化工项目地下水事故源强计算与污染预测.docx

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1、化工项目地下水事故源强计算与污染预测周梦甜;韩龙喜;陈博;刘甜甜;张奕【 摘 要 】 Taking a chemical project in Nantong City as an example,this paper analysis the main pollution routes of groundwater accidents,identify the source of groundwater pollution,and propose the calculation method of source strength.Based on Visual MODFLOW softwar

2、e,establish the three-dimensional groundwater flow and solute transport models,choose the characteristic pollutant COD as simulation factor of this project,and predict the migration and concentration in groundwater.The results show that the pollutant exceed the standard range over the factory distri

3、ct after 20 years,and impact on the groundwater environmental quality.Theimpermeable work must be done in time,the prevent and control measures of groundwater should be established to reduce the impact of the groundwater environment.%以南通市某化工项目为例,分析地下水事故的主要污染途径,进行地下水污染源识别,提出源强计算方法.利用 Visual MODFLOW 建

4、立三维地下水水流和溶质运移模型,选取特征污染物 COD 为预测因子,模拟预测事故发生后污染物在地下水的迁移与浓度变化.研究表明,20 a 后污染物超标范围已超出厂区,对区域地下水环境质量造成一定影响.厂区应做好分区防渗,建立监控体系等地下水污染防治措施,尽可能减少对地下水环境的污染.【期刊名称】环境科技【年(卷),期】2018(031)001【总页数】4 页(P52-55)【关键词】地下水;源强;数值模拟;污染预测【作 者】周梦甜;韩龙喜;陈博;刘甜甜;张奕【作者单位】河海大学环境学院,江苏 南京 210098;河海大学环境学院,江苏 南京210098;河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部

5、重点实验室,江苏 南京210098;河海大学环境学院,江苏 南京 210098;河海大学环境学院,江苏 南京210098;河海大学环境学院,江苏 南京 210098【正文语种】中 文【中图分类】X80 引言地下水是我国城镇生活、农业、工业用水的重要供水源，是水资源的重要组成部分， 我国有 2/3 的城市以地下水为饮用水资源1。与地表水相比，地下水污染具有长期性、复杂性和隐蔽性，一旦污染，很难治理、修复至未受污染状态。国家环保部于 2011 年首次发布环境影响评价技术导则-地下水环境，2016 年进行修订，将地下水环境影响评价规范化，表明我国对当前地下水环境问题的高度重视。运用数值模型对地下水水

6、流与溶质运移规律进行模拟分析是当前进行地下水环境影响预测评价领域的重要方法之一。地下水系统数值模拟软件主要有 GMS， Visual MODFLOW，FEFLOW 等2-4，其中 Visual MODFLOW 是国际上我国地下水数值模拟软件应用进展公认的三维地下水流和溶质运移模拟软件系统，应用有限差分进行地下水流数值模拟计算5。化工项目污染物以有机物和重金属为主，泄漏后可能导致严重后果，尤其是以化工项目为主的园区内地下水环境污染风险大大增加。为防范地下水污染，应根据区域地形地貌、水文地质条件等，预测事故泄漏对区域地下水可能造成的影响，提出有效的防治措施，保护地下水环境。以南通市某项目为例，提出

7、了化工项目地下水事故源强识别与计算方法，并利用 Visual MODFLOW 建立了地下水水流和溶质运移模型，模拟污染物在地下水中的迁移规律及不同时间污染物浓度的空间分布特征。1 研究区域概况厂区位于南通市某化工园区内，场地较平缓开阔，地貌类型单一，属于典型滨海平原，地面标高 3.85.4 m。自上而下分为 4 个地层，分别为第四纪全新统砂土和粘土互层（Q4）、第四纪上更新统砂性土（Q3）、第四纪中更新统粉细砂和亚粘土互层（Q2）、第四纪下更新统中细砂和粘土互层（Q1）。区域地下水类型主要为松散岩孔隙水，根据松散岩类各含水砂层的时代、沉积环境、埋藏分布等，将 400 m 深度内的含水层从上而下

