台州市某医化园区土壤地下水污染预测预警模型研究

徐博宇，沈 毅，潘建飞，骆定辉，方 铖

（1.台州市污染防治工程技术中心，浙江 台州 318000；2.浙江省环境科技有限公司，浙江 杭州 310000；3.南方科技大学台州研究院，浙江 台州 318000；4.浙江省台州生态环境监测中心，浙江 台州 318000）

1 背景

随着经济的快速发展，污染源的种类日益增多，特别是化工区、工业集中区及周边环境，污染方式及生态破坏类型日趋复杂，环境污染负荷逐渐增加，环境污染事故时有发生。同时，随着公众环境意识逐渐增强，各类环境污染投诉纠纷日益频繁，因此对环境监测的种类、要求越来越高。目前台州市椒江医化园区存在着潜在的土壤环境污染风险问题，因此，研究土壤环境的监测管理与污染防治技术体系，开发用于工业园区土壤污染监测与预测预警的数字化系统，可强化土壤环境监测监控能力，推进园区土壤污染防治的数字化转型。建立健全覆盖污染源和环境质量的园区土壤自动监测监控体系，可提升园区土壤环境管控水平，从而实现生态环境保护的数字治理、精准治理和智能治理。

2 医化园区现状

2.1 园区企业生产现状

台州市某医化工业区目前在产企业共31家，主要涉及化学原料和化学制品制造业、染料制造、棉纺织及印染精加工。现有17家被列为2020年重点排污单位，其中水环境重点排污单位16家，土壤环境重点监管单位10家。

2.2 园区地下土壤现状

台州市某医化工业区内分布第四系素填土孔隙潜水含水层、全新统冲海积孔隙潜水含水层组和第四系上更新统冲积孔隙含水层组，属于中等透水性、渗透性均较好，防污性能较差。园区内地下水开采量很小，地表水与地下水存在一定的水力联系，主要表现为潜水测渗补给地表水，但总体上交换的水量不大。

根据《区绿色药都小镇概念规划环境影响报告书（报批稿）》中的监测结果，潮水对远离椒江的孔隙潜水含水层的影响极小，在紧临椒江大堤的监测井的监测结果显示，潮位涨落高差达4 m左右，潜水位变化为20～40 mm。其余监测井离椒江边有一定距离，在量测的精度范围内几乎无反应，最大的潜水位变化＜20 mm。监测结果表明，在临近区内河岸地下潜水，潜水位与地表水基本一致。人为控制河道通往椒江的闸门调控内河水位可以影响河道附近的地下潜水位，从而影响地下水的补径排条件。

2.3 园区地下水污染物现状

通过分析园区各企业2019年土壤自行监测报告，依据《建设用地土壤污染风险管控标准》（GB36600-2018）第二类用地标准，在37个土壤采样点中，土壤环境监测指标pH值、镉、汞、砷、铅、铜、镍、六价铬、VOCs、SVOC等检测项目均未出现超标情况，特征指标1，2-二氯乙烷、三氯甲烷、二氯甲烷、氯苯、苯、甲苯、氯乙烯等出现超标情况。

医化园区各企业污染物种类繁多，除了常规污染物指标COD、氨氮、总磷、总氮外，还有其他潜在污染物近90余种/类，包括有机物、重金属等；园区内各企业的主要潜在污染物相似，大多为甲苯、苯胺、乙酸乙酯、乙酸、丙酮、甲醇、二氯甲烷等有机物，以上有机物可以表征在COD、总氮、总磷、氨氮等在线监测指标中[1]。

通过监测土壤（地下水）环境变化情况，反映是否有污染物进入土壤、地下水环境之中。为确定各指标的初始（背景）值，2020年8月通过委托第三方专业检测机构对园区内的23个地下水监测井进行采样，监测因子包括pH值、电导率、浊度、溶解氧、氧化还原电位、COD、氨氮、总磷、总氮等。根据园区23个地下水监测井的常规指标（水位、水温、pH值、电导率、浊度、ORP）和污染物指标（COD、氨氮、TN、TP）的检测结果，园区的COD、氨氮、总磷、总氮污染严重，大部分点位远超过《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）V类和《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）V类限值，甚至远超过《污水排入城镇下水道水质标准》（GB/T 31962-2015）B级标准。

3 地下水污染预测预警模型

3.1 监测点位布置

台州市椒江区医化工业区监测点位布设主要依据《地下水环境监测技术规范》，结合水文地质条件、企业分布、企业内部的重点设施及重点区域分布、平面与垂向布设原则布设监测点位。为了实现园区企业土壤污染（地下水）在线监测预测预警，结合《2020年台州市重点排污单位名录》，确定17家企业作为监测对象。依据布设原则，布设监测点位22个，其中，在线监测点位8个（2个重点站、6个微站），人工监测点位14个（包含背景值监测点位2个，水文地质调查点2个）。

