沈陽市地下水反應(yīng)運(yùn)移特性分析

安秉鋒

（遼寧省沈陽水文局，遼寧沈陽110043）

沈陽市地下水反應(yīng)運(yùn)移特性分析

安秉鋒

（遼寧省沈陽水文局，遼寧沈陽110043）

地下水反應(yīng)運(yùn)移特性的分析是地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要工具，但目前以城市或行政區(qū)劃為尺度的相關(guān)研究卻很少。本文對(duì)沈陽市32個(gè)樣點(diǎn)的樣品進(jìn)行土柱實(shí)驗(yàn)分析，得到沈陽市地下水反應(yīng)運(yùn)移滲透系數(shù)、彌散系數(shù)、分配系數(shù)及遲滯因子四項(xiàng)參數(shù)。結(jié)果表明基于這些參數(shù)的對(duì)流-彌散-反應(yīng)模型可準(zhǔn)確預(yù)測研究區(qū)域內(nèi)地下水反應(yīng)溶質(zhì)的濃度變化情況，為降低地下水污染評(píng)價(jià)成本與提高效率提供參考。

沈陽市；地下水；反應(yīng)運(yùn)移；對(duì)流-彌散-反應(yīng)

1 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)現(xiàn)狀

地下水污染對(duì)農(nóng)田、人類健康、以及地表水質(zhì)等都有嚴(yán)重的負(fù)面作用，因此已成為十分重要的研究課題。地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是減緩地下水污染影響的重要工具，其實(shí)際應(yīng)用已越來越廣泛，例如，可以根據(jù)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行工廠合理選址、水質(zhì)重點(diǎn)整治、以及灌溉取水規(guī)劃等。目前，地下水污染的評(píng)價(jià)及分析方法主要有三種，分別為綜合指數(shù)法、數(shù)據(jù)分析法和過程模擬法。綜合指數(shù)法所得結(jié)論較為直觀，但過于依賴主觀判斷；數(shù)據(jù)分析法可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律得到地下水污染的基本趨勢，但精確度不夠高；過程模擬法是近幾十年新興的地下水分析方法，它基于準(zhǔn)確的物理規(guī)律，因此發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

地下水反應(yīng)運(yùn)移特性的研究即屬于過程模擬法的一種，是地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重中之重，其主要目的是準(zhǔn)確地判斷出污染物質(zhì)在地下水體中的擴(kuò)散、吸附、流動(dòng)以及反應(yīng)等過程，從而可以得到不同污染源情況下不同時(shí)間各位置處污染物的濃度情況。其相關(guān)研究主要始于上世紀(jì)中葉，Nielson與Bigger推導(dǎo)出了著名的對(duì)流-彌散方程，從而使污染物質(zhì)在水體中運(yùn)動(dòng)及擴(kuò)散情況的計(jì)算成為可能。但在實(shí)際情況中，地下水污染物質(zhì)除發(fā)生運(yùn)移及擴(kuò)散外，還往往伴有生物化學(xué)反應(yīng)過程，因此，想要準(zhǔn)確地預(yù)測出不同位置處污染物的濃度變化情況，則需將水動(dòng)力運(yùn)移模型與溶質(zhì)多組分化學(xué)平衡模型結(jié)合起來進(jìn)行系統(tǒng)分析。這類耦合模型可稱為對(duì)流-彌散-反應(yīng)方程系統(tǒng)，它能完整地表達(dá)出地下水中污染物的物理、化學(xué)與生物過程，但模型中有四項(xiàng)不確定的參數(shù)，分別為：滲透系數(shù)、彌散系數(shù)、分配系數(shù)以及遲滯因子。目前，這些參數(shù)的確定還大多只停留在實(shí)驗(yàn)室或小尺度分析中，而以城市或行政區(qū)劃為尺度的相關(guān)研究卻幾乎沒有。

