臺(tái)州市某醫(yī)化園區(qū)土壤地下水污染預(yù)測(cè)預(yù)警模型研究

徐博宇，沈 毅，潘建飛，駱定輝，方 鋮

（1.臺(tái)州市污染防治工程技術(shù)中心，浙江 臺(tái)州 318000；2.浙江省環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 310000；3.南方科技大學(xué)臺(tái)州研究院，浙江 臺(tái)州 318000；4.浙江省臺(tái)州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，浙江 臺(tái)州 318000）

1 背景

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，污染源的種類(lèi)日益增多，特別是化工區(qū)、工業(yè)集中區(qū)及周邊環(huán)境，污染方式及生態(tài)破壞類(lèi)型日趨復(fù)雜，環(huán)境污染負(fù)荷逐漸增加，環(huán)境污染事故時(shí)有發(fā)生。同時(shí)，隨著公眾環(huán)境意識(shí)逐漸增強(qiáng)，各類(lèi)環(huán)境污染投訴糾紛日益頻繁，因此對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的種類(lèi)、要求越來(lái)越高。目前臺(tái)州市椒江醫(yī)化園區(qū)存在著潛在的土壤環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，因此，研究土壤環(huán)境的監(jiān)測(cè)管理與污染防治技術(shù)體系，開(kāi)發(fā)用于工業(yè)園區(qū)土壤污染監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)預(yù)警的數(shù)字化系統(tǒng)，可強(qiáng)化土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控能力，推進(jìn)園區(qū)土壤污染防治的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。建立健全覆蓋污染源和環(huán)境質(zhì)量的園區(qū)土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系，可提升園區(qū)土壤環(huán)境管控水平，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的數(shù)字治理、精準(zhǔn)治理和智能治理。

2 醫(yī)化園區(qū)現(xiàn)狀

2.1 園區(qū)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀

臺(tái)州市某醫(yī)化工業(yè)區(qū)目前在產(chǎn)企業(yè)共31家，主要涉及化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)、染料制造、棉紡織及印染精加工?，F(xiàn)有17家被列為2020年重點(diǎn)排污單位，其中水環(huán)境重點(diǎn)排污單位16家，土壤環(huán)境重點(diǎn)監(jiān)管單位10家。

2.2 園區(qū)地下土壤現(xiàn)狀

臺(tái)州市某醫(yī)化工業(yè)區(qū)內(nèi)分布第四系素填土孔隙潛水含水層、全新統(tǒng)沖海積孔隙潛水含水層組和第四系上更新統(tǒng)沖積孔隙含水層組，屬于中等透水性、滲透性均較好，防污性能較差。園區(qū)內(nèi)地下水開(kāi)采量很小，地表水與地下水存在一定的水力聯(lián)系，主要表現(xiàn)為潛水測(cè)滲補(bǔ)給地表水，但總體上交換的水量不大。

根據(jù)《區(qū)綠色藥都小鎮(zhèn)概念規(guī)劃環(huán)境影響報(bào)告書(shū)（報(bào)批稿）》中的監(jiān)測(cè)結(jié)果，潮水對(duì)遠(yuǎn)離椒江的孔隙潛水含水層的影響極小，在緊臨椒江大堤的監(jiān)測(cè)井的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，潮位漲落高差達(dá)4 m左右，潛水位變化為20～40 mm。其余監(jiān)測(cè)井離椒江邊有一定距離，在量測(cè)的精度范圍內(nèi)幾乎無(wú)反應(yīng)，最大的潛水位變化＜20 mm。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在臨近區(qū)內(nèi)河岸地下潛水，潛水位與地表水基本一致。人為控制河道通往椒江的閘門(mén)調(diào)控內(nèi)河水位可以影響河道附近的地下潛水位，從而影響地下水的補(bǔ)徑排條件。

2.3 園區(qū)地下水污染物現(xiàn)狀

通過(guò)分析園區(qū)各企業(yè)2019年土壤自行監(jiān)測(cè)報(bào)告，依據(jù)《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB36600-2018）第二類(lèi)用地標(biāo)準(zhǔn)，在37個(gè)土壤采樣點(diǎn)中，土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)pH值、鎘、汞、砷、鉛、銅、鎳、六價(jià)鉻、VOCs、SVOC等檢測(cè)項(xiàng)目均未出現(xiàn)超標(biāo)情況，特征指標(biāo)1，2-二氯乙烷、三氯甲烷、二氯甲烷、氯苯、苯、甲苯、氯乙烯等出現(xiàn)超標(biāo)情況。

