呼市某污水廠尾水排放對地下水的污染預測及預防措施研究

孫 紅，王文志，張國飛，閆 麗，陳 利，辛 欣

(1.內蒙古自治區(qū)城鎮(zhèn)供排水監(jiān)測中心，內蒙古 呼和浩特 010020；2.吉林大學新能源與環(huán)境學院，吉林 長春 130012)

水在城市中穿梭和流動，對于維持人類社會的生態(tài)功能和安全穩(wěn)定具有重要作用。在城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速發(fā)展中，存在很嚴重的地下水污染問題。淺層地下水的污染問題尤為突出，作為淡水資源的重要組成部分，如何合理地開發(fā)、利用、管理和保護地下水資源，以支持經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，已成為亟待解決的時代問題之一[1]。地下水雖是可再生資源，但由于不合理的開采、利用及污染，已嚴重影響了人們的日常生產生活質量，精準的研究污染物在水中的分布狀況及污染的發(fā)展趨勢，對污水處理廠排放質控、地下水污染的防控治理等方面都能提供可靠的依據(jù)。

以呼市某污水廠的尾水排放為例，對地下水可能會造成的污染范圍進行分析。根據(jù)污水處理廠尾水排放的實地調查情況，結合排放區(qū)地下水的形成、分布、埋藏條件、循環(huán)、富水性等水文地質條件，以污染物硫酸鹽作為影響因子，對地下水可能造成污染的范圍進行分析研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為大黑河沖湖積平原，含水層厚度小，單位涌水量小于500m3/(d·m)，水力坡度一般在1～3‰[2]。根據(jù)勘查資料測得，地下水賦存于粉土、粉細砂、粉質粘土中，地下水位埋深2.0～5.5m，地下水位標高1027.0～1038.0m。研究區(qū)地下水總體化學類型屬于HCO3-Ca·Mg型水，pH值在7.44～7.54之間，不含侵蝕性CO2，水質一般[2]。本次模擬范圍水平方向上共24km2，沿河長4.5km，監(jiān)測水位、水質的監(jiān)測孔21眼。污水處理廠尾水排放主要對潛水含水層產生影響，而對承壓含水層的影響很小，因此，本次模擬計算的目的層為第四系松散巖類孔隙潛水含水層。

2 邊界條件的概化

模型主要模擬污水廠的尾水排放到河流之后，污染河流對沿岸地下水的影響。研究區(qū)的上部邊界為潛水面，是水量交換邊界，有河水入滲、大氣降水入滲、側向徑流等，故溶質邊界概化為已知通量邊界。計算模擬區(qū)的下部邊界為潛水含水層隔水底板，由滲透差的粉質粘土及粉土組成，概化為隔水邊界。下邊界概化為零通量邊界。研究區(qū)的東部有側向補給，西側及南側有側向排泄，概化為已知流量邊界；研究區(qū)的北側為流線，概化為隔水邊界。

研究區(qū)地下水系統(tǒng)的輸入輸出受不同時空范圍內降雨、蒸發(fā)、開采等因素的影響，因此地下水流表現(xiàn)出非穩(wěn)定流的特性。由于含水層參數(shù)隨著空間變化很小，參數(shù)概化為均質，含水層內部結構為非均質各向同性的潛水含水層，區(qū)內滲流基本符合達西定律，水流形式概化為平面二維流。

3 水文地質參數(shù)的確定

研究區(qū)目標含水層主要的參數(shù)包括兩類：一類是含水層的水文地質參數(shù)：包括給水度、滲透系數(shù)；另一類是用于計算地下水補排量的參數(shù)：大氣降水入滲補給系數(shù)。見表1。

表1 水文地質參數(shù)

4 地下水流數(shù)值模擬模型的建立

根據(jù)研究區(qū)水文地質概念模型，地下水在二維勻質各向同性孔隙介質中的潛水運動可用下面的偏微分方程來描述。

(x，y)∈Ω，t≥0

H(x，y，t)|t=0=H0(x，y)

(x，y)∈Ω，t=0

(x，y)∈Γ2，t>0

(1)

4.1 模擬軟件選用

本次計算采用三維地下水數(shù)值模擬系統(tǒng)GMS7.1，是基于概念模型的最先進地下水環(huán)境模擬軟件。軟件包含眾多子模塊，各程序包既可以獨立使用又可以聯(lián)合求解。

4.2 預測模型概化

4.2.1網(wǎng)格剖分

水平方向以50m×50m為一個單元格進行剖分，每層分為88行，132列，其中活動單元格為9801個。

4.2.2源匯項的確定

潛水含水層補給來源包括大氣降水入滲、河流入滲及側向補給，排泄項包括蒸發(fā)排泄及側向徑流排泄。降水入滲補給量采用多年平均降水入滲補給量進行計算。河流中污染物的濃度根據(jù)現(xiàn)狀條件下監(jiān)測孔濃度的平均值以定濃度給出。潛水蒸發(fā)強度采用《地下水資源調查和評價工作技術細則》中推薦的阿維里揚諾夫公式進行計算，現(xiàn)場調查研究區(qū)無機井、民井開采。研究區(qū)內地下水側向邊界補、排量可根據(jù)達西公式來進行計算。河流入滲補給強度、人工開采量、灌溉回滲量可忽略不計。

