钟祥市某磷石膏渣场地下水中氨氮和砷的运移模拟研究*

徐怒潮 刘记来 张宗文 吴 峤 丁贞玉#

(1.生态环境部环境规划院，北京 100012；2.北京新敖宇轩天地环保科技有限公司，北京 100161)

在过去的几十年里，我国的磷化工行业得到了前所未有的发展，特别是磷肥工业经过20多年的发展，我国已经实现了由磷肥进口大国变成了磷肥制造大国。磷石膏为磷肥生产过程中的中间产物，其中含有潜在污染物氨氮、砷[1]。目前，国内的磷石膏资源利用率并不高，磷石膏渣场大量的磷石膏露天堆存导致污染物进入地下水环境中，使堆存区的浅层地下水遭到污染[2-3]。2019年开始，国家全面启动了“三磷”排查整治，其中磷石膏渣场造成地下水污染的防治是重中之重。有效开展地下水污染调查，掌握污染物在地下水中的运移情况是地下水污染防治的先决条件，因此研究磷石膏渣场地下水中的污染物运移规律，对地下水环境保护具有重要的理论指导意义。

污染物在地下水中运移的模拟研究是地下水污染调查的重要环节[4]。国内外相关学者已对地下水中污染物运移的模拟开展了广泛的研究。20世纪80年代，美国地质调查局(USGS)开发了一套用于孔隙介质中地下水流动数值模拟的软件Visual Modflow，已经在全世界范围内的多个领域得到广泛应用[5-6]。1990年，郑春苗等[7]在Visual Modflow软件的基础上开发了用于地下水溶质运移模拟的MT3DMS模块，在国内已被广泛应用于地下水中污染物的数值模拟[8-9]。

湖北省钟祥市有“中原磷都”之称，有大量磷石膏渣场存在。本研究选取了钟祥市某已堆存磷石膏90万t的磷石膏渣场为研究对象，渣场底部覆盖有厚度大于1.5 m的黏土层作为防渗措施。该渣场的渗滤液收集池设计容量为1.1万m3，防渗主要靠3 mm厚的高密度聚乙烯(HDPE)膜。一般而言，渣场的渗滤液都会经管道排放进入渗滤液收集池并进行简单处理，而渗滤液收集池的HDPE膜防渗效果很好，能有效阻隔渗滤液向外迁移，但若HDPE膜由于老化等原因而破损，渗滤液就会从破损处向外迁移，污染地下水。因此，正常情况下只有渣场区域的极少量渗滤液会发生缓慢渗漏，当渗滤液收集池的HDPE膜破损时渣场区域的渗滤液渗漏可以忽略不计。本研究利用Visual Modflow软件的MT3DMS模块模拟了该磷石膏渣场正常情况下和渗滤液收集池在HDPE膜破损情况下的污染物氨氮和砷在地下水含水层中运移的规律，为磷石膏渣场地下水污染防治提供技术指导。

1 模型的建立

1.1 水文地质和模拟范围的确定

本研究的磷石膏渣场处于山谷地形中，地下水流向由东南流向西北进入俐河后汇入汉江。在全国重要地质钻孔数据库服务平台提取该渣场周边的17个钻孔资料，钻孔井深为40～180 m。通过提取的钻孔资料及监测井、对照井和扩散井的监测结果分析发现，地下水埋深为43～95 m，地下水主要赋存于基岩裂隙含水层中，以水平运动为主，地下水力梯度为2.8%。综合考虑渣场周边的地貌特征、地质条件、水文条件和地下水流向，确定模拟范围东部以汉江为界，西部以地表分水岭为界，北部以俐河为界，南部至秦冲村。

1.2 剖分与调整

应用Visual Modflow软件的MT3DMS模块对模拟范围进行矩形剖分，除了遵循一般的剖分原则外，本研究在充分考虑模拟范围边界以及岩性分区边界的基础上进行了加密，将网格大小剖分为32 m×48 m，局部加密区网格大小剖分为4 m×6 m，共计剖分出125 564个网格，把地下水流场与实际流场调整一致。

1.3 地下水污染物运移的数学模型

假定污染物能够到达含水层，并且考虑最不利情况，污染物运移的数学模型参考文献[10]。

以污染物未开始迁移时的浓度作为初始条件[11]。边界的浓度设置参考Neumann边界条件[12]，本次模拟边界的初始浓度设为零。

渣场底部覆盖有大于1.5 m的黏土层，根据《磷石膏库安全技术规程》(AQ 2059—2016)，将其渗透系数设置为1×10-7cm/s，考虑渣场渗漏一般难以短时间被发现，通常为持续渗漏，因此模拟时间最长设置到20年(即7 300 d)。

