考虑土壤吸附作用的地下水污染物运移特征研究

郑玉虎，吴明洲，徐爱兰，杨道军

(1.南京大学环境规划设计研究院有限公司，江苏 南京 210093；2.南通市环境监测中心站，江苏 南通 226000)



考虑土壤吸附作用的地下水污染物运移特征研究

郑玉虎1，吴明洲1，徐爱兰2，杨道军1

(1.南京大学环境规划设计研究院有限公司，江苏 南京 210093；2.南通市环境监测中心站，江苏 南通 226000)

地下水是水资源的重要组成部分，若被污染，则再难于恢复到原来的状态，探讨分析地下水污染物运移特征对于保护地下水资源具有重要意义。本文以南通某沿海经济开发区为例，对研究区内的地下水和包气带进行监测，并运用地下水数值模拟软件GMS，对研究区典型污染物运移特征进行模拟预测，探讨分析土壤吸附作用对污染物运移的影响。结果表明，污染物迁移距离和运移面积与污染物源强呈正相关关系，考虑吸附作用时，COD和氨氮污染物中心点浓度分别降低29.9%和29.8%，最大迁移距离分别降低20.4%和24.9%，超标面积分别降低32.4%和29.2%，吸附作用对污染物具有显著的削减作用。

地下水监测；吸附作用；溶质运移；地下水污染防治

地下水是水资源的重要组成部分，据统计，我国水资源总量约为27 940亿 m3，其中1/3为地下水[1]。随着人口的增长，经济的发展以及城市化进程的加快，地下水污染问题日趋严重。由于地下水的隐蔽性、不可逆性以及构成因素的多样性和系统的复杂性，其一旦被污染，则再难于恢复到原来的状态[2～4]。本文以南通某沿海经济开发区为例，对研究区内的地下水和包气带进行监测，并结合数值模拟的方法，探讨分析典型污染物在地下水中的迁移特征，以期为环境管理与地下水污染防治提供依据。

1 研究区概况[1]

研究区为南通某沿海经济开发区，累计落户项目100多个，形成集医药、农药、高分子材料为主导的三大产业板块群。开发区东枕黄海，占地面积约9.7 km2，区位条件得天独厚。研究区地貌特

征为典型的滨海平原，场地较平缓开阔，地形坡度3°以内，自然地面标高3.79～5.69 m(黄海高程系)，总体呈西南高东北低状。研究区地处亚热带与温暖带的过渡地段，为典型的海洋性气候，年平均气温为14.9℃，年平均降水量为1 044.7 mm，年平均蒸发量为1 369.8 mm。

研究区西部以振洋河为界，北部以黄海为界，东部以匡河为界，南部以一内陆河为界，整个研究区范围面积约16 km2。本区大地构造处于扬子准地台东部，地层属于扬子地层区。地表第四系广泛覆盖，无基岩出露。区内地下水类型主要为松散岩类孔隙水，具有分布广、层次多、水量丰富，水质复杂等特征。区内潜水含水层地层岩性主要为粉土、粉砂，层厚33.4～37.2 m，承压含水层地层岩性主要为粉细砂，层厚5.1～6.7 m，潜水含水层隔水底板埋深35.2～39.8 m，岩性主要为淤泥质粘土，渗透性较弱。区内浅层地下水埋深较浅，一般在1.55～2.83 m左右，地下水流向主要由西南向东北。

2 地下水污染现状分析

根据研究区用地功能区划、地下水埋藏特征、区域地下水流向，采用控制性布点和功能性布点相结合的原则，在区内共布设了地下水水质监测点10个，包气带监测点5个。按照《地下水环境监测技术规范》(HJ/T 164-2004)要求进行地下水样采集，分别对浅层20 cm包气带和深部80 cm包气带进行采样分析。分析方法分别采用《水质化学需氧量的测定 重铬酸盐法》(GB 11914-1989)以及《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535-2009)。监测结果采用《地下水质量标准》(GB/T 14848-93)中Ⅲ类标准进行评价，监测结果见表1。

