馬 黎

（無(wú)錫柯銘環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 無(wú)錫 214072）

隨著經(jīng)濟(jì)及社會(huì)的發(fā)展，含銅的產(chǎn)品應(yīng)用廣泛。一般銅質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)中，會(huì)產(chǎn)生大量的含銅廢水，廢水處理后剩余污泥中含銅量較高。例如，李海英分析了工廠處理線路板廢水產(chǎn)生的污泥，Cu、Fe和Sn含量分別是6.27%、5.55%和0.062%[1]。張慶建等分析了電鍍污泥中典型金屬離子的含量，Cu、Sn、Fe的含量分別為16.72%～24.60%、6.99%～12.65%和1.82%～24.47%，并推斷了樣品的來(lái)源[2]。研究表明，污泥中含有的金屬離子成分是一種廉價(jià)的二次可再生資源。很多企業(yè)通過(guò)火法冶煉、濕法浸出等方法回收金屬。然而，資源化處置利用的企業(yè)技術(shù)和管理水平參差不齊，很容易造成二次污染。例如，污泥中金屬隨水分滲入土壤中造成污染，污水處理設(shè)施的滲漏等。因此，為了最大限度消除和減輕污染，含銅污泥處置利用的企業(yè)，應(yīng)進(jìn)行地下水污染的影響研究。

蘇南地區(qū)是全國(guó)的工業(yè)重地，較高的工業(yè)化水平帶來(lái)了重金屬污染問(wèn)題。例如，徐晨等在研究望虞河西岸河網(wǎng)區(qū)重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，地累積指數(shù)法顯示沉積物中Cu、Zn和Cd的污染程度較高，局部地方屬于偏重度污染水平[3]。方斌斌等研究太湖流域水體和沉積物中的重金屬時(shí)發(fā)現(xiàn)，沉積物中Cr、Cu和Zn平均值為102.32 mg/kg、65.24 mg/kg、185.64 mg/ kg[4]。鑒于金屬?gòu)U物處置企業(yè)可能會(huì)出現(xiàn)二次污染問(wèn)題，有必要開(kāi)展含銅廢物處置企業(yè)內(nèi)地下水的環(huán)境影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。為此，選擇了蘇南某資源再生企業(yè)為對(duì)象，分析了廢水中有機(jī)污染物和金屬離子滲入土壤后對(duì)地下水的影響，為該類企業(yè)的金屬離子污染防止提供一些理論上的支撐。

1 研究對(duì)象及模型

1.1 研究區(qū)域見(jiàn)圖1。

圖1 研究地塊的實(shí)景圖

蘇南某銅資源再生企業(yè)位于工業(yè)集中區(qū)，所在區(qū)域的地形呈南高、中低、北平的趨勢(shì)，屬于揚(yáng)子地層區(qū)江南地層分區(qū)，地層發(fā)育較為齊全。企業(yè)占地面積約29 700 m2，總建筑面積約為17 200 m2，南側(cè)為南溪河，東側(cè)為某凈水劑廠，北側(cè)為某通風(fēng)機(jī)廠，西側(cè)是某環(huán)保工程公司。該企業(yè)位于所在市的國(guó)家森林公園南側(cè)約5 km處，距離最近的生態(tài)空間管控區(qū)域約1.6 km。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔對(duì)上層水位的測(cè)量，水位埋深約為0.5 m，主要受大氣影響降水補(bǔ)給，以垂直蒸發(fā)和側(cè)向滲流排泄為主。污染物主要是通過(guò)降雨和廢水排放進(jìn)入包氣帶，從而影響地下水環(huán)境。

1.2 預(yù)測(cè)分析模型

為了分析污染物滲入后對(duì)地下水水質(zhì)的影響，采用非均質(zhì)、各向異性、非穩(wěn)態(tài)地下水流系統(tǒng)進(jìn)行地下水動(dòng)力模擬，采用地下水質(zhì)遷移模型預(yù)測(cè)污染物的遷移及分布。

（1）水動(dòng)力模型：

式（1）中，Kxx，Kyy，Kzz是介質(zhì)的滲透系數(shù)，[L/T]；h是水頭，[L]；W是單位面積上的垂向流量，[L/T]；μ是多孔介質(zhì)的飽和差；Z是含水層底板標(biāo)高，[L]；t是時(shí)間，[T]。

式（2）和（3）中，Ω表示滲流區(qū)域，Γ1代表第一類給定水頭的邊界。

（2）污染物遷移模型：

污染物的遷移包括對(duì)流、彌散和溶質(zhì)自身的物理化學(xué)變化等。

上式中，θ是有效孔隙度；C是水溶溶質(zhì)組分的濃度，[M/L]；Dij是彌散系數(shù)的張量，[L2/T]；ui是i方向的滲透流速，[L/T]；qs是單位體積含水層中的流量，[1/T]；Cs是總濃度，[M/L]；是溶質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的總量，[M/LT]。