5 溶質運移模型

5.1 溶質運移的水動力彌散方程的數(shù)學模型如下：

式中，Ω—評價模擬區(qū)；c—污染物濃度，mg/l；c0—初始時刻模擬區(qū)污染物濃度分布，mg/l；D—水動力彌散系數(shù)，m2/d；u—地下水實際流速，m/d；I—源匯項，即單位時間進入單位面積含水層的溶質質量，mg/m2·d；g1(x，y，t)—流量邊界上的質量通量，mg/(m·d)；Γ3—已知質量通量邊界。

5.2 彌散度的確定

本次研究工作參考前人的研究成果，此次計算區(qū)范圍為1000～10000m范圍，根據(jù)下圖1，對應的縱向彌散度應介于50～100之間，從保守角度考慮，本次模擬取縱向彌散度參數(shù)為80m2/d。水平橫向彌散度為8m2/d。本次模擬計算的初值取水平橫向彌散度與縱向彌散度的比值為0.5，給水度為0.2。

圖1 縱向彌散度與觀測尺度間的關系(引自Gellar等(1992))

5.3 模型參數(shù)識別與驗證

以氯離子作為對流彌散參數(shù)識別過程的模擬因子。根據(jù)監(jiān)測點實測濃度與模擬模型計算濃度的擬合結果可以看出，計算濃度與實測濃度擬合較好，驗證時段選其相應處理與識別時段相同，模型輸入時按驗證時段計算后輸入。由驗證時段監(jiān)測點的實測濃度與模型計算濃度的擬合圖3可見實測濃度與計算濃度在驗證時段也達到了較好的擬合程度。

通過反復擬合，最終識別了水文地質條件，確定了模型結構。識別末期模型的模擬水位計實測水位擬合結果如圖2所示。可以看到本次模擬建立的地下水模型基本符合研究區(qū)水文地質條件，反映了地下水系統(tǒng)的流場特性，故對研究區(qū)的地下水環(huán)境影響進行預測評價是合理可信的[3]。

圖2 驗證末期氯離子濃度擬合圖

圖3 完整水文年模擬流場與實際流場對比圖

5.4 模擬結果分析

本次以2019年10月12日作預測的初始時刻，預測未來1、5、10年研究區(qū)硫酸鹽的濃度分布情況如圖4所示，分析某污水處理廠尾水排放對區(qū)域地下水的影響。由于河水及地下水流向均為東北向西南流，所以在處理廠的下游方向擴展范圍較大，上游方向擴展范圍較小。在現(xiàn)狀條件下根據(jù)GB/T 14848—2017《地下水質量標準》，研究區(qū)內硫酸鹽為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類及Ⅳ類水。

未來排放區(qū)域污染物濃度受污水處理廠污水排放及化工排污口排水的影響，1年后硫酸鹽濃度出現(xiàn)Ⅴ類水，分布范圍沿河線狀分布，濃度最大值為362.91mg/L。到第5年硫酸鹽最大濃度為694.13mg/L，第10年硫酸鹽最大濃度為1404.67mg/L。污水處理廠尾水排放對研究區(qū)的影響范圍從污水處理廠排污口向下游，沿河線狀分布，10年內沿河流側向影響距離不超過0.5km，向下游沿河影響距離不超過4km。

6 污染防治措施

排放區(qū)應提高地下水污染防治對策的有效性，做好以下工作：研究區(qū)河段主要污染源按類型分為農業(yè)污水、城市生活污水和工業(yè)生產排放的廢水，針對硫酸鹽的污染物超標，主要以工業(yè)生產排放的廢水為主，因此化工類企業(yè)應從生產源頭上，減少硫酸鹽的新增使用量，提高產出廢水的重復利用率，從而降低污水廠硫酸鹽的輸入量，進而減少污水廠尾水中污染物的含量；化工類企業(yè)可以引進膜分離法，去除工業(yè)廢水中的硫酸根，從而減少硫酸鹽的排放；排污口附近為污染物濃度最高區(qū)域，同時距周邊村鎮(zhèn)距離較近，是重點污染防治區(qū)域，應在此區(qū)域進行防滲設計；積極開展地下水環(huán)境狀況調查，結合場地地下水污染物流場，充分利用現(xiàn)有監(jiān)測水質、水位孔，不定期進行地下水水質監(jiān)測。

7 結語

污水廠尾水排放對淺層地下水的污染非常直觀，但污染程度、污染物擴散面積等很難精準掌握。本文基于GMS建立了研究區(qū)地下水數(shù)值模型，在識別驗證后的模型基礎上，以硫酸鹽為影響因子，進行了溶質運移模擬、污染預測及污染防治，可以發(fā)現(xiàn)污染物在研究區(qū)內的運移擴散規(guī)律。必須指出的是，模擬技術可以在宏觀上給出污染物在一定時間段內的污染程度及擴散范圍，作為理論參考值。但模型的最初建立是人為的設定參數(shù)值進行演示，因此應建立地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡，實時掌握淺層地下水的水質、水位、水量的變化情況，修正已建立的模型參數(shù)，提高對地下水污染防治的有效性。

圖4 污水滲漏硫酸鹽污染暈分布圖