擬建污水處理廠事故條件下排水對(duì)地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)

張洪英 高宗軍 王敏 時(shí)孟杰

摘要：分析擬建污水處理廠事故條件下排水對(duì)地下水環(huán)境的影響，使建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位在建設(shè)、設(shè)計(jì)和運(yùn)行中做好污染控制和環(huán)境保護(hù)，為以后環(huán)境管理工作提供依據(jù)。在日照市五蓮縣環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)擬建設(shè)污水處理廠及其周邊地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，利用GMS進(jìn)行數(shù)值模擬分析?；诘叵滤?dāng)?shù)值模型通過(guò)建立溶質(zhì)運(yùn)移模型，以COD作為模擬分析因子，對(duì)地下水COD的濃度變化進(jìn)行模擬。對(duì)污水處理廠事故條件下排水后的COD污染范圍和程度進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。若在場(chǎng)區(qū)內(nèi)發(fā)生持續(xù)滲漏事故，則對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤乃|(zhì)有較明顯的影響，上部和下部含水層中污染物的最高濃度都將超過(guò)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的限值。如果擬建污水處理廠發(fā)生持續(xù)滲漏事故，地下水中COD濃度會(huì)嚴(yán)重超標(biāo)，嚴(yán)重污染地下水，因此對(duì)于擬建污水處理廠要做好保護(hù)防滲措施，避免對(duì)地下水造成污染。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；地下水環(huán)境；影響預(yù)測(cè)；COD；數(shù)值模擬

1. 引言

地下水是水資源的一個(gè)重要組成部分，地下水污染問(wèn)題越來(lái)越被世界各國(guó)所重視[1]，并引起全球普遍關(guān)注，有關(guān)地下水環(huán)境的研究也得到各國(guó)學(xué)者的高度重視[2]。為了保護(hù)水資源，維護(hù)水域生態(tài)功能，滿足人類各種用水需求，大部分國(guó)家都根據(jù)自身的自然環(huán)境和人文特征、科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況，通過(guò)不同的評(píng)價(jià)方法來(lái)分析地下水的環(huán)境影響[3]。目前國(guó)際上常用的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件有：基于有限單元法FEFLOW，基于有限差分的GMS、Visual MODFLOW、PMWIN等軟件。在地下水環(huán)境分析中，地下水?dāng)?shù)值模擬是地下水定量環(huán)境影響預(yù)測(cè)的重要方法[4][GMS在地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用_李立軍]。數(shù)值模擬技術(shù)誕生于1953年Bruce G.H和PeacemanD.W模擬了一維氣相不穩(wěn)定徑向和線形流[5]。我國(guó)地下水污染研究起步較晚，20世紀(jì)80年代初才開(kāi)始研究含水層中污染物的運(yùn)移[6]。翁幫華等人深入研究了地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)，通過(guò)利用GMS軟件建立穩(wěn)定地下水流的模型、并通過(guò)MT3DMS構(gòu)建連續(xù)的點(diǎn)源滲漏的地下水污染的預(yù)測(cè)模型，直觀地展現(xiàn)出各污染物遷移和變化規(guī)律，從而預(yù)測(cè)對(duì)地下水資源環(huán)境的影響。

2. 地下水類型

研究區(qū)位于五蓮縣城區(qū)，頻臨沂沭斷裂帶，地層發(fā)育主要有古元古代粉子山群、中生代白堊紀(jì)萊陽(yáng)群、青山群和新生代第四紀(jì)地層。地層巖性及地貌形態(tài)的組合決定了區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件及賦存、富集特征（圖1）。評(píng)估區(qū)域地下水類型有松散巖孔隙水、碳酸鹽類裂隙巖溶水、碎屑巖類裂隙水、基巖裂隙水。

3. 模型建立

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，同時(shí)考慮了擬建污水處理廠場(chǎng)區(qū)內(nèi)部與外排水問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上建立該區(qū)地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型。

3.1 水文地質(zhì)概念模型

將模型概化為兩層含水層，即上部孔隙含水層和下部裂隙含水層。

擬建區(qū)位于五蓮縣高澤鎮(zhèn)洪凝河與高澤河交匯處東南側(cè)。模擬區(qū)北部為墻夼水庫(kù)，將模擬區(qū)的北部定為定水頭邊界；模擬區(qū)南部有一北東向的斷裂經(jīng)過(guò)，將該邊界作為流量邊界處理，故該斷裂定為第二類邊界條件。模擬區(qū)東部和西部都是基巖裸露區(qū)，根據(jù)地下水徑流方向及地形，將東西邊界定為第二類邊界條件。本次模擬區(qū)范圍即圖2中黑色線條所圈閉的區(qū)域。

3.2 地下水流數(shù)學(xué)模型

對(duì)于上述水平各向同性、空間三維結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，建立潛水?dāng)?shù)值模擬的偏微分方程，并結(jié)合邊界及初始條件形成如下定解問(wèn)題（式1）：

3.3 溶質(zhì)運(yùn)移模擬模型

考慮溶質(zhì)和溶劑組成的二元體系，取平衡單元體相同的單元體，研究其中溶質(zhì)的質(zhì)量守恒，可得描述飽和帶溶質(zhì)運(yùn)移的對(duì)流―彌散方程如下（式2）：

3.4 數(shù)值模擬模型

模擬采用GMS軟件。在研究區(qū)水流模型確定的基礎(chǔ)上，用以Modflow為運(yùn)算基礎(chǔ)的MT3DMS溶質(zhì)運(yùn)移模型。本次溶質(zhì)運(yùn)移模擬僅考慮對(duì)流、彌散兩種作用，不考慮溶解、吸附作用，以求達(dá)到最大風(fēng)險(xiǎn)程度。

