基于GMS的有機(jī)污染物在土壤及地下水運(yùn)移規(guī)律的綜合研究

韓鵬飛 崔陽(yáng) 魏瑩瑩 魏國(guó)振

摘要：隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們的生活水平逐步提高，我們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的有機(jī)污染物的數(shù)量也在不斷增加，一些有機(jī)污染物在土壤和地下水環(huán)境中發(fā)生遷移活動(dòng)，明顯不利于環(huán)境管理和環(huán)境污染控制以及在日常生活中對(duì)水質(zhì)的控制等。因此，本文對(duì) GMS 的相關(guān)知識(shí)、有機(jī)污染物的定義以及 GMS 在環(huán)境管理中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，分析研究了有機(jī)污染物在土壤和地下水中的遷移規(guī)律及對(duì)環(huán)境的影響，提出了解決有機(jī)污染物對(duì)周圍生活環(huán)境嚴(yán)重污染的最優(yōu)方案。

關(guān)鍵詞：GMS;有機(jī)污染物;土壤和地下水運(yùn)移規(guī)律

中圖分類號(hào)：X832? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）03-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.018

GMS based comprehensive study on the movement of organic pollutants in soil and groundwater

Han Pengfei1，Cui Yang1，Wei Yingying1，Wei Guozhen2

（1.Hebei Geological Environment Monitoring Institute，Shijiazhuang Hebei 050000，China;

2.Hebei Hydrogeological Engineering Geological Exploration Institute，Shijiazhuang Hebei 050000，China）

Abstract：With the constant progress of the society ，peoples living standard gradually improve， at the same time to produce the amount of organic pollutants in our daily life is increasing， and some of the organic pollutants in soil and groundwater environment corresponding migration activities ，obviously bad for the environment management and control of environmental pollution，and in the daily life of water quality control ，and so on .Therefore，in this paper，relevant knowledge about GMS，definition of organic pollutants，impact on the environment and migration law of organic pollutants in soil and groundwater were analyzed and studied accordingly ，and then the optimal solution was proposed to solve the serious pollution caused by organic pollutants to the surrounding living environment.

Key words：GMS;Organic contaminant;Law of soil and groundwater migration

1 GMS

1.1 GMS 的定義

GMS（Groundwater Modeling System） 地下水模擬系統(tǒng)是當(dāng)今世界上較先進(jìn)的地下水模擬系統(tǒng)軟件包。同時(shí)，GMS 是由 Brigham yongUniversity的環(huán)境模型實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)軍工水道實(shí)驗(yàn)站合作而開(kāi)發(fā)出的，具有強(qiáng)大功能性的圖形界面，綜合性能強(qiáng)的地下水模型構(gòu)建，在 3D環(huán)境下能夠開(kāi)發(fā)對(duì)地下水的近期狀況進(jìn)行透視化的模擬以及數(shù)值模擬環(huán)境的功能性的軟件包。

