華俊杰,許煜成,吳 昊,高林紅
(1.鎮(zhèn)江市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212111;2.江蘇科技大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212003)
改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)城市工業(yè)化不斷加快與更迭,工業(yè)企業(yè)搬遷后,遺留污染場(chǎng)地中的重金屬和其他有毒物質(zhì)滲濾到地下水和土壤中,造成飲食安全等問(wèn)題,越來(lái)越危害人們生命健康,如常州“毒地”造成該地大部分地下水被污染,也造成數(shù)百名學(xué)生身體異常[1-3]。我國(guó)城市土地面臨巨大的污染壓力,城市工業(yè)污染場(chǎng)地有近百萬(wàn)個(gè),多分布在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和老工業(yè)基地[4-5],尤其是人口密集地區(qū)的遺留工業(yè)場(chǎng)地,將是未來(lái)我國(guó)城市必須解決的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[6-7]。
HYDRUS 是由捷克開(kāi)發(fā)的一款用于模擬水、熱和多種溶質(zhì)在可變飽和多孔介質(zhì)中的二維和三維運(yùn)動(dòng)模擬的軟件。它具有邊坡穩(wěn)定性分析模塊、滲流分析模塊、人工濕地模塊、地球化學(xué)模塊、膠體促進(jìn)運(yùn)輸模塊等多個(gè)模塊,在水利、環(huán)境學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8-9]。
本文應(yīng)用HYDRUS-2D 數(shù)值分析軟件,建立二維滲流污染物遷移模型,對(duì)防滲墻的防滲和截污效果進(jìn)行分析。結(jié)合地勘報(bào)告中該地區(qū)各個(gè)土層的參數(shù),查閱相關(guān)文獻(xiàn),確定各個(gè)土層和防滲墻的幾何尺寸、滲透系數(shù)、彌散度、擴(kuò)散系數(shù)、線性吸附系數(shù)等計(jì)算參數(shù),建立二維污染物遷移模型,模擬防滲墻存在狀態(tài)下污染物濃度隨時(shí)間和空間的變化關(guān)系,驗(yàn)證防滲墻對(duì)污染物的阻隔效果。
某化工廠所在場(chǎng)地屬于山地、丘陵地區(qū),地形南高北低,高程為3~266m。西南部為某山脈地區(qū),高程為10~266m,西北部圩區(qū)水塘密布,地勢(shì)比較平坦,地面高程為6~8m;東部為丘陵地區(qū),高程3~65m,東北部為沿江沖積平原。
場(chǎng)地土層從上往下依次為雜填土、強(qiáng)分化安山巖、中分化安山巖和石灰?guī)r。雜填土組成成分較為復(fù)雜,以一般粘性土及風(fēng)化砂狀物為主,局部含有建筑垃圾、礦渣等,局部呈淤泥狀,土質(zhì)不均勻,堆填時(shí)間5~10 年。場(chǎng)地內(nèi)分布有強(qiáng)風(fēng)化安山巖,其中上部強(qiáng)風(fēng)化層一般為碎屑狀,底部一般為碎塊狀;該兩層均有風(fēng)化不均勻現(xiàn)象,局部夾有較多強(qiáng)度較高巖塊。
經(jīng)過(guò)調(diào)查,地下水中砷、鎳、鐵、鉈、鎘、等多種重金屬存在超標(biāo),高錳酸鹽指數(shù)、硫酸根、氨氮及氟化物均存在不同的超標(biāo)情況,其中硫酸根超標(biāo)范圍最廣。為了解決場(chǎng)地污染物對(duì)外遷移造成的環(huán)境污染問(wèn)題,在化工廠場(chǎng)地四周場(chǎng)地布設(shè)防污帷幕(深度為18m),且保證帷幕進(jìn)入中風(fēng)化巖層中不少于1.0m,從而切斷污染物向外的遷移途徑,以保證周邊的環(huán)境安全。
提供的地下水污染物濃度檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。
由表1 可知,其中的硫酸根離子的最大值為16600mg/L,嚴(yán)重超過(guò)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中的目標(biāo)值,故選取硫酸根離子作為主要的污染物進(jìn)行研究。
表1 本場(chǎng)地地下水污染物濃度和治理目標(biāo)值
本文以地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告中J8 孔作為參考截面,建立該場(chǎng)地污染物運(yùn)移的有限元數(shù)值分析模型,通過(guò)利用數(shù)值模型預(yù)測(cè)硫酸根離子和鐵離子在場(chǎng)地地層中的長(zhǎng)期運(yùn)移發(fā)展趨勢(shì),進(jìn)而分析不同地質(zhì)條件對(duì)垂直防污隔離屏障防污效果的影響。圖1 為有限元計(jì)算模型。
圖1 有限元計(jì)算模型
本次模擬條件考慮的是污染場(chǎng)地內(nèi)側(cè)水位較高,水位較低這種最不利工況。屏障內(nèi)部存在高水位,屏障外部存在低水位。通過(guò)地勘報(bào)告,得到屏障內(nèi)部場(chǎng)地水位在地下-6m 處,屏障外部場(chǎng)地水位在地下-1m 處。模型左右兩側(cè)邊界水頭設(shè)置沿深度線性分布。
初始條件如下。