若吸附能達(dá)到平衡，且其化學(xué)反應(yīng)為不可逆，方程（4）可以表示為：

式（5）中λ1和λ1是溶質(zhì)在溶液和吸附介質(zhì)中的衰變速率，[1/T]；C?是介質(zhì)吸附溶質(zhì)的能力，[M/M]；ρb是介質(zhì)的密度，[M/L]；R是阻滯因子；Kd是溶質(zhì)在介質(zhì)與溶解相上的平衡分配系數(shù)，[L3/M]。

采用GMS軟件對(duì)模型進(jìn)行求解，使用MODFLOW求解水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，用MT3DMS模型求解地下水污染物遷移模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 參數(shù)確定及網(wǎng)格剖分

根據(jù)廠區(qū)土壤現(xiàn)狀，地層巖性以壤土為主，壤土的滲透系數(shù)取0.05～0.1 m/d。根據(jù)地下水環(huán)評(píng)導(dǎo)則（HJ610-2016），廠區(qū)以壤土為主，研究區(qū)域給水度取0.1。巖石和土壤孔隙度與顆粒大小、顆粒形狀、膠結(jié)程度等有關(guān)，研究區(qū)域內(nèi)的巖性主要為壤土，孔隙度取0.4。此外，根據(jù)Schulze-Makuch對(duì)不同巖性和尺度條件下介質(zhì)的彌散度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[5]、以及廠區(qū)內(nèi)土壤條件，潛水含水層取50 m、縱向彌散度取5 m。

用VisualModflow軟件對(duì)數(shù)值模擬模型求解，采用有限差分法求解。為了更精確模擬溶質(zhì)運(yùn)移，在污染處理區(qū)加密求解網(wǎng)格，最小網(wǎng)格長(zhǎng)度取10 m。依含水層的特征，網(wǎng)格垂直方向上分為4層。

2.2 預(yù)測(cè)因子及情景

研究區(qū)域內(nèi)地下水污染的來(lái)源主要是廢水處理設(shè)施導(dǎo)致的污染。廢水處理設(shè)施多為地上池，出現(xiàn)了局部破損難以被發(fā)現(xiàn)，對(duì)地下水的影響很大，選擇廢水處理設(shè)施區(qū)域作為預(yù)測(cè)對(duì)象。污染物在地下水環(huán)境中的遷移及轉(zhuǎn)化較為復(fù)雜[6]，因此在模擬污染物擴(kuò)散時(shí)不考慮吸附、化學(xué)反應(yīng)等因素的影響，主要分析對(duì)流彌散的作用。

結(jié)合設(shè)施運(yùn)行情況與環(huán)境特征，預(yù)測(cè)污染發(fā)生365天及1 825天后污染物遷移的情況，探討對(duì)地下水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的影響。結(jié)合廢水污染源分析，COD、鎘、鉻、鉛、砷和銅的產(chǎn)生量較多，造成環(huán)境污染的可能性最大，并探討其在地下水中的遷移過(guò)程。

所研究的區(qū)域涉及到兩種情景，即正常工況和非正常工況，模擬主要污染因子在地下水環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，分析污染物影響范圍和最大遷移距離。對(duì)于正常狀況，污水處理設(shè)施未發(fā)生破壞、正常運(yùn)行，計(jì)算預(yù)測(cè)污染物的遷移。對(duì)于非正常情況，在防滲措施老化造成局部失效，廢水經(jīng)包氣帶進(jìn)入地下水，情景設(shè)定為第365天滲漏，第1 825天修復(fù)完成，研究污水處理設(shè)施運(yùn)行時(shí)對(duì)地下水環(huán)境的影響。

2.3 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

由圖2和圖3可知，正常工況下，廢水處理設(shè)施防滲系統(tǒng)未發(fā)生破損，廢水較難泄露，不會(huì)經(jīng)包氣帶進(jìn)入地下水，廢水處理設(shè)施運(yùn)行365天和1 825天后，地下水環(huán)境中的COD濃度均在地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中III類水標(biāo)準(zhǔn)的十分之一以下，影響范圍在廠區(qū)內(nèi)；經(jīng)過(guò)模型預(yù)測(cè)，地下水中鎘濃度、鉻濃度、鉛濃度均在I 類水標(biāo)準(zhǔn)的十分之一以下，同樣影響較小。同樣，由于廢水處理設(shè)施防滲系統(tǒng)未發(fā)生破損，廢水處理設(shè)施運(yùn)行365天后地下水中鉛濃度、銅濃度均在地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的I 類水標(biāo)準(zhǔn)的十分之一以下。廢水處理設(shè)施運(yùn)行1 825天后，地下水中砷和銅的最大濃度值為0.000 2 mg/L，最大遷移距離分別為7 m和8 m，但是未超出所研究的廠區(qū)范圍。

