煤矸石作路基材料对地下水硝酸盐污染的数值模拟分析

杜勇立, 黄向京, 戚芳方, 黄满红

(1.中南大学 土木学院, 长沙 410075; 2.湖南省交通规划勘察设计院, 长沙 410008;3.东华大学 环境科学与工程学院, 上海 201620)

0 概 述

采用煤矸石作为公路铁路的路基材料,不但可以解决煤矸石占地大、污染大的问题,还能节省大量的土方,从而减少工程用土对沿线田地的破坏.但是,大量应用煤矸石后,是否会对道路的沿线环境造成二次污染也是一个不容忽视的问题.煤矸石中的有害物质很可能在经过雨雪的淋洗或者地下水的浸泡后被溶出,进而对道路周边环境,例如地下水源、农田等造成直接而长远的危害,也极有可能通过食物链进入人体来直接危害道路沿线居民的身体健康[1].

地下水硝酸盐污染成为国际性问题,已在世界上多数国家造成危害[2].在美国及欧洲的一些国家里已经相当严重,对人类健康构成潜在威胁.近几十年来的监测结果显示,地下水中硝酸盐氮浓度正在逐年增高[3].美国许多地区水中硝酸盐平均每年增长0.8 mg·L-1,1895～1970年在伊利诺斯州、以阿华州、明尼苏达州等均有许多农场井水的硝酸盐含量为45～450 mg·L-1的记载[4-5].1999年欧洲22%农业地下水硝酸盐氮浓度超过10 mg·L-1[6].在德国,有50%的农用井水硝酸盐氮浓度超过了60 mg·L-1[7].1996年以来,丹麦和荷兰地下水中硝酸盐氮浓度以每年0.2～1.3 mg·L-1的速度上升[8].

2003年的国家地质调查局数据表明,全国118个大中城市中有76个城市地下水存在严重的硝酸盐污染,占总数的64%;39个城市轻度污染,占总数的33%,仅有3个城市未受污染[9].北方以地下水为主要供水水源的大城市污染更为明显,硝酸盐氮浓度超过世界卫生组织(WHO)卫生标准的面积在100～200 km2以上的城市就有4个[10].WHO和美国EPA最高污染物水平(MCL)控制标准规定,饮用水中硝酸盐浓度不得超过10 mg·L-1[11- 12],我国饮用水卫生标准(GB 5749～2006)最新规定的饮用水中硝酸盐浓度限值也为10 mg·L-1[13].可见,随着工农业的迅猛发展和城市人口的急剧膨胀,地下水硝酸盐污染在全国范围内都达到了相当严重的程度,对安全饮水和人民身体健康构成了严重威胁.

1 实验材料与方法

实验所用的煤矸石和粘土均取自于某高速公路用材,采用连续式匀速淋溶来模拟自然降雨,利用恒流泵控制加入的蒸馏水每次约为600 mL,持续加水60 min,然后停水120 min,再继续加入蒸馏水,共加水8次.用锥形瓶接收分液漏斗的溶出液,分别接8次,每次约为120 mL.接收完溶出液后,锥形瓶瓶口用保鲜膜封好,以免水样被污染.

图1 淋溶实验装置

实验分析时,采用离子色谱法测定滤液中的硝酸盐浓度.

实验装置见图1.在实验室内,将各种样品粉碎成粒径小于10 mm的颗粒.在1000 mL的筒式分液漏斗底部紧密铺两层定量滤纸,然后装入厚度约为200 mm(约1000 g)的煤矸石样品,轻轻晃动分液漏斗,使颗粒紧实无空隙,记为样品1.另取4个分液漏斗,分别按10%、20%、40%的比例加入土壤和煤矸石样品的混合物,记为样品2、3、4,按高度比为0.5∶6.0∶1.0装入10、120、20 mm的沙砾、煤矸石和土壤,记为样品5.

