彭盼盼，黃 凱,3，伍靖?jìng)?/p>

(1.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，南寧 530023；2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；3. 廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)試驗(yàn)室，南寧 530023)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地下水污染問題也日益突出。其中重金屬是造成地下水污染的主要原因之一[1]。天津市某化工廠自投產(chǎn)以來共產(chǎn)生47 萬t鉻渣，由于缺乏合理安全有效的處理措施，鉻渣堆露天堆放，由于降雨淋濾和地下徑流的作用，對(duì)周圍區(qū)域的土壤和地下水造成嚴(yán)重的污染。其淋濾液中的Cr(Ⅵ)是一種具有較強(qiáng)遷移性，有毒的污染物[2, 3]。由于大量鉻渣的長(zhǎng)期露天堆放，Cr(Ⅵ)會(huì)隨著雨雪或地表徑流等滲入土壤和地下水中，從而對(duì)周圍的土壤、地下水和地表水造成污染，對(duì)其范圍內(nèi)人類健康和動(dòng)植物的安全造成威脅[4]。為有效的防范和治理地下水污染，保護(hù)地下水環(huán)境，應(yīng)根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)和地下水環(huán)境特征，對(duì)污染物的運(yùn)動(dòng)遷移趨勢(shì)進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，分析污染物對(duì)地下水環(huán)境可能造成的污染程度，進(jìn)而為鉻污染的防治提供科學(xué)的依據(jù)。

利用數(shù)值模擬軟件對(duì)地下水的水分運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行計(jì)算和分析，是目前研究地下水流動(dòng)和評(píng)價(jià)地下水環(huán)境狀況的主要技術(shù)之一[5]。對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)值模型軟件中，在國(guó)際上應(yīng)用較為廣泛的有：MODFLOW, MT3D, MT3DMS、PEST, FEFLOW, Visual Groundwater, GMS，PHASTI.2, FLOTRAN，Compac, EDGIS，PHREEQC2，HYDRUS-1 D和PHREEQM等[6]。本文采用國(guó)際上最為流行且被各國(guó)同行一致認(rèn)可的三維有限差分地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)----Visual MODFLOW，模擬研究區(qū)地下水中鉻的運(yùn)移，對(duì)地下水的污染進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

1 原理與方法

1.1 地下水流數(shù)學(xué)模型

不考慮水密度變化的條件下，地下水在空隙介質(zhì)中的三維空間的流動(dòng)可采用如下方程[7]表示：

(1)

式中：Kxx、Kyy、Kzz是各項(xiàng)異性含水層X，Y上的滲透系數(shù)，m/s；假定滲透系數(shù)的主軸方向與坐標(biāo)軸方向一致，h是測(cè)壓管水頭，m；W是單位體積流量，1/s；t是時(shí)間，s；Ss為空隙介質(zhì)的貯水率，1/m。

1.2 污染物遷移數(shù)學(xué)模型

描述非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)中污染物k運(yùn)移的偏微分方程可寫成[8]：

(2)

式中：Ck是地下水中污染物k的濃度，g/cm3；t是時(shí)間，d；Dij是水動(dòng)力彌散系數(shù)，cm2/d；vi是地下水滲流速度，cm/d；qs是含水層源匯項(xiàng)的單位流量，cm3/d；Cs是污染物k源匯項(xiàng)的濃度，g/cm3；θ是地層介質(zhì)的孔隙度，無量綱；∑Rn是化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)。

本研究采用有限差分法[9]進(jìn)行水流運(yùn)動(dòng)和污染物運(yùn)動(dòng)的數(shù)值求解工作。

1.3 研究方法

本研究通過實(shí)地勘測(cè)，確定研究區(qū)地形地貌、鉻渣分布、農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)、灌溉及居民用水情況以及污染物與周邊區(qū)域的聯(lián)系情況；在此基礎(chǔ)上，在研究區(qū)代表性位置布置觀測(cè)井對(duì)地下水位和地下水中污染物濃度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；通過實(shí)地勘測(cè)和資料搜集，初步確定六價(jià)鉻在地下水中運(yùn)移的相關(guān)物理參數(shù)，利用Visual MODFLOW建立三維數(shù)值模擬模型，進(jìn)而對(duì)鉻在地下水中的運(yùn)移變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于天津市北辰區(qū)李嘴村，范圍覆蓋東經(jīng)117°05′01.21″-117°06′45.25″，北緯39°13′55.38″-39°14′34.84″，北部邊界為新引河和永定新河支流，西部和南部邊界為北運(yùn)河支流，東部邊界為外環(huán)西路及京津公路，總面積約1.87 km2。