本文在沈陽市32個(gè)不同的位置進(jìn)行采樣，對(duì)采集的樣品進(jìn)行土柱實(shí)驗(yàn)分析，得到了沈陽市地下水反應(yīng)運(yùn)移的平均滲透系數(shù)、分配系數(shù)和遲滯因子，以及彌散系數(shù)的空間分布情況。這些參數(shù)可以代表沈陽市的地下水反應(yīng)運(yùn)移特性，并可用于快速計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)任意位置處的地下水污染物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散及反應(yīng)情況。為驗(yàn)證這些參數(shù)的準(zhǔn)確性，利用這些參數(shù)結(jié)合Galerkin有限單元法及Picard迭代法對(duì)對(duì)流-彌散-反應(yīng)模型進(jìn)行求解，預(yù)測試驗(yàn)點(diǎn)鈣、鈉、鎂、鉀四種主要離子的濃度變化情況，將預(yù)測結(jié)果并與實(shí)測值進(jìn)行比較，證明這些參數(shù)較為精確且本文所提方法較為合理，一方面可以極大地降低研究區(qū)域內(nèi)的地下水污染評(píng)價(jià)成本、并提高評(píng)價(jià)效率，另一方面也可以為其它地區(qū)的地下水反應(yīng)運(yùn)移特性分析提供參考方法。

2 反應(yīng)運(yùn)移參數(shù)

研究區(qū)域?yàn)檫|寧省省會(huì)沈陽市。沈陽轄10區(qū)、1縣級(jí)市、2縣，面積1.3萬km2，人口825.7萬，是東北地區(qū)經(jīng)濟(jì)中心、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈核心城市。屬溫帶半濕潤性氣候，平均氣溫8.3℃，年降雨量500mm。四季分明，溫差較大。目前，關(guān)于該市地下水反應(yīng)運(yùn)移的研究較少，而關(guān)于該市地下水反應(yīng)運(yùn)移滲透系數(shù)、彌散系數(shù)、分配系數(shù)和遲滯因子四項(xiàng)基本參數(shù)的總結(jié)則幾乎沒有。本文旨在確定沈陽市的這四項(xiàng)地下水反應(yīng)運(yùn)移基本參數(shù)，主要有三重研究目的。（1）清晰地表達(dá)出該市地下水反應(yīng)運(yùn)移特性；（2）為后續(xù)的地下水污染評(píng)價(jià)提供參數(shù)，從而節(jié)省其地下水反應(yīng)運(yùn)移情況的預(yù)測成本并提高其效率；（3）為其它地區(qū)的地下水反應(yīng)運(yùn)移特性分析提供思路。

共選取32個(gè)采樣點(diǎn)（圖1），市區(qū)地下水質(zhì)相對(duì)較差，則取樣密度相對(duì)較大，而在其它地區(qū)則取樣點(diǎn)分布較為系數(shù)。對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行檢測，得到其地下水總硬度、硫酸根、氯離子等水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)，并對(duì)所收集樣品進(jìn)行傳統(tǒng)的土柱實(shí)驗(yàn)，分析不同溶質(zhì)在所取樣品土壤中的運(yùn)移及反應(yīng)情況。其實(shí)驗(yàn)流程為土壤篩選搗實(shí)、注水淋洗、加入溶質(zhì)溶液、分析溶液。通過實(shí)驗(yàn)，測得土柱達(dá)飽和狀態(tài)時(shí)各取樣管水位上升高度、取樣管間距、流出水量、流出離子質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化情況、土柱中水的流速等基本或中間參數(shù)，再對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行分組并進(jìn)行無量綱化分析，得到沈陽市的平均滲透系數(shù)、彌散系數(shù)、分配系數(shù)和遲滯因子。

圖1 研究區(qū)域、取樣點(diǎn)與試驗(yàn)點(diǎn)

式中，k即代表滲透系數(shù)、Q代表一段時(shí)間內(nèi)的滲水量、t代表時(shí)間、L代表滲流長度、A代表截面面積，而ΔH代表水頭差。將所得參數(shù)按分母與分子分組并無量綱化，其中分子所在參數(shù)組稱為上參數(shù)組，而分母所在參數(shù)組稱為下參數(shù)組，將下無量綱化的下參數(shù)組數(shù)值為橫坐標(biāo)、無量綱化的上參數(shù)組數(shù)值為縱坐標(biāo)做散點(diǎn)圖，再做線性擬合線，其擬合線的斜率表達(dá)的是所有滲透參數(shù)的平均值，所以擬合線方程中自變量系數(shù)即為沈陽市平均滲透系數(shù)。由圖2可知，沈陽市平均滲透系數(shù)為0.0032。使用相同方法，求得沈陽市的平均彌散系數(shù)、分配系數(shù)以及遲滯因子分別為0.0195、0.0002和1.0016。

