安秉鋒

（遼寧省沈陽水文局，遼寧沈陽110043）

沈陽市地下水反應(yīng)運(yùn)移特性分析

安秉鋒

（遼寧省沈陽水文局，遼寧沈陽110043）

地下水反應(yīng)運(yùn)移特性的分析是地下水污染風(fēng)險評價的重要工具，但目前以城市或行政區(qū)劃為尺度的相關(guān)研究卻很少。本文對沈陽市32個樣點(diǎn)的樣品進(jìn)行土柱實(shí)驗(yàn)分析，得到沈陽市地下水反應(yīng)運(yùn)移滲透系數(shù)、彌散系數(shù)、分配系數(shù)及遲滯因子四項(xiàng)參數(shù)。結(jié)果表明基于這些參數(shù)的對流-彌散-反應(yīng)模型可準(zhǔn)確預(yù)測研究區(qū)域內(nèi)地下水反應(yīng)溶質(zhì)的濃度變化情況，為降低地下水污染評價成本與提高效率提供參考。

沈陽市；地下水；反應(yīng)運(yùn)移；對流-彌散-反應(yīng)

1 地下水污染風(fēng)險評價現(xiàn)狀

地下水污染對農(nóng)田、人類健康、以及地表水質(zhì)等都有嚴(yán)重的負(fù)面作用，因此已成為十分重要的研究課題。地下水污染風(fēng)險評價是減緩地下水污染影響的重要工具，其實(shí)際應(yīng)用已越來越廣泛，例如，可以根據(jù)地下水污染風(fēng)險進(jìn)行工廠合理選址、水質(zhì)重點(diǎn)整治、以及灌溉取水規(guī)劃等。目前，地下水污染的評價及分析方法主要有三種，分別為綜合指數(shù)法、數(shù)據(jù)分析法和過程模擬法。綜合指數(shù)法所得結(jié)論較為直觀，但過于依賴主觀判斷；數(shù)據(jù)分析法可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律得到地下水污染的基本趨勢，但精確度不夠高；過程模擬法是近幾十年新興的地下水分析方法，它基于準(zhǔn)確的物理規(guī)律，因此發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

地下水反應(yīng)運(yùn)移特性的研究即屬于過程模擬法的一種，是地下水污染風(fēng)險評價的重中之重，其主要目的是準(zhǔn)確地判斷出污染物質(zhì)在地下水體中的擴(kuò)散、吸附、流動以及反應(yīng)等過程，從而可以得到不同污染源情況下不同時間各位置處污染物的濃度情況。其相關(guān)研究主要始于上世紀(jì)中葉，Nielson與Bigger推導(dǎo)出了著名的對流-彌散方程，從而使污染物質(zhì)在水體中運(yùn)動及擴(kuò)散情況的計(jì)算成為可能。但在實(shí)際情況中，地下水污染物質(zhì)除發(fā)生運(yùn)移及擴(kuò)散外，還往往伴有生物化學(xué)反應(yīng)過程，因此，想要準(zhǔn)確地預(yù)測出不同位置處污染物的濃度變化情況，則需將水動力運(yùn)移模型與溶質(zhì)多組分化學(xué)平衡模型結(jié)合起來進(jìn)行系統(tǒng)分析。這類耦合模型可稱為對流-彌散-反應(yīng)方程系統(tǒng)，它能完整地表達(dá)出地下水中污染物的物理、化學(xué)與生物過程，但模型中有四項(xiàng)不確定的參數(shù)，分別為：滲透系數(shù)、彌散系數(shù)、分配系數(shù)以及遲滯因子。目前，這些參數(shù)的確定還大多只停留在實(shí)驗(yàn)室或小尺度分析中，而以城市或行政區(qū)劃為尺度的相關(guān)研究卻幾乎沒有。

