地下水污染物迁移变化研究

王 丹

(辽宁省清河水库管理局有限责任公司，辽宁 铁岭 112000)

近几十年来，随着我国社会经济的快速发展，在地下水资源的不断开发利用的同时，地下水污染问题也随着而来，由点状污染、条带状污染向面上扩散，由浅层向深层渗透，从城市向周围蔓延。

目前，安乡县共有37个乡镇水厂，城区有近50个地源热泵，均采用地下水源，许多不同类别的污染源对城市的地下水造成不同程度的影响，这些污染源包括城镇生活污水、工业污水和农业污水。污水中的污染物会通过天然下渗的作用进入地下水体，从而对地下水造成污染。在地下水中，会随着水流的流动及扩散作用发生迁移，安乡县面临的主要地下水环境问题是氨氮的严重超标。因此，本文将氨氮列为所研究的污染物，重点研究氨氮在地下水中的迁移转化情况。

1 数学模型

地下水中氨氮的迁移转化可以用如下的反应方程式加以刻画：

(1)

式中：C为地下水中氨氮浓度，mg/L；Dxx、Dxy、Dxz、Dyx、Dyy、Dyz、Dzx、Dzy、Dzz为污染物的弥散系数，m2/d；vx、vy、vz为污染物在x、y、z三个方向上的运动速度，m/d；t为时间，d；R为污染物迁移的迟滞系数；W为目标污染物进入或者迁出水文地质单元的速率，mg/(m3·d)；I为通过化学反应生成或者消耗的目标污染物的速率，mg/(m3·d)，在本模型中无需考虑氨氮的硝化或者反硝化反应，取I=0。

2 参数确定

2.1 初始浓度

在进行安乡县地下水中污染物迁移模拟前，需要首先确定初始时刻各水厂的氨氮浓度。由于现有资料中记载的各水厂的第一个氨氮浓度对应的时间点各不相同，需要对初始时间点进行统一。为了在更大的时间尺度上分析安乡县境内的氨氮浓度变化，选择以2005年作为初始的零时刻，见表1。

2.2 污染物弥散度

在污染物迁移的模型中，污染物运动的流速完全由地下水动力场决定，因而无需对污染物的运动速度进行确定。仅需确定地下水中污染物的弥散系数。弥散度与尺度具有正相关关系，两者的关系可以用下式进行表示：

α=cLm

(2)

式中：α为地下水中污染物的纵向弥散度，m；L为研究域的尺度，m；c与m为待定常数，本次取c=0.085，m=0.81。

根据测量，安乡县在南北方向总长为72 km，在东西方向总长为31 km，由于安乡总体尺寸为菱形，其中南北方向较长，东西方向较短，总体上来看为细长型。综上，取其有效长度为6178 m，得到其弥散度为100 m。

TRPT和TRVT计算公式如下：

(3)

(4)

在本模型计算中，取TRPT=0.1，TRVT=0.01，因此Dxz、Dyz均为1；Dxy、Dyx、Dzx、Dzy均为10。

3 地下水中氨氮浓度分布的时空变化

根据模型拟合结果，可以绘制不同时间点上安乡县不同地层的地下水中的氨氮浓度分布情况。由于安乡县境内的承压含水层主要为第3层和第5层，因此下面着重对这2个地层中的地下水氨氮浓度变化进行绘制。图1绘制了这2个地层在2011年与2017年时的氨氮浓度分布图。

图1 第3层和第5层地层中氨氮浓度的变化情况

由图1可知，由于模型中的氨氮污染源均为地表污染，其迁移方式为从地表的垂直入渗进入地下，因此浅层地层会更快受到污染，第3层的氨氮浓度比第5层的明显偏高。另外，受到污染源点状分散分布的特点，在地图中氨氮在地层中的浓度分布也呈现出点状，浓度较高的地区往往在乡镇的人口聚集区，这些地方也往往是水厂取水井的所在地。由于模型中假设深柳镇具有很高的氨氮浓度排放(城镇生活源)，因此随着时间的推移，在深柳镇区域内的地下水中氨氮浓度上升趋势十分明显。另外，安乡县南部的氨氮浓度一直偏高，例如安德乡杨树水厂、陈家咀镇常福水厂附近，这是因为该地区地下水中氨氮的初始浓度就有所偏高，另外氨氮的面源排放量也较大所导致的。总体而言，氨氮的浓度呈现北低南高的态势，并且深柳镇及部分村庄集镇附近的氨氮在地下水中的浓度有明显的上升趋势。

4 地下水中氨氮浓度预测

根据调查，安乡县存在过量使用化肥农药的问题，且其排放氮量接近氮排放总量的50%。畜禽养殖会产生大量的畜禽粪便，其占到总量的26.39%，畜禽粪便中的有机氮在微生物的分解作用下，会产生大量的氨氮，最终污染地下水体。另外，水产养殖亦投放了过多的含氮饲料，造成了地表水的污染，而地表水通过下渗最终也会污染地下水。另一个需要注意的就是生活污水，由于缺乏生活污水的收集和处理措施，导致大量分散的生活污水被随意排放，且生活垃圾的随意丢弃也会产生高氨氮浓度的垃圾渗滤液，从而对地下水环境构成威胁。

基于此，在未来亟需降低化肥、饲料的投加量，避免过度投加，同时需要做好畜禽粪便、生物污水、生活垃圾的收集和处理措施，避免产生的高浓度氨氮的废水下渗污染地下水。据此，我们假设在未来的时间内，氨氮的排放强度有所下降较为合适。

假设2种情形：第一种为在现有条件下，让所有的氨氮浓度降低20%；第二种为在现有条件下，让所有的氨氮浓度降低50%。分析2022年和2030年的浓度分布的变化。

在两种情形下，各区块的排放浓度计算结果见表2。

表2 不同情景下的排放浓度计算表

据此进行情景分析，以模型计算出来的2017年作为模拟的起点，分别模拟2022年和2030年地下水各层中的浓度变化，得到的结果见图2、图3。

图2 氨氮排放源强削减20%后的浓度分布预测变化图

图3 氨氮排放源强削减50%后的浓度分布预测变化图

从图2、图3可知，由于氨氮的排放浓度有所下降，因此各水厂的氨氮浓度的上升趋势有所减缓。以安德乡杨树水厂为例，当污染物排放源强削减20%时，其在2022年、2030年的氨氮浓度分别为2.84 mg/L和3.39 mg/L；当污染物排放源强削减50%时，其在2022年、2030年的氨氮浓度分别为2.72 mg/L和2.96 mg/L。据此可知，污染物排放源强削减比例越高，则地下水中的污染物浓度越低。若完全停止污染物的排放，则有望实现地下水中污染物浓度的下降。

5 结论

通过安乡县地下水污染物迁移变化研究，污染物的变化趋势及规律与实际状况基本相符，能够为安乡县地下水资源保护与污染物治理提供依据。文中采用模型进行模拟时，已经实施了模拟验证，显示拟合效果较好。但是仍有部分水厂氨浓度拟合效果欠佳，这个原因可能是多方面的，另外在该模型中未考虑通过硝化反应消耗氨氮及通过有机物的氨化作用生成氨氮等因素。因此，对于该模型，仍有很大的改进空间，在以后的工作中进一步对该模型进行修正和完善。