某化工廠地下水?dāng)?shù)值模擬和解析法雙重預(yù)測(cè)校正

陳 磊

(無錫市智慧環(huán)保技術(shù)監(jiān)測(cè)研究院有限公司，江蘇 無錫 214121)

1 項(xiàng)目廢水產(chǎn)生情況

本項(xiàng)目為生產(chǎn)甲苯二異氰酸酯的環(huán)境影響評(píng)價(jià)項(xiàng)目，其中需要對(duì)運(yùn)營(yíng)期生產(chǎn)是否會(huì)對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生影響進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。項(xiàng)目甲苯二異氰酸酯(TDI)的生產(chǎn)，包括三個(gè)階段：原料產(chǎn)品硝酸的生產(chǎn)、中間產(chǎn)品二硝基甲苯(DNT)的生產(chǎn)和產(chǎn)品TDI的生產(chǎn)。TDI的生產(chǎn)采用光氣化法進(jìn)行合成。首先，氨氣通過催化氧化加壓吸收制成硝酸；甲苯在混酸(硝酸和硫酸)中硝化生成DNT；在催化劑作用下DNT與氫氣反應(yīng)制取間位甲苯二胺(TDA)；再以氯苯為溶劑，TDA與光氣進(jìn)行光氣化反應(yīng)生成粗TDI和HCl氣體，粗TDI脫除溶劑和焦油后，精制得到TDI裝桶出售。主要產(chǎn)生的廢水源強(qiáng)情況見表1。

表1 項(xiàng)目廢水污染物產(chǎn)生情況

2 地下水污染數(shù)值模擬法預(yù)測(cè)

地下水污染預(yù)測(cè)重點(diǎn)關(guān)注的地下水污染源為埋地式或半埋地式污水處理構(gòu)筑物，其設(shè)備或設(shè)施如發(fā)生物料和污染物泄漏不易被發(fā)現(xiàn)和處理，如處理不及時(shí)會(huì)對(duì)土壤和地下水造成污染。根據(jù)項(xiàng)目所處區(qū)域的水文地質(zhì)和廠區(qū)平面布置情況，本項(xiàng)目可能對(duì)下水造成的污染源主要為一次沖洗池、中和池和應(yīng)急事故池。其次關(guān)注裸露于地面的生產(chǎn)功能單元和地上廢水管線，物料或廢水泄漏后被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理的區(qū)域或部位，本項(xiàng)目主要關(guān)注的為罐區(qū)、化學(xué)品倉庫、危廢暫存區(qū)和廢水管網(wǎng)。

2.1 地下水污染情景和源強(qiáng)

項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)廢水產(chǎn)生主要來自運(yùn)營(yíng)期。液氨蒸發(fā)器廢水和汽包排水首先收集至硝酸裝置區(qū)中和池，中和后泵入園區(qū)廢水站進(jìn)行預(yù)處理。裝置區(qū)和儲(chǔ)罐區(qū)的雨水、地面沖洗水首先收集至一次沖洗池。其中，初期雨水和事故廢水至應(yīng)急事故池收集后排入有機(jī)廢水管網(wǎng)送至園區(qū)廢水站進(jìn)行預(yù)處理，清凈雨水排入廠區(qū)內(nèi)雨水管網(wǎng)。其他廢水(W3-W7)經(jīng)有機(jī)廢水管道直接輸送至園區(qū)廢水站進(jìn)行預(yù)處理。

罐區(qū)、化學(xué)品倉庫和危廢暫存區(qū)均為地上建筑物或構(gòu)筑物，且已采取地坪防滲措施，如事故情況下物料發(fā)生泄漏，易被發(fā)現(xiàn)和處理，在作應(yīng)急響應(yīng)情況下，對(duì)地下水的影響相對(duì)較小。

在事故狀況下，半埋地廢水處理池防滲層存在破壞的可能性，大量污水在未及時(shí)收集處理的情況下可能會(huì)滲入土壤和地下水中。本次預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)選取事故情景下廢水泄漏對(duì)地下水的預(yù)測(cè)分析。硝酸裝置區(qū)廢水在廠區(qū)中和池中和后排入園區(qū)廢水站進(jìn)行預(yù)處理，中和池為地下水池，其它均為地上水池，本次選擇中和池作為典型污染源進(jìn)行預(yù)測(cè)。表2總結(jié)了預(yù)測(cè)情景和各類污染源強(qiáng)、特征污染物類型和初始濃度。

表2 項(xiàng)目預(yù)測(cè)源強(qiáng)總結(jié)表

2.2 地下水污染途徑和受體

項(xiàng)目污水泄漏后進(jìn)入地下，首先在包氣帶中垂直向下遷移，然后進(jìn)入到含水層。污染物進(jìn)入地下水后，以對(duì)流作用和彌散作用為主。另外，污染物在含水層中的遷移行為還包括吸附解析、揮發(fā)和生物降解。根據(jù)本項(xiàng)目污染物的理化特征，基于保守性考慮，本次地下水污染模擬過程中未考慮污染物在含水層中的揮發(fā)、吸附解析和生物化學(xué)反應(yīng)。這種相對(duì)保守的預(yù)測(cè)情景可以為項(xiàng)目防控體系提供更為可靠的依據(jù)。

評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)如發(fā)生污染物泄漏，可能污染地下水，潛水含水層和承壓含水層之間存在相對(duì)隔水層，故潛水含水層和承壓含水層聯(lián)系相對(duì)不密切。但評(píng)價(jià)區(qū)域地下水水位受周邊河流影響，與地表水聯(lián)系相對(duì)密切，污染物存在遷移至場(chǎng)地下游河流的可能。因此本項(xiàng)目確定地下水潛水含水層和項(xiàng)目下游河流為敏感的環(huán)境受體。

