污染场地环境岩土工程地质勘察中水文地质条件评估方法研究

龚良成

摘要：针对污染场地背景下岩土工程地质勘察中水文地质勘察评估存在的问题，文章研究一种新的污染场地环境岩土工程地质勘察中水文地质条件评估方法。采用三维稳定流数学模型构建污染场地地下水污染物溶质运移模型，掌握污染物迁移的时间、范围和发展趋势；依据“源-径-汇”模式建立影响评估指标体系，使用熵权法计算各指标权重，通过多层次水位地质条件评估模式进行评分。实验表明：该方法可准确获取污染场地污染源的种类、范围和分布情况等，能够动态评估污染场地环境下水文地质条件，增加评估结果的科学性与准确性。

关键词：污染场地；水文地质条件；岩土工程；地质勘察；评估指标体系

中图分类号：X824 文献标志码：B

前言

污染场地水文地质调查在岩土工程勘察中至关重要，需详尽调查和精准分析。地下水活动和岩土层构成对建筑工程质量和安全影响巨大，也是自然灾害的直接诱因。为确保工程安全与环保，确保建筑基础设施安全稳定，保障人员及环境安全。国内外进行研究，王美娥等人结合“证据-权重法”与美国EPA的四步法，构建了污染场地土壤生态风险评估框架。在量化权重时运用多标准决策分析法，并通过设定证据链层级进行风险评估。姜珺秋等人采用频度分析法和理论分析法选择污染场地修复效果的候选评价指标，使用AHP -熵权法获取评价指标的权重，结合评价标准体系，通过FCE模糊综合评估法，构建污染场地修复效果综合评价方法。但上述两种评估方法在实践中存在一些问题。

随着计算机测绘学的发展，三维地质模型广泛应用于地质勘探和工程测绘领域。在污染场地水文地质调查和岩土工程地质勘察中，三维模型得到广泛应用。因此，文章研究污染场地环境岩土工程地质勘察中水文地质条件评估方法，依据“源-径-汇”模式建立水文地质条件评估指标体系，通过多层次评估模式进行水文地质条件等级评分，提高评估结果的准确性和实用性。

1 污染场地环境水文地质条件评估方法设计

1.1 污染场地环境水文地质调查流程

污染场地环境水文地质调查主要分为三个步骤：资料收集、现场勘察和人员访谈。根据岩土工程所在地区的自然环境资料，结合现场勘察的结果，可以判断是否存在污染现象，以及污染源的信息等，为下一步的调查工作提供技术支持，具体的污染场地环境水文地质调查流程见图1。

如图1所示，若第一阶段调查证实场地已受污染，则启动第二阶段，初步采样和分析以确定污染源和污染区域。第三阶段进行更详细的补充采样和检测，获取受体和区域特征参数。

1.2 基于污染场地环境水文地质数学模型的污染物迁移模拟

根据污染场地现场勘察获取的各项数据和特征参数，构建该地区的水文地质数学模型，公式如式（1）：

式（1）中，x、y、z反向的渗透系数分别用Sx、SySz描述，单位为m/d；含水层测压水头用D描述，单位为m；源汇项用E表示。

在求解偏微分方程（1）时，有三种类边界条件需要定解：

第一类，水头已知边界如式（2）：

式（2）中，三维条件中的边界段用Bi描述；当下时刻用t描述；Bi上的任意点用（x，y，z）描述；水头用D（x，y，z，t）描述；已知函数用φi描述。

第二类，流量已知边界如式（3）：

式（3）中，边界Bi的外法线方向用V描述；已知函数用qi描述，代表边界上单位面积的侧向补给量。

第三类，混合边界如式（4）：

式（4）中，已知函数用α和β描述。

污染物通过土壤会逐步渗透和溶解到地下水当中，根据地下水对流弥散方程，及其对应的边界条件公式，通过有限差分法可以获取污染物在地下水中的溶质运移特征，地下水流动运移的规律为式（5）：

式（5）中，纵向、横向和垂直弥散系数的主值分别用Fx，Fy，Fz描述；溶质浓度用r描述；实际平均流速用v描述。

其中，初始溶质浓度用r0描述；溶质渗流的区域用Ω描述；坡度用Fg描述；边界溶质通量用δ描述；二类边界用Γ2描述。

1. 3 构建水文地质条件评估指标体系

文章采用“源-径-汇”模式，构建污染场地地下水污染全过程模型，充分地反应污染物对于生态环境的破坏以及对人体健康程度的影响，并通过该模型筛选和分类岩土工程地质勘察中污染场地环境水文地质的影响因素，将其归纳为各项详细的水文地质条件指标，构建总体的评估指标体系。

整体的污染场地环境岩土工程地质勘察中水文地质条件评估框架见图2。

总体的评估框架可以分为三个层次，依次为目标层、准则层和指标层。

（1）目标层：为污染场地地下水污染进行总体的风险评分，评估其对于岩土工程地质勘察的影响；

（2）准则层：包括污染源、迁移路径和敏感受体三个影响因素；

（3）指标层：根据准则层的影响因素分类筛选评估指标，根据污染程度进行分层评估。

1.4 多层次水文地质条件评估模式

采用多层次评估模式评估水文地质条件，因污染场地情况各异，存在多个发展阶段。溶质运移模型展示污染源迁移过程，评估方法层次根据污染物扩散范围、地下水与场界关系分为三层。每层根据水文地质污染特征选择不同影响指标组合进行评估，层次分类和指标组合见表1。