8、化分为 4 个含水层组，即孔隙潜水含水层组和第，承压含水层组。潜水含水层厚度约 2540 m，与承压含水层间有一层较为稳定的隔水层，水力联系较弱。根据地层条件，废水泄漏进入地下主要污染潜水含水层。孔隙潜水含水层岩性以亚粘土、亚砂土和粉细砂层为主，水位受大气降水、地表水等影响呈季节性变化，实测水位埋深 1.53.3 m。潜水以大气降雨入渗补给与侧向径流补给为主，径流方向主要受地形地貌及地表水体的控制，总体方向由西南向东北径流。排泄方式以自然蒸发为主，其次为侧向补给海洋、河流。2 源强识别与计算地下水环境影响预测的可信性主要取决于对污染源强的识别与计算6。可能造成地下水污染的主要场所主要有原料等固

9、体废物堆放场地、液态物料及产品等存贮区、废水集中处理构筑物即废水处理池等。其中，固体废物堆放场地多为封闭式存放， 对地下水影响很小；液态物料等多采用钢质或其他材质罐槽存贮，安置在地面以上， 且安装事故报警装置，发生泄漏事故后能够及时发现与处理。而废水处理池多为地下或半地下式，池底和侧壁具有隐蔽性，一般未安装废水检漏报警装置，难以及时发现废水泄漏7。因此，废水池泄漏是地下水事故风险预测的重点。废水池一般采用钢筋混凝土结构，具有防渗功能，但在运营后期，由于基础不均匀沉降混凝土会出现裂缝。参考最严格的水准测量允许误差标准，假设废水池在运营后期池底出现 0.3%的裂缝8。废水渗入地下属于有压渗流，按照

10、达西公式计算源强，计算结果见表 1。式中：Q 为泄漏废水量，m3/d；Ka 为垂向渗透系数，m/d；A 为池底裂缝面积， m2；H 为池内水深，m；D 为地下水埋深，m。表 1 废水池事故源强计算预测因子 COD 质量浓度/（mgL-1）3 000 垂向渗透系数/（md-1）0.06 池底裂缝面积/m2 10.5 池内水深/m 4 地下水埋深/m 3 泄漏废水量/（m3d-1）1.473 模型建立采用非均质、各向异性、空间三维结构、非稳定地下水流系统进行地下水水动力模拟；采用地下水溶质运移模型模拟特征污染物在地下水环境中的迁移规律及不同时间污染物浓度的空间分布特征。3.1 地下水水流模型潜水含

11、水层非均质、各向异性三维非稳定流数学模型控制方程及定解条件如下：式中：Kxx，Kyy，Kzz 为主坐标轴方向多孔介质的渗透系数，m/d；h 为水头， m；W 为单位面积垂向流量，即源汇项，m/d；u 为多孔介质的给水度；z 为潜水含水层的底板标高，m；t 为时间，d；1 为第一类定水头边界；H0 为含水层的初始水位分布，m； 为渗流区域。3.2 溶质运移模型溶质运移模型如下：式中： 为介质的有效孔隙度；R 为阻滞因子；c 为水中溶质组分的浓度，mg/L； Ui 为地下水沿不同方向i 的渗透流速，m/s；qs 为单位体积含水层中源汇项的流量，s-1；cs 为源汇项的浓度，mg/L；r1，r2 为

12、溶质在溶解相和吸附相中的衰变速率，s-1；C为含水层介质吸附溶质的能力；pb 为介质的体积密度，g/cm3。3.3 模型概化3.3.1 边界概化模拟区域是一个相对独立的水文地质单元，北侧以黄海为界，东侧、西侧、南侧以最近河流为界，均为定水头边界。含水层上边界为地面，下边界为透水性差的以粉质粘土为主的弱透水层，该层阻断了潜水含水层与下伏承压含水层的水力联系，定义为隔水边界。地下水溶质主要通过对流、弥散作用随地下水运移9。3.3.2 网格剖分采用 Visual MODFLOW 软件对数值模拟模型求解，用 MODFLOW 计算模块求解地下水水流问题时采用有限差分法求解，需对模拟区域进行网格剖分。废水

13、泄漏进入地下水主要污染潜水含水层，垂向上根据模拟区域含水层特征分为 4 层，平面剖分为 20 m20 m 的单元格，污水处理区加密最小网格长度为 10 m。3.4 预测工况假设事故工况最长运行时间为 1 a，泄漏废水量为 1.47 m3/d。选取可能产生地下水污染的关键时段，重点预测项目运行阶段事故工况的地下水环境影响。预测泄漏事故发生 1 000 d，10 a，20 a 后 COD 浓度的三维空间分布规律。3.5 模型识别与验证3.5.1 模型参数水文地质参数主要是渗透系数、单位储水系数、重力给水度、孔隙度等，根据地层岩性选用经验值，见表 2。降雨量采用南通市多年平均降雨量 1 044.7