表1 地下水、包气带监测值统计分析

注：地下水中COD和氨氮单位为mg/L，包气带中COD和氨氮单位为mg/kg。

图1 地下水COD、氨氮污染物浓度等值线图

采用surfer13.0对监测数据进行处理(见图1)，插值方法采用克里金法(Kriging)，该方法是以区域化变量理论为基础，以变差函数为主要工具，在保证估计值满足无偏性条件和最小方差条件的前提下求得估计值。据分析，研究区COD和氨氮污染物主要有以下污染特征：(1)潜水含水层中COD和氨氮污染物在厂区附近浓度较大，在居民区和耕种区浓度较小，并从厂区向居民区和耕种区递减，表明厂区附近污染程度较大，厂区防渗系统存在一定程度的破损，污染物入经包气带入渗至浅层地下水中造成污染；(2)包气带中COD和氨氮污染物浓度由表层向深层递减，表明污染物主要富集在包气带表层土壤，向下迁移难度较大，包气带对于污染物迁移起到了一定程度的阻滞作用；(3)包气带中COD污染物浓度相对潜水含水层较大，表明COD污染物主要集中在包气带中，部分已经运移到下部浅层地下水，区内浅层地下水中COD污染程度较小。

3 地下水溶质迁移特征分析

溶质在地下水中的迁移过程是水动力弥散作用的结果，水动力弥散是由溶质在多孔介质中的机械弥散和分子扩散所引起的。除了机械弥散和分子扩散外，某些其他现象也会影响多孔介质中溶质的浓度分布，如多孔介质中固体颗粒表面对溶质的吸附、沉淀，水对固体骨架的溶解和离子交换等。此外，液体内部的化学反应也会导致溶质浓度的变化[5]。

近年来，基于地下水溶质运移理论开发的地下水数值模拟软件已较为成熟，广泛应用于各个领域。这里，运用基于有限差分原理的GMS(Groundwater Modeling System)，对研究区污染物溶质运移特征进行模拟预测分析。GMS是由Brigham Young大学环境模拟研究实验室开发的先进的、基于概念模型的地下水环境模拟软件。GMS是唯一支持TINs、Solids、钻孔数据、2D和3D地质统计学的地下水流模拟软件。GMS数值模拟功能强大，能模拟多相多组分的溶质运移的同时，该软件还提供了多种组建地下水数值模型的方法[6]。

3.1 水文地质概念模型

水文地质概念模型是建立数学模型的基础。研究区潜水含水层地层岩性主要为粉土、粉砂，区域地下水流向主要由西南向东北。该区地表水与地下水水力联系较好，确定模拟区四周分别以振洋河、内陆河、匡河和黄海为给定水头边界。下边界为透水性差的以淤泥质粘土为主的弱透水层，该层阻断了潜水含水层与下伏承压含水层的水力联系，故定义为隔水边界。根据模拟区地层条件，污染进入地下主要污染潜水含水层。因此，模拟层位为第四系潜水含水层。

3.2 数学模型

根据上述水文地质概念模型，评价范围内地下水流运动的数学模型可以表示为潜水含水层非均质、各向异性三维非稳定流数学模型，其控制方程及定解条件如下[7]：

(1)

其中：Kxx，Kyy，Kzz为主坐标轴方向多孔介质的渗透系数，[LT-1]；h：水头，[L]；W为单位面积垂向流量，[LT-1]，用以表示源汇项；μ为多孔介质的给水度(或饱和差)；z为潜水含水层的底板标高，[L]；t为时间，[T]。

方程(1)加上相应的初始条件和边界条件，就构成了描述地下水运动系统的数学模型。本次模拟的定解条件可表示为：

初始条件：H(x，y，z，0)=H0(x，y，z) (x，y，z)∈Ω

(2)

第一类边界条件：H(x，y，z，t)|Γ1=H1(x，y，z，t)

(3)