3.4.1 模擬區(qū)面積

本次模擬區(qū)總面積約41.80km2。計(jì)算時(shí)，將模擬區(qū)剖分為80行、80列、2層的規(guī)則矩形網(wǎng)格，其中有效網(wǎng)格上部含水層為3564個(gè)，下部含水層為3681個(gè)，兩層共有7245個(gè)有效網(wǎng)格。網(wǎng)格剖分示意圖見(jiàn)圖3。

3.4.2 模擬時(shí)間的確定

依據(jù)模擬區(qū)潛水徑流較緩慢的特點(diǎn)，模擬時(shí)間取50年，即約18250天。

3.4.3 降水量及入滲量的處理

本次模擬采用多年降水量平均值1020.72mm。第四系降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)取0.25。河流入滲量取河流量的5%。

3.4.4 模型參數(shù)的選取

模型中使用的水文地質(zhì)參數(shù)根據(jù)滲水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)進(jìn)行試選取具體見(jiàn)表1。

4. 污水處理廠污水發(fā)生面狀連續(xù)泄漏對(duì)地下水的影響預(yù)測(cè)

模擬由于各種因素影響，污水處理廠污水管道發(fā)生泄漏使污水未經(jīng)處理就滲漏到含水層中這一極端條件下地下水中COD的濃度及分布范圍。污水入滲量取污水處理廠污水總量的10%，即2000m3/d，COD濃度取500mg/L。

沿地下水流向，在距污水處理廠中心點(diǎn)西北方向200m、400m、600m各處取一個(gè)觀察點(diǎn)并且命名為1、2、3號(hào)點(diǎn)，在距第三污水處理廠中心點(diǎn)正南方向200m處取一個(gè)觀察點(diǎn)并命名為4號(hào)點(diǎn)（如圖5）。

（1）1號(hào)點(diǎn)。在上部含水層中，污染物滲漏發(fā)生約500天時(shí)地下水中COD濃度從0升高至50mg/L。污染物到達(dá)下部含水層并使污染物的濃度達(dá)到50mg/L需要的時(shí)間是1500天。兩層含水層中污染物的濃度在模擬末期，污染物COD濃度都達(dá)到最大值500mg/L。

（2）2號(hào)點(diǎn)。上部含水層滲漏發(fā)生約3500天后地下水中COD濃度開(kāi)始逐步升高，在模擬末期地下水中COD的濃度最高達(dá)到350mg/L。污染物運(yùn)移至觀測(cè)點(diǎn)2號(hào)點(diǎn)并且到達(dá)深部含水層的時(shí)間大約為4000天，在模擬結(jié)束時(shí)深部含水層中污染物的濃度達(dá)到最大值400mg/L。對(duì)比含水層在模擬結(jié)束后達(dá)到的最高濃度值可知污染物同時(shí)在兩層含水層中運(yùn)移，并且在深部含水層中運(yùn)移的速度更快一些。

（3）3號(hào)點(diǎn)。上部含水層滲漏發(fā)生約8000天后地下水中COD濃度開(kāi)始逐步升高，濃度上升速度很緩慢，在模擬末期地下水中COD的濃度最高達(dá)到30mg/L。下部含水層中COD的濃度升高發(fā)生在滲露后的6000天，污染物濃度在模擬末期達(dá)到最大值48mg/L。

（4）4號(hào)點(diǎn)。上部含水層滲漏發(fā)生地下水中COD濃度就開(kāi)始逐步升高，濃度上升速度很緩慢，在模擬末期地下水中COD的濃度最高達(dá)到45mg/L。深部含水層滲漏發(fā)生后地下水中COD濃度開(kāi)始逐步升高，在模擬末期地下水中COD的濃度最高達(dá)到45mg/L。對(duì)比位于污水處理廠中心的北部200m的觀察點(diǎn)1可以看出，污染物運(yùn)移的方向主要是沿流場(chǎng)方向向下游運(yùn)移。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

（1）擬建污水處理廠場(chǎng)區(qū)正常工作情況下不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境造成污染。

（2）在事故條件下，污染物會(huì)進(jìn)入含水層，對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境造成一定的影響，且發(fā)生污染物連續(xù)排放產(chǎn)生的危害更大。

（3）若在場(chǎng)區(qū)內(nèi)的發(fā)生持續(xù)滲漏事故，則對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤乃|(zhì)是有較明顯的影響，上部和下部含水層中污染物的最高濃度都將超過(guò)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的限值，出現(xiàn)嚴(yán)重污染。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張人戈.我國(guó)城市供水行業(yè)的政府規(guī)制研究[D].吉林大學(xué)，2013.

[2] Heyden C J V D， New M G. Groundwater pollution on the ZambianCopper belt： deciphering the source and the risk [J]. Science of theTotal Environment， 2004， 327（1-3）：17-30.

[3] 高正夏，湯瑞涼.地下水開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境的危害及其對(duì)策.河海科技進(jìn)展，1993，13（1），53～57.

[4] 周羽化，盧延娜，張虞，等.某城市城鎮(zhèn)污水處理廠COD排放現(xiàn)狀評(píng)價(jià)分析[J].環(huán)境科學(xué)，2014（10）：3998-4002.

[5] 地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，2012-09-12，www.xzbu.com.

[6] 寇文杰.地下水化學(xué)分類方法的思考[J].西部資源，2012，05.

[7] Smith L， Schwartz F W. Mass transport： 1. A stochastic analysis of macroscopic dispersion [J]. Water Resources Research， 1980， 16（2）：303–313.