1.2 GMS 的主要組成部分

GMS 主要的模塊可以分為兩大部分，分別是：第一，計(jì)算機(jī)模塊。計(jì)算機(jī)模塊又包括了九個(gè)基本模塊。其中 Modflow 主要用于專門(mén)模擬介質(zhì)中體下水流動(dòng)的三維有限差分的軟件，同時(shí)，具有結(jié)構(gòu)的模塊化，離散方法的解算簡(jiǎn)單，求解的方法多樣化的特點(diǎn)，使得其能夠應(yīng)用在模擬各種地下水流的系統(tǒng)，進(jìn)而在應(yīng)用之中能夠快速的發(fā)展，滿足現(xiàn)今的需求。Femwater 模塊主要是用于模擬飽和流與非飽和流條件下水流和溶質(zhì)的具體運(yùn)移的三維有限元耦合的模型，同時(shí)還可以用于模擬咸水入侵等密度變化的水流以及運(yùn)移等其他問(wèn)題解決之中。Mt3dms 模塊主要用來(lái)模擬地下水系統(tǒng)中對(duì)流、彌散以及化學(xué)反應(yīng)的三維溶質(zhì)運(yùn)移模塊模型，在計(jì)算的過(guò)程中經(jīng)常與 Modflow 混合連用。Rt3d 模塊主要用來(lái)處理多組反應(yīng)中的三維運(yùn)移模型，一般應(yīng)用于模擬自然衰減以及生物的恢復(fù)之中。Seam3d 模塊經(jīng)常被用來(lái)模擬復(fù)雜的生物降解的關(guān)鍵問(wèn)題的模型，其中包括了多酶，多電子接收器。Modpath 用于在確定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定或者是非穩(wěn)定流中質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移路徑的三維示蹤模型，同時(shí)也就需要與 Modflow 混合聯(lián)用。Seep2d 用來(lái)計(jì)算壩剖面滲透的二維有限元穩(wěn)定流的具體模型，同時(shí)也可用來(lái)模擬承壓流及無(wú)壓流問(wèn)題以及模擬飽和與非飽和的問(wèn)題。Nuft 模擬三維多相不等溫水流和運(yùn)移模型，適合于解決包氣帶中的某些問(wèn)題。Utchen 模擬多相流和運(yùn)移的模型，對(duì)于抽水和水位恢復(fù)的模擬較為理想，已經(jīng)在許多的問(wèn)題中被廣泛應(yīng)用。第二是輔助模塊。輔助模塊又包括了 Pest 與 Ucode 模塊主要在使用 modflow 和 Feflow 等計(jì)算模塊的時(shí)候交替使用，來(lái)調(diào)整選定的參數(shù)，直到計(jì)算結(jié)果與野外觀測(cè)值相吻合。

2 有機(jī)污染物的定義

有機(jī)污染物指的是以碳水化合物、蛋白質(zhì)氨基酸以及脂肪等其他形式存在的天然有機(jī)物質(zhì)及其他種類的可以生物降解的人工合成有機(jī)物質(zhì)為主要成分的污染物的總稱。有機(jī)污染物的存在形式主要是揮發(fā)態(tài)有機(jī)污染物。所以，這些揮發(fā)性的污染物借助揮發(fā)、淋浴以及濃度上的差距來(lái)進(jìn)一步的擴(kuò)散到所有的環(huán)境中，接著對(duì)周邊的空氣、水源、生態(tài)系統(tǒng)以及人們?cè)斐蓢?yán)重的危害，不利于人們的生活、社會(huì)的進(jìn)步。

3 有機(jī)污染物在土壤中的運(yùn)移規(guī)律

有機(jī)污染物在粘土中的運(yùn)移規(guī)律：粘土中含有較多的礦物，顆粒較小，比表面積大，粘土有一定的粘度，導(dǎo)致顆粒表面的薄膜水以及結(jié)合水會(huì)對(duì)有機(jī)污染物的彌散形成一定的影響。在觀察有機(jī)污染物在粘性土的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)污染物的濃度會(huì)出現(xiàn)“拖拽”的現(xiàn)象，延緩了有機(jī)污染物的運(yùn)移速度，在水平方向上有機(jī)污染物會(huì)隨著距離污染源的增加而逐漸地下降，而在豎直方向上，有機(jī)污染物會(huì)隨著距離的增加而緩慢的增加，一般在 0.12～0.30 之間，同時(shí)出現(xiàn)“拖拽”的現(xiàn)象。作為對(duì)比，有機(jī)污染物在砂土中的運(yùn)移規(guī)律卻是在豎直方向上會(huì)隨著距離的增加而增加，一般是在 1.34～1.73 之間，偶爾會(huì)出現(xiàn)一些“拖拽”的現(xiàn)象，出現(xiàn)的幾率比在粘性土中的幾率小，同時(shí)有機(jī)污染物會(huì)受到其他因素的影響進(jìn)而影響運(yùn)移速度。