研究區(qū)屬于海積沖積低平原地貌，整體地勢(shì)低平，局部由于人類活動(dòng)影響有高差，海拔位于5～8 m間。區(qū)內(nèi)有農(nóng)田、生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、坑塘等，分別約占比40%、22%，37%，1%。該區(qū)域地下水埋深較淺，常年位于3 m以上，農(nóng)田區(qū)地下水位稍高于工業(yè)區(qū)，地下水埋深在灌溉時(shí)期小于1 m。根據(jù)天津海濱工程勘察設(shè)計(jì)有限公司2015年5月完成的《引河橋李嘴村鉻污染調(diào)查項(xiàng)目土工試驗(yàn)報(bào)告(工號(hào)：2015-063)》，研究區(qū)域埋深3 m深度范圍內(nèi)土壤類型從上到下依次為人工填土層，厚度約為1.0 m；粉質(zhì)黏土,厚度約為1.0 m；粉土，厚度約為1.0 m。

3 試驗(yàn)觀測(cè)

3.1 試驗(yàn)方案

基于對(duì)研究區(qū)的地形、污染源位置和土地利用情況的綜合考慮，結(jié)合第一次土樣采集的打井位置，在整合研究時(shí)段(自2015年3月份土壤化凍開始至同年12月份中旬)，分批布置了11個(gè)采樣點(diǎn)，其中2015年3月30日鉆取觀測(cè)井1～4號(hào)井，2015年5月7日第二批鉆取了5～8號(hào)井，2015年7月16日第三批鉆取了10號(hào)和11號(hào)井。在使用鉆井機(jī)鉆井取樣后，使用Φ75×6 000 mm的PVC管深入所鉆取的井口中并固定，做成半永久式地下水取樣監(jiān)測(cè)井。其中2號(hào)井由于施工中途塌陷，因此無法獲取2號(hào)井連續(xù)的水樣數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 觀測(cè)井分布圖Fig.1 Observation well distribution

2015年3月20日-2015年7月23日對(duì)觀測(cè)井約每10 d監(jiān)測(cè)一次水位、取一次水樣，2015年8月-2015年11月約每月監(jiān)測(cè)一次水位、取一次樣，共取樣16次，共取得水樣92個(gè)。分析10口井地下水中總鉻以及Cr(Ⅵ)的含量。

3.2 觀測(cè)結(jié)果分析

(1)由圖2和表1可見，地下水中Cr(Ⅵ)與總鉻含量變化趨勢(shì)較為一致。對(duì)各監(jiān)測(cè)井地下水中年平均鉻濃度進(jìn)行分析可見，由于三價(jià)鉻主要以絡(luò)合物的形式存在，極易被土壤顆粒吸附，具有遷移難度大的特點(diǎn)，而Cr(Ⅵ)以游離態(tài)存在，會(huì)隨土壤水分的運(yùn)動(dòng)進(jìn)入深層土壤或者地下水中，所以在地下水中，鉻主要以Cr(Ⅵ)的形式存在，三價(jià)鉻含量甚微；所以本文只研究Cr(Ⅵ)在地下水中的遷移趨勢(shì)；其中與鉻渣堆只有一墻之隔的1、10、11號(hào)井地下水中的鉻嚴(yán)重超標(biāo)，稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的5、6、7、8號(hào)井地下水鉻含量大大減少，并且鉻含量隨著離污染源距離的增大而減??；距離鉻渣堆500 m以外的3、4、9號(hào)井中地下水鉻含量非常小，位于《國(guó)家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)中Ⅴ類(0.005 mg/L)和Ⅵ類(0.01 mg/L)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)之間。

(2)地下水中鉻含量受該地區(qū)降雨量的影響而發(fā)生變化。從圖2(a)、圖2(e)、圖2(i)、圖2(h)、圖2(j)可見，地下水中鉻含量隨降雨量的增加而增加。由于降雨下滲，將土壤中的鉻淋洗到地下水中，造成地下水中鉻含量的增加。

圖2 各監(jiān)測(cè)井鉻含量隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化圖Fig.2 Chromium content of monitoring wells with time dynamic map

mg/L

4 模型的建立和參數(shù)的設(shè)置

本研究中采用Visual MODFLOW進(jìn)行鉻離子在地下水中的遷移擴(kuò)散趨勢(shì)的模擬與預(yù)測(cè)。該軟件由一個(gè)主程序和多個(gè)高度獨(dú)立的子程序包組成，用于模擬計(jì)算不同條件下的地下水流動(dòng)。其中包括基本子程序包、滲流、河流、補(bǔ)給、井流、溝渠、蒸發(fā)蒸騰和通用水頭邊界等子程序包，用于模擬各種外應(yīng)力對(duì)地下水流動(dòng)的影響。