14、mm，降雨入渗系数根据评价区域水文特征取 0.12。根据以上资料确定降雨入渗补给率为2.110-4m/d。地下水蒸发量采用南通市多年平均蒸发量 1 369.8 mm。将以上参数作为模型计算初值，根据模型计算结果与实际情况的差异程度对参数进行识别， 最终通过模型调试确定。表 2模型水文地质参数层数渗透系数/（md-1）重力给水度 12 3 4 岩性粉土粉质粘土粉土夹粉砂粉砂 0.08 0.01 0.12 0.07 0.50 0.80 储水系数/m-1210-3 510-3 310-4 610-4 0.14 0.18 孔隙度 0.41 0.44 0.39 0.383.5.2 模型验证根据已有的水文

15、地质参数进行模拟计算，将各水位观测点的计算值与实测值进行对比，校正地下水水流模型。实测值与计算值水位差均在 0.5 m 内，模拟误差较小， 水位总体拟合程度较好，模型能较为准确反映该区域地下水流特征。4 预测结果参照 GB/T 1484893地下水质量标准，类水体高锰酸钾指数标准限值为 3 mg/L，换算成 COD 标准质量浓度为 9 mg/L。地下水事故泄漏 1 000 d，10 a， 20 a 模拟预测污染物运移情况，分别见图 1、图 2、图 3。图 1事故泄漏 1 000 d 后 COD 平面及垂向运移范围图 2事故泄漏 10 a 后 COD 平面及垂向运移范围图 3事故泄漏 20 a

16、后 COD 平面及垂向运移范围由图 1图 3 可知，泄漏 1 000 d 后，纵向超标距离 192m，横向超标距离 141m， 垂向超标深度 14.8m，污染羽中心质量浓度为 600 mg/L，污染范围已超出污水处理区，但未超过厂区范围。随时间推移， COD 沿地下水流方向缓慢迁移并稀释， 浓度逐渐降低，但污染范围不断扩大。泄漏 10 a 后，纵向超标距离 232 m，横向超标距离 168 m，垂向超标深度 15.9 m，污染羽中心质量浓度为 130 mg/L，污染范围开始向厂区外扩散；泄漏 20 a 后，纵向超标距离 249 m，横向超标距离187 m，垂向超标深度 16.3 m，污染羽中心

17、质量浓度为 65 mg/L，污染范围不断扩大，对周边地下水环境环境造成影响。5结论与建议应重视化工项目对地下水环境的影响，污染防治措施按照“源头控制、分区防渗、应急响应”相结合的原则10。（1） 源头控制选用防渗性能良好的管材，增加管段长度，减少管道接口；所有管道连接处、废水处理构筑物必须采取防渗措施；避免废水“跑、冒、滴、漏”；定期检查以确保污水处理系统的正常运行。（2） 分区防渗根据可能进入地下水污染物的性质、产生量、排放量等，将厂内污染区划分为： 一般污染防治区，污染容易及时发现并处理的区域，一般不会对地下水环境造成影 响；重点污染防治区，位于地下或半地下，不易及时发现和处理，可能会污染

18、区 域地下水环境，如废水收集池等。在重点污染区采取严格的防渗措施，废水池用砖 砌再用水泥硬化，涂环氧树脂防腐防渗，可使防渗层渗透系数低于1010 cm/s 。（3） 应急响应建立厂区地下水环境监控体系，一旦发生地下水事故，立即启动应急预案，采取阻漏措施，控制污染物向地下水中扩散，降低事故影响。【参考文献】1 唐克旺,朱党生,唐蕴,等.中国城市地下水饮用水源地水质状况评价J.水资源保护,2009(25)：1-4.2 沈媛媛,蒋云钟,雷晓辉,等.地下水数值模型在中国的应用现状及发展趋势J.中国水利水电科学研究院学报,2009(7)：57-61.3 郭晓东,田辉,张梅桂,等.我国地下水数值模拟软件应

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