4 有機(jī)污染物在地下水中的運(yùn)移規(guī)律

有機(jī)污染物在地下水系統(tǒng)中的遷移、轉(zhuǎn)化過(guò)程屬于復(fù)雜的物理、化學(xué)及生物綜合作用的效果。在地表的污染物在進(jìn)入含水層時(shí)，一般都要經(jīng)歷表土層及下包氣帶，而表土層和下包氣帶對(duì)污染物不僅有輸送和儲(chǔ)存功能，而且還有延續(xù)或衰減污染的效應(yīng)。所以有人認(rèn)為表土層和下包氣帶為天然的過(guò)濾層。其實(shí)，實(shí)際上是由于有機(jī)污染物經(jīng)過(guò)表土層及下包氣帶時(shí)產(chǎn)生了一系列相應(yīng)的物理、化學(xué)和生物的作用，從而使得一些污染物被降解為無(wú)毒無(wú)害的成分。其中的一些污染物由于過(guò)濾、吸附和沉淀而截留在土壤里，其余還有的一些污染物被植物吸收或合成到微生物里，最終使污染物濃度降低，這稱為自凈作用。但是，污染物在上述遷移過(guò)程中，還有可能發(fā)生與自凈作用相反的現(xiàn)象。就是指有些作用會(huì)增加污染物的遷移性能，使其濃度增加，或者是從一種污染物轉(zhuǎn)化成另一種污染物。例如，對(duì) 2002 年發(fā)生的垃圾場(chǎng) NH4 -N 泄露通過(guò) GMS 建模分析后得出了 NH4 -N 在地下水中的運(yùn)移規(guī)律。抽水井一般處于地下水的水界面的飽和水帶，所以會(huì)貫穿三層土壤。經(jīng)過(guò) 1800d 后，垃圾場(chǎng)泄露的 NH4 -N 開(kāi)始進(jìn)入到抽水井的所處位置，此時(shí)的 NH4 -N 的濃度是0.0024mg/L，所以泄露的 NH4 -N 會(huì)影響到抽水井中水源的水質(zhì)。通過(guò)參考《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，發(fā)現(xiàn)泄漏的污染物在經(jīng)過(guò) 3000d后，抽水井中的 NH4 -N 濃度含量會(huì)超標(biāo)，抽水井中的 NH4 -N 的濃度會(huì)達(dá)到 0.0622mg/L，此時(shí)，垃圾場(chǎng)泄露的 NH4 -N 就會(huì)嚴(yán)重影響到抽水井的水質(zhì)，從而對(duì)周邊居民的日常生活造成影響，甚至?xí)?yán)重威脅到居民的生命安全。同時(shí)對(duì)于垃圾場(chǎng)的下部區(qū)域，會(huì)因?yàn)榉罎B層的破壞，其中的滲透液發(fā)生泄漏，使得包氣帶中土壤中的 NH4 -N的含量超標(biāo)。發(fā)生泄漏后 3900d 后，該濃度會(huì)維持在 1.0468mg/L。因此，由于垃圾場(chǎng)的泄漏，使得滲透進(jìn)入的污染物必然進(jìn)行土壤的遷移。與此同時(shí)，隨著土壤的遷移，會(huì)深刻影響到泄漏液在土壤及地下水中的運(yùn)移規(guī)律。所以，在濾液發(fā)生泄漏后 600d 后，相對(duì)隔水層的土壤中的含量會(huì)超過(guò)0.02mg/L，最終保持在 0.1415mg/L，而飽和帶地下水中的泄漏物的濃度最高會(huì)是 0.0359mg/L。所以，發(fā)生了有機(jī)物污染物的泄漏會(huì)對(duì)廠區(qū)下方的飽和帶地下水造成一定的污染，嚴(yán)重的話，會(huì)迫使居民難以繼續(xù)生活在污染物泄漏的附近地區(qū)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)借助 GMS 建模的形式能夠更好地了解到在發(fā)生污染物的泄漏后該區(qū)域污染物的遷移規(guī)律，從而能夠更好地做出預(yù)防措施以及做出對(duì)應(yīng)的糾正措施來(lái)進(jìn)一步解決有機(jī)物泄漏后對(duì)周邊環(huán)境造成的影響。使得相關(guān)的環(huán)境保護(hù)部門(mén)能夠及時(shí)地對(duì)發(fā)生泄漏的區(qū)域進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)行相關(guān)的環(huán)境保護(hù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，GMS 也需要進(jìn)一步的技術(shù)研究，因?yàn)?GMS 還不能夠準(zhǔn)確計(jì)算出允許泄露的最大濃度且在應(yīng)用 GMS 的過(guò)程中計(jì)算較為復(fù)雜、繁瑣。

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收稿日期：2019-12-11

作者簡(jiǎn)介：韓鵬飛（1987-），男，漢族，本科學(xué)歷，初級(jí)職稱，研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)、環(huán)境地質(zhì)。