本文在沈陽市32個不同的位置進(jìn)行采樣，對采集的樣品進(jìn)行土柱實(shí)驗(yàn)分析，得到了沈陽市地下水反應(yīng)運(yùn)移的平均滲透系數(shù)、分配系數(shù)和遲滯因子，以及彌散系數(shù)的空間分布情況。這些參數(shù)可以代表沈陽市的地下水反應(yīng)運(yùn)移特性，并可用于快速計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)任意位置處的地下水污染物質(zhì)運(yùn)動、擴(kuò)散及反應(yīng)情況。為驗(yàn)證這些參數(shù)的準(zhǔn)確性，利用這些參數(shù)結(jié)合Galerkin有限單元法及Picard迭代法對對流-彌散-反應(yīng)模型進(jìn)行求解，預(yù)測試驗(yàn)點(diǎn)鈣、鈉、鎂、鉀四種主要離子的濃度變化情況，將預(yù)測結(jié)果并與實(shí)測值進(jìn)行比較，證明這些參數(shù)較為精確且本文所提方法較為合理，一方面可以極大地降低研究區(qū)域內(nèi)的地下水污染評價成本、并提高評價效率，另一方面也可以為其它地區(qū)的地下水反應(yīng)運(yùn)移特性分析提供參考方法。

2 反應(yīng)運(yùn)移參數(shù)

研究區(qū)域?yàn)檫|寧省省會沈陽市。沈陽轄10區(qū)、1縣級市、2縣，面積1.3萬km2，人口825.7萬，是東北地區(qū)經(jīng)濟(jì)中心、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈核心城市。屬溫帶半濕潤性氣候，平均氣溫8.3℃，年降雨量500mm。四季分明，溫差較大。目前，關(guān)于該市地下水反應(yīng)運(yùn)移的研究較少，而關(guān)于該市地下水反應(yīng)運(yùn)移滲透系數(shù)、彌散系數(shù)、分配系數(shù)和遲滯因子四項(xiàng)基本參數(shù)的總結(jié)則幾乎沒有。本文旨在確定沈陽市的這四項(xiàng)地下水反應(yīng)運(yùn)移基本參數(shù)，主要有三重研究目的。（1）清晰地表達(dá)出該市地下水反應(yīng)運(yùn)移特性；（2）為后續(xù)的地下水污染評價提供參數(shù)，從而節(jié)省其地下水反應(yīng)運(yùn)移情況的預(yù)測成本并提高其效率；（3）為其它地區(qū)的地下水反應(yīng)運(yùn)移特性分析提供思路。

共選取32個采樣點(diǎn)（圖1），市區(qū)地下水質(zhì)相對較差，則取樣密度相對較大，而在其它地區(qū)則取樣點(diǎn)分布較為系數(shù)。對采樣點(diǎn)進(jìn)行檢測，得到其地下水總硬度、硫酸根、氯離子等水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)，并對所收集樣品進(jìn)行傳統(tǒng)的土柱實(shí)驗(yàn)，分析不同溶質(zhì)在所取樣品土壤中的運(yùn)移及反應(yīng)情況。其實(shí)驗(yàn)流程為土壤篩選搗實(shí)、注水淋洗、加入溶質(zhì)溶液、分析溶液。通過實(shí)驗(yàn)，測得土柱達(dá)飽和狀態(tài)時各取樣管水位上升高度、取樣管間距、流出水量、流出離子質(zhì)量濃度隨時間變化情況、土柱中水的流速等基本或中間參數(shù)，再對所有參數(shù)進(jìn)行分組并進(jìn)行無量綱化分析，得到沈陽市的平均滲透系數(shù)、彌散系數(shù)、分配系數(shù)和遲滯因子。

圖1 研究區(qū)域、取樣點(diǎn)與試驗(yàn)點(diǎn)

式中，k即代表滲透系數(shù)、Q代表一段時間內(nèi)的滲水量、t代表時間、L代表滲流長度、A代表截面面積，而ΔH代表水頭差。將所得參數(shù)按分母與分子分組并無量綱化，其中分子所在參數(shù)組稱為上參數(shù)組，而分母所在參數(shù)組稱為下參數(shù)組，將下無量綱化的下參數(shù)組數(shù)值為橫坐標(biāo)、無量綱化的上參數(shù)組數(shù)值為縱坐標(biāo)做散點(diǎn)圖，再做線性擬合線，其擬合線的斜率表達(dá)的是所有滲透參數(shù)的平均值，所以擬合線方程中自變量系數(shù)即為沈陽市平均滲透系數(shù)。由圖2可知，沈陽市平均滲透系數(shù)為0.0032。使用相同方法，求得沈陽市的平均彌散系數(shù)、分配系數(shù)以及遲滯因子分別為0.0195、0.0002和1.0016。

