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        地下水污染模型在地下水調查中的應用

        2021-08-11 08:57:36中煤科工集團杭州研究院有限公司柴萬里
        區(qū)域治理 2021年14期
        關鍵詞:布點酚類污染源

        中煤科工集團杭州研究院有限公司 柴萬里

        一、前言

        工業(yè)污染源及周邊地下水環(huán)境污染狀況調查通常采用系統(tǒng)布點,具體布點方式包括網(wǎng)格式、隨機式以及輻射式[1]。工業(yè)企業(yè)內部可見污染源,如污水處理站,是地下水污染狀況重點調查對象[2],其污水泄漏至周邊地下水環(huán)境中,屬于較為復雜的水動力彌散情景。因此,采用傳統(tǒng)的系統(tǒng)布點方式,調查針對性不強,會導致調查結果不準確,增加調查成本。地下水污染模型可以預測地下水污染狀況,結合地下水污染模型預測結果,能夠優(yōu)化監(jiān)測點布置方案,提高調查結果準確度。

        二、地下水污染模型

        地下水污染模型是研究溶質在地下水流中濃度隨時間、空間變化的數(shù)學模型,與溶質在地下水中的彌散效應、化學作用以及地下水對流作用有關[3]。地下水污染模型是結合水質、水量問題的整體模型,可以用于預測地下水動態(tài)變化,分析不同時間、地點地下水受污染情況。

        三、地下水污染模型優(yōu)化監(jiān)測井布置方案

        地下水污染狀況調查的目的在于查明地下水污染源以及影響范圍,因此,地下水污染狀況初步調查點的布設,需要能夠明確污染源所在位置以及污染擴散范圍。利用二維無限平面的地下水動力模型,可以計算得到地下水污染二維空間分布情況,再結合區(qū)域水文地質特征,便能優(yōu)化初步調查監(jiān)測井布置方案,具體步驟為:(1)確定污染源項;(2)模擬地下水污染狀況;(3)優(yōu)化布點方案。

        (一)確定污染源項

        根據(jù)工業(yè)企業(yè)內部可能存在的具體污染源項進行分析,選擇合適的模型來進行地下水污染狀況模擬。

        (二)模擬地下水污染狀況

        建立地下水污染概念模型,根據(jù)概念模型選擇適用的地下水污染數(shù)學模型,計算得到地下水污染時間、空間分布情況。

        (三)優(yōu)化布點方案

        根據(jù)地下水污染狀況模擬結果,結合前期獲得的水文地質信息,對地下水監(jiān)測布點進行優(yōu)化。

        四、工程實例

        本文以某化工廠污水處理站為污染源,結合實際工程條件,利用地下水污染模型計算結果,優(yōu)化該化工廠地下水污染初步調查監(jiān)測布點方案。

        (一)工程概況

        浙江地區(qū)某化工廠主要以高性能聚合物材料及單體的研發(fā)生產為主,企業(yè)廢水包括工藝直接廢水、設備清洗廢水、地面沖洗水、廢氣處理廢水和生產區(qū)初期雨水,工藝廢水污染因子復雜,特征污染物為COD、氨氮、苯酚類,廢水懸浮物含量較高。廠區(qū)污水處理站廢水處理量為85t/d。

        (二)區(qū)域水文地質

        廠區(qū)所在地位于沖積平原,地貌單一,地勢平坦,水網(wǎng)眾多,根據(jù)場地勘探結果,廠區(qū)地下水為第四系松散巖類孔隙潛水??辈炱陂g實測潛水位埋深為1.00m~1.30m,水位處于動態(tài)變化之中。豐水期時,地下水位高于地表。區(qū)域地下水水位起伏較小,地下水徑流微弱,地下水流向為自北向南。

        (三)污染物泄漏情況

        1.污染源參數(shù)

        工廠污水處理站調節(jié)池為地上池,調節(jié)池尺寸為35×35×2.0m3(長×寬×高),正常工況下調節(jié)池內蓄水不超過1.5m。假設泄露情境為,在調節(jié)池底部中央出現(xiàn)小孔,滲漏廢水全部通過透水層滲入地下水環(huán)境,在地下水環(huán)境監(jiān)測周期內持續(xù)滲漏??紤]工廠的生產內容,特征污染物(示蹤溶質)選擇揮發(fā)性酚類,結合廠區(qū)所在地地表水質量標準,選擇《地下水質量標準》(GB/T14848-2017)Ⅳ類標準為地下水環(huán)境質量限值,即揮發(fā)性酚類(以苯酚計)≤0.01mg/L。

