯度。根据地下水水力学可知：Q=AV；因此，可以得出地下水重金属污染迁移模拟的简化公式，如公式（2）所示。

在公式（2）中，V指的是地下水重金属污染迁移的渗透速度。通过公式（2），可实现重金属污染水平迁移模拟。

将重金属污染对流弥散迁移模拟原理，代入达西定律，可得地下水重金属污染三维对流弥散方程的一般形式，如公式（3）所示。

在公式（3）中，∂指的是重金属污染物在地下水中分子扩散系数；θ指的是有效孔隙度；C指的是示踪剂的浓度；t指的是重金属污染物在地下水中分子扩散长度；q指的是达西速度；qs指的是单位体积含水层的体积流量；Cs指的是单位储水量。通过公式（3），可实现重金属污染对流弥散迁移模拟。通过利用在线监控与控制系统相结合，模拟地下水的迁移情况，找出地下水重金属污染源，为地下水重金属污染防控提供数据支持。

2 地下水重金属污染防控技术

在明确地下水重金属污染防控要求的基础上，利用添加还原性有机物质的生物学防控技术，实现地下水重金属污染防控[3]。考虑到不同流域的地下水水质也存在区别，因此应用生物学防控技术在地下水中添加还原性有机物质分解生成有机酸，如：胡敏酸、富里酸、氨基酸，或者糖类及含氮、硫杂环化合物等，再利用其活性基团与重金属元素砷、汞、铬、铜、铅、氟、镉、铁、锰以及镍等络合或螯合，达到影响重金属污染物有效性的目的。

由于还原性有机物质细胞外多聚物表面含有大量可与重金属污染物离子发生相互作用的官能团，可对重金属污染物离子发生吸附或鳌合作用。研究表明，通过生物学防控技术添加还原性有机物质的生物膜能将Co以硫化镉的形式沉积在生物膜表层，将Co以硫化铜的形式沉淀在生物膜表层和液相界面处，实现了对重金属污染物的吸附作用。

除此之外，生物学防控技术还具有矿化固定作用，重金属污染物能够在还原性有机物质作用下将离子态重金属污染物转变为固相态，对重金属污染进行防治。通过生物学防控技术对重金属污染物的钝化固定、真菌体内有机酸根离子或无机酸根离子与重金属形成沉淀等作用，均可使地下水中的重金属污染物固化，有效降低了重金属污染物对地下水的毒害。

综上所述，使用生物学防控技术净化地下水和检测地下水时，基于地下水的复杂环境，可以根据地下水结构的分层不同，向每个水层泵送或注入水，从而改变水力梯度，将水和重金属污染物分离开，实现地下水重金属污染防控。在应用生物学防控技术进行现场防控处理工作时，能够在保证防控效果的同时，取得非常好的经济效益。

通过该技术防控地下水重金属污染，可以减少地上的处理设备，从而在一定程度上减少对环境造成的污染。由于这项技术能够取得良好的防治效果以及经济效益，因此具有十分广阔的发展前景。

3 结束语

通过对地下水重金属污染迁移模拟及防控技术的研究，为地下水污染的防治提供一条解决路径。解决了由于地下水重金属污染物的症像隐蔽、分布不均、累积性强且长期存在，以及重金属污染物整体类型多、超标点位多、复合污染等弊端的存在，使防控地下水重金属污染的工作人员无从下手的难题。

本文不足之处在于，没有针对除抽出处理技术以外的地下水重金属污染防控技术进行深入分析，相信这一点可以作为地下水重金属污染防控领域未来研究方向。虽然现阶段地下水重金属污染防控仍处于不完全成熟的阶段，但现在各级领导及员工已经认识到地下水重金属污染防控的必要性，那日后毕将研究出更佳经济适用的创新技术，为未来保障人民的生活质量、实现长久资源可持续发展提供重要依据。