渗滤液收集池的HPDE膜破损时，渗滤液就会从破损处向外迁移，防渗能力将大大减弱，本次模拟将此时的渗透系数扩大10倍，即1.0×10-6cm/s，由于渗滤液收集池内设有监测系统，一般可在较短时间内发现HDPE膜破损，本研究假定100 d内可以发现HDPE膜破损并进行修复处理后重新达到防渗要求。模拟时将污染源看成点源，污染物在渣场和渗滤液收集池中的浓度分别作为正常情况下和渗滤液收集池在HDPE膜破损情况下污染物未开始迁移时的质量浓度(见表1)，模拟周期为7 300 d。

表1 污染物未开始迁移时的质量浓度Table 1 Mass concentrations of pollutants before transferred mg/L

2 地下水中污染物运移模拟结果

2.1 正常情况下地下水中污染物的运移

图1考察了正常情况下在地下水流下游方向距离污染源10、50、100 m处的污染物随时间的变化情况。总体而言，在正常情况下，运移到某一位置的污染物浓度会随时间积累，距离污染源越近，积累速率越快，污染物浓度越高，但一直到模拟结束的7 300 d时，氨氮、砷均未超过《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)Ⅲ类标准(限值分别为0.50、0.01 mg/L)。因此，正常情况下，在地下水流下游方向距离污染源100 m以内，可以保证20年内氨氮和砷渗漏所导致的地下水中浓度不超过GB/T 14848—2017 Ⅲ类标准。

图1 正常情况下污染物的运移Fig.1 Pollutants transfer under normal condition

2.2 渗滤液收集池在HDPE膜破损情况下地下水中污染物的运移

图2考察了渗滤液收集池HDPE膜破损情况下在地下水流下游方向距离污染源10、50、100 m处的污染物随时间的变化情况。总体与在正常情况下相似，到7 300 d模拟结束时，氨氮、砷也均未超过GB/T 14848—2017Ⅲ类标准。因此，渗滤液收集池HDPE膜破损情况下，若能及时发现并进行修复处理，仍然可以保证在地下水流下游方向距离污染源100 m以内、20年内氨氮和砷渗漏所导致的地下水中浓度不超过GB/T 14848—2017 Ⅲ类标准。

图2 渗滤液收集池HDPE膜破损情况下污染物的运移Fig.2 Pollutants transfer under HDPE membrane of leachate collector damaged condition

为了进一步找出风险点，考虑最不利条件，又在HDPE膜破损后未及时修复的持续渗漏情况下进行了模拟，结果只发现，距离污染源10 m处地下水中砷会在100 d后超过GB/T 14848—2017 Ⅲ类标准，不过在3 000 d后浓度可以基本趋于稳定(见图3)。

图3 持续渗漏情况下砷的运移Fig.3 Arsenic transfer under continuous leakage condition

3 结论与建议

3.1 主要结论

(1) 钟祥市某石膏渣场在正常情况下，在地下水流下游方向距离污染源100 m以内，可以保证20年内氨氮和砷渗漏所导致的地下水中浓度不超过GB/T 14848—2017 Ⅲ类标准。

(2) 在渗滤液收集池HDPE膜破损情况下，若能及时发现并进行修复处理，仍然可以保证在地下水流下游方向距离污染源100 m以内、20年内氨氮和砷渗漏所导致的地下水中浓度不超过GB/T 14848—2017 Ⅲ类标准。

(3) 考虑最不利条件，在HDPE膜破损后持续渗漏情况下也只有距离污染源10 m处地下水中砷会在100 d后超过GB/T 14848—2017 Ⅲ类标准，不过在3 000 d后浓度可以基本趋于稳定，但应该引起重视。

3.2 建 议

(1) 目前国内磷石膏渣场较多，对渣场地下水环境关注较少，其地下水中污染物运移的模拟工作开展极少，建议重视这一工作，以保护磷石膏渣场周边地下水。

(2) 渗滤液收集池应做好防渗措施，定期维护，防止破损等情况出现，尽量做到早发现问题、早解决问题，从而有效降低地下水污染风险。