        2.地層參數(shù)

        根據(jù)工廠所在地水文地質概況,選擇最不利地層條件作為模型計算參數(shù),假設污水站調節(jié)池防滲層下為均勻的砂質粉土。地質勘查結果表明,工廠所在地的第一層砂質粉土層孔隙度n為0.45。縱向彌散系數(shù)DL取經驗值10m2/d,橫向的彌散系數(shù)DT取經驗值2m2/d。地下水類型為潛水,水位埋深取最小值1.0m,地下水監(jiān)測井深6.0m,則承壓含水層的厚度M取5.0m。根據(jù)廠區(qū)地下水等水位線及達西定律,不考慮地表蒸發(fā)徑流,廠區(qū)污水站調節(jié)池周邊100m范圍內地下水流動速度u取0.007m/d。

        3.滲漏速率

        調節(jié)池滲漏速率取平均蓄水量的1%,滲漏速率為18.5m3/d,根據(jù)工程經驗,調節(jié)池內揮發(fā)性酚類濃度為2.0mg/L,則污染物揮發(fā)性酚類單位時間滲漏量mt取0.037kg/d。

        (四)地下水污染預測

        1.地下水溶質運移數(shù)學模型

        污染物在地下水中的運移為多孔介質中的水動力彌散,《環(huán)境影響評價技術導則地下水環(huán)境》(HJ610-2016)[4]給出了一維穩(wěn)定流動二維水動力彌散模型,連續(xù)注入示蹤劑的解析方程,具體如下。

        式中:x,y—計算點處的位置坐標;t—時間,d;C(x,y,t)—t時刻點x,y處的示蹤劑濃度,g/L;M—承壓含水層的厚度,m;mt—單位時間注入示蹤劑的質量,kg/d;u—水流速度,m/d;ne—有效孔隙度,無量綱;DL—縱向彌散系數(shù),m2/d;DT—橫向y方向的彌散系數(shù),m2/d;π—圓周率。K0(β)—第二類零階修正貝塞爾函數(shù);—第一類越流系統(tǒng)井函數(shù)。

        2.計算方法

        一維穩(wěn)定流動二維水動力彌散模型需要通過數(shù)值解獲得對流項參數(shù),本文通過MATLAB進行數(shù)值計算,并將計算結果進行圖像化顯示。

        3.預測結果

        污水處理站調節(jié)池中心點南側30m處為工廠地下水監(jiān)測水井,測井深度5m,用于企業(yè)地下水常規(guī)監(jiān)測。在預設情景下,該點(x=5m;y=30m)地下水中揮發(fā)性酚類濃度隨時間變化曲線如圖1所示,根據(jù)預測結果可知,在第49天之后,地下水中揮發(fā)性酚類濃度超過0.01mg/L。

        圖1 固定點(x=5;y=30)揮發(fā)性酚類濃度隨時間變化

        在預設情景下,對第90天地下水各點位揮發(fā)性酚類濃度進行預測,等值線分布圖見圖2。根據(jù)預測結果,在距離泄漏中心點水平距離45m以外,地下水中揮發(fā)性酚類濃度低于0.01mg/L。

        圖2 第90天不同位置處揮發(fā)性酚類濃度等值線圖

        (五)布點方案

        在本文預設的情景下,監(jiān)測水井(x=5m;y=30m)可在泄漏第49天之后檢測出地下水中揮發(fā)性酚類濃度超過0.01mg/L;而在持續(xù)泄漏90天后,距離泄漏中心點水平距離45m以內,埋深20m以內的地下水均能檢測出揮發(fā)性酚類濃度超過0.01mg/L。因此,可以將污水處理站調節(jié)池中心點下游45m范圍內設置為污染影響區(qū)域。

        工廠生產期間未出現(xiàn)地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)異常情況,因此在地下水污染狀況調查時,可以將污染源監(jiān)測點布置在污水調節(jié)池中心點下游(南側)10m處,污染擴散監(jiān)測點可布置在污水調節(jié)池下游(南側)50m處,對照監(jiān)測點布置在污水調節(jié)池北側30~50m處。

        五、結語

        (1)本次采用的地下水模型僅考慮對流彌散,實際的污染物在地下水中的運移情況更加復雜,而地下水污染物遷移轉化涉及復雜的物理化學過程,因此通過該模型進行布點優(yōu)化僅適用于化學性質相對穩(wěn)定的污染物。

        (2)地下水污染預測結果是在理想條件下計算獲得,實際的地下水污染狀況要更加復雜,在監(jiān)測布點中應以現(xiàn)場情況進行判斷與調整。

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