溶質(zhì)運(yùn)移解析法在某污水處理廠地下水環(huán)境影響分析中的應(yīng)用

張小亮，晏 婷，林勇山，侯雪超，時燕華

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局測試研究中心，江西 南昌 330002）

近年來，水污染物因泄漏引發(fā)的環(huán)境污染問題越來越突出[1，2]。污水處理廠污水池一般為地下/半地下裝置，污水池中污水停留時間較長，污水貯存水量較大，污水池底部破損泄漏處較隱蔽且很難及時被發(fā)現(xiàn)。因此，本文以安義某工業(yè)園區(qū)污水處理廠污水池所在場地為例，應(yīng)用解析法對污水池氨氮污染物發(fā)生持續(xù)泄漏情況下對地下水環(huán)境的影響進(jìn)行分析預(yù)測，為污水處理廠污水池泄漏在地下水污染防治中提供依據(jù)[3-5]。

1 場地水文地質(zhì)條件

本次目標(biāo)場地出露的地貌為潦河及其一級支流沖積平原，在安義縣城以西與II 級階地成內(nèi)疊關(guān)系，目標(biāo)場地根據(jù)地下水埋藏條件和賦存特性，將其劃分為：松散巖類孔隙水、紅色碎屑巖孔隙裂隙水。

1.1 松散巖類孔隙水

主要分布在潦河及其支流河谷地帶，目標(biāo)場地依其巖性和富水程度可細(xì)分為兩個亞組：全新統(tǒng)沖積砂礫石水量中等的孔隙含水亞組，①全新統(tǒng)沖積物組成潦河主、支流的I 級階地或河漫灘。巖層具二元結(jié)構(gòu)。上部為黃褐色亞粘（砂）土，厚度0.5m～2.5m 左右，下部為砂卵石層，厚度2m～6m，平均含水層厚度4.2m；②上更新統(tǒng)沖積層出露較少，組成不明顯的II 級階地，具二元結(jié)構(gòu)。上部為棕黃色含鐵、錳質(zhì)結(jié)核的亞粘土，厚度2m～4m，下部為砂卵石層，厚度為5m～8m 左右，含水層厚度一般4m～5m。地下水位深1m～3m。。它們相互之間以及與地表水體的水力聯(lián)系均較密切。除豐水季節(jié)能獲得部分地表水補(bǔ)給外，地下水主要接受大氣降水和基巖裂隙水補(bǔ)給，一般均向河流排泄。

1.2 紅色碎屑巖類孔隙裂隙水

主要分布在場區(qū)及其周邊，主要為第三系武寧群“紅巖系”，除第三系（Ewn4）外，均只含微量風(fēng)化裂隙水，地表泉水稀少，流量甚微，只有在地形地貌條件特別有利的洼地、坡腳才有少數(shù)下降泉。巖石被鈣質(zhì)膠結(jié)，常見薄層石膏夾層或其他充填于裂隙之中被地下水溶蝕成0.5mm～1.0mm 的溶洞，一般厚達(dá)0.5mm～3.0mm，分布較穩(wěn)定，因此除有微量風(fēng)化裂隙水外深部還可能存在著微弱的孔隙水層，整個紅層均為弱富水巖組。

1.3 水文地質(zhì)勘查與試驗

根據(jù)本次研究目標(biāo)為松散巖類孔隙潛水含水層，該含水層滲透系數(shù)來源于場地內(nèi)鉆孔抽水試驗數(shù)據(jù)，確定松散巖類孔隙潛水含水層滲透系數(shù)K 取值為0.1004m/d。場區(qū)內(nèi)包氣帶巖性主要為第四系為全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，厚度約為0.6m～11.2m，包氣帶入滲系數(shù)Ka 為1.16×10-4cm/s。

2 研究方法

2.1 預(yù)測情景

在正常工況下，污水處理廠污水池等各裝置單元均采取了相應(yīng)的防腐防滲處理，防滲層能有效的阻隔污染物與包氣帶的聯(lián)系，污染物一般不會滲入地下進(jìn)入含水層。因此，本文重點(diǎn)預(yù)測分析在非正常工況下，污水池底部發(fā)生破損泄漏導(dǎo)致污染物氨氮持續(xù)入滲對地下水環(huán)境產(chǎn)生的影響。本次預(yù)測時段為污染源持續(xù)發(fā)生事故泄漏后的100d、1000d、3650d。

2.2 預(yù)測模型建立

2.2.1 數(shù)學(xué)模型

（1）水文地質(zhì)條件概化：根據(jù)場區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)勘察資料分析可知，預(yù)測范圍內(nèi)第四系松散巖類孔隙水整體地下水流向為北西向東南方向；含水巖組主要為沖積層粉質(zhì)粘土、亞粘土及礫砂巖等，滲透系數(shù)和有效孔隙度變化不大，因此將評價區(qū)地下水概化為均質(zhì)各向異性一維穩(wěn)定流地下水系統(tǒng)。

（2）污染源概化：在非正常工況下，污水處理站污水池廢水通過池底破損面泄漏穿過包氣帶進(jìn)入地下水中，因此本次將污水處理站污水池事故狀態(tài)下的污染源整體概化為連續(xù)排放的平面點(diǎn)源。

