杜勇立, 黃向京, 戚芳方, 黃滿紅

(1.中南大學(xué) 土木學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410075; 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院, 長(zhǎng)沙 410008;3.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 201620)

0 概 述

采用煤矸石作為公路鐵路的路基材料,不但可以解決煤矸石占地大、污染大的問題,還能節(jié)省大量的土方,從而減少工程用土對(duì)沿線田地的破壞.但是,大量應(yīng)用煤矸石后,是否會(huì)對(duì)道路的沿線環(huán)境造成二次污染也是一個(gè)不容忽視的問題.煤矸石中的有害物質(zhì)很可能在經(jīng)過雨雪的淋洗或者地下水的浸泡后被溶出,進(jìn)而對(duì)道路周邊環(huán)境,例如地下水源、農(nóng)田等造成直接而長(zhǎng)遠(yuǎn)的危害,也極有可能通過食物鏈進(jìn)入人體來直接危害道路沿線居民的身體健康[1].

地下水硝酸鹽污染成為國(guó)際性問題,已在世界上多數(shù)國(guó)家造成危害[2].在美國(guó)及歐洲的一些國(guó)家里已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重,對(duì)人類健康構(gòu)成潛在威脅.近幾十年來的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,地下水中硝酸鹽氮濃度正在逐年增高[3].美國(guó)許多地區(qū)水中硝酸鹽平均每年增長(zhǎng)0.8 mg·L-1,1895～1970年在伊利諾斯州、以阿華州、明尼蘇達(dá)州等均有許多農(nóng)場(chǎng)井水的硝酸鹽含量為45～450 mg·L-1的記載[4-5].1999年歐洲22%農(nóng)業(yè)地下水硝酸鹽氮濃度超過10 mg·L-1[6].在德國(guó),有50%的農(nóng)用井水硝酸鹽氮濃度超過了60 mg·L-1[7].1996年以來,丹麥和荷蘭地下水中硝酸鹽氮濃度以每年0.2～1.3 mg·L-1的速度上升[8].

2003年的國(guó)家地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)表明,全國(guó)118個(gè)大中城市中有76個(gè)城市地下水存在嚴(yán)重的硝酸鹽污染,占總數(shù)的64%;39個(gè)城市輕度污染,占總數(shù)的33%,僅有3個(gè)城市未受污染[9].北方以地下水為主要供水水源的大城市污染更為明顯,硝酸鹽氮濃度超過世界衛(wèi)生組織(WHO)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的面積在100～200 km2以上的城市就有4個(gè)[10].WHO和美國(guó)EPA最高污染物水平(MCL)控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,飲用水中硝酸鹽濃度不得超過10 mg·L-1[11- 12],我國(guó)飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 5749～2006)最新規(guī)定的飲用水中硝酸鹽濃度限值也為10 mg·L-1[13].可見,隨著工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展和城市人口的急劇膨脹,地下水硝酸鹽污染在全國(guó)范圍內(nèi)都達(dá)到了相當(dāng)嚴(yán)重的程度,對(duì)安全飲水和人民身體健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)所用的煤矸石和粘土均取自于某高速公路用材,采用連續(xù)式勻速淋溶來模擬自然降雨,利用恒流泵控制加入的蒸餾水每次約為600 mL,持續(xù)加水60 min,然后停水120 min,再繼續(xù)加入蒸餾水,共加水8次.用錐形瓶接收分液漏斗的溶出液,分別接8次,每次約為120 mL.接收完溶出液后,錐形瓶瓶口用保鮮膜封好,以免水樣被污染.

圖1 淋溶實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)分析時(shí),采用離子色譜法測(cè)定濾液中的硝酸鹽濃度.

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1.在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),將各種樣品粉碎成粒徑小于10 mm的顆粒.在1000 mL的筒式分液漏斗底部緊密鋪兩層定量濾紙,然后裝入厚度約為200 mm(約1000 g)的煤矸石樣品,輕輕晃動(dòng)分液漏斗,使顆粒緊實(shí)無空隙,記為樣品1.另取4個(gè)分液漏斗,分別按10%、20%、40%的比例加入土壤和煤矸石樣品的混合物,記為樣品2、3、4,按高度比為0.5∶6.0∶1.0裝入10、120、20 mm的沙礫、煤矸石和土壤,記為樣品5.

