淮安市化工企業地下水污染預測與風險評價

馬群宇, 卞 雪, 劉楚燁, 趙言文

(南京農業大學 資源與環境科學學院, 江蘇 南京 210095)

淮安市化工企業地下水污染預測與風險評價

馬群宇, 卞 雪, 劉楚燁, 趙言文

(南京農業大學 資源與環境科學學院, 江蘇 南京 210095)

[目的] 評價地下水污染風險，為同類建設項目及企業自環評的地下水污染預測與風險評價提供一種簡單有效的新方法。[方法] 建立基于過程模擬的溶質運移數學模型，對特征污染物高錳酸鹽指數和鎳的污染水平和污染范圍進行預測，提出以保護地下水為目標的風險評價方法，以某化工廠為案例進行地下水污染風險評價。[結果] 突發事故后100 d，高錳酸鹽指數最大遷移距離11.6 m，鎳最大遷移距離10.8 m，分別超出廠界范圍8.8和8.0 m；監測井2屬較高污染風險等級，監測井3屬中等污染風險等級。[結論] 特征污染物在地下水中的擴散速度快，對水質影響嚴重，因而運行期須對污染源加強跟蹤監測、定期檢查污水池防滲性能。

地下水; 污染預測; 解析解; 溶質運移; 風險評價

隨著經濟社會的快速發展，化工企業的污染問題也越來越受到人們的關注。與地表水、大氣、噪聲等環境要素相比，地下水污染由于存在隱蔽性、滯后性及艱巨性的特點，一直以來都是化工企業環評中較為薄弱的環節?；の廴就怯僧a品、原料、輔料等污染物的跑、冒、滴、漏等造成的，受污染的土壤被雨水淋洗后，地下水水位發生變動，加上包氣帶的溶濾作用，進入土壤的污染物經長時間滲透，穿過包氣帶進入地下水，進而污染地下水。而廠區的地下儲罐、污水排放管道等的滲漏會使得污染物直接進入地下水，這些污染物隨著地下水的流動不斷遷移進一步污染含水介質，地下水污染面積不斷擴大，水質不斷惡化，嚴重威脅周邊環境安全，因此化工企業的地下水污染預測及風險評價更要受到重視。

早在20世紀60年代，國外學者就開始使用數學模型進行地下水模擬預測。1996年，Rivera等[1]采用數值模擬軟件對德國某放射性廢棄物堆場地下水中污染物濃度的變化進行了預測；1998年，Islam等[2]在利用地下水模型研究美國圣保羅地區污染物運移問題時，發現得到的規律與實際情況相符，為地下水污染問題的解決提供了科學依據。

中國于20世紀70年代開始開展地下水污染預測，目前側重于對地下水模擬軟件的開發和應用。李偉等[3]采用三維耦合地下水溶質運移模型進行垃圾填埋場的地下水污染預測，得到了污染物遷移的距離及范圍。楊亞芳等[4]基于Excel，開發了一種簡易的一維地下水溶質運移的數值方法。2016年，《環境影響評價技術導則—地下水環境》(HJ 610-2016，以下簡稱《導則》)[5]頒布，中國地下水保護的新局面也隨之打開?！秾t》明確要求二級評價采用數值法或解析法對污染物遷移趨勢進行預測。目前，采用Visual Modflow，FEFLOW，GMS等可視化軟件可實現數值預測[6]，但因均屬于商業軟件，價格較高、操作復雜，對小型或者企業自評價的環評項目并不適用。

地下水水質安全直接影響著人類健康與發展，地下水污染風險評價也因此成為國內外的研究熱點[7]。Sophocleous等[8]以含水層脆弱性與海水入侵等影響為基礎，采用線性回歸法進行地下水污染風險評價。Napolitano[9]基于GIS系統對意大利山前河谷地帶的地下水污染風險進行評價時引入災害風險理論，綜合考慮地下水流向、地下水水質及危害等因素。Rosén等[10]考慮到風險本身的不確定性，應用不確定性理論構建了風險最小化模型，實現了對地下水污染風險的隨機模擬。Blumberga等[11]應用Visual Modflow軟件及Landsim軟件建立過程數學模型進行地下水污染風險評價，獲得了良好效果。

中國于20世紀末開始涉足地下水污染風險評價，目前主要側重于地下水脆弱性評價，且以改進國外研究成果為主，缺少自主研發的評價體系和方法。王建飛等[12]綜合考慮非正規垃圾填埋場包氣帶的隔污指數和有效隔污厚度等因素，提出了風險評價指標體系與評價方法。王俊杰等[13]根據特征污染物與排放量的關系，構建量化的評價體系，采用層次分析法對北京市地下水污染進行了風險評價。楊彥等[14]以ArcMap為開發平臺構建多指標綜合指數模型，綜合考慮污染源、含水層及污染物等影響因素，進行了地下水污染風險評價。由此可見，目前中國地下水污染風險評價尚處于起步階段，評價方法以定性評價為主，缺少對污染物遷移轉化過程的描述，評價體系與評價方法還需完善。

