废弃氟化工园区地下水污染特征及污染物扩散模拟研究

徐 颖，张 溪，邰姗姗，李梦雪，毛俊楠，孙一平

（辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000）

受经济发展需求影响，城市工业园区不断扩建与废弃，废弃化工园区对地下水的污染问题逐渐突出。一方面，地下水埋藏于地下，且水文地质结构复杂，致使地下水污染具有很强的隐蔽性，修复和治理的难度较高；另一方面，污染物长期存在于地下水中，且污染物会不断向周边地下水扩散，致使污染范围持续扩张，污染程度持续加剧。不难看出，地下水污染及扩散情况的探究颇具实践意义。

目前，国内外学者利用软件建立运移数学模型，对地下水中重金属等污染物进行扩散模拟研究，探索污染物迁移扩散规律、扩散范围及浓度变化，为地下水的污染防治提供理论论据。郭芷琳等总结了地下水污染物在高度非均质介质中迁移转化的规律，探讨了含水层非均质性、非菲克弥散机理和模拟应用；沈婷婷利用Visual Modflow软件中MT3D模块，以Cu为溶解物质，模拟了污染物的运移情况，预测了地下水中污染物的分散情况。本文以废弃氟化工园区为研究区，利用Visual Modflow软件的MT3D模块对地下水中污染物进行扩散模拟研究，为实现地下水污染管理与防治提供理论支撑。

1 研究区概况

研究区处于辽宁省阜新市海州区韩家店镇，属于温带季风气候区，四季分明，雨季与炎热期大致重合，气候干燥，年均温是7.8 ℃，降水时空分布不均，年平均降水量约为480 mm，年平均蒸发量约为1 746 mm。该区域地势平坦，东南部紧邻大凌河的支流细河。本文以废弃氟化工园区为研究对象，园区企业以生产氟化学类产品为主，占地面积为34.81 km，化工园区中心地理坐标为东经121°35′、北纬41°56′。根据研究区地下水的走向及周边地形地貌情况，在园区及四周设置9个采样点，有效覆盖整个研究区。

2 研究区地下水污染特征

为了更好了解园区内地下水的污染状况，在一年的三个时期采集地下水样品，样品采集时间分别为2018—2019年的11月（枯水期）、5月（平水期），6—7月（丰水期）。根据化工园区企业生产的产品情况，确定地下水污染物检测指标，如表1所示。

表1 检测指标分析

2.1 地下水污染评价方法

测定废弃化工园区9个采样点的地下水污染物浓度，依据《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）的Ⅲ类水质指标，利用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法评价地下水污染。

单因子污染指数法是对单个指标进行评价，单因子污染指数的计算公式为

式中：P为第个指标的单因子污染指数；C为第个指标的实际浓度，mg/L；C为第个指标的标准浓度，mg/L。

当P≤1时，地下水未受到污染；当P＞1时，地下水受到污染，且P值越大，受污染程度越严重。

内梅罗综合污染指数法是一种全面评价水质的方法，其计算过程方便简洁，评价效果更接近实际水质情况。内梅罗综合污染指数的计算公式为

评价等级标准如表2所示。

表2 水体内梅罗综合污染指数与污染等级

2.2 地下水污染特征分析

2.2.1 单因子污染指数法评价结果

通过单因子污染指数计算，研究区内超出标准的污染物质详情如表3所示。研究区主要超标污染物的超标率排序为Fe＞Mn＞F＞As，其中F和As是毒理学指标。污染物来源于企业生产废水直排或滞留原地，该地区地下水径流条件较差，污染物容易滞留于此，对地下水造成严重污染。

表3 各指标单因子污染指数与超标率

2.2.2 内梅罗综合污染指数评价结果

通过内梅罗综合污染指数计算，所有采样点地下水污染等级为Ⅵ级，具体数据如表4所示。在地下水中，各类污染物贡献率的排序依次为Fe＞Mn＞F＞As，污染最严重的采样点为9号，该采样点周边企业较多，且位于地下水补给区下游。因此，利用Visual Modflow软件对9号采样点进行污染扩散模拟，研究污染物扩散区域和浓度变化情况，为地下水污染治理提供相应的数据支持。

