地下水重金屬污染遷移模擬及防控技術(shù)研究

王傳志

（河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000）

地下水重金屬污染作為當(dāng)今污染面積廣、污染程度嚴(yán)重的水文環(huán)境問題，必須給予足夠的重視。地下水中所受到的重金屬污染主要包括：砷、汞、鉻、銅、鉛、氟、鎘、鐵、錳以及鎳等，在地下水污染中比例超過質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所形成的重金屬污染[2]。由于地下水重金屬污染物中包含對(duì)人類健康危害極大的生物學(xué)元素，也就是所謂的“五毒”，分別為：汞、鎘、砷、鉛以及鉻，這些生物學(xué)元素一旦通過食物鏈進(jìn)入人體，會(huì)引發(fā)多種疾病，常見的有我國(guó)的“大脖子病”、泰國(guó)的“黑腳病”、日本的“骨痛病”以及粵北的“癌癥村”。為有效解決地下水中重金屬污染問題，這次想通過對(duì)地下水重金屬污染遷移模擬及防控技術(shù)作研究對(duì)象，從重金屬污染物的污染源以及分布特性來分析，結(jié)合重金屬污染物防控現(xiàn)實(shí)要求，為改善地下水環(huán)境質(zhì)量等方面的研究提供幫助。

1 地下水重金屬污染遷移模擬

表1 地下水重金屬污染遷移模擬總述表

考慮到地下水重金屬污染在復(fù)雜的多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，本文根據(jù)達(dá)西定律進(jìn)行地下水重金屬污染遷移模擬。地下水重金屬污染遷移模擬總述表，如表1所示。

根據(jù)表1所示，可以根據(jù)地下水重金屬污染遷移模擬總述表綜合分析重金屬污染物在地下水環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)方向。其中，地下水重金屬污染分布特性中垂直分布特性，是地下水中重金屬污染的一個(gè)重要分布特性。本文基于此，進(jìn)行地下水重金屬污染水平遷移模擬以及對(duì)流彌散模擬。

1.1 地下水重金屬污染水平遷移模擬

在地下水重金屬污染遷移模擬中，必須確定地下水流形態(tài)類型，針對(duì)地下水重金屬污染各項(xiàng)遷移指標(biāo)不隨時(shí)間的改變而改變的穩(wěn)定流，本文以重金屬Co元素為例，由左及右模擬地下水重金屬污染水平遷移。地下水重金屬污染由左及右水平遷移模擬示意圖，如圖1所示。

根據(jù)圖1所示，可以根據(jù)地下水重金屬污染物的由左及右水平運(yùn)動(dòng)遷移情況，對(duì)地下水重金屬污染進(jìn)行防控。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)地下水重金屬污染各項(xiàng)遷移指標(biāo)隨時(shí)間的改變而改變的非穩(wěn)定流，由左及右模擬地下水重金屬污染對(duì)流彌散的狀態(tài)。地下水重金屬污染由左及右對(duì)流彌散模擬示意圖，如圖2所示。

結(jié)合圖2所示，地下水重金屬污染對(duì)流彌散的遷徙狀態(tài)為從左右兩側(cè)分散遷徙。

1.2 地下水重金屬污染對(duì)流彌散遷移模擬

在明確重金屬污染由左及右水平遷移以及對(duì)流彌散的基礎(chǔ)上，分別根據(jù)達(dá)西定律的線性滲透定律，進(jìn)行地下水重金屬污染水平遷移以及對(duì)流彌散的遷移模擬[1]。將重金屬污染水平遷移模擬原理，代入達(dá)西定律，可得地下水重金屬污染水平遷移模擬的數(shù)學(xué)表達(dá)式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，Q指的是模擬地下水重金屬污染遷移的滲透流量；K指的是該重金屬污染物的滲透系數(shù)，為實(shí)數(shù)；A指的是過水橫截面積；L指的是重金屬污染物在地下水中的滲透途徑；h2-h1指的是地下水下游斷面的水頭與地下水上游斷面的水頭之間的差值；I指的是地下水水力梯度。根據(jù)地下水水力學(xué)可知：Q=AV；因此，可以得出地下水重金屬污染遷移模擬的簡(jiǎn)化公式，如公式（2）所示。

