龔良成

摘要：針對(duì)污染場(chǎng)地背景下巖土工程地質(zhì)勘察中水文地質(zhì)勘察評(píng)估存在的問(wèn)題，文章研究一種新的污染場(chǎng)地環(huán)境巖土工程地質(zhì)勘察中水文地質(zhì)條件評(píng)估方法。采用三維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型構(gòu)建污染場(chǎng)地地下水污染物溶質(zhì)運(yùn)移模型，掌握污染物遷移的時(shí)間、范圍和發(fā)展趨勢(shì)；依據(jù)“源-徑-匯”模式建立影響評(píng)估指標(biāo)體系，使用熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，通過(guò)多層次水位地質(zhì)條件評(píng)估模式進(jìn)行評(píng)分。實(shí)驗(yàn)表明：該方法可準(zhǔn)確獲取污染場(chǎng)地污染源的種類(lèi)、范圍和分布情況等，能夠動(dòng)態(tài)評(píng)估污染場(chǎng)地環(huán)境下水文地質(zhì)條件，增加評(píng)估結(jié)果的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：污染場(chǎng)地；水文地質(zhì)條件；巖土工程；地質(zhì)勘察；評(píng)估指標(biāo)體系

中圖分類(lèi)號(hào)：X824 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

污染場(chǎng)地水文地質(zhì)調(diào)查在巖土工程勘察中至關(guān)重要，需詳盡調(diào)查和精準(zhǔn)分析。地下水活動(dòng)和巖土層構(gòu)成對(duì)建筑工程質(zhì)量和安全影響巨大，也是自然災(zāi)害的直接誘因。為確保工程安全與環(huán)保，確保建筑基礎(chǔ)設(shè)施安全穩(wěn)定，保障人員及環(huán)境安全。國(guó)內(nèi)外進(jìn)行研究，王美娥等人結(jié)合“證據(jù)-權(quán)重法”與美國(guó)EPA的四步法，構(gòu)建了污染場(chǎng)地土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架。在量化權(quán)重時(shí)運(yùn)用多標(biāo)準(zhǔn)決策分析法，并通過(guò)設(shè)定證據(jù)鏈層級(jí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。姜珺秋等人采用頻度分析法和理論分析法選擇污染場(chǎng)地修復(fù)效果的候選評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用AHP -熵權(quán)法獲取評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，通過(guò)FCE模糊綜合評(píng)估法，構(gòu)建污染場(chǎng)地修復(fù)效果綜合評(píng)價(jià)方法。但上述兩種評(píng)估方法在實(shí)踐中存在一些問(wèn)題。

隨著計(jì)算機(jī)測(cè)繪學(xué)的發(fā)展，三維地質(zhì)模型廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探和工程測(cè)繪領(lǐng)域。在污染場(chǎng)地水文地質(zhì)調(diào)查和巖土工程地質(zhì)勘察中，三維模型得到廣泛應(yīng)用。因此，文章研究污染場(chǎng)地環(huán)境巖土工程地質(zhì)勘察中水文地質(zhì)條件評(píng)估方法，依據(jù)“源-徑-匯”模式建立水文地質(zhì)條件評(píng)估指標(biāo)體系，通過(guò)多層次評(píng)估模式進(jìn)行水文地質(zhì)條件等級(jí)評(píng)分，提高評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

1 污染場(chǎng)地環(huán)境水文地質(zhì)條件評(píng)估方法設(shè)計(jì)

1.1 污染場(chǎng)地環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查流程

污染場(chǎng)地環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查主要分為三個(gè)步驟：資料收集、現(xiàn)場(chǎng)勘察和人員訪談。根據(jù)巖土工程所在地區(qū)的自然環(huán)境資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察的結(jié)果，可以判斷是否存在污染現(xiàn)象，以及污染源的信息等，為下一步的調(diào)查工作提供技術(shù)支持，具體的污染場(chǎng)地環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查流程見(jiàn)圖1。