（3）預(yù)測模型及水文地質(zhì)參數(shù)的確定：本研究場地內(nèi)水文地質(zhì)條件較為簡單，依據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》（HJ610-2016）要求，本次解析解預(yù)測模擬估算不考慮污染物在包氣帶中的遷移過程，非正常工況下污染物在淺層含水層中的遷移可概化為污水持續(xù)泄漏對地下水的污染影響預(yù)測采用“連續(xù)注入示蹤劑-平面連續(xù)點(diǎn)源預(yù)測模型”，取平行地下水流動的方向為x 軸的正方向時，則求取污染組分濃度分布模型如下：

式中：

x，y 為計算點(diǎn)處的位置坐標(biāo)；t 為時間，d；C（x,y,t)—t 時刻點(diǎn)x，y 處的示蹤劑濃度，mg/L；M 為承壓含水層的厚度，m；mt 為單位時間注入示蹤劑的質(zhì)量，kg/d；u 為水流速度，m/d；ne為有效孔隙度，無量綱；DL為縱向彌散系數(shù)，m2/d；DT為橫向y 方向的彌散系數(shù)，m2/d；π—圓周率；為第二類零階修正貝塞爾函數(shù)；為第一類越流系統(tǒng)井函數(shù)。

2.2.2 模型參數(shù)的選擇

由上述模型可知，模型需要的參數(shù)有：注入的示蹤劑質(zhì)量m；含水層厚度M；有效孔隙度ne；水流速度u；縱向彌散系數(shù)DL；橫向彌散系數(shù)DT。

（1）預(yù)測源強(qiáng)：假設(shè)污水處理廠污水池底發(fā)生破裂而導(dǎo)致污水直接入滲，以水平和垂直兩個方向擴(kuò)散。運(yùn)行期間污水池內(nèi)液體有一定液位，池水滲漏進(jìn)入地下屬于有壓滲透，按達(dá)西公式原理計算入滲污染物穿透防滲層進(jìn)入含水層的穿透量、源強(qiáng)，估算前提假設(shè)不考慮污水入滲過程中土壤吸附、毛細(xì)水稀釋以及污染物生化降解、化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化等消減因素影響。本次預(yù)測因子選擇氨氮，滲入地下水的污染物源強(qiáng)濃度按其進(jìn)水水質(zhì)濃度氨氮50mg/L 計算：

穿透通道 q=Ka[（H+D）/D]

入滲穿透量 Q=qA裂

式中：Q 為滲入到地下的污水量，m3/d；Ka 為垂向入滲系數(shù)，m/d；H 為積水液位，m；D：包氣帶厚度，m；A裂為池底裂縫總面積，假定為池底總面積的1%；某污水處理廠污水池底總面積約4000m2。由此計算可知，場區(qū)內(nèi)包氣帶平均厚度約2.0m，某污水處理廠污水池液位平均高度5m，包氣帶滲透系數(shù)取值為1.16×10-4cm/s，則污染物入滲穿透量為14m3/d。

（2）注入的示蹤劑質(zhì)量：由源強(qiáng)分析可知，污水處理站污水池池底破損導(dǎo)致污水泄漏污染物質(zhì)量m 氨氮為700g/d。

（3）其它參數(shù)：場區(qū)內(nèi)含水層平均厚度約10m，本次預(yù)測含水層平均有效孔隙度取值n 為0.4；利用達(dá)西定律計算地下水流實(shí)際流速u 為0.001m/d。結(jié)合本次污染場地的研究尺度，模型計算中縱向彌散系數(shù)DL為0.01m2/d，橫向彌散系數(shù)（DT）一般為縱向彌散系數(shù)的10%為0.001m2/d。

3 模擬預(yù)測結(jié)果

根據(jù)本次建立模擬預(yù)測情景，選定水污染物氨氮為優(yōu)控污染物，預(yù)測污染物在地下水中遷移過程，進(jìn)一步分析污染物影響范圍、程度及最大遷移距離；氨氮超標(biāo)限值參考《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)0.5mg/L，檢出下限值參考儀器檢出限0.004mg/L。

模型預(yù)測結(jié)果表明，污水池發(fā)生污染泄露100 天后，含水層中污染物氨氮影響范圍為20.9m2，超標(biāo)范圍18.7m2，地下水流向上、下游最大運(yùn)移距離分別為5.3m、5.4m，沿水流方向垂向最大遷移距離2.3m；1000 天后，含水層中污染物氨氮影響范圍為335.3m2，超標(biāo)范圍240.7m2，地下水流向上、下游最大運(yùn)移距離分別為20.4m、22.2m，沿水流方向垂向最大遷移距離8.7m；3650 天后，含水層中污染物氨氮影響范圍為1562.2m2，超標(biāo)范圍971.6m2，地下水流向上、下游最大運(yùn)移距離分別為37.2m、44m，沿水流方向垂向最大遷移距離25.1m。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用地下水溶質(zhì)運(yùn)移解析法，在非正常工況下污水處理廠污水池氨氮污染物發(fā)生持續(xù)泄漏情況下對地下水環(huán)境的影響進(jìn)行分析預(yù)測，預(yù)測結(jié)果表明，隨著氨氮污染物在含水層中的遷移時間延長，含水層中氨氮的超標(biāo)及影響范圍逐漸擴(kuò)大。因此，建設(shè)單位需嚴(yán)格按要求做好污水池的防腐防滲工作，同時在污水池地下水下游設(shè)置監(jiān)控井，防止污染地下水。