滲透系數(shù)可反映土的滲透能力，可由室內(nèi)試驗(yàn)或野外試驗(yàn)法來確定，室內(nèi)試驗(yàn)法又可分為常水頭法和變水頭法兩種。本文采用較為簡單的室內(nèi)常水頭法，根據(jù)達(dá)西定律公式進(jìn)行分析：

圖2 地下水反應(yīng)運(yùn)移特性基本參數(shù)分析圖

這四項(xiàng)參數(shù)代表了沈陽市地下水反應(yīng)運(yùn)移的特性，并且在以后的沈陽市地下水反應(yīng)運(yùn)移預(yù)測中，可直接利用以上參數(shù)進(jìn)行初步分析。但需注意以上參數(shù)表示的為沈陽市的平均水平，因此在進(jìn)行小區(qū)域分析時(shí)還應(yīng)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，從而可以進(jìn)一步提升預(yù)測精確度。在修正過程中，可以選用所有參數(shù)的實(shí)際值，但為減少預(yù)測與計(jì)算時(shí)間，可以先對(duì)所選模型進(jìn)行敏感性分析，若某一參數(shù)對(duì)結(jié)果影響不大則可以直接使用以上平均值，若影響較大則應(yīng)根據(jù)各樣點(diǎn)的該參數(shù)值推求研究區(qū)域內(nèi)實(shí)際研究點(diǎn)的參數(shù)值，從而即保證預(yù)測精確性又不使預(yù)測成本過高。

3 反應(yīng)運(yùn)移預(yù)測

為驗(yàn)證以上參數(shù)精確性并舉例其實(shí)際應(yīng)用方法，選擇在試驗(yàn)點(diǎn)（圖1）進(jìn)行示蹤溶液的測量和計(jì)算，并將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行比較。示蹤溶液含有鈣、鈉、鎂、鉀四種離子，其初始pH值為3× 10-6，試驗(yàn)點(diǎn)孔隙水流速為9.213×10-11m/s。在試驗(yàn)點(diǎn)水流下游5至60m范圍內(nèi)取12處監(jiān)測點(diǎn)，測得四種離子的濃度變化情況。主要反應(yīng)過程為陽離子交換，具體表達(dá)式如下：

式中，Na，Ca，Mg，和K分別表示鈉、鈣、鎂和鉀，X表示陽離子交換位。

選擇的計(jì)算模型為對(duì)流-彌散-反應(yīng)模型，分析、離散與求解方法分別為Galerkin有限單元法、有限差分法、和Picard迭代法。為節(jié)省預(yù)測時(shí)間，首先對(duì)模型進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)、分配系數(shù)和遲滯因子對(duì)結(jié)果的影響相對(duì)較小，因此分別采用研究區(qū)域內(nèi)的平均值，即0.0032、0.0002和1.0016。計(jì)算結(jié)果受彌散系數(shù)的影響較大，因此若只采用研究區(qū)域的平均值，則其誤差將較大，于是根據(jù)土柱實(shí)驗(yàn)所得32個(gè)樣點(diǎn)處的結(jié)果、并用Kring泛克里格法網(wǎng)格化繪制沈陽市彌散系數(shù)分布云圖（圖3）。

圖3 彌散系數(shù)空間分布云圖

總體來看，沈陽市彌散系數(shù)成由北至南逐漸遞增趨勢，即沈陽市南部的污染物質(zhì)擴(kuò)散速度較大，南北污染物質(zhì)擴(kuò)散速度最大比值為6，因此南部地下水污染物質(zhì)的稀釋速率較快、即其自凈能力強(qiáng)于北部地區(qū)。

