垂直阻隔墻對山體污染物遷移規(guī)律影響研究

華俊杰，許煜成，吳 昊，高林紅

（1.鎮(zhèn)江市規(guī)劃勘測設(shè)計集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212111；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

改革開放以來，我國城市工業(yè)化不斷加快與更迭，工業(yè)企業(yè)搬遷后，遺留污染場地中的重金屬和其他有毒物質(zhì)滲濾到地下水和土壤中，造成飲食安全等問題，越來越危害人們生命健康，如常州“毒地”造成該地大部分地下水被污染，也造成數(shù)百名學(xué)生身體異常[1-3]。我國城市土地面臨巨大的污染壓力，城市工業(yè)污染場地有近百萬個，多分布在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和老工業(yè)基地[4-5]，尤其是人口密集地區(qū)的遺留工業(yè)場地，將是未來我國城市必須解決的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境問題[6-7]。

HYDRUS 是由捷克開發(fā)的一款用于模擬水、熱和多種溶質(zhì)在可變飽和多孔介質(zhì)中的二維和三維運(yùn)動模擬的軟件。它具有邊坡穩(wěn)定性分析模塊、滲流分析模塊、人工濕地模塊、地球化學(xué)模塊、膠體促進(jìn)運(yùn)輸模塊等多個模塊，在水利、環(huán)境學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8-9]。

本文應(yīng)用HYDRUS-2D 數(shù)值分析軟件，建立二維滲流污染物遷移模型，對防滲墻的防滲和截污效果進(jìn)行分析。結(jié)合地勘報告中該地區(qū)各個土層的參數(shù)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，確定各個土層和防滲墻的幾何尺寸、滲透系數(shù)、彌散度、擴(kuò)散系數(shù)、線性吸附系數(shù)等計算參數(shù)，建立二維污染物遷移模型，模擬防滲墻存在狀態(tài)下污染物濃度隨時間和空間的變化關(guān)系，驗證防滲墻對污染物的阻隔效果。

1 項目概況

某化工廠所在場地屬于山地、丘陵地區(qū)，地形南高北低，高程為3~266m。西南部為某山脈地區(qū)，高程為10~266m，西北部圩區(qū)水塘密布，地勢比較平坦，地面高程為6~8m；東部為丘陵地區(qū)，高程3~65m，東北部為沿江沖積平原。

場地土層從上往下依次為雜填土、強(qiáng)分化安山巖、中分化安山巖和石灰?guī)r。雜填土組成成分較為復(fù)雜，以一般粘性土及風(fēng)化砂狀物為主，局部含有建筑垃圾、礦渣等，局部呈淤泥狀，土質(zhì)不均勻，堆填時間5~10 年。場地內(nèi)分布有強(qiáng)風(fēng)化安山巖，其中上部強(qiáng)風(fēng)化層一般為碎屑狀，底部一般為碎塊狀；該兩層均有風(fēng)化不均勻現(xiàn)象，局部夾有較多強(qiáng)度較高巖塊。

經(jīng)過調(diào)查，地下水中砷、鎳、鐵、鉈、鎘、等多種重金屬存在超標(biāo)，高錳酸鹽指數(shù)、硫酸根、氨氮及氟化物均存在不同的超標(biāo)情況，其中硫酸根超標(biāo)范圍最廣。為了解決場地污染物對外遷移造成的環(huán)境污染問題，在化工廠場地四周場地布設(shè)防污帷幕（深度為18m），且保證帷幕進(jìn)入中風(fēng)化巖層中不少于1.0m，從而切斷污染物向外的遷移途徑，以保證周邊的環(huán)境安全。

2 場地污染物遷移模擬計算

2.1 主要污染物

提供的地下水污染物濃度檢測結(jié)果如表1 所示。

由表1 可知，其中的硫酸根離子的最大值為16600mg/L，嚴(yán)重超過《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)中的目標(biāo)值，故選取硫酸根離子作為主要的污染物進(jìn)行研究。

表1 本場地地下水污染物濃度和治理目標(biāo)值

2.2 計算模型

本文以地質(zhì)勘測報告中J8 孔作為參考截面，建立該場地污染物運(yùn)移的有限元數(shù)值分析模型，通過利用數(shù)值模型預(yù)測硫酸根離子和鐵離子在場地地層中的長期運(yùn)移發(fā)展趨勢，進(jìn)而分析不同地質(zhì)條件對垂直防污隔離屏障防污效果的影響。圖1 為有限元計算模型。

圖1 有限元計算模型

2.3 滲流初始條件和邊界條件

本次模擬條件考慮的是污染場地內(nèi)側(cè)水位較高，水位較低這種最不利工況。屏障內(nèi)部存在高水位，屏障外部存在低水位。通過地勘報告，得到屏障內(nèi)部場地水位在地下-6m 處，屏障外部場地水位在地下-1m 處。模型左右兩側(cè)邊界水頭設(shè)置沿深度線性分布。