式中：Ω表示渗流区域；Γ1表示第一类给定水头边界。

3.3 地下水污染物迁移数学模型

污染物在地下水中的运移包括对流、弥散以及溶质本身的物理、化学变化等过程，可表示为：

(4)

假设溶质的吸附能达到平衡，同时其化学反应为一阶不可逆的，则方程(4)可用下面的方程来表示：

(5)

式中：λ1和λ2分别表示溶质在溶解相和吸附相中的衰变速率[T-1]；表示含水层介质吸附溶质的能力[MM-1]；ρb表示介质的体积密度[ML-3]；R为阻滞因子，并且R=1+ρbKd/θ；Kd为溶质吸附相与溶解相的平衡分布系数[L3M-1]。

由方程(5)与其相应的定解条件即可构成评价区地下水中溶质运移的数学模型。

图2 模型网格剖分

3.4 模型校正与识别

研究区内地下水污染源主要有污水处理站、固废堆场、储罐区、生产车间等构筑物，根据构筑物特征将污染源概化为一面源污染。为更精确模拟溶质运移，在污染源处加密网格，最小网格空间长度达到5 m，共计剖分87 615个矩形单元网格，剖分后的网格见图2。网格垂向上剖分依据评价区内含水层特征划分为三层。第一层为粉土，厚度4 m左右；第二层粉质粘土夹粉土，厚度3 m左右；第三层为粉土夹粉砂，为主要含水层，含水层厚度18 m左右。模拟计算含水层地下水水位与实测地下水水位误差均在0.2 m以内，模拟误差较小，在一定程度上反映模型计算的合理性，见图3。

图3 计算水位与实测水位对比图

图4 工况一COD污染物运移分布图(100 d、1 000 d、10 000 d)

图5 工况一氨氮污染物运移分布图(100 d、1 000 d、10 000 d)

图6 工况二COD污染物运移分布图(100 d、1 000 d、10 000 d)

图7 工况二氨氮污染物运移分布图(100 d、1 000 d、10 000 d)

3.5 预测结果分析

这里，预测不同情况下溶质在地下水中的运移情况：(1)工况一：地下水防渗系统破损，溶质穿过包气带进入到地下水中造成污染，且只考虑对流弥散作用，不考虑吸附分解作用；(2)工况二：地下水防渗系统破损，溶质穿过包气带进入到地下水中造成污染，同时考虑对流弥散作用和吸附分解作用；(3)工况三：地下水防渗系统完好，具有较好的防渗性能，溶质较难入渗污染地下水和包气带。预测时间分别为100 d、1 000 d和10 000 d，预测源强COD和氨氮分别为5 000 mg/L和100 mg/L，预测结果见图4～图7。

根据预测结果，研究区COD和氨氮污染物在地下水中的运移特征主要有：(1)由于研究区地下水水力坡度较小，水流速度较缓，污染羽总体上由污染源中心向四周扩散，向东北方向微倾，与水流方向一致；(2)污染物迁移距离和运移面积与污染物源强呈正相关关系，即污染物初始浓度越高，迁移距离越大，污染面积越大；(3)土壤对溶质的吸附分解对溶质运移具有显著的削减作用，考虑吸附作用时，COD和氨氮污染物中心点浓度分别降低29.9%和29.8%，最大迁移距离分别降低20.4%和24.9%，超标面积分别降低32.4%和29.2%；(4)当地下水防渗系统完好且具有较好的防渗性能时，溶质较难入渗污染地下水，此时COD和氨氮污染物中心点浓度分别为0.4 mg/L和0.008 mg/L，相对Ⅲ类标准中的20 mg/L和0.2 mg/L，浓度很小，可认为该工况下COD和氨氮污染物不会对地下水水质造成显著影响。