2 数值模拟

淋溶煤矸石路堤所产生的污染物在土壤-水环境体系中进行的扩散是一个三维流体运动,相关研究者[1,14]假设土壤为各向同性、均质的多孔介质,然后根据淋溶煤矸石所产生的污染物(即溶质)随水分迁移的规律,建立了煤矸石路堤下土壤水分运移的一维控制数学模型为:

(1)

式中:I=[0,∞),但在实际计算中常取I=[0,L](L为某一时刻或距离);z为溶质垂向运移距离,取向下为正,cm;t为时间,min;T为某一时刻,min;θ为土壤含水量,g/cm3;θm为初始含水量,g/cm3;θb为上边界含水量,g/cm3;K(θ)、D(θ)分别为非饱和土壤导水率和扩散率;i(t)为降雨强度,mm/min.

第一类初始条件:

(2)

第二类初始条件:

(3)

式中:c0为土壤中溶质的初始质量浓度(由上述淋溶实验所确定),mg/L;D为水动力弥散系数,cm;c为土壤中溶质的浓度,mg/L;v为水在z或y方向的速度,cm/s.第一类初始条件考虑浓度的z向迁移,第二类初始条件则考虑水的动力扩散和弥散[15].

本研究采用地下水模拟软件GMS对所研究区域地下水中的硝酸盐浓度进行数值模拟,从而得到煤矸石淋溶的主要污染成分硝酸盐的迁移变化规律.

GMS是Groundwater Modeling System的简写,是美国Brigham Young University的环境模型研究室和美国军队排水工程试验工作站开发的用于地下水模拟的软件包.GMS运行方式以地下水流模拟为基础,在地下水流模拟的基础上,建立一系列的水质模拟.水量模拟软件为MODFLOW(有限差分法)和FEMWATER(有限元法),水质模拟软件有MT3D和RT3D[16].

数值模拟中的占地面积、降雨量、抽水量、雨水入渗量以及水质现状指标为实际工程所在地的实际数据,污染物源强采用上述淋溶实验数据,具体计算如下:

2.1 源强计算

对于硝酸盐污染源注入的原始浓度,利用实验室模拟自然降雨动态淋溶试验确定五类煤矸石样品的累积浓度的平均值,从而计算出该研究路段10年内的降雨淋溶下的平均值(认为淋溶将持续10年左右),该值即作为污染源的原始浓度连续渗入地下水,具体计算过程如下:

该研究路段占地面积约为9.441×105m2,每年的平均降雨量约为1400 mm,所以该研究路段平均一年的降水量约为9.441×105×102×14=1.32×109L.

取淋溶实验所得硝酸盐浓度的平均值进行拟合,得到淋溶液中硝酸盐浓度与降水量(淋溶量)V的关系为C=C0e-nV=55.569e-1.0288V,对其进行积分,就可得到降水量为V时硝酸盐污染因子的释放总量为

(4)

式中:C为降水量(淋溶量)所对应的硝酸盐的浓度,mg/L;V为降水量(淋溶量),mL;C0,n为淋溶系数和指数[17].代入数据得该路段10年的硝酸盐释放总量为540 mg/L(以N计:135 mg/L).

2.2 模拟参数的确定

本文作者以湖南省安化至邵阳高速公路的涟源市伏口镇标江村至窄山路段及周围区域作为研究对象.模拟区域利用实际地形图确定范围,如图2所示,地下水水流模型边界按实际水文地质资料为定压水头边界,西北有一座井,抽水量约为100 m3/d.

图2 模拟区域地形图

表1 模拟参数(水文地质资料)

数值模拟参数主要使用当地提供的水文地质资料,而硝酸盐的污染源注入初始浓度采用实验结果,计算出样品在10年的降雨量淋溶下的硝酸盐释放总量为135×10-6,将该值作为污染源的初始浓度值连续地渗入地下水系统.其他模拟参数,如表1所示.