2.3 地下水預(yù)測(cè)數(shù)值模型

本次地下水評(píng)價(jià)主要關(guān)注的含水層為潛水含水層，主要由粉質(zhì)粘土和粉土組成，潛水含水層以水平方向運(yùn)動(dòng)為主，垂向運(yùn)動(dòng)微弱，地下水系統(tǒng)概化為空間三維流。評(píng)價(jià)區(qū)域范圍較小，含水層參數(shù)空間變異較小，含水層概化為均質(zhì)水平各向同性。評(píng)價(jià)區(qū)域豐水期和枯水期地下水水位變化較小，趨勢(shì)一致，故概化為穩(wěn)定流地下水水流模型。綜上所述，將評(píng)價(jià)區(qū)地下水系統(tǒng)概化為空間三維、水平各向同性、穩(wěn)定的地下水流系統(tǒng)概念模型。評(píng)價(jià)區(qū)域南側(cè)河流，設(shè)為為定水頭邊界。本次評(píng)價(jià)范圍為地下水塊段，部分邊界的流入流出量需由地下水水流模型水文地質(zhì)參數(shù)校正得出，設(shè)為定流量邊界。模型上部接受降雨補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄，概化為有效凈補(bǔ)給，底部為隔水邊界。地下水模型中輸入的參數(shù)見表3。

表3 項(xiàng)目地下水?dāng)?shù)值模擬輸入的參數(shù)

項(xiàng)目在運(yùn)營(yíng)期不涉及地下水開采和回注，對(duì)地下水水位人為影響可以忽略，且經(jīng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明豐水期和枯水期水位變動(dòng)幅度小，故選擇地下水穩(wěn)定流模型識(shí)別驗(yàn)證水文地質(zhì)參數(shù)和地下水流場(chǎng)擬合程度。利用地下水枯水期水位統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型驗(yàn)證。通過對(duì)比觀測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)和計(jì)算的地下水水位擬合程度進(jìn)行模型校正，監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水水位實(shí)測(cè)值和模擬結(jié)果計(jì)算值匹配較好，評(píng)價(jià)區(qū)域的地下水水流數(shù)值模型滿足后續(xù)溶質(zhì)運(yùn)移模型預(yù)測(cè)要求。

2.4 地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬預(yù)測(cè)

本次地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型，采用GMS中的MT3D模塊進(jìn)行模型模擬，實(shí)現(xiàn)以上數(shù)學(xué)模型的數(shù)值模擬。聯(lián)合運(yùn)行水流和水質(zhì)模型，得到硝酸裝置區(qū)中和池事故情景下污染物運(yùn)移的預(yù)測(cè)結(jié)果。圖1為事故情景下污染物在地下水中濃度污染羽分布圖，可見基于現(xiàn)有地下水流場(chǎng)條件下，事故情況下50年內(nèi)污染物超標(biāo)范圍在地下水中遷移距離約63米。

圖1 事故情況下50年內(nèi)污染物超標(biāo)范圍在地下水中遷移距離

3 地下水污染解析法預(yù)測(cè)

3.1 解析法預(yù)測(cè)參數(shù)的選擇

采用瞬時(shí)泄漏情景下的解析模型[1]：假設(shè)一維無限長(zhǎng)多孔介質(zhì)柱體，示蹤劑瞬時(shí)注入：

式中：

x為敏感目標(biāo)與源的距離；t為時(shí)間，d；C(x，t)為t時(shí)刻在x處污染物濃度，mg/L；

m為污染源質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算污染源氨氮質(zhì)量為1753g，以氨氮污染物作為校正因子；

w為橫截面面積，潛水含水層單寬橫截面積保守取為3m2；

n為實(shí)際速率，為0.0013m/d，u=KI/n，根據(jù)本次原狀土土工試驗(yàn)分析結(jié)果，項(xiàng)目場(chǎng)地含水層主要是粉質(zhì)粘土，滲透系數(shù)為0.05m/d，水力梯度為0.008，孔隙度為0.3；

n為有效孔隙度，粉質(zhì)粘土有效孔隙度取經(jīng)驗(yàn)值n=0.2；

根據(jù)Gelhar[2]和Xu[3]等提出的縱向彌散度和距離的關(guān)系，aL表征縱向彌散度為10.4m，DL縱向彌散系數(shù)為0.014m2/d；

π為圓周率。

3.2 解析法預(yù)測(cè)結(jié)論

將式中各參數(shù)代入地下水溶質(zhì)運(yùn)移解析模型中，計(jì)算出事故情況下廢水池中污染物在地下水中的遷移預(yù)測(cè)結(jié)果。圖2是事故情況下廢水池中污染物在地下水中的遷移距離，事故情況下50年內(nèi)污染物超標(biāo)范圍在地下水中遷移距離不會(huì)超過60米。

圖2 事故泄漏情況下地下水中氨氮濃度隨時(shí)間遷移距離

4 總結(jié)

數(shù)值模擬和解析法預(yù)測(cè)超標(biāo)污染物在地下水中最大遷移距離相近，不會(huì)超過63米，基于現(xiàn)有地下水流場(chǎng)條件，在作好分區(qū)防滲和應(yīng)急預(yù)案前提下，污染物如有泄漏，在50年內(nèi)不會(huì)遷移至周邊河流，本項(xiàng)目因污水泄漏滲入地下水而造成對(duì)環(huán)境敏感目標(biāo)的影響較小。在類似預(yù)測(cè)場(chǎng)景下，如條件不允許，可先使用解析法預(yù)估事故情況下地下水污染的大致范圍，作為地下水污染范圍和污染程度調(diào)查布點(diǎn)的初步依據(jù)。