垂直阻隔墙对山体污染物迁移规律影响研究

2022-09-06华俊杰许煜成高林红

建材与装饰 2022年26期

华俊杰，许煜成，吴昊，高林红

（1.镇江市规划勘测设计集团有限公司，江苏镇江 212111；2.江苏科技大学，江苏镇江 212003）

0 引言

改革开放以来，我国城市工业化不断加快与更迭，工业企业搬迁后，遗留污染场地中的重金属和其他有毒物质渗滤到地下水和土壤中，造成饮食安全等问题，越来越危害人们生命健康，如常州“毒地”造成该地大部分地下水被污染，也造成数百名学生身体异常[1-3]。我国城市土地面临巨大的污染压力，城市工业污染场地有近百万个，多分布在经济发达地区和老工业基地[4-5]，尤其是人口密集地区的遗留工业场地，将是未来我国城市必须解决的社会、经济和生态环境问题[6-7]。

HYDRUS 是由捷克开发的一款用于模拟水、热和多种溶质在可变饱和多孔介质中的二维和三维运动模拟的软件。它具有边坡稳定性分析模块、渗流分析模块、人工湿地模块、地球化学模块、胶体促进运输模块等多个模块，在水利、环境学等领域得到了广泛应用[8-9]。

本文应用HYDRUS-2D 数值分析软件，建立二维渗流污染物迁移模型，对防渗墙的防渗和截污效果进行分析。结合地勘报告中该地区各个土层的参数，查阅相关文献，确定各个土层和防渗墙的几何尺寸、渗透系数、弥散度、扩散系数、线性吸附系数等计算参数，建立二维污染物迁移模型，模拟防渗墙存在状态下污染物浓度随时间和空间的变化关系，验证防渗墙对污染物的阻隔效果。

1 项目概况

某化工厂所在场地属于山地、丘陵地区，地形南高北低，高程为3~266m。西南部为某山脉地区，高程为10~266m，西北部圩区水塘密布，地势比较平坦，地面高程为6~8m；东部为丘陵地区，高程3~65m，东北部为沿江冲积平原。

场地土层从上往下依次为杂填土、强分化安山岩、中分化安山岩和石灰岩。杂填土组成成分较为复杂，以一般粘性土及风化砂状物为主，局部含有建筑垃圾、矿渣等，局部呈淤泥状，土质不均匀，堆填时间5~10 年。场地内分布有强风化安山岩，其中上部强风化层一般为碎屑状，底部一般为碎块状；该两层均有风化不均匀现象，局部夹有较多强度较高岩块。

经过调查，地下水中砷、镍、铁、铊、镉、等多种重金属存在超标，高锰酸盐指数、硫酸根、氨氮及氟化物均存在不同的超标情况，其中硫酸根超标范围最广。为了解决场地污染物对外迁移造成的环境污染问题，在化工厂场地四周场地布设防污帷幕（深度为18m），且保证帷幕进入中风化岩层中不少于1.0m，从而切断污染物向外的迁移途径，以保证周边的环境安全。

2 场地污染物迁移模拟计算

2.1 主要污染物

提供的地下水污染物浓度检测结果如表1 所示。

由表1 可知，其中的硫酸根离子的最大值为16600mg/L，严重超过《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）Ⅳ类标准中的目标值，故选取硫酸根离子作为主要的污染物进行研究。

表1 本场地地下水污染物浓度和治理目标值

2.2 计算模型

本文以地质勘测报告中J8 孔作为参考截面，建立该场地污染物运移的有限元数值分析模型，通过利用数值模型预测硫酸根离子和铁离子在场地地层中的长期运移发展趋势，进而分析不同地质条件对垂直防污隔离屏障防污效果的影响。图1 为有限元计算模型。

图1 有限元计算模型

2.3 渗流初始条件和边界条件

本次模拟条件考虑的是污染场地内侧水位较高，水位较低这种最不利工况。屏障内部存在高水位，屏障外部存在低水位。通过地勘报告，得到屏障内部场地水位在地下-6m 处，屏障外部场地水位在地下-1m 处。模型左右两侧边界水头设置沿深度线性分布。

初始条件如下。

边界条件如下。

2.4 污染物运移初始条件和边界条件

根据初步设计测定污染场地内硫酸根离子的浓度最大值可达到16600mg/L，将该浓度定为场区初始浓度。溶质运移边界设置为定浓度边界。

初始条件如下。

边界条件如下。

2.5 计算参数

水土特征曲线参数。VG 模式是常用的水土特征曲线，有着大量的实验数据。故本文选取该模型。本文将杂填土、强风化安山岩、中分化安山岩和防渗墙等效为土壤。在参考《填埋场和污染场地防污屏障设计与施工》[10]的基础上，确定了杂填土、强风化安山岩、中分化安山岩和防渗墙的VG 模型参数，如表2 所示。

表2 常用土体VG 模型参数

3 场地污染物迁移模拟结果分析

3.1 污染物迁移结果分析

图2 为硫酸根离子在不同时间下的迁移情况。由图2a 可知，在经过20 年的水流作用，硫酸根离子不断地向风化岩层和防污屏障迁移。虽然污染物逐渐进入地层，但是由于防污屏障打入岩层深度较深，故而污染物并未迁移至防污屏障外侧。同时，场地上方污染物在水流的作用下，逐步迁移至屏障的内侧，并在防污屏障内侧的底部形成聚集，导致局部污染物的浓度升高。

通过图2b 可以观察到，在100 年后，污染物在水流的作用下，硫酸根离子逐渐向外迁移。第一，硫酸根离子在水流作用下，逐渐进入杂填土底部的岩层。由于下部岩层的渗透性低，污染物进入岩层的速度很慢。第二，硫酸根离子逐渐从防污屏障内侧向外侧迁移。随着时间的推移，污染物逐渐向外迁移，到达100 年后，有少量污染物穿过防污屏障。

图2 硫酸根离子在不同时间的迁移情况

3.2 观测点结果分析

为了进一步对防污屏障的防污效果进行评价，本文在防污屏障的外侧从上往下，设置19 个观测点，垂直间距为1m。通过观察观测点在不同时刻，污染物的流出情况来评判防污屏障的使用效果。

通过有限元计算，得到19 个观测点的观测数据，如图3 所示。

由图3 可以看出，从0~18m 的过程中，污染物迁移速度先变快，后变慢。其中7m 和9m 深度处是污染物速度变化的转折点。观测点的数据和上文中的污染物迁移情况相一致。

图3 第0m 到第18m 的硫酸根离子浓度

为了评价防污屏障的防污效果，此处选取污染物迁移速度最快的1 个观测点数据（9m 处），对污染物击穿屏障的时间进行计算。

渗沥液击穿防污屏障是指渗沥液经过长时间渗透迁移弥散吸附等一系列过程，穿越了防污屏障导致防污屏障失效的现象。这里所说的失效是指防污屏障保护环境安全的效能丧失，就是渗沥液对环境产生危害的时间节点。查阅相关文献，对于击穿的概念出现了不同的定义：①以初始浓度的10%作为击穿标准。②以《地下水环境质量标准》中规定的致污浓度作为击穿标准。其中，以《地下水环境质量标准》中规定的致污浓度作为击穿标准更为合理。

以《地下水环境质量标准》中规定的致污浓度作为击穿标准。查阅相关规范，硫酸根离子的致污浓度为350mg/L。由上图可知，击穿时间为11200d（30.68 年）。