2.3 地下水流动的主要模拟结果

由于地下水的流量是由水头梯度决定的,故由已知水头分布的水头模型即可算得地下水的流量.这种模型可用来计算地下水的水头在时间、空间上的变化,为地下水资源的准确评价和合理开发、抽水引起的地面沉降的预测、地下水污染的预测和控制,为查明放射性废物在地下储存的可能性、肥料在土壤中的运移等提供依据.

根据当地有关部门提供的实际水文地质资料模拟地下水的流动情况,其主要模拟结果见图3.

从图3中可以看出,研究路段的地下水水头横向变化不明显,纵向变化显著,自北向南逐渐减小.

图3 模拟地下水流动等水头线分布图

2.4 淋溶液污染组分硝酸盐运移规律数值模拟

在模拟地下水流动的基础上,本文作者对煤矸石样品淋溶液中主要污染成分硝酸盐在地下水系统中的浓度分布规律进行了数值模拟.

研究结果如图4所示.由图4分析得出:

(1) 随着时间的推移,受污染面积不断向横纵两轴扩大,且横向更为显著,污染范围逐渐呈椭圆形,另外,地下水流的下游方向比上游方向的受污染范围更大.

(2) 地下水的受污染程度与其距污染源的距离有关,距离污染源越远,污染物的浓度越低.

(3) 同一位置处污染物的浓度随着时间的持续不断增大,最后趋于稳定.

(4) 随着时间的推移,污染物扩散迁移的速率越来越小,煤矸石所产生的硝酸盐污染在地下水环境中的扩散迁移缓慢.10年后,该研究路段的硝酸盐污染程度(以N计)处于5～20 mg/L,达到地下水环境质量标准(GB/T14848-93)Ⅲ类标准,而在地下水下游区域硝酸盐浓度(以N计)处于2 mg/L到5 mg/L,达到地下水环境质量标准(GB/T14848-93)Ⅱ类标准,在地下水上游区域硝酸盐浓度(以N计)处于2 mg/L以下,达到地下水环境质量标准(GB/T14848-93)Ⅰ类标准.

另外,在研究路段及周边区域选取B(506,349)、C(511,289)、D(669,316)、A(385,318)4个预测点考察研究路段南北方向与地下水上下游方向的污染情况,如图5所示,由GMS软件模拟得出1、5以及10年后该预测点处的硝酸盐浓度,见表2.实际测定该研究路段地下水水质现状见表3.

图4 1、5、10年硝酸盐污染晕二维浓度场等值线分布图

图5 预测点选取

表2 1、5以及10年后各预测点处的硝酸盐浓度(以N计,mg/L)

表3 该研究路段地下水水质现状

3 结 论

采用模拟自然降水的淋溶实验,获得硝酸盐污染物的初始浓度,将其定义为研究路段的污染物初始浓度,然后利用GMS软件进行数值模拟,对所研究区域地下水系统中的煤矸石淋溶液中硝酸盐浓度进行了数值模拟.结果表明:随着时间的推移,受污染面积不断向横纵两轴扩大,且横向更为显著,污染范围逐渐呈椭圆形,另外,地下水流的下游方向比上游方向的受污染范围更大;地下水的受污染程度与其距污染源的距离有关,距离污染源越远,污染物的浓度越低;同一位置处污染物的浓度随着时间的持续不断增大,最后趋于稳定;随着时间的推移,污染物扩散迁移的速率越来越小,煤矸石所产生的硝酸盐污染在地下水环境中的扩散迁移缓慢.10年后,该研究路段的硝酸盐(以N计)处于5～20 mg/L,达到地下水环境质量标准(GB/T14848-93)Ⅲ类标准,而在地下水下游区域硝酸盐浓度(以N计)处于2～5 mg/L,达到地下水环境质量标准(GB/T14848-93)Ⅱ类标准,在地下水上游区域硝酸盐浓度(以N计)处于2 mg/L以下,达到地下水环境质量标准(GB/T14848-93)Ⅰ类标准.

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