在公式（2）中，V指的是地下水重金屬污染遷移的滲透速度。通過公式（2），可實(shí)現(xiàn)重金屬污染水平遷移模擬。

將重金屬污染對(duì)流彌散遷移模擬原理，代入達(dá)西定律，可得地下水重金屬污染三維對(duì)流彌散方程的一般形式，如公式（3）所示。

在公式（3）中，?指的是重金屬污染物在地下水中分子擴(kuò)散系數(shù)；θ指的是有效孔隙度；C指的是示蹤劑的濃度；t指的是重金屬污染物在地下水中分子擴(kuò)散長(zhǎng)度；q指的是達(dá)西速度；qs指的是單位體積含水層的體積流量；Cs指的是單位儲(chǔ)水量。通過公式（3），可實(shí)現(xiàn)重金屬污染對(duì)流彌散遷移模擬。通過利用在線監(jiān)控與控制系統(tǒng)相結(jié)合，模擬地下水的遷移情況，找出地下水重金屬污染源，為地下水重金屬污染防控提供數(shù)據(jù)支持。

2 地下水重金屬污染防控技術(shù)

在明確地下水重金屬污染防控要求的基礎(chǔ)上，利用添加還原性有機(jī)物質(zhì)的生物學(xué)防控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地下水重金屬污染防控[3]。考慮到不同流域的地下水水質(zhì)也存在區(qū)別，因此應(yīng)用生物學(xué)防控技術(shù)在地下水中添加還原性有機(jī)物質(zhì)分解生成有機(jī)酸，如：胡敏酸、富里酸、氨基酸，或者糖類及含氮、硫雜環(huán)化合物等，再利用其活性基團(tuán)與重金屬元素砷、汞、鉻、銅、鉛、氟、鎘、鐵、錳以及鎳等絡(luò)合或螯合，達(dá)到影響重金屬污染物有效性的目的。

由于還原性有機(jī)物質(zhì)細(xì)胞外多聚物表面含有大量可與重金屬污染物離子發(fā)生相互作用的官能團(tuán)，可對(duì)重金屬污染物離子發(fā)生吸附或鰲合作用。研究表明，通過生物學(xué)防控技術(shù)添加還原性有機(jī)物質(zhì)的生物膜能將Co以硫化鎘的形式沉積在生物膜表層，將Co以硫化銅的形式沉淀在生物膜表層和液相界面處，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重金屬污染物的吸附作用。

除此之外，生物學(xué)防控技術(shù)還具有礦化固定作用，重金屬污染物能夠在還原性有機(jī)物質(zhì)作用下將離子態(tài)重金屬污染物轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔鄳B(tài)，對(duì)重金屬污染進(jìn)行防治。通過生物學(xué)防控技術(shù)對(duì)重金屬污染物的鈍化固定、真菌體內(nèi)有機(jī)酸根離子或無機(jī)酸根離子與重金屬形成沉淀等作用，均可使地下水中的重金屬污染物固化，有效降低了重金屬污染物對(duì)地下水的毒害。

綜上所述，使用生物學(xué)防控技術(shù)凈化地下水和檢測(cè)地下水時(shí)，基于地下水的復(fù)雜環(huán)境，可以根據(jù)地下水結(jié)構(gòu)的分層不同，向每個(gè)水層泵送或注入水，從而改變水力梯度，將水和重金屬污染物分離開，實(shí)現(xiàn)地下水重金屬污染防控。在應(yīng)用生物學(xué)防控技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)防控處理工作時(shí)，能夠在保證防控效果的同時(shí)，取得非常好的經(jīng)濟(jì)效益。

通過該技術(shù)防控地下水重金屬污染，可以減少地上的處理設(shè)備，從而在一定程度上減少對(duì)環(huán)境造成的污染。由于這項(xiàng)技術(shù)能夠取得良好的防治效果以及經(jīng)濟(jì)效益，因此具有十分廣闊的發(fā)展前景。

3 結(jié)束語

通過對(duì)地下水重金屬污染遷移模擬及防控技術(shù)的研究，為地下水污染的防治提供一條解決路徑。解決了由于地下水重金屬污染物的癥像隱蔽、分布不均、累積性強(qiáng)且長(zhǎng)期存在，以及重金屬污染物整體類型多、超標(biāo)點(diǎn)位多、復(fù)合污染等弊端的存在，使防控地下水重金屬污染的工作人員無從下手的難題。

本文不足之處在于，沒有針對(duì)除抽出處理技術(shù)以外的地下水重金屬污染防控技術(shù)進(jìn)行深入分析，相信這一點(diǎn)可以作為地下水重金屬污染防控領(lǐng)域未來研究方向。雖然現(xiàn)階段地下水重金屬污染防控仍處于不完全成熟的階段，但現(xiàn)在各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)及員工已經(jīng)認(rèn)識(shí)到地下水重金屬污染防控的必要性，那日后畢將研究出更佳經(jīng)濟(jì)適用的創(chuàng)新技術(shù)，為未來保障人民的生活質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久資源可持續(xù)發(fā)展提供重要依據(jù)。