2 數(shù)值模擬

淋溶煤矸石路堤所產(chǎn)生的污染物在土壤-水環(huán)境體系中進(jìn)行的擴(kuò)散是一個(gè)三維流體運(yùn)動(dòng),相關(guān)研究者[1,14]假設(shè)土壤為各向同性、均質(zhì)的多孔介質(zhì),然后根據(jù)淋溶煤矸石所產(chǎn)生的污染物(即溶質(zhì))隨水分遷移的規(guī)律,建立了煤矸石路堤下土壤水分運(yùn)移的一維控制數(shù)學(xué)模型為:

(1)

式中:I=[0,∞),但在實(shí)際計(jì)算中常取I=[0,L](L為某一時(shí)刻或距離);z為溶質(zhì)垂向運(yùn)移距離,取向下為正,cm;t為時(shí)間,min;T為某一時(shí)刻,min;θ為土壤含水量,g/cm3;θm為初始含水量,g/cm3;θb為上邊界含水量,g/cm3;K(θ)、D(θ)分別為非飽和土壤導(dǎo)水率和擴(kuò)散率;i(t)為降雨強(qiáng)度,mm/min.

第一類初始條件:

(2)

第二類初始條件:

(3)

式中:c0為土壤中溶質(zhì)的初始質(zhì)量濃度(由上述淋溶實(shí)驗(yàn)所確定),mg/L;D為水動(dòng)力彌散系數(shù),cm;c為土壤中溶質(zhì)的濃度,mg/L;v為水在z或y方向的速度,cm/s.第一類初始條件考慮濃度的z向遷移,第二類初始條件則考慮水的動(dòng)力擴(kuò)散和彌散[15].

本研究采用地下水模擬軟件GMS對(duì)所研究區(qū)域地下水中的硝酸鹽濃度進(jìn)行數(shù)值模擬,從而得到煤矸石淋溶的主要污染成分硝酸鹽的遷移變化規(guī)律.

GMS是Groundwater Modeling System的簡(jiǎn)寫,是美國(guó)Brigham Young University的環(huán)境模型研究室和美國(guó)軍隊(duì)排水工程試驗(yàn)工作站開發(fā)的用于地下水模擬的軟件包.GMS運(yùn)行方式以地下水流模擬為基礎(chǔ),在地下水流模擬的基礎(chǔ)上,建立一系列的水質(zhì)模擬.水量模擬軟件為MODFLOW(有限差分法)和FEMWATER(有限元法),水質(zhì)模擬軟件有MT3D和RT3D[16].

數(shù)值模擬中的占地面積、降雨量、抽水量、雨水入滲量以及水質(zhì)現(xiàn)狀指標(biāo)為實(shí)際工程所在地的實(shí)際數(shù)據(jù),污染物源強(qiáng)采用上述淋溶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),具體計(jì)算如下:

2.1 源強(qiáng)計(jì)算

對(duì)于硝酸鹽污染源注入的原始濃度,利用實(shí)驗(yàn)室模擬自然降雨動(dòng)態(tài)淋溶試驗(yàn)確定五類煤矸石樣品的累積濃度的平均值,從而計(jì)算出該研究路段10年內(nèi)的降雨淋溶下的平均值(認(rèn)為淋溶將持續(xù)10年左右),該值即作為污染源的原始濃度連續(xù)滲入地下水,具體計(jì)算過程如下:

該研究路段占地面積約為9.441×105m2,每年的平均降雨量約為1400 mm,所以該研究路段平均一年的降水量約為9.441×105×102×14=1.32×109L.

取淋溶實(shí)驗(yàn)所得硝酸鹽濃度的平均值進(jìn)行擬合,得到淋溶液中硝酸鹽濃度與降水量(淋溶量)V的關(guān)系為C=C0e-nV=55.569e-1.0288V,對(duì)其進(jìn)行積分,就可得到降水量為V時(shí)硝酸鹽污染因子的釋放總量為

(4)

式中:C為降水量(淋溶量)所對(duì)應(yīng)的硝酸鹽的濃度,mg/L;V為降水量(淋溶量),mL;C0,n為淋溶系數(shù)和指數(shù)[17].代入數(shù)據(jù)得該路段10年的硝酸鹽釋放總量為540 mg/L(以N計(jì):135 mg/L).

2.2 模擬參數(shù)的確定

本文作者以湖南省安化至邵陽高速公路的漣源市伏口鎮(zhèn)標(biāo)江村至窄山路段及周圍區(qū)域作為研究對(duì)象.模擬區(qū)域利用實(shí)際地形圖確定范圍,如圖2所示,地下水水流模型邊界按實(shí)際水文地質(zhì)資料為定壓水頭邊界,西北有一座井,抽水量約為100 m3/d.

圖2 模擬區(qū)域地形圖

表1 模擬參數(shù)(水文地質(zhì)資料)

數(shù)值模擬參數(shù)主要使用當(dāng)?shù)靥峁┑乃牡刭|(zhì)資料,而硝酸鹽的污染源注入初始濃度采用實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算出樣品在10年的降雨量淋溶下的硝酸鹽釋放總量為135×10-6,將該值作為污染源的初始濃度值連續(xù)地滲入地下水系統(tǒng).其他模擬參數(shù),如表1所示.