如圖1所示，若第一階段調(diào)查證實(shí)場(chǎng)地已受污染，則啟動(dòng)第二階段，初步采樣和分析以確定污染源和污染區(qū)域。第三階段進(jìn)行更詳細(xì)的補(bǔ)充采樣和檢測(cè)，獲取受體和區(qū)域特征參數(shù)。

1.2 基于污染場(chǎng)地環(huán)境水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型的污染物遷移模擬

根據(jù)污染場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)勘察獲取的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和特征參數(shù)，構(gòu)建該地區(qū)的水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型，公式如式（1）：

式（1）中，x、y、z反向的滲透系數(shù)分別用Sx、SySz描述，單位為m/d；含水層測(cè)壓水頭用D描述，單位為m；源匯項(xiàng)用E表示。

在求解偏微分方程（1）時(shí)，有三種類(lèi)邊界條件需要定解：

第一類(lèi)，水頭已知邊界如式（2）：

式（2）中，三維條件中的邊界段用Bi描述；當(dāng)下時(shí)刻用t描述；Bi上的任意點(diǎn)用（x，y，z）描述；水頭用D（x，y，z，t）描述；已知函數(shù)用φi描述。

第二類(lèi)，流量已知邊界如式（3）：

式（3）中，邊界Bi的外法線方向用V描述；已知函數(shù)用qi描述，代表邊界上單位面積的側(cè)向補(bǔ)給量。

第三類(lèi)，混合邊界如式（4）：

式（4）中，已知函數(shù)用α和β描述。

污染物通過(guò)土壤會(huì)逐步滲透和溶解到地下水當(dāng)中，根據(jù)地下水對(duì)流彌散方程，及其對(duì)應(yīng)的邊界條件公式，通過(guò)有限差分法可以獲取污染物在地下水中的溶質(zhì)運(yùn)移特征，地下水流動(dòng)運(yùn)移的規(guī)律為式（5）：

式（5）中，縱向、橫向和垂直彌散系數(shù)的主值分別用Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z描述；溶質(zhì)濃度用r描述；實(shí)際平均流速用v描述。

其中，初始溶質(zhì)濃度用r0描述；溶質(zhì)滲流的區(qū)域用Ω描述；坡度用Fg描述；邊界溶質(zhì)通量用δ描述；二類(lèi)邊界用Γ2描述。

1. 3 構(gòu)建水文地質(zhì)條件評(píng)估指標(biāo)體系

文章采用“源-徑-匯”模式，構(gòu)建污染場(chǎng)地地下水污染全過(guò)程模型，充分地反應(yīng)污染物對(duì)于生態(tài)環(huán)境的破壞以及對(duì)人體健康程度的影響，并通過(guò)該模型篩選和分類(lèi)巖土工程地質(zhì)勘察中污染場(chǎng)地環(huán)境水文地質(zhì)的影響因素，將其歸納為各項(xiàng)詳細(xì)的水文地質(zhì)條件指標(biāo)，構(gòu)建總體的評(píng)估指標(biāo)體系。

整體的污染場(chǎng)地環(huán)境巖土工程地質(zhì)勘察中水文地質(zhì)條件評(píng)估框架見(jiàn)圖2。

總體的評(píng)估框架可以分為三個(gè)層次，依次為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。

（1）目標(biāo)層：為污染場(chǎng)地地下水污染進(jìn)行總體的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分，評(píng)估其對(duì)于巖土工程地質(zhì)勘察的影響；

（2）準(zhǔn)則層：包括污染源、遷移路徑和敏感受體三個(gè)影響因素；

（3）指標(biāo)層：根據(jù)準(zhǔn)則層的影響因素分類(lèi)篩選評(píng)估指標(biāo)，根據(jù)污染程度進(jìn)行分層評(píng)估。