表2 不同工况下污染物运移特征表

注： “/”前后的值分别表示工况一、工况二和工况三情况下的计算结果。

图8 工况一COD、氨氮污染物浓度-时间曲线

图9 工况二COD、氨氮污染物浓度-时间曲线P

图10 工况三COD、氨氮污染物浓度-时间曲线

注：污染源中心网格编号为7018，污染源边界网格编号为8552。

不同工况下，预测期内污染源中心与污染源边界处COD和氨氮污染物浓度随时间的变化规律见图8～图10。污染源中心处溶质运移速度相对边界处较快，中心处污染物运移速度呈现先快后慢的趋势，而边界处污染物运移速度呈现先慢后快的趋势，并且在前期一定时间段内，污染物并未运移到边界处，边界处污染物浓度较低。多孔介质中固体颗粒表面对溶质的吸附、沉淀作用主要取决于介质的吸附能力，当介质的颗粒比表面积越大，吸附作用越强[8]。研究区内潜水含水层主要岩性为粉质粘土、粉土夹粉砂，粘土颗粒和粉土、粉砂颗粒较细，吸附作用较强。通过不同工况下的对比分析，不同工况下，污染物浓度随时间变化的趋势总体上较为一致，但是当考虑吸附作用时，污染物浓度整体上有所降低。这是由于，污染物运移速度受对流弥散作用强烈，溶质在地下水中运移的过程中，介质吸附了地下水中的部分溶质，但是对溶质的运移速度产生影响较小，表明吸附作用对于COD和氨氮污染物运移具有显著的削减作用。

4 结语

研究区COD和氨氮污染物存在一定程度的污染，主要集中在化工园区厂址附近。污染羽受地下水对流弥散作用强烈，污染物迁移距离和运移面积与污染物源强呈正相关关系。研究区内土壤颗粒较细，吸附作用较强，对区内COD和氨氮污染物具有显著的削减作用。

当地下水防渗系统完好且具有较好的防渗性能时，溶质较难入渗造成地下水污染。土壤对污染物的吸附作用在一定程度上有削减作用，但是园区内地下水污染源众多，且地下水一旦受污染其发现和治理难度都非常难。为了更好的保护地下水资源，建议采取源头控制、分区防渗和地下水污染监控相结合的措施，并制订相应地下水污染事故应急预案，一旦发生污染，及时响应，将污染程度降至最低。

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[2]薛禹群，张幼宽.地下水污染防治在我国水体污染控制与治理中的双重意义[J].环境科学学报.2009(03):32-35.

[3]张磊，展漫军，杭静.典型化工园区地下水环境调查及评价[J].安徽农学通报.2015(18)：87-89.

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Study on the characteristics of ground water contaminant transport considering soil adsorption

ZHENG Yu-hu1, WU Ming-zhou1, XU Ai-lan2, YANG Dao-jun1

(1.Nanjing University environmental planning and Design Institute Company Limited, Nanjing, Jiangsu, 210093, China；2.Nantong environmental monitoring center of Jiangsu, Nantong, Jiangsu, 226000, China)

Once groundwater that is an important part of water resources is contaminated, it is difficult to restore to the original state. It is of great significance to analyze the characteristics of groundwater contaminant transport for the protection of groundwater resources. In this paper, a coastal economic development zone in Nantong as an example, this paper monitored groundwater and applied vamoose zone in the study area and groundwater numerical simulation software GMS to Simulated and predicted Migration characteristics of typical pollutants in the study area, at the same time, this paper studied and analyzed effect of soil adsorption on contaminant transport. The results showed that there was a positive correlation between the migration distance and the migration area and the source intensity. When considering adsorption, the concentration of COD and ammonia nitrogen respectively, decreased 29.9% and 29.8%,the maximum migration distance respectively decreased 20.4% and 24.9%, the area respectively decreased 32.4% and 29.2%.Adsorption has a significant role in reducing pollutants.

groundwater monitoring; adsorption; solute transport; prevention and control of underground water pollution

2017-02-15

江苏省环境监测科研基金项目(1310)

郑玉虎(1988-)，男，安徽宿州人，工程师，主要从事地下水数值模拟与水环境治理方面工作。

杨道军(1982-)，男，安徽马鞍山人，高级工程师，主要从事水资源与水环境研究。

P641.2

A

1004-1184(2017)03-0004-04