醫(yī)化園區(qū)各企業(yè)污染物種類(lèi)繁多，除了常規(guī)污染物指標(biāo)COD、氨氮、總磷、總氮外，還有其他潛在污染物近90余種/類(lèi)，包括有機(jī)物、重金屬等；園區(qū)內(nèi)各企業(yè)的主要潛在污染物相似，大多為甲苯、苯胺、乙酸乙酯、乙酸、丙酮、甲醇、二氯甲烷等有機(jī)物，以上有機(jī)物可以表征在COD、總氮、總磷、氨氮等在線(xiàn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)中[1]。

通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤（地下水）環(huán)境變化情況，反映是否有污染物進(jìn)入土壤、地下水環(huán)境之中。為確定各指標(biāo)的初始（背景）值，2020年8月通過(guò)委托第三方專(zhuān)業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)園區(qū)內(nèi)的23個(gè)地下水監(jiān)測(cè)井進(jìn)行采樣，監(jiān)測(cè)因子包括pH值、電導(dǎo)率、濁度、溶解氧、氧化還原電位、COD、氨氮、總磷、總氮等。根據(jù)園區(qū)23個(gè)地下水監(jiān)測(cè)井的常規(guī)指標(biāo)（水位、水溫、pH值、電導(dǎo)率、濁度、ORP）和污染物指標(biāo)（COD、氨氮、TN、TP）的檢測(cè)結(jié)果，園區(qū)的COD、氨氮、總磷、總氮污染嚴(yán)重，大部分點(diǎn)位遠(yuǎn)超過(guò)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017）V類(lèi)和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）V類(lèi)限值，甚至遠(yuǎn)超過(guò)《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 31962-2015）B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3 地下水污染預(yù)測(cè)預(yù)警模型

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

臺(tái)州市椒江區(qū)醫(yī)化工業(yè)區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)主要依據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合水文地質(zhì)條件、企業(yè)分布、企業(yè)內(nèi)部的重點(diǎn)設(shè)施及重點(diǎn)區(qū)域分布、平面與垂向布設(shè)原則布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。為了實(shí)現(xiàn)園區(qū)企業(yè)土壤污染（地下水）在線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)預(yù)警，結(jié)合《2020年臺(tái)州市重點(diǎn)排污單位名錄》，確定17家企業(yè)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。依據(jù)布設(shè)原則，布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位22個(gè)，其中，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位8個(gè)（2個(gè)重點(diǎn)站、6個(gè)微站），人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)位14個(gè)（包含背景值監(jiān)測(cè)點(diǎn)位2個(gè)，水文地質(zhì)調(diào)查點(diǎn)2個(gè)）。

研究目的在于監(jiān)測(cè)園區(qū)企業(yè)對(duì)地下水的污染程度及動(dòng)態(tài)變化，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)深度不考慮承壓含水層，只考慮潛水含水層，監(jiān)測(cè)井深度根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查情況確定，深度大于等于已知最大地下水埋深以下2 m。

3.2 地下水自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

土壤（地下水）污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以在線(xiàn)自動(dòng)分析儀器為核心，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)的專(zhuān)用系統(tǒng)管理分析軟件和通信網(wǎng)絡(luò)所組成的一個(gè)綜合性在線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器、中央控制單元、監(jiān)測(cè)站儀表箱、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、土壤（地下水）監(jiān)測(cè)井等5部分組成[2]。

監(jiān)測(cè)參數(shù)包括：物理參數(shù)（水位、水溫等），主要水質(zhì)參數(shù)包括pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、ORP、COD、氨氮和TP，除水位外的其他所有監(jiān)測(cè)指標(biāo)設(shè)備均要求一體化集成到一臺(tái)設(shè)備，需配備空調(diào)設(shè)備，能夠適用于當(dāng)?shù)厝晏鞖鈼l件下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水樣自動(dòng)監(jiān)測(cè)的控制與各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸。以小型儀表箱為中央控制器、在線(xiàn)儀器監(jiān)測(cè)設(shè)備、通訊模塊提供安全的運(yùn)行環(huán)境。通過(guò)土壤（地下水）監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)地下水質(zhì)變化情況。

3.3 模型建設(shè)