1.4 多層次水文地質(zhì)條件評(píng)估模式

采用多層次評(píng)估模式評(píng)估水文地質(zhì)條件，因污染場(chǎng)地情況各異，存在多個(gè)發(fā)展階段。溶質(zhì)運(yùn)移模型展示污染源遷移過(guò)程，評(píng)估方法層次根據(jù)污染物擴(kuò)散范圍、地下水與場(chǎng)界關(guān)系分為三層。每層根據(jù)水文地質(zhì)污染特征選擇不同影響指標(biāo)組合進(jìn)行評(píng)估，層次分類(lèi)和指標(biāo)組合見(jiàn)表1。

1.5 計(jì)算水文地質(zhì)條件評(píng)估指標(biāo)權(quán)重

在確定污染場(chǎng)地環(huán)境巖土工程地質(zhì)勘察中水文地質(zhì)條件評(píng)估的多層次水文地質(zhì)條件評(píng)估模式后，考慮各水文地質(zhì)條件評(píng)估指標(biāo)對(duì)于整體評(píng)估的重要程度通過(guò)該指標(biāo)的權(quán)重體現(xiàn)，使用熵權(quán)法計(jì)算各個(gè)層次的評(píng)估指標(biāo)。首先，構(gòu)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣w'ij，標(biāo)準(zhǔn)化處理各個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)：

其中，各個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)用wij描述；第i個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)量用j描述。

將各個(gè)指標(biāo)的信息熵kj，通過(guò)式（8）計(jì)算可得式（9）：

其中，m為指標(biāo)數(shù)據(jù)量的最大值，j=（1，2，…，m）。

各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重λj為式（10）：

其中，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.6 水文地質(zhì)條件等級(jí)評(píng)估

根據(jù)各評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重和評(píng)分，基于污染場(chǎng)地環(huán)境的溶質(zhì)運(yùn)移模型對(duì)污染物擴(kuò)散過(guò)程的模擬運(yùn)算，將水文地質(zhì)條件等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，公式如式（11）：

其中，最終水文地質(zhì)條件等級(jí)評(píng)分用G描述；某一評(píng)估層次中的指標(biāo)數(shù)量用l描述；指標(biāo)權(quán)重和評(píng)分分別用ψi和Hi描述。

2 實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

文章選取某市郊區(qū)原制堿廠為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，該廠生產(chǎn)硫酸鋇、碳酸鋇和碳酸鍶等，可能污染環(huán)境。為減少影響，該廠調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、停產(chǎn)并搬遷。場(chǎng)地共16.35 hm2，計(jì)劃轉(zhuǎn)為居民建筑用地。因此，進(jìn)行巖土工程地質(zhì)勘察中的水文地質(zhì)勘察，現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估污染場(chǎng)地情況，制定環(huán)境管理和修復(fù)策略。

該制堿廠的地塊按照功能分為三個(gè)部分：生產(chǎn)區(qū)、辦公區(qū)和輔助設(shè)施區(qū)，周?chē)鷮儆谵r(nóng)業(yè)用地，是典型的丘陵地貌，廠房北方有一條河流，降雨比較充沛，地下水位較高，有利于污染物的擴(kuò)散。

2.2 污染場(chǎng)地土壤地下水采樣調(diào)查

實(shí)驗(yàn)對(duì)制堿廠的整個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行土壤與地下水的采樣調(diào)查，根據(jù)相關(guān)的建筑用地污染調(diào)查規(guī)定，制定污染場(chǎng)地水文地質(zhì)環(huán)境采樣方案，共分為兩個(gè)階段，第一階段：設(shè)置108個(gè)土壤與地下水的采樣點(diǎn)，分別收集土樣和地下水樣本并送檢；第二階段：根據(jù)樣本檢測(cè)結(jié)果挑選出污染物超標(biāo)的點(diǎn)位，進(jìn)行加密布點(diǎn)二次采樣，設(shè)置89個(gè)采樣點(diǎn)，將采集到的樣本二次送檢，確定詳細(xì)的污染源和分布范圍。