4.1 網(wǎng)格剖分

由于Visual MODFLOW軟件對(duì)研究區(qū)的劃分采用等距的矩形剖分，因此研究區(qū)取計(jì)算長(zhǎng)度南北寬3 000 m，東西長(zhǎng)3 000 m，在水平方向上將研究區(qū)剖分為50×50個(gè)單元格。在垂直方向上共18 m，按照地質(zhì)勘探提供的地質(zhì)分層資料分為五層，0～1 m為粉黏土層，1～2為粉土層，2～6 m為黏土層，6～13 m為粉黏土層，13～18 m為黏土層。在北部有兩條河流從西向東構(gòu)成河流邊界，分別是新引河和永定新河。在西部和南部有北運(yùn)河作為河流邊界。三維數(shù)值模型網(wǎng)格剖分圖見圖3。

圖3 模擬區(qū)域網(wǎng)格剖分圖Fig.3 Grid split map of the Simulation area

4.2 邊界條件的劃分

垂直邊界:上部邊界為潛水面，是水量交換邊界，下部邊界全新統(tǒng)下組陸相沖積層，有厚度大于7.2 m的黏土層，是區(qū)域性隔水層，概化為隔水邊界。

側(cè)向邊界: 模擬區(qū)域的四面皆為已知水位的河流邊界，模擬區(qū)地下水與周邊四條河流的補(bǔ)排關(guān)系取決于研究區(qū)地下水與河流水位之間的水力梯度。

溶質(zhì)邊界:對(duì)于溶質(zhì)邊界，在本次模擬中通過連接上一章節(jié)里污染物在土壤中遷移模擬結(jié)果賦鉻濃度值進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)通量，因此設(shè)為溶質(zhì)通量邊界。

本模型的垂向排泄主要是潛水蒸發(fā)。潛水蒸發(fā)是淺層地下水向非飽和帶運(yùn)移，通過土壤蒸發(fā)和作物散發(fā)，輸送到大氣中的過程。潛水蒸發(fā)的強(qiáng)度受地下水埋深、氣象條件、土壤質(zhì)地、地面覆蓋等多個(gè)因素影響。參照前人已有研究成果[10]，初步制定研究區(qū)域平均潛水蒸發(fā)率取0.4。

4.3 參數(shù)的設(shè)置

由于區(qū)域表層土壤質(zhì)地空間變異性大，本研究依據(jù)實(shí)地勘察結(jié)果為基礎(chǔ)，選取各層水文地質(zhì)參數(shù)，同時(shí)利用克里金插值法對(duì)模擬區(qū)表層水文地質(zhì)參數(shù)插值。通過對(duì)水流模型、溶質(zhì)運(yùn)移模型共同調(diào)參，得到模擬區(qū)含水層的水文地質(zhì)參數(shù)取值如表2。

表2 水文地質(zhì)參數(shù)Tab.2 Hydrogeological parameters

注：KH為水平方向的滲透系數(shù)，m/s；KV為垂向滲透系數(shù)，m/s；N為孔隙度。

4.4 模型的標(biāo)定和驗(yàn)證

模型的驗(yàn)證和標(biāo)定是數(shù)值模擬研究問題的必要環(huán)節(jié)，只有經(jīng)過精準(zhǔn)度驗(yàn)證后的模型才可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)污染物的運(yùn)移情況。研究區(qū)域布置11口觀測(cè)井，從2015年3月30日-2015年12月1日對(duì)觀測(cè)井中地下水中污染物濃度和水位觀進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。將觀測(cè)數(shù)據(jù)用于模型的驗(yàn)證(圖4，圖5)。

圖4 觀測(cè)井地下水位模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖Fig.4 Comparison of simulated and measured values of groundwater level in observation wells

圖5 觀測(cè)井中污染物濃度模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.5 Comparison of simulated values of pollutant concentration in observation wells with measured values

由圖4及圖5可以看出，地下水位和地下水中污染物濃度的模擬值和實(shí)測(cè)值擬合較好，相差較小，能夠真實(shí)反映研究區(qū)地下水位變化和污染物運(yùn)移情況，模型的構(gòu)建與設(shè)置符合實(shí)際情況。因此該模型可以用來預(yù)測(cè)地下水中鉻的運(yùn)移。

5 地下水中Cr(Ⅵ)污染的預(yù)測(cè)分析

5.1 污染物范圍在水平方向上的擴(kuò)散

污染物進(jìn)入地下水后，會(huì)隨著地下水的流動(dòng)向周圍擴(kuò)散，其濃度也會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生變化。污染物的遷移變化如圖6～圖10所示。