滲透系數(shù)可反映土的滲透能力，可由室內(nèi)試驗(yàn)或野外試驗(yàn)法來確定，室內(nèi)試驗(yàn)法又可分為常水頭法和變水頭法兩種。本文采用較為簡單的室內(nèi)常水頭法，根據(jù)達(dá)西定律公式進(jìn)行分析：

圖2 地下水反應(yīng)運(yùn)移特性基本參數(shù)分析圖

這四項(xiàng)參數(shù)代表了沈陽市地下水反應(yīng)運(yùn)移的特性，并且在以后的沈陽市地下水反應(yīng)運(yùn)移預(yù)測中，可直接利用以上參數(shù)進(jìn)行初步分析。但需注意以上參數(shù)表示的為沈陽市的平均水平，因此在進(jìn)行小區(qū)域分析時還應(yīng)對這些參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，從而可以進(jìn)一步提升預(yù)測精確度。在修正過程中，可以選用所有參數(shù)的實(shí)際值，但為減少預(yù)測與計(jì)算時間，可以先對所選模型進(jìn)行敏感性分析，若某一參數(shù)對結(jié)果影響不大則可以直接使用以上平均值，若影響較大則應(yīng)根據(jù)各樣點(diǎn)的該參數(shù)值推求研究區(qū)域內(nèi)實(shí)際研究點(diǎn)的參數(shù)值，從而即保證預(yù)測精確性又不使預(yù)測成本過高。

3 反應(yīng)運(yùn)移預(yù)測

為驗(yàn)證以上參數(shù)精確性并舉例其實(shí)際應(yīng)用方法，選擇在試驗(yàn)點(diǎn)（圖1）進(jìn)行示蹤溶液的測量和計(jì)算，并將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行比較。示蹤溶液含有鈣、鈉、鎂、鉀四種離子，其初始pH值為3× 10-6，試驗(yàn)點(diǎn)孔隙水流速為9.213×10-11m/s。在試驗(yàn)點(diǎn)水流下游5至60m范圍內(nèi)取12處監(jiān)測點(diǎn)，測得四種離子的濃度變化情況。主要反應(yīng)過程為陽離子交換，具體表達(dá)式如下：

式中，Na，Ca，Mg，和K分別表示鈉、鈣、鎂和鉀，X表示陽離子交換位。

選擇的計(jì)算模型為對流-彌散-反應(yīng)模型，分析、離散與求解方法分別為Galerkin有限單元法、有限差分法、和Picard迭代法。為節(jié)省預(yù)測時間，首先對模型進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)、分配系數(shù)和遲滯因子對結(jié)果的影響相對較小，因此分別采用研究區(qū)域內(nèi)的平均值，即0.0032、0.0002和1.0016。計(jì)算結(jié)果受彌散系數(shù)的影響較大，因此若只采用研究區(qū)域的平均值，則其誤差將較大，于是根據(jù)土柱實(shí)驗(yàn)所得32個樣點(diǎn)處的結(jié)果、并用Kring泛克里格法網(wǎng)格化繪制沈陽市彌散系數(shù)分布云圖（圖3）。

圖3 彌散系數(shù)空間分布云圖

總體來看，沈陽市彌散系數(shù)成由北至南逐漸遞增趨勢，即沈陽市南部的污染物質(zhì)擴(kuò)散速度較大，南北污染物質(zhì)擴(kuò)散速度最大比值為6，因此南部地下水污染物質(zhì)的稀釋速率較快、即其自凈能力強(qiáng)于北部地區(qū)。