2.3 構(gòu)建地下水污染溶質(zhì)運(yùn)移模型

文章采用Ⅳ類(lèi)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估污染場(chǎng)地地下水，發(fā)現(xiàn)鋇含量超標(biāo)1.58 mg/L。使用GMS軟件構(gòu)建溶質(zhì)運(yùn)移模型，確定污染物影響范圍和擴(kuò)散時(shí)間。場(chǎng)地地下水流速為0. 05 m/d，流向北，60 m處有河流。污染源持續(xù)下滲5a，雖停產(chǎn)搬遷，但鋇元素持續(xù)滲透2a，污染羽仍在場(chǎng)地內(nèi)。設(shè)置縱向、橫向、垂向彌散系數(shù)后，確定污染物點(diǎn)源坐標(biāo)。鋇污染已滲入地下水，濃度超標(biāo)，但未達(dá)邊界。采用第二層次影響指標(biāo)組合評(píng)估，證明文章方法快速準(zhǔn)確獲取污染源信息，提高效率，動(dòng)態(tài)評(píng)估地下水污染，增強(qiáng)評(píng)估的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

2.4 水文地質(zhì)條件評(píng)估等級(jí)劃分

通過(guò)對(duì)污染場(chǎng)地的實(shí)地檢測(cè)和污染物遷移模型計(jì)算，可得污染場(chǎng)地環(huán)境巖土工程地質(zhì)勘察中水文地質(zhì)條件的各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)評(píng)分為：

（1）土壤污染物滲入濃度：測(cè)量值1.58 mg/L，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值0.1 mg/L，評(píng)為8分；

（2）土壤污染范圍：358. 46 m2，大于32%的調(diào)查范圍，評(píng)為6分；

（3）地下水質(zhì)量：根據(jù)模擬污染物擴(kuò)散的濃度評(píng)分，評(píng)為7分；

（4）健康風(fēng)險(xiǎn)水平：根據(jù)模擬得到的污染物濃度計(jì)算致癌風(fēng)險(xiǎn)最高為0. 059，評(píng)為9分；

（5）污染羽蔓延至場(chǎng)界或下游敏感受體的時(shí)間：根據(jù)模擬得到的污染物擴(kuò)散范圍和速度計(jì)算污染羽到達(dá)場(chǎng)界的時(shí)間還需675 d，評(píng)為5分，模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。

如圖3所示，污染源隨地下水流向擴(kuò)散，對(duì)下游敏感受體威脅增大。污染物超出邊界時(shí)，污染風(fēng)險(xiǎn)顯著上升。因此，為控制地下水污染，應(yīng)從下游受體出發(fā)，采取控制措施阻止污染羽擴(kuò)散，保護(hù)下游水源。實(shí)驗(yàn)證明，文章方法能精確模擬污染物在地下水的遷移，預(yù)測(cè)擴(kuò)散范圍和趨勢(shì)，有效評(píng)估污染場(chǎng)地環(huán)境水文地質(zhì)條件。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章所提出的方法不僅能夠迅速且準(zhǔn)確地揭示污染源的種類(lèi)、范圍和分布情況，還能全面評(píng)估污染場(chǎng)地環(huán)境巖土工程地質(zhì)勘察中的水文地質(zhì)條件。這種方法的實(shí)施，顯著提升了評(píng)估結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，大幅優(yōu)化了評(píng)估效果。更重要的是，它能夠精細(xì)模擬污染物在地下水中的遷移過(guò)程，幫助企業(yè)和風(fēng)險(xiǎn)管理者精準(zhǔn)掌握污染物的擴(kuò)散范圍和移動(dòng)趨勢(shì)。這對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及健康風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要，從而能夠制定出更為科學(xué)、合理的環(huán)境治理和修復(fù)措施。這種方法為土地的二次開(kāi)發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)于保障生態(tài)安全和人類(lèi)健康具有深遠(yuǎn)的意義。從而制定更加科學(xué)合理的污染場(chǎng)地環(huán)境治理和修復(fù)措施，為土地的二次開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。