表4 内梅罗综合污染指数评价结果

3 污染扩散模型构建

3.1 研究区地下水数值模拟条件确定

本次模拟以检测污染物浓度为初始浓度，不考虑地下水补给过程对污染物的吸收附着、化学反应和生物降解等。研究区地下水约处于地下4 m，含水层厚约为10 m，各个含水层之间并无隔水层，其水力联系紧密且处于同一地质板块上，故将目标含水层概化为均质、各向同性的潜水含水层。对研究区进行模拟，使用有限差分法划分的网格，把模拟区域东西方向作为模型的轴方向，轴指向南北，长度均为5 900 m，每200 m划分一条线，构成200 m×200 m的正方形网格。研究区的有效网格为125个，其余均无效。

3.2 水流模型参数确定

研究区最主要的第四系含水层类型为河漫滩阶地砂、砂砾石孔隙潜水含水层，其呈三元结构，上部以亚黏土、亚砂土为主，厚度为2.0～3.5 m，中部为粉细砂、中粗砂，厚度为1.5～5.3 m，下部岩性以粗砂、砂砾石为主，厚度为1.0～1.5 m，地下水渗透系数为70～72 m/d，单位涌水量为9.22～11.63 m/h，水力坡度为3‰左右

4 研究区地下水溶质运移模拟与预测

本次模拟以2018年11月的采样日期作为初始日期，实际的地下水水位线作为初始流场，识别周期为365 d。由于研究区地下水已停止开采，可确定地下水流域是一个稳定场，地下水处于自然平衡状态。

污染物的运移模拟预测利用Visual Modflow软件的MT3D模块，将研究区的地质条件、水文状况等信息输入到污染物溶质运移模型中，模拟污染物Mn、Fe及F分别在第365 d、1 460 d、2 920 d和第3 650 d的扩散运移状态，Mn、Fe及F的模型补给浓度分别为4.84 mg/L、5.11 mg/L、3.45 mg/L。模拟发现，随着时间的推移，Mn、Fe及F具有明显扩散的趋势，污染物会随着地下水流场方向不断向周边扩散。污染物扩散运移情况如表5所示。

表5 9号采样点10年后污染物运移情况

经过10年的运移模拟，污染物纵向运移距离较远，这主要受该地区的地质结构和地下水系影响。污染物在地下水中的运移状态变化如图1所示。地下水东北向西南的坡度为3‰，化工园区的东南侧是细河，地下水是该河流的重要补给来源。9号采样点中心区的污染物浓度下降19.7%～23.7%，中心区的浓度含量受到扩散影响，但浓度降低仍旧很慢，其超过地下水Ⅲ类标准，仍处于污染状态。主要原因是阜新市降水较少，地下水补给困难。

图1 9号采样点的污染羽模拟扩散平面图

5 结论

本文利用Visual Modflow软件建立了废弃化工园区地下水污染物溶质运移模型，分析了污染物在地下水中的运移扩散情况。通过模拟可知，污染物在地下水的迁移主要被研究区地理条件、水文因素控制，同时受水动力驱使，污染物的实际浓度会在地下水运动中逐渐变低。经过10年的运移模拟，Mn、Fe及F三种污染物均有不同程度的扩散，中心区的污染物浓度有所减低，但仍超过地下水Ⅲ类标准。该废弃化工园区污染土壤及废弃材料是污染物的重要补给源，在一定时限内，地下水污染物的浓度未能降低，尤其是污染物F的浓度会保持在一定水平。从环境保护角度来看，必须加强区域地下水监测，尤其在化工园区的下游位置和受到环境影响的敏感地域，要建立应急响应机制，一旦发生事故，即可启动应急预案。