邊界條件如下。
根據(jù)初步設(shè)計(jì)測(cè)定污染場(chǎng)地內(nèi)硫酸根離子的濃度最大值可達(dá)到16600mg/L,將該濃度定為場(chǎng)區(qū)初始濃度。溶質(zhì)運(yùn)移邊界設(shè)置為定濃度邊界。
初始條件如下。
邊界條件如下。
水土特征曲線參數(shù)。VG 模式是常用的水土特征曲線,有著大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。故本文選取該模型。本文將雜填土、強(qiáng)風(fēng)化安山巖、中分化安山巖和防滲墻等效為土壤。在參考《填埋場(chǎng)和污染場(chǎng)地防污屏障設(shè)計(jì)與施工》[10]的基礎(chǔ)上,確定了雜填土、強(qiáng)風(fēng)化安山巖、中分化安山巖和防滲墻的VG 模型參數(shù),如表2 所示。
表2 常用土體VG 模型參數(shù)
圖2 為硫酸根離子在不同時(shí)間下的遷移情況。由圖2a 可知,在經(jīng)過(guò)20 年的水流作用,硫酸根離子不斷地向風(fēng)化巖層和防污屏障遷移。雖然污染物逐漸進(jìn)入地層,但是由于防污屏障打入巖層深度較深,故而污染物并未遷移至防污屏障外側(cè)。同時(shí),場(chǎng)地上方污染物在水流的作用下,逐步遷移至屏障的內(nèi)側(cè),并在防污屏障內(nèi)側(cè)的底部形成聚集,導(dǎo)致局部污染物的濃度升高。
通過(guò)圖2b 可以觀察到,在100 年后,污染物在水流的作用下,硫酸根離子逐漸向外遷移。第一,硫酸根離子在水流作用下,逐漸進(jìn)入雜填土底部的巖層。由于下部巖層的滲透性低,污染物進(jìn)入巖層的速度很慢。第二,硫酸根離子逐漸從防污屏障內(nèi)側(cè)向外側(cè)遷移。隨著時(shí)間的推移,污染物逐漸向外遷移,到達(dá)100 年后,有少量污染物穿過(guò)防污屏障。
圖2 硫酸根離子在不同時(shí)間的遷移情況
為了進(jìn)一步對(duì)防污屏障的防污效果進(jìn)行評(píng)價(jià),本文在防污屏障的外側(cè)從上往下,設(shè)置19 個(gè)觀測(cè)點(diǎn),垂直間距為1m。通過(guò)觀察觀測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)刻,污染物的流出情況來(lái)評(píng)判防污屏障的使用效果。
通過(guò)有限元計(jì)算,得到19 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù),如圖3 所示。
由圖3 可以看出,從0~18m 的過(guò)程中,污染物遷移速度先變快,后變慢。其中7m 和9m 深度處是污染物速度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和上文中的污染物遷移情況相一致。
圖3 第0m 到第18m 的硫酸根離子濃度
為了評(píng)價(jià)防污屏障的防污效果,此處選取污染物遷移速度最快的1 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)(9m 處),對(duì)污染物擊穿屏障的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。
滲瀝液擊穿防污屏障是指滲瀝液經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間滲透遷移彌散吸附等一系列過(guò)程,穿越了防污屏障導(dǎo)致防污屏障失效的現(xiàn)象。這里所說(shuō)的失效是指防污屏障保護(hù)環(huán)境安全的效能喪失,就是滲瀝液對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。查閱相關(guān)文獻(xiàn),對(duì)于擊穿的概念出現(xiàn)了不同的定義:①以初始濃度的10%作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)。②以《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的致污濃度作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)。其中,以《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的致污濃度作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)更為合理。
以《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的致污濃度作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)。查閱相關(guān)規(guī)范,硫酸根離子的致污濃度為350mg/L。由上圖可知,擊穿時(shí)間為11200d(30.68 年)。
(1)防滲墻存在對(duì)硫酸根離子的遷移起到了一定的抑制作用。在第0 年到第20 年的時(shí)間內(nèi),硫酸根離子在水流的作用下,不斷地向風(fēng)化巖層和防污屏障遷移,但并未遷移至防污屏障外側(cè);在第20 年到第100年的時(shí)間里,污染物逐漸進(jìn)入防污屏障,并有少量污染物穿過(guò)屏障。
(2)以350mg/L 作為硫酸根離子的致污濃度,擊穿時(shí)間為11200d(30.68 年)。