孫 紅，王文志，張國飛，閆 麗，陳 利，辛 欣

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)城鎮(zhèn)供排水監(jiān)測中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130012)

水在城市中穿梭和流動，對于維持人類社會的生態(tài)功能和安全穩(wěn)定具有重要作用。在城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速發(fā)展中，存在很嚴(yán)重的地下水污染問題。淺層地下水的污染問題尤為突出，作為淡水資源的重要組成部分，如何合理地開發(fā)、利用、管理和保護地下水資源，以支持經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，已成為亟待解決的時代問題之一[1]。地下水雖是可再生資源，但由于不合理的開采、利用及污染，已嚴(yán)重影響了人們的日常生產(chǎn)生活質(zhì)量，精準(zhǔn)的研究污染物在水中的分布狀況及污染的發(fā)展趨勢，對污水處理廠排放質(zhì)控、地下水污染的防控治理等方面都能提供可靠的依據(jù)。

以呼市某污水廠的尾水排放為例，對地下水可能會造成的污染范圍進行分析。根據(jù)污水處理廠尾水排放的實地調(diào)查情況，結(jié)合排放區(qū)地下水的形成、分布、埋藏條件、循環(huán)、富水性等水文地質(zhì)條件，以污染物硫酸鹽作為影響因子，對地下水可能造成污染的范圍進行分析研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為大黑河沖湖積平原，含水層厚度小，單位涌水量小于500m3/(d·m)，水力坡度一般在1～3‰[2]。根據(jù)勘查資料測得，地下水賦存于粉土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土中，地下水位埋深2.0～5.5m，地下水位標(biāo)高1027.0～1038.0m。研究區(qū)地下水總體化學(xué)類型屬于HCO3-Ca·Mg型水，pH值在7.44～7.54之間，不含侵蝕性CO2，水質(zhì)一般[2]。本次模擬范圍水平方向上共24km2，沿河長4.5km，監(jiān)測水位、水質(zhì)的監(jiān)測孔21眼。污水處理廠尾水排放主要對潛水含水層產(chǎn)生影響，而對承壓含水層的影響很小，因此，本次模擬計算的目的層為第四系松散巖類孔隙潛水含水層。

2 邊界條件的概化

模型主要模擬污水廠的尾水排放到河流之后，污染河流對沿岸地下水的影響。研究區(qū)的上部邊界為潛水面，是水量交換邊界，有河水入滲、大氣降水入滲、側(cè)向徑流等，故溶質(zhì)邊界概化為已知通量邊界。計算模擬區(qū)的下部邊界為潛水含水層隔水底板，由滲透差的粉質(zhì)粘土及粉土組成，概化為隔水邊界。下邊界概化為零通量邊界。研究區(qū)的東部有側(cè)向補給，西側(cè)及南側(cè)有側(cè)向排泄，概化為已知流量邊界；研究區(qū)的北側(cè)為流線，概化為隔水邊界。

研究區(qū)地下水系統(tǒng)的輸入輸出受不同時空范圍內(nèi)降雨、蒸發(fā)、開采等因素的影響，因此地下水流表現(xiàn)出非穩(wěn)定流的特性。由于含水層參數(shù)隨著空間變化很小，參數(shù)概化為均質(zhì)，含水層內(nèi)部結(jié)構(gòu)為非均質(zhì)各向同性的潛水含水層，區(qū)內(nèi)滲流基本符合達(dá)西定律，水流形式概化為平面二維流。

3 水文地質(zhì)參數(shù)的確定

研究區(qū)目標(biāo)含水層主要的參數(shù)包括兩類：一類是含水層的水文地質(zhì)參數(shù)：包括給水度、滲透系數(shù)；另一類是用于計算地下水補排量的參數(shù)：大氣降水入滲補給系數(shù)。見表1。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)

4 地下水流數(shù)值模擬模型的建立

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型，地下水在二維勻質(zhì)各向同性孔隙介質(zhì)中的潛水運動可用下面的偏微分方程來描述。

(x，y)∈Ω，t≥0

H(x，y，t)|t=0=H0(x，y)

(x，y)∈Ω，t=0

(x，y)∈Γ2，t>0

(1)

4.1 模擬軟件選用

本次計算采用三維地下水?dāng)?shù)值模擬系統(tǒng)GMS7.1，是基于概念模型的最先進地下水環(huán)境模擬軟件。軟件包含眾多子模塊，各程序包既可以獨立使用又可以聯(lián)合求解。

4.2 預(yù)測模型概化

4.2.1網(wǎng)格剖分

水平方向以50m×50m為一個單元格進行剖分，每層分為88行，132列，其中活動單元格為9801個。

4.2.2源匯項的確定

潛水含水層補給來源包括大氣降水入滲、河流入滲及側(cè)向補給，排泄項包括蒸發(fā)排泄及側(cè)向徑流排泄。降水入滲補給量采用多年平均降水入滲補給量進行計算。河流中污染物的濃度根據(jù)現(xiàn)狀條件下監(jiān)測孔濃度的平均值以定濃度給出。潛水蒸發(fā)強度采用《地下水資源調(diào)查和評價工作技術(shù)細(xì)則》中推薦的阿維里揚諾夫公式進行計算，現(xiàn)場調(diào)查研究區(qū)無機井、民井開采。研究區(qū)內(nèi)地下水側(cè)向邊界補、排量可根據(jù)達(dá)西公式來進行計算。河流入滲補給強度、人工開采量、灌溉回滲量可忽略不計。