將實(shí)驗(yàn)點(diǎn)影響范圍內(nèi)的彌散系數(shù)值應(yīng)用在對(duì)流-彌散-反應(yīng)模型中并對(duì)試驗(yàn)區(qū)的污染物質(zhì)濃度情況進(jìn)行預(yù)測。將預(yù)測結(jié)果與測量結(jié)果繪制與圖4中，其中橫坐標(biāo)為各觀測點(diǎn)距離試驗(yàn)點(diǎn)的水平距離，縱坐標(biāo)表示觀測點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的四種離子的濃度，散點(diǎn)為實(shí)測值，而曲線為預(yù)測值。各離子濃度的量級(jí)相差較大，因此采用LOG類圖紙，從而實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的整合呈現(xiàn)。

圖4 反應(yīng)溶質(zhì)濃度計(jì)算值與測量值

觀察圖4可知，預(yù)測值與實(shí)測值比較接近，兩者的差別主要由以下原因引起。（1）為簡化分析方法，預(yù)測模型采用了區(qū)域平均的滲透系數(shù)、分配系數(shù)以及遲滯因子；（2）不同求解方法的預(yù)測結(jié)果略有差異；（3）實(shí)測結(jié)果也存在一定誤差；（4）原地下水中也可能存在一定量的所研究的離子，因此預(yù)測的離子濃度略低于實(shí)測濃度。但總體來說，本文所提方法可以很好地預(yù)測沈陽市的地下水反應(yīng)運(yùn)移情況，因此可以在以后的沈陽市及其它地區(qū)地下水反應(yīng)運(yùn)移特性分析中得到應(yīng)用。

4 結(jié)語

根據(jù)沈陽市32個(gè)采樣點(diǎn)的樣品土柱實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了研究區(qū)域內(nèi)地下水反應(yīng)運(yùn)移的四項(xiàng)參數(shù)平均值，其中滲透系數(shù)為0.0032、分配系數(shù)為0.0002，遲滯因子為1.0016、彌散系數(shù)為0.019?？傮w來看，沈陽市彌散系數(shù)成由北至南逐漸遞增趨勢，即沈陽市南部的污染物質(zhì)擴(kuò)散速度較大、即其自凈能力強(qiáng)于北部地區(qū)。在地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、灌溉取水、工廠選址等應(yīng)用中，可以采用對(duì)流-彌散-反應(yīng)模型、根據(jù)以上四項(xiàng)參數(shù)及本文所得彌散系數(shù)分布圖快速預(yù)測研究范圍內(nèi)的污染物質(zhì)濃度變化情況，從而降低評(píng)價(jià)成本與時(shí)間，而同樣的方法也可用于其它地區(qū)的地下水反應(yīng)運(yùn)移特性分析中。

［1］米熱古麗·麥麥提.地下水污染現(xiàn)狀調(diào)查及處理［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2013（11），35-37.

［2］孫寧.城市水資源污染治理與環(huán)境保護(hù)芻議［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2016，24（01），45-46.

［3］許天福，金光榮，岳高凡，等.地下多組分反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬地質(zhì)資源和環(huán)境研究的新方法［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2012，42（05），1410-1425.

［4］梁冰，王巖.于家溝地下水反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律數(shù)值仿真［J］.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2007，28（04），58-63.

［5］李瑋，何江濤，劉麗雅，等.Hyd rus-1D軟件在地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2013，33（04），639-647.

［6］毛曉敏，劉翔.PHREEQC在地下水溶質(zhì)反應(yīng)-運(yùn)移模擬中的應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004，31（02），20-24.

［7］武桐，劉翔.UNSATCHEM在土壤溶質(zhì)反應(yīng)-運(yùn)移模擬中的應(yīng)用［J］.福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2004，19（01），45-49.

［8］張德生，沈冰.土壤中反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移的對(duì)流—彌散模型及其解析解［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，17（02），122-126.

［9］張叢志，徐紹輝，張佳寶.多孔介質(zhì)中多組分反應(yīng)性溶質(zhì)運(yùn)移的研究進(jìn)展［J］.土壤，2006，38（03），242-248.

［10］錢家忠，劉詠，張勇，等.多孔介質(zhì)雙分子反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移實(shí)驗(yàn)與模擬研究［J］.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，43（02），104-109.

P641

A

1008-1305（2017）01-0063-03

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.021

2016-05-20

安秉鋒（1970年—），男，高級(jí)工程師。

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.022