初始條件如下。

邊界條件如下。

2.4 污染物運(yùn)移初始條件和邊界條件

根據(jù)初步設(shè)計測定污染場地內(nèi)硫酸根離子的濃度最大值可達(dá)到16600mg/L，將該濃度定為場區(qū)初始濃度。溶質(zhì)運(yùn)移邊界設(shè)置為定濃度邊界。

初始條件如下。

邊界條件如下。

2.5 計算參數(shù)

水土特征曲線參數(shù)。VG 模式是常用的水土特征曲線，有著大量的實驗數(shù)據(jù)。故本文選取該模型。本文將雜填土、強(qiáng)風(fēng)化安山巖、中分化安山巖和防滲墻等效為土壤。在參考《填埋場和污染場地防污屏障設(shè)計與施工》[10]的基礎(chǔ)上，確定了雜填土、強(qiáng)風(fēng)化安山巖、中分化安山巖和防滲墻的VG 模型參數(shù)，如表2 所示。

表2 常用土體VG 模型參數(shù)

3 場地污染物遷移模擬結(jié)果分析

3.1 污染物遷移結(jié)果分析

圖2 為硫酸根離子在不同時間下的遷移情況。由圖2a 可知，在經(jīng)過20 年的水流作用，硫酸根離子不斷地向風(fēng)化巖層和防污屏障遷移。雖然污染物逐漸進(jìn)入地層，但是由于防污屏障打入巖層深度較深，故而污染物并未遷移至防污屏障外側(cè)。同時，場地上方污染物在水流的作用下，逐步遷移至屏障的內(nèi)側(cè)，并在防污屏障內(nèi)側(cè)的底部形成聚集，導(dǎo)致局部污染物的濃度升高。

通過圖2b 可以觀察到，在100 年后，污染物在水流的作用下，硫酸根離子逐漸向外遷移。第一，硫酸根離子在水流作用下，逐漸進(jìn)入雜填土底部的巖層。由于下部巖層的滲透性低，污染物進(jìn)入巖層的速度很慢。第二，硫酸根離子逐漸從防污屏障內(nèi)側(cè)向外側(cè)遷移。隨著時間的推移，污染物逐漸向外遷移，到達(dá)100 年后，有少量污染物穿過防污屏障。

圖2 硫酸根離子在不同時間的遷移情況

3.2 觀測點(diǎn)結(jié)果分析

為了進(jìn)一步對防污屏障的防污效果進(jìn)行評價，本文在防污屏障的外側(cè)從上往下，設(shè)置19 個觀測點(diǎn)，垂直間距為1m。通過觀察觀測點(diǎn)在不同時刻，污染物的流出情況來評判防污屏障的使用效果。

通過有限元計算，得到19 個觀測點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，如圖3 所示。

由圖3 可以看出，從0~18m 的過程中，污染物遷移速度先變快，后變慢。其中7m 和9m 深度處是污染物速度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)和上文中的污染物遷移情況相一致。

圖3 第0m 到第18m 的硫酸根離子濃度

為了評價防污屏障的防污效果，此處選取污染物遷移速度最快的1 個觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)（9m 處），對污染物擊穿屏障的時間進(jìn)行計算。

滲瀝液擊穿防污屏障是指滲瀝液經(jīng)過長時間滲透遷移彌散吸附等一系列過程，穿越了防污屏障導(dǎo)致防污屏障失效的現(xiàn)象。這里所說的失效是指防污屏障保護(hù)環(huán)境安全的效能喪失，就是滲瀝液對環(huán)境產(chǎn)生危害的時間節(jié)點(diǎn)。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對于擊穿的概念出現(xiàn)了不同的定義：①以初始濃度的10%作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)。②以《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的致污濃度作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)。其中，以《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的致污濃度作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)更為合理。

以《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的致污濃度作為擊穿標(biāo)準(zhǔn)。查閱相關(guān)規(guī)范，硫酸根離子的致污濃度為350mg/L。由上圖可知，擊穿時間為11200d（30.68 年）。

3.3 結(jié)論

（1）防滲墻存在對硫酸根離子的遷移起到了一定的抑制作用。在第0 年到第20 年的時間內(nèi)，硫酸根離子在水流的作用下，不斷地向風(fēng)化巖層和防污屏障遷移，但并未遷移至防污屏障外側(cè)；在第20 年到第100年的時間里，污染物逐漸進(jìn)入防污屏障，并有少量污染物穿過屏障。

（2）以350mg/L 作為硫酸根離子的致污濃度，擊穿時間為11200d（30.68 年）。