臺(tái)州市椒江區(qū)醫(yī)化工業(yè)區(qū)土壤污染（地下水）在線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)以Modflow與MT3DMS專(zhuān)業(yè)軟件作為計(jì)算引擎。為了能夠展現(xiàn)對(duì)工業(yè)區(qū)地下水流及污染物在飽和帶中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及不同時(shí)間、不同地點(diǎn)處的溶質(zhì)分布規(guī)律，預(yù)測(cè)污染物在地下水系統(tǒng)中的變化趨勢(shì)，在對(duì)工業(yè)區(qū)開(kāi)展水文地質(zhì)進(jìn)行充分調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)工業(yè)區(qū)的水文地質(zhì)條件進(jìn)行合理概化，利用GMS軟件建立飽和帶的水文地質(zhì)概念模型，并利用其中的Modflow以及MT3DMS計(jì)算模塊分別構(gòu)建地下水流數(shù)學(xué)模型及溶質(zhì)運(yùn)移模型，并進(jìn)行求解，為在線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)提供合理、精確的計(jì)算引擎。

3.3.1 地下水流模擬

（1）數(shù)學(xué)模型

根據(jù)以上分析，數(shù)學(xué)模型定為第一類(lèi)邊界條件和第二類(lèi)邊界條件（零流量）控制的均質(zhì)各向異性三維穩(wěn)定流模型，數(shù)學(xué)模型具體如下：

（2）數(shù)值模型構(gòu)建

①空間劃分

水平上，模型的東西長(zhǎng)度為6 412m，南北長(zhǎng)度為3 285 m，剖分網(wǎng)格大小為10 m×10 m，共剖分為642列，329行；縱向上，含水層概化為一層，頂面為DEM插值高程，海拔-10 m處作為隔水底面。

②邊界條件

三條河、七條河、八條河、九條河、椒江、水田等一類(lèi)邊界水頭按實(shí)測(cè)值數(shù)據(jù)賦值，小白云山山前邊界和模型西南部分邊界按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與側(cè)向補(bǔ)給量、排泄量公式計(jì)算賦值，流量邊界及計(jì)算公式、結(jié)果如下所示：

模型側(cè)向補(bǔ)給量計(jì)算公式：

Q側(cè)=K·M·B·I·t

M—含水層厚度；

B—含水層寬度；

I—邊界水力梯度；

t—側(cè)向流量計(jì)算時(shí)間

③源匯項(xiàng)

當(dāng)?shù)啬昃涤昙s為1 649.6 mm，當(dāng)?shù)氐叵滤裆疃嘣?～1.5 m之間，根據(jù)水文地質(zhì)手冊(cè)經(jīng)驗(yàn)值，亞粘土、亞砂土降水入滲系數(shù)在0.15～0.3之間，埋深1～2 m時(shí)亞粘土、亞砂土的降水入滲系數(shù)在0.14～0.26之間，綜合分析區(qū)域特征、氣候條件和潛水埋深等影響因素后取0.225，折合計(jì)算后模型入滲量設(shè)定為0.000 452 m/d。

亞粘土、亞砂土在1～1.5 m潛水埋深條件下的潛水蒸發(fā)系數(shù)為0.147～0.298，綜合分析區(qū)域特征、氣候條件和潛水埋深等影響因素后取0.225，由于工業(yè)區(qū)大量修建廠房，有效入滲區(qū)面積較小，調(diào)查后發(fā)現(xiàn)弱透水區(qū)域廠房與透水區(qū)的面積比例按9：1設(shè)置比較合適，即綜合當(dāng)?shù)貧鉁?、濕度、潛水埋深、植被條件等信息，潛水蒸散量統(tǒng)一設(shè)置為0.000 1 m/d，蒸發(fā)極限埋深設(shè)置為4 m。

3.3.2 溶質(zhì)運(yùn)移模擬

（1）數(shù)學(xué)模型

本模型的溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型擬設(shè)為第二類(lèi)邊界條件的均質(zhì)各向異性三維瞬態(tài)溶質(zhì)運(yùn)移模型，數(shù)學(xué)模型具體如下：

（2）數(shù)值模型

根據(jù)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)，COD、氨氮、總磷、總氮的初始濃度場(chǎng)由23個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度插值生成。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)臺(tái)州市土壤（地下水）污染在線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研究及實(shí)施，強(qiáng)化了臺(tái)州市環(huán)境管理部門(mén)對(duì)于臺(tái)州市土壤（地下水）環(huán)境的監(jiān)測(cè)監(jiān)控能力，對(duì)加快推進(jìn)臺(tái)州市土壤（地下水）污染防治數(shù)字化轉(zhuǎn)型，建立健全覆蓋污染源和環(huán)境質(zhì)量的園區(qū)土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系，提升園區(qū)土壤環(huán)境管控水平，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)數(shù)字治理、精準(zhǔn)治理、智能治理具有重大意義。