圖2 正常工況下COD、鎘和鉻的遷移過(guò)程分布

圖3 正常工況下鉛、砷和銅的遷移過(guò)程分布

由圖4可知，非正常工況下廢水處理設(shè)施防滲系統(tǒng)發(fā)生破損，廢水泄露并經(jīng)包氣帶進(jìn)入地下水，廢水處理設(shè)施運(yùn)行365天后地下水中COD濃度最大值為0.271 8 mg/L，僅分布在廠區(qū)內(nèi)。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，污染的范圍逐漸擴(kuò)大，受地下水流向的影響，污染源主要沿廠區(qū)向南遷移擴(kuò)散；1 835天后廠區(qū)地下水中COD 濃度最大值為1.452 5 mg/L，未超出地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅲ類水質(zhì)要求，最大遷移距離為6 m，未超出廠區(qū)范圍。非正常工況下廢水處理設(shè)施防滲系統(tǒng)發(fā)生破損，泄露廢水經(jīng)包氣帶進(jìn)入地下水，廠區(qū)地下水中鎘濃度、鉻濃度均未超出地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的I 類水標(biāo)準(zhǔn)的十分之一。

圖4 非正常工況下COD、鎘和鉻的遷移過(guò)程分布

由圖5可知，廢水處理設(shè)施防滲系統(tǒng)發(fā)生破損，廢水處理設(shè)施運(yùn)行365天后，地下水中的鉛濃度未超出地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的I類水標(biāo)準(zhǔn)的十分之一，僅分布在廠區(qū)內(nèi)。隨著時(shí)間演唱，污染范圍逐漸地?cái)U(kuò)大，受地下水流向控制，污染物主要沿著廠區(qū)向南逐步擴(kuò)散，1 825天后廠區(qū)地下水中鉛濃度最大值為0.001 mg/L，最大遷移距離為10 m。再者，廢水處理設(shè)施防滲系統(tǒng)發(fā)生破損后，365天后地下水中砷濃度最大值為0.00 02 mg/ L。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，污染范圍逐漸擴(kuò)大，污染物主要沿著廠區(qū)向南擴(kuò)散。地下水中銅的遷移過(guò)程分布與砷類似，365天后地下水中銅濃度最大值為0.00 23 mg/L，1 825天后最大遷移距離為17 m，超出廠界范圍，此時(shí)廠區(qū)地下水中銅濃度的最大值為0.00 47 mg/L。

圖5 非正常工況下鉛、砷和銅的遷移過(guò)程分布

2.4 環(huán)境影響分析

正常工況下，在預(yù)測(cè)范圍1 825天內(nèi)，污染物均不會(huì)超出廠界，不會(huì)影響到廠界外運(yùn)河的水質(zhì)，且污染物砷、銅遷移沿著廠區(qū)主要向南擴(kuò)散。非正常工況下，COD、鎘、鉻和鉛的污染物主要在廠區(qū)內(nèi)，不會(huì)影響到廠界外地表水的水質(zhì)，受地下水流向控制，污染源主要沿廠區(qū)向南擴(kuò)散。但是，非正常工況下污染物中的砷和銅在365天時(shí)分布在廠區(qū)內(nèi)；1 825天后銅污染物最大遷移距離為17 m，超出廠界范圍。

由此可見(jiàn)，地下水環(huán)境中無(wú)論是污染物最大遷移距離，還是中心點(diǎn)濃度，非正常工況均比正常工況下的影響范圍大。在污染防滲措施有效情況下（正常工況下），污水處理區(qū)對(duì)區(qū)域地下水質(zhì)影響較??；在非正常工況下，會(huì)在廠區(qū)及周邊一定范圍內(nèi)污染地下水。污染防滲措施對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較明顯的影響。污染物遷移速度很慢，遷移范圍不大。污染物運(yùn)移范圍主要是場(chǎng)地水文地質(zhì)條件決定的，場(chǎng)地含水層水力坡度較小，其滲透性亦較差，地下水徑流緩慢，污染物運(yùn)移擴(kuò)散的范圍有限。

3 結(jié)論

通過(guò)數(shù)學(xué)模型模擬預(yù)測(cè)的方法研究了廢水中COD、鎘、鉻、鉛、砷和銅滲入土壤后對(duì)地下水水質(zhì)的影響。由此可以得出，正常工況下，在預(yù)測(cè)范圍1 825天內(nèi)，污染物均不會(huì)超出廠界，不會(huì)影響到廠外運(yùn)河的水質(zhì)，且污染物主要向南擴(kuò)散。非正常工況下，COD、鎘、鉻和鉛的污染物主要在廠區(qū)內(nèi)，受地下水流向控制，污染源主要向南擴(kuò)散；砷和銅污染物在365天時(shí)主要在廠區(qū)內(nèi)；1 825天后銅污染物超出廠界，最大遷移距離為17 m。污染防滲措施對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移產(chǎn)生明顯的影響，污染物運(yùn)移范圍主要受場(chǎng)地水文地質(zhì)條件的影響。