由圖6～圖10可見，在天然條件下，由于地下水的流場(chǎng)作用和研究區(qū)域的地質(zhì)條件的影響，污染暈由污染源處向四周擴(kuò)散，并且高濃度污染物的區(qū)域范圍隨著時(shí)間的推移也在不斷地?cái)U(kuò)大。

圖6 模擬3年后污染物的運(yùn)移范圍(單位：mg/L)Fig.6 The migration of pollutants after 3 years ofsimulation

圖7 模擬5年后污染物的運(yùn)移范圍(單位：mg/L)Fig.7 The migration of pollutants after 5 years of simulation

圖9 模擬20年后污染物的運(yùn)移范圍(單位：mg/L)Fig.9 The migration of pollutants after 20 years of simulation

圖10 模擬30年后污染物的運(yùn)移范圍(單位：mg/L)Fig.10 The migration of pollutants after 30 years of simulation

5.2 污染物濃度在水平方向上的擴(kuò)散

模型中，在研究區(qū)相地下水流動(dòng)方向上，對(duì)污染源不同距離處設(shè)置了污染物濃度觀測(cè)井，各觀測(cè)井的污染物濃度變化如圖11～圖14所示。

由圖11、圖12可以看出污染源處污染物濃度整體呈下降趨勢(shì)，但是離污染源50 m處的觀測(cè)井濃度呈明顯的上升趨勢(shì)，嚴(yán)重超過了地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅴ類水的鉻離子控制標(biāo)準(zhǔn)，污染非常嚴(yán)重。

圖13、圖14可以看出距離污染源500、800 m處污染物濃度在模擬初期0～8 a間都有明顯增高的趨勢(shì)，8～30 a間濃度增加速度比較平緩。其中距離污染源500 m處，污染物的濃度在0.027～0.032 mg/L范圍內(nèi)，參照GB/T14848-93可知該范圍內(nèi)地下水屬于Ⅲ類水；距離污染源800 m處，污染物濃度在0.007 5～0.009 mg/L范圍內(nèi)，參照GB/T14848-93可知該范圍內(nèi)地下水屬于Ⅱ類水。

綜上所述，該研究區(qū)域污染源處污染嚴(yán)重超標(biāo)，并且高濃度范圍隨著時(shí)間的推移在逐漸擴(kuò)大，所以需要對(duì)污染源采取一定的處理措施。距離污染源較遠(yuǎn)的其他區(qū)域，雖然濃度有所升高，但升高趨勢(shì)比較緩慢，而且基本沒有超過地下水中容許濃度標(biāo)準(zhǔn)。

建議對(duì)污染源處土壤采取電動(dòng)修復(fù)，植物修復(fù)或者微生物修復(fù)等措施，進(jìn)而減少淋濾到地下水中的污染物含量[11]；嚴(yán)格控制研究區(qū)區(qū)域污染源周圍的地下水開采。

圖11 污染源處污染物濃度隨時(shí)間變化Fig.11 Contaminant concentration at the source of pollution varies with time

圖12 距污染源50 m處污染物濃度隨時(shí)間變化Fig.12 The concentration of pollutants at 50 m from the source of pollution

圖13 距污染源500 m處污染物濃度隨時(shí)間變化Fig.13 The concentration of pollutants at 500 m from the source of pollution

圖14 距污染源800 m處污染物濃度隨時(shí)間變化Fig.14 The concentration of pollutants at 800 m from the source of pollution

6 結(jié) 語

(1)本文對(duì)研究區(qū)域的地下水位和污染物濃度進(jìn)行了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明地下水中鉻主要以Cr(Ⅵ)形式存在；地下水鉻污染程度受距污染源距離和地下水位影響較大，距離污染源越近水位越低受污染程度越高；距污染源距離越遠(yuǎn)水位越高，則受污染程度越低。

(2)本研究利用Visual Modflow建立了研究區(qū)地下水中鉻污染的三維數(shù)值模擬模型。

(3)運(yùn)用建立數(shù)值模擬模型對(duì)未來30年Cr(Ⅵ)離子在研究區(qū)域中的運(yùn)移轉(zhuǎn)化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(4)污染物在地下水遷移過程中，由于機(jī)械彌散和對(duì)流的共同作用，污染暈的形狀發(fā)生變化，并且向周圍擴(kuò)散。該研究區(qū)域污染源處地下水中Cr(Ⅵ)含量嚴(yán)重超標(biāo)，并且高濃度范圍隨著時(shí)間的推移在逐漸擴(kuò)大，所以需要對(duì)污染源采取一定的處理措施。距離污染源較遠(yuǎn)的其他區(qū)域，雖然濃度有所升高，但升高趨勢(shì)比較緩慢，而且基本沒有超過地下水中容許濃度標(biāo)準(zhǔn)。

□

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