研究目的在于监测园区企业对地下水的污染程度及动态变化，监测点布设深度不考虑承压含水层，只考虑潜水含水层，监测井深度根据水文地质调查情况确定，深度大于等于已知最大地下水埋深以下2 m。

3.2 地下水自动监控系统建设

土壤（地下水）污染自动监测系统是以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感器技术、自动测量技术、自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用系统管理分析软件和通信网络所组成的一个综合性在线自动监测系统。该系统主要由在线监测仪器、中央控制单元、监测站仪表箱、太阳能供电系统、土壤（地下水）监测井等5部分组成[2]。

监测参数包括：物理参数（水位、水温等），主要水质参数包括pH值、溶解氧、电导率、浊度、ORP、COD、氨氮和TP，除水位外的其他所有监测指标设备均要求一体化集成到一台设备，需配备空调设备，能够适用于当地全年天气条件下实现长效稳定运行。通过中央控制系统实现水样自动监测的控制与各项监测数据的实时采集、处理和传输。以小型仪表箱为中央控制器、在线仪器监测设备、通讯模块提供安全的运行环境。通过土壤（地下水）监测井监测地下水质变化情况。

3.3 模型建设

台州市椒江区医化工业区土壤污染（地下水）在线监测预测预警系统以Modflow与MT3DMS专业软件作为计算引擎。为了能够展现对工业区地下水流及污染物在饱和带中的迁移转化规律及不同时间、不同地点处的溶质分布规律，预测污染物在地下水系统中的变化趋势，在对工业区开展水文地质进行充分调查的基础上，对工业区的水文地质条件进行合理概化，利用GMS软件建立饱和带的水文地质概念模型，并利用其中的Modflow以及MT3DMS计算模块分别构建地下水流数学模型及溶质运移模型，并进行求解，为在线监测预测预警系统提供合理、精确的计算引擎。

3.3.1 地下水流模拟

（1）数学模型

根据以上分析，数学模型定为第一类边界条件和第二类边界条件（零流量）控制的均质各向异性三维稳定流模型，数学模型具体如下：

（2）数值模型构建

①空间划分

水平上，模型的东西长度为6 412m，南北长度为3 285 m，剖分网格大小为10 m×10 m，共剖分为642列，329行；纵向上，含水层概化为一层，顶面为DEM插值高程，海拔-10 m处作为隔水底面。

②边界条件

三条河、七条河、八条河、九条河、椒江、水田等一类边界水头按实测值数据赋值，小白云山山前边界和模型西南部分边界按实测数据与侧向补给量、排泄量公式计算赋值，流量边界及计算公式、结果如下所示：

模型侧向补给量计算公式：

Q侧=K·M·B·I·t

M—含水层厚度；

B—含水层宽度；

I—边界水力梯度；

t—侧向流量计算时间

③源汇项

当地年均降雨约为1 649.6 mm，当地地下水埋深多在1～1.5 m之间，根据水文地质手册经验值，亚粘土、亚砂土降水入渗系数在0.15～0.3之间，埋深1～2 m时亚粘土、亚砂土的降水入渗系数在0.14～0.26之间，综合分析区域特征、气候条件和潜水埋深等影响因素后取0.225，折合计算后模型入渗量设定为0.000 452 m/d。

亚粘土、亚砂土在1～1.5 m潜水埋深条件下的潜水蒸发系数为0.147～0.298，综合分析区域特征、气候条件和潜水埋深等影响因素后取0.225，由于工业区大量修建厂房，有效入渗区面积较小，调查后发现弱透水区域厂房与透水区的面积比例按9：1设置比较合适，即综合当地气温、湿度、潜水埋深、植被条件等信息，潜水蒸散量统一设置为0.000 1 m/d，蒸发极限埋深设置为4 m。

3.3.2 溶质运移模拟

（1）数学模型

本模型的溶质运移数学模型拟设为第二类边界条件的均质各向异性三维瞬态溶质运移模型，数学模型具体如下：

（2）数值模型

根据地下水环境监测在线监测和实验室水质检测数据，COD、氨氮、总磷、总氮的初始浓度场由23个监测点浓度插值生成。

4 结论

通过对台州市土壤（地下水）污染在线监测预测预警系统的研究及实施，强化了台州市环境管理部门对于台州市土壤（地下水）环境的监测监控能力，对加快推进台州市土壤（地下水）污染防治数字化转型，建立健全覆盖污染源和环境质量的园区土壤自动监测监控体系，提升园区土壤环境管控水平，实现生态环境保护数字治理、精准治理、智能治理具有重大意义。