溶质运移解析法在某污水处理厂地下水环境影响分析中的应用

张小亮，晏 婷，林勇山，侯雪超，时燕华

（江西省核工业地质局测试研究中心，江西 南昌 330002）

近年来，水污染物因泄漏引发的环境污染问题越来越突出[1，2]。污水处理厂污水池一般为地下/半地下装置，污水池中污水停留时间较长，污水贮存水量较大，污水池底部破损泄漏处较隐蔽且很难及时被发现。因此，本文以安义某工业园区污水处理厂污水池所在场地为例，应用解析法对污水池氨氮污染物发生持续泄漏情况下对地下水环境的影响进行分析预测，为污水处理厂污水池泄漏在地下水污染防治中提供依据[3-5]。

1 场地水文地质条件

本次目标场地出露的地貌为潦河及其一级支流冲积平原，在安义县城以西与II 级阶地成内叠关系，目标场地根据地下水埋藏条件和赋存特性，将其划分为：松散岩类孔隙水、红色碎屑岩孔隙裂隙水。

1.1 松散岩类孔隙水

主要分布在潦河及其支流河谷地带，目标场地依其岩性和富水程度可细分为两个亚组：全新统冲积砂砾石水量中等的孔隙含水亚组，①全新统冲积物组成潦河主、支流的I 级阶地或河漫滩。岩层具二元结构。上部为黄褐色亚粘（砂）土，厚度0.5m～2.5m 左右，下部为砂卵石层，厚度2m～6m，平均含水层厚度4.2m；②上更新统冲积层出露较少，组成不明显的II 级阶地，具二元结构。上部为棕黄色含铁、锰质结核的亚粘土，厚度2m～4m，下部为砂卵石层，厚度为5m～8m 左右，含水层厚度一般4m～5m。地下水位深1m～3m。。它们相互之间以及与地表水体的水力联系均较密切。除丰水季节能获得部分地表水补给外，地下水主要接受大气降水和基岩裂隙水补给，一般均向河流排泄。

1.2 红色碎屑岩类孔隙裂隙水

主要分布在场区及其周边，主要为第三系武宁群“红岩系”，除第三系（Ewn4）外，均只含微量风化裂隙水，地表泉水稀少，流量甚微，只有在地形地貌条件特别有利的洼地、坡脚才有少数下降泉。岩石被钙质胶结，常见薄层石膏夹层或其他充填于裂隙之中被地下水溶蚀成0.5mm～1.0mm 的溶洞，一般厚达0.5mm～3.0mm，分布较稳定，因此除有微量风化裂隙水外深部还可能存在着微弱的孔隙水层，整个红层均为弱富水岩组。

1.3 水文地质勘查与试验

根据本次研究目标为松散岩类孔隙潜水含水层，该含水层渗透系数来源于场地内钻孔抽水试验数据，确定松散岩类孔隙潜水含水层渗透系数K 取值为0.1004m/d。场区内包气带岩性主要为第四系为全新统粉质黏土，厚度约为0.6m～11.2m，包气带入渗系数Ka 为1.16×10-4cm/s。

2 研究方法

2.1 预测情景

在正常工况下，污水处理厂污水池等各装置单元均采取了相应的防腐防渗处理，防渗层能有效的阻隔污染物与包气带的联系，污染物一般不会渗入地下进入含水层。因此，本文重点预测分析在非正常工况下，污水池底部发生破损泄漏导致污染物氨氮持续入渗对地下水环境产生的影响。本次预测时段为污染源持续发生事故泄漏后的100d、1000d、3650d。

2.2 预测模型建立

2.2.1 数学模型

（1）水文地质条件概化：根据场区内水文地质勘察资料分析可知，预测范围内第四系松散岩类孔隙水整体地下水流向为北西向东南方向；含水岩组主要为冲积层粉质粘土、亚粘土及砾砂岩等，渗透系数和有效孔隙度变化不大，因此将评价区地下水概化为均质各向异性一维稳定流地下水系统。

（2）污染源概化：在非正常工况下，污水处理站污水池废水通过池底破损面泄漏穿过包气带进入地下水中，因此本次将污水处理站污水池事故状态下的污染源整体概化为连续排放的平面点源。