1.5 计算水文地质条件评估指标权重

在确定污染场地环境岩土工程地质勘察中水文地质条件评估的多层次水文地质条件评估模式后，考虑各水文地质条件评估指标对于整体评估的重要程度通过该指标的权重体现，使用熵权法计算各个层次的评估指标。首先，构建一个标准化矩阵w'ij，标准化处理各个指标的数据：

其中，各个指标的数据用wij描述；第i个指标的数据量用j描述。

将各个指标的信息熵kj，通过式（8）计算可得式（9）：

其中，m为指标数据量的最大值，j=（1，2，…，m）。

各个指标的权重λj为式（10）：

其中，n为评价指标。

1.6 水文地质条件等级评估

根据各评估指标的权重和评分，基于污染场地环境的溶质运移模型对污染物扩散过程的模拟运算，将水文地质条件等级进行评估，公式如式（11）：

其中，最终水文地质条件等级评分用G描述；某一评估层次中的指标数量用l描述；指标权重和评分分别用ψi和Hi描述。

2 实验及分析

2.1 实验环境设置

文章选取某市郊区原制碱厂为实验场地，该厂生产硫酸钡、碳酸钡和碳酸锶等，可能污染环境。为减少影响，该厂调整产品结构、停产并搬迁。场地共16.35 hm2，计划转为居民建筑用地。因此，进行岩土工程地质勘察中的水文地质勘察，现场评估污染场地情况，制定环境管理和修复策略。

该制碱厂的地块按照功能分为三个部分：生产区、办公区和辅助设施区，周围属于农业用地，是典型的丘陵地貌，厂房北方有一条河流，降雨比较充沛，地下水位较高，有利于污染物的扩散。

2.2 污染场地土壤地下水采样调查

实验对制碱厂的整个场地进行土壤与地下水的采样调查，根据相关的建筑用地污染调查规定，制定污染场地水文地质环境采样方案，共分为两个阶段，第一阶段：设置108个土壤与地下水的采样点，分别收集土样和地下水样本并送检；第二阶段：根据样本检测结果挑选出污染物超标的点位，进行加密布点二次采样，设置89个采样点，将采集到的样本二次送检，确定详细的污染源和分布范围。

2.3 构建地下水污染溶质运移模型

文章采用Ⅳ类水水质标准评估污染场地地下水，发现钡含量超标1.58 mg/L。使用GMS软件构建溶质运移模型，确定污染物影响范围和扩散时间。场地地下水流速为0. 05 m/d，流向北，60 m处有河流。污染源持续下渗5a，虽停产搬迁，但钡元素持续渗透2a，污染羽仍在场地内。设置纵向、横向、垂向弥散系数后，确定污染物点源坐标。钡污染已渗入地下水，浓度超标，但未达边界。采用第二层次影响指标组合评估，证明文章方法快速准确获取污染源信息，提高效率，动态评估地下水污染，增强评估的科学性和准确性。

2.4 水文地质条件评估等级划分

通过对污染场地的实地检测和污染物迁移模型计算，可得污染场地环境岩土工程地质勘察中水文地质条件的各项评估指标评分为：

（1）土壤污染物渗入浓度：测量值1.58 mg/L，超过标准值0.1 mg/L，评为8分；

（2）土壤污染范围：358. 46 m2，大于32%的调查范围，评为6分；

（3）地下水质量：根据模拟污染物扩散的浓度评分，评为7分；

（4）健康风险水平：根据模拟得到的污染物浓度计算致癌风险最高为0. 059，评为9分；

（5）污染羽蔓延至场界或下游敏感受体的时间：根据模拟得到的污染物扩散范围和速度计算污染羽到达场界的时间还需675 d，评为5分，模拟结果见图3。

如图3所示，污染源随地下水流向扩散，对下游敏感受体威胁增大。污染物超出边界时，污染风险显著上升。因此，为控制地下水污染，应从下游受体出发，采取控制措施阻止污染羽扩散，保护下游水源。实验证明，文章方法能精确模拟污染物在地下水的迁移，预测扩散范围和趋势，有效评估污染场地环境水文地质条件。

3 结束语

综上所述，文章所提出的方法不仅能够迅速且准确地揭示污染源的种类、范围和分布情况，还能全面评估污染场地环境岩土工程地质勘察中的水文地质条件。这种方法的实施，显著提升了评估结果的科学性和准确性，大幅优化了评估效果。更重要的是，它能够精细模拟污染物在地下水中的迁移过程，帮助企业和风险管理者精准掌握污染物的扩散范围和移动趋势。这对于准确评估环境风险及健康风险至关重要，从而能够制定出更为科学、合理的环境治理和修复措施。这种方法为土地的二次开发提供了坚实的基础，对于保障生态安全和人类健康具有深远的意义。从而制定更加科学合理的污染场地环境治理和修复措施，为土地的二次开发奠定基础。