5 溶質(zhì)運移模型

5.1 溶質(zhì)運移的水動力彌散方程的數(shù)學(xué)模型如下：

式中，Ω—評價模擬區(qū)；c—污染物濃度，mg/l；c0—初始時刻模擬區(qū)污染物濃度分布，mg/l；D—水動力彌散系數(shù)，m2/d；u—地下水實際流速，m/d；I—源匯項，即單位時間進入單位面積含水層的溶質(zhì)質(zhì)量，mg/m2·d；g1(x，y，t)—流量邊界上的質(zhì)量通量，mg/(m·d)；Γ3—已知質(zhì)量通量邊界。

5.2 彌散度的確定

本次研究工作參考前人的研究成果，此次計算區(qū)范圍為1000～10000m范圍，根據(jù)下圖1，對應(yīng)的縱向彌散度應(yīng)介于50～100之間，從保守角度考慮，本次模擬取縱向彌散度參數(shù)為80m2/d。水平橫向彌散度為8m2/d。本次模擬計算的初值取水平橫向彌散度與縱向彌散度的比值為0.5，給水度為0.2。

圖1 縱向彌散度與觀測尺度間的關(guān)系(引自Gellar等(1992))

5.3 模型參數(shù)識別與驗證

以氯離子作為對流彌散參數(shù)識別過程的模擬因子。根據(jù)監(jiān)測點實測濃度與模擬模型計算濃度的擬合結(jié)果可以看出，計算濃度與實測濃度擬合較好，驗證時段選其相應(yīng)處理與識別時段相同，模型輸入時按驗證時段計算后輸入。由驗證時段監(jiān)測點的實測濃度與模型計算濃度的擬合圖3可見實測濃度與計算濃度在驗證時段也達(dá)到了較好的擬合程度。

通過反復(fù)擬合，最終識別了水文地質(zhì)條件，確定了模型結(jié)構(gòu)。識別末期模型的模擬水位計實測水位擬合結(jié)果如圖2所示?？梢钥吹奖敬文M建立的地下水模型基本符合研究區(qū)水文地質(zhì)條件，反映了地下水系統(tǒng)的流場特性，故對研究區(qū)的地下水環(huán)境影響進行預(yù)測評價是合理可信的[3]。

圖2 驗證末期氯離子濃度擬合圖

圖3 完整水文年模擬流場與實際流場對比圖

5.4 模擬結(jié)果分析

本次以2019年10月12日作預(yù)測的初始時刻，預(yù)測未來1、5、10年研究區(qū)硫酸鹽的濃度分布情況如圖4所示，分析某污水處理廠尾水排放對區(qū)域地下水的影響。由于河水及地下水流向均為東北向西南流，所以在處理廠的下游方向擴展范圍較大，上游方向擴展范圍較小。在現(xiàn)狀條件下根據(jù)GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，研究區(qū)內(nèi)硫酸鹽為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類及Ⅳ類水。

未來排放區(qū)域污染物濃度受污水處理廠污水排放及化工排污口排水的影響，1年后硫酸鹽濃度出現(xiàn)Ⅴ類水，分布范圍沿河線狀分布，濃度最大值為362.91mg/L。到第5年硫酸鹽最大濃度為694.13mg/L，第10年硫酸鹽最大濃度為1404.67mg/L。污水處理廠尾水排放對研究區(qū)的影響范圍從污水處理廠排污口向下游，沿河線狀分布，10年內(nèi)沿河流側(cè)向影響距離不超過0.5km，向下游沿河影響距離不超過4km。

6 污染防治措施

排放區(qū)應(yīng)提高地下水污染防治對策的有效性，做好以下工作：研究區(qū)河段主要污染源按類型分為農(nóng)業(yè)污水、城市生活污水和工業(yè)生產(chǎn)排放的廢水，針對硫酸鹽的污染物超標(biāo)，主要以工業(yè)生產(chǎn)排放的廢水為主，因此化工類企業(yè)應(yīng)從生產(chǎn)源頭上，減少硫酸鹽的新增使用量，提高產(chǎn)出廢水的重復(fù)利用率，從而降低污水廠硫酸鹽的輸入量，進而減少污水廠尾水中污染物的含量；化工類企業(yè)可以引進膜分離法，去除工業(yè)廢水中的硫酸根，從而減少硫酸鹽的排放；排污口附近為污染物濃度最高區(qū)域，同時距周邊村鎮(zhèn)距離較近，是重點污染防治區(qū)域，應(yīng)在此區(qū)域進行防滲設(shè)計；積極開展地下水環(huán)境狀況調(diào)查，結(jié)合場地地下水污染物流場，充分利用現(xiàn)有監(jiān)測水質(zhì)、水位孔，不定期進行地下水水質(zhì)監(jiān)測。

7 結(jié)語

污水廠尾水排放對淺層地下水的污染非常直觀，但污染程度、污染物擴散面積等很難精準(zhǔn)掌握。本文基于GMS建立了研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型，在識別驗證后的模型基礎(chǔ)上，以硫酸鹽為影響因子，進行了溶質(zhì)運移模擬、污染預(yù)測及污染防治，可以發(fā)現(xiàn)污染物在研究區(qū)內(nèi)的運移擴散規(guī)律。必須指出的是，模擬技術(shù)可以在宏觀上給出污染物在一定時間段內(nèi)的污染程度及擴散范圍，作為理論參考值。但模型的最初建立是人為的設(shè)定參數(shù)值進行演示，因此應(yīng)建立地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實時掌握淺層地下水的水質(zhì)、水位、水量的變化情況，修正已建立的模型參數(shù)，提高對地下水污染防治的有效性。

圖4 污水滲漏硫酸鹽污染暈分布圖