將實(shí)驗(yàn)點(diǎn)影響范圍內(nèi)的彌散系數(shù)值應(yīng)用在對流-彌散-反應(yīng)模型中并對試驗(yàn)區(qū)的污染物質(zhì)濃度情況進(jìn)行預(yù)測。將預(yù)測結(jié)果與測量結(jié)果繪制與圖4中，其中橫坐標(biāo)為各觀測點(diǎn)距離試驗(yàn)點(diǎn)的水平距離，縱坐標(biāo)表示觀測點(diǎn)所對應(yīng)的四種離子的濃度，散點(diǎn)為實(shí)測值，而曲線為預(yù)測值。各離子濃度的量級相差較大，因此采用LOG類圖紙，從而實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的整合呈現(xiàn)。

圖4 反應(yīng)溶質(zhì)濃度計(jì)算值與測量值

觀察圖4可知，預(yù)測值與實(shí)測值比較接近，兩者的差別主要由以下原因引起。（1）為簡化分析方法，預(yù)測模型采用了區(qū)域平均的滲透系數(shù)、分配系數(shù)以及遲滯因子；（2）不同求解方法的預(yù)測結(jié)果略有差異；（3）實(shí)測結(jié)果也存在一定誤差；（4）原地下水中也可能存在一定量的所研究的離子，因此預(yù)測的離子濃度略低于實(shí)測濃度。但總體來說，本文所提方法可以很好地預(yù)測沈陽市的地下水反應(yīng)運(yùn)移情況，因此可以在以后的沈陽市及其它地區(qū)地下水反應(yīng)運(yùn)移特性分析中得到應(yīng)用。

4 結(jié)語

根據(jù)沈陽市32個采樣點(diǎn)的樣品土柱實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了研究區(qū)域內(nèi)地下水反應(yīng)運(yùn)移的四項(xiàng)參數(shù)平均值，其中滲透系數(shù)為0.0032、分配系數(shù)為0.0002，遲滯因子為1.0016、彌散系數(shù)為0.019?？傮w來看，沈陽市彌散系數(shù)成由北至南逐漸遞增趨勢，即沈陽市南部的污染物質(zhì)擴(kuò)散速度較大、即其自凈能力強(qiáng)于北部地區(qū)。在地下水污染風(fēng)險評價、灌溉取水、工廠選址等應(yīng)用中，可以采用對流-彌散-反應(yīng)模型、根據(jù)以上四項(xiàng)參數(shù)及本文所得彌散系數(shù)分布圖快速預(yù)測研究范圍內(nèi)的污染物質(zhì)濃度變化情況，從而降低評價成本與時間，而同樣的方法也可用于其它地區(qū)的地下水反應(yīng)運(yùn)移特性分析中。

［1］米熱古麗·麥麥提.地下水污染現(xiàn)狀調(diào)查及處理［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2013（11），35-37.

［2］孫寧.城市水資源污染治理與環(huán)境保護(hù)芻議［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2016，24（01），45-46.

［3］許天福，金光榮，岳高凡，等.地下多組分反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬地質(zhì)資源和環(huán)境研究的新方法［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2012，42（05），1410-1425.

［4］梁冰，王巖.于家溝地下水反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律數(shù)值仿真［J］.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2007，28（04），58-63.

［5］李瑋，何江濤，劉麗雅，等.Hyd rus-1D軟件在地下水污染風(fēng)險評價中的應(yīng)用［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2013，33（04），639-647.

［6］毛曉敏，劉翔.PHREEQC在地下水溶質(zhì)反應(yīng)-運(yùn)移模擬中的應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004，31（02），20-24.

［7］武桐，劉翔.UNSATCHEM在土壤溶質(zhì)反應(yīng)-運(yùn)移模擬中的應(yīng)用［J］.福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2004，19（01），45-49.

［8］張德生，沈冰.土壤中反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移的對流—彌散模型及其解析解［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，17（02），122-126.

［9］張叢志，徐紹輝，張佳寶.多孔介質(zhì)中多組分反應(yīng)性溶質(zhì)運(yùn)移的研究進(jìn)展［J］.土壤，2006，38（03），242-248.

［10］錢家忠，劉詠，張勇，等.多孔介質(zhì)雙分子反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移實(shí)驗(yàn)與模擬研究［J］.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，43（02），104-109.

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A

1008-1305（2017）01-0063-03

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

2016-05-20

安秉鋒（1970年—），男，高級工程師。

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