2.3 地下水流動(dòng)的主要模擬結(jié)果

由于地下水的流量是由水頭梯度決定的,故由已知水頭分布的水頭模型即可算得地下水的流量.這種模型可用來計(jì)算地下水的水頭在時(shí)間、空間上的變化,為地下水資源的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和合理開發(fā)、抽水引起的地面沉降的預(yù)測(cè)、地下水污染的預(yù)測(cè)和控制,為查明放射性廢物在地下儲(chǔ)存的可能性、肥料在土壤中的運(yùn)移等提供依據(jù).

根據(jù)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門提供的實(shí)際水文地質(zhì)資料模擬地下水的流動(dòng)情況,其主要模擬結(jié)果見圖3.

從圖3中可以看出,研究路段的地下水水頭橫向變化不明顯,縱向變化顯著,自北向南逐漸減小.

圖3 模擬地下水流動(dòng)等水頭線分布圖

2.4 淋溶液污染組分硝酸鹽運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬

在模擬地下水流動(dòng)的基礎(chǔ)上,本文作者對(duì)煤矸石樣品淋溶液中主要污染成分硝酸鹽在地下水系統(tǒng)中的濃度分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬.

研究結(jié)果如圖4所示.由圖4分析得出:

(1) 隨著時(shí)間的推移,受污染面積不斷向橫縱兩軸擴(kuò)大,且橫向更為顯著,污染范圍逐漸呈橢圓形,另外,地下水流的下游方向比上游方向的受污染范圍更大.

(2) 地下水的受污染程度與其距污染源的距離有關(guān),距離污染源越遠(yuǎn),污染物的濃度越低.

(3) 同一位置處污染物的濃度隨著時(shí)間的持續(xù)不斷增大,最后趨于穩(wěn)定.

(4) 隨著時(shí)間的推移,污染物擴(kuò)散遷移的速率越來越小,煤矸石所產(chǎn)生的硝酸鹽污染在地下水環(huán)境中的擴(kuò)散遷移緩慢.10年后,該研究路段的硝酸鹽污染程度(以N計(jì))處于5～20 mg/L,達(dá)到地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),而在地下水下游區(qū)域硝酸鹽濃度(以N計(jì))處于2 mg/L到5 mg/L,達(dá)到地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn),在地下水上游區(qū)域硝酸鹽濃度(以N計(jì))處于2 mg/L以下,達(dá)到地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn).

另外,在研究路段及周邊區(qū)域選取B(506,349)、C(511,289)、D(669,316)、A(385,318)4個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)考察研究路段南北方向與地下水上下游方向的污染情況,如圖5所示,由GMS軟件模擬得出1、5以及10年后該預(yù)測(cè)點(diǎn)處的硝酸鹽濃度,見表2.實(shí)際測(cè)定該研究路段地下水水質(zhì)現(xiàn)狀見表3.

圖4 1、5、10年硝酸鹽污染暈二維濃度場(chǎng)等值線分布圖

圖5 預(yù)測(cè)點(diǎn)選取

表2 1、5以及10年后各預(yù)測(cè)點(diǎn)處的硝酸鹽濃度(以N計(jì),mg/L)

表3 該研究路段地下水水質(zhì)現(xiàn)狀

3 結(jié) 論

采用模擬自然降水的淋溶實(shí)驗(yàn),獲得硝酸鹽污染物的初始濃度,將其定義為研究路段的污染物初始濃度,然后利用GMS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)所研究區(qū)域地下水系統(tǒng)中的煤矸石淋溶液中硝酸鹽濃度進(jìn)行了數(shù)值模擬.結(jié)果表明:隨著時(shí)間的推移,受污染面積不斷向橫縱兩軸擴(kuò)大,且橫向更為顯著,污染范圍逐漸呈橢圓形,另外,地下水流的下游方向比上游方向的受污染范圍更大;地下水的受污染程度與其距污染源的距離有關(guān),距離污染源越遠(yuǎn),污染物的濃度越低;同一位置處污染物的濃度隨著時(shí)間的持續(xù)不斷增大,最后趨于穩(wěn)定;隨著時(shí)間的推移,污染物擴(kuò)散遷移的速率越來越小,煤矸石所產(chǎn)生的硝酸鹽污染在地下水環(huán)境中的擴(kuò)散遷移緩慢.10年后,該研究路段的硝酸鹽(以N計(jì))處于5～20 mg/L,達(dá)到地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),而在地下水下游區(qū)域硝酸鹽濃度(以N計(jì))處于2～5 mg/L,達(dá)到地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn),在地下水上游區(qū)域硝酸鹽濃度(以N計(jì))處于2 mg/L以下,達(dá)到地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn).

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