（3）预测模型及水文地质参数的确定：本研究场地内水文地质条件较为简单，依据《环境影响评价技术导则 地下水环境》（HJ610-2016）要求，本次解析解预测模拟估算不考虑污染物在包气带中的迁移过程，非正常工况下污染物在浅层含水层中的迁移可概化为污水持续泄漏对地下水的污染影响预测采用“连续注入示踪剂-平面连续点源预测模型”，取平行地下水流动的方向为x 轴的正方向时，则求取污染组分浓度分布模型如下：

式中：

x，y 为计算点处的位置坐标；t 为时间，d；C（x,y,t)—t 时刻点x，y 处的示踪剂浓度，mg/L；M 为承压含水层的厚度，m；mt 为单位时间注入示踪剂的质量，kg/d；u 为水流速度，m/d；ne为有效孔隙度，无量纲；DL为纵向弥散系数，m2/d；DT为横向y 方向的弥散系数，m2/d；π—圆周率；为第二类零阶修正贝塞尔函数；为第一类越流系统井函数。

2.2.2 模型参数的选择

由上述模型可知，模型需要的参数有：注入的示踪剂质量m；含水层厚度M；有效孔隙度ne；水流速度u；纵向弥散系数DL；横向弥散系数DT。

（1）预测源强：假设污水处理厂污水池底发生破裂而导致污水直接入渗，以水平和垂直两个方向扩散。运行期间污水池内液体有一定液位，池水渗漏进入地下属于有压渗透，按达西公式原理计算入渗污染物穿透防渗层进入含水层的穿透量、源强，估算前提假设不考虑污水入渗过程中土壤吸附、毛细水稀释以及污染物生化降解、化学反应转化等消减因素影响。本次预测因子选择氨氮，渗入地下水的污染物源强浓度按其进水水质浓度氨氮50mg/L 计算：

穿透通道 q=Ka[（H+D）/D]

入渗穿透量 Q=qA裂

式中：Q 为渗入到地下的污水量，m3/d；Ka 为垂向入渗系数，m/d；H 为积水液位，m；D：包气带厚度，m；A裂为池底裂缝总面积，假定为池底总面积的1%；某污水处理厂污水池底总面积约4000m2。由此计算可知，场区内包气带平均厚度约2.0m，某污水处理厂污水池液位平均高度5m，包气带渗透系数取值为1.16×10-4cm/s，则污染物入渗穿透量为14m3/d。

（2）注入的示踪剂质量：由源强分析可知，污水处理站污水池池底破损导致污水泄漏污染物质量m 氨氮为700g/d。

（3）其它参数：场区内含水层平均厚度约10m，本次预测含水层平均有效孔隙度取值n 为0.4；利用达西定律计算地下水流实际流速u 为0.001m/d。结合本次污染场地的研究尺度，模型计算中纵向弥散系数DL为0.01m2/d，横向弥散系数（DT）一般为纵向弥散系数的10%为0.001m2/d。

3 模拟预测结果

根据本次建立模拟预测情景，选定水污染物氨氮为优控污染物，预测污染物在地下水中迁移过程，进一步分析污染物影响范围、程度及最大迁移距离；氨氮超标限值参考《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）Ⅲ类标准0.5mg/L，检出下限值参考仪器检出限0.004mg/L。

模型预测结果表明，污水池发生污染泄露100 天后，含水层中污染物氨氮影响范围为20.9m2，超标范围18.7m2，地下水流向上、下游最大运移距离分别为5.3m、5.4m，沿水流方向垂向最大迁移距离2.3m；1000 天后，含水层中污染物氨氮影响范围为335.3m2，超标范围240.7m2，地下水流向上、下游最大运移距离分别为20.4m、22.2m，沿水流方向垂向最大迁移距离8.7m；3650 天后，含水层中污染物氨氮影响范围为1562.2m2，超标范围971.6m2，地下水流向上、下游最大运移距离分别为37.2m、44m，沿水流方向垂向最大迁移距离25.1m。

4 结论

本文应用地下水溶质运移解析法，在非正常工况下污水处理厂污水池氨氮污染物发生持续泄漏情况下对地下水环境的影响进行分析预测，预测结果表明，随着氨氮污染物在含水层中的迁移时间延长，含水层中氨氮的超标及影响范围逐渐扩大。因此，建设单位需严格按要求做好污水池的防腐防渗工作，同时在污水池地下水下游设置监控井，防止污染地下水。