對此，本文擬首先利用《導則》給出的不同條件下地下水溶質運移解析法的解析解，構建基于過程模擬的溶質運移數學模型，對特征污染物的污染水平和污染范圍進行預測；其次，提出以保護地下水為目標的風險評價方法，以某化工廠為案例進行地下水污染風險評價。旨在服務《導則》的實施，以期為同類建設項目及企業自環評的地下水污染預測與風險評價提供一種簡單有效的新方法。

1 材料與方法

1.1 地下水污染預測方法

1.1.1 預測因子確定 按照《導則》要求，對地下水污染源特征因子按重金屬、持久性有機污染物和其他類別進行分類，并對每一類別中的各項因子采用標準指數法進行排序，取標準指數最大的因子作為預測因子。因此，根據標準指數計算結果(計算結果見表1)與國家標準中各類污染物的標準濃度值進行比較，得到研究區預測因子為：高錳酸鹽指數和鎳。選取污染源初始濃度最大值進行分析預測：高錳酸鹽指數最大排放濃度為87.5 mg/L，鎳最大排放濃度為2.534 mg/L。

表1特征因子標準指數計算結果

mg/L

注：高錳酸鹽指數、鉛、汞、砷和鎳標準濃度值參考《地下水質量標準》(GB/T14848-93，以下簡稱《標準》)Ⅲ類標準[15]。

1.1.2 預測模型建立 研究區預測范圍內地下水徑流緩慢，污染物的排放對地下水流場沒有顯著影響，含水層的基本參數變化很小，因此根據《導則》要求，采用解析法對地下水水質進行預測，地下水溶質運移采用一維穩定流動一維水動力彌散問題模型。

研究區化工廠廢水經預處理達標后排入淮安經濟開發區污水處理廠深度處理，正常情況下不會對地下水環境造成污染，因此污染源可概化為無污染源。但因污水池防滲失效或污水排放管道破損等突發事故導致廢水滲入地下水，此時污染源可概化為點源連續恒定污染。

研究區淺層地下水與下部中深層地下水之間有穩定的隔水層，因此預測時只考慮污染物對淺層地下水的影響。研究區開采淺層地下水主要用于居民生活輔助性用水，開采量較少，不會形成大范圍的降落漏斗，即使受降雨影響，區內地下水位的波動也不會引起流場發生較大變化，因此預測時不考慮流場變化的影響。此外，為研究最大風險程度，預測時不考慮溶解、吸附作用。

采用《導則》推薦的一維穩定流動一維水動力彌散問題，概化條件為一維半無限長多孔介質柱體，一端為定濃度邊界。其解析解為：

(1)

式中：x——距注入點的距離(m)；t——時間(d)；C(x,t)——t時刻x處的示蹤劑濃度(g/L)；C0——注入的示蹤劑濃度(mg/L)；u——水流速度(m/d)；DL——縱向彌散系數(m2/d)； erfc()——余誤差函數。

以Excel為平臺進行VB(visual basic，VB)編程，利用該解析解研究污染物濃度從包氣帶到含水層以及沿含水層運動的整個過程中的變化情況，并實現可視化操作。

1.1.3 預測模型參數確定 根據研究區現有地質資料及相關試驗結果，確定預測模型參數(見表2)。

表2 預測模型主要參數

1.2 地下水污染風險評價方法

目前，常用的地下水污染風險評價方法主要有統計方法、迭置指數法和過程數學模擬法[16]。統計方法是指客觀地篩選出影響地下水污染的主要因素，利用回歸方程賦值，計算權重，進而進行評價；迭置指數法是目前使用最廣泛的風險評價方法，但因其基于經驗方法獲取評價因子的權重，具有明顯的缺陷[17]；而過程數學模擬法既能描述地下水污染物的遷移過程，又能預估污染物時空分布特性，具有廣泛的應用價值[18]。因此，本研究采用基于過程數學模擬的方法進行該化工廠的地下水污染風險評價，即通過過程模擬計算風險受體處高錳酸鹽指數(C1)和鎳的濃度值(C2)，參照《標準》中對高錳酸鹽指數和鎳指標劃分標準進行風險等級的劃分，本研究將該化工廠特征污染物對地下水污染風險劃分為低、中、較高和高等4個等級如表3所示。

表3 某化工廠特征污染物地下水污染風險分級

1.3 工程概況

1.3.1 水文地質概況 研究區位于江蘇省淮安市境內，屬亞熱帶季風氣候區，區內年平均氣溫14.7 ℃，年平均降水量985.3 mm，年無霜期206 d。研究區處在揚子淮地的蘇北凹陷區西側，基巖均隱伏于松散地層之下，基底為前震旦系泰山群變質巖，上覆第三系，第四系松散堆積層。區內地下水在勘察范圍內為潛水，其主要補給源為大氣降水垂直補給，主要排泄方式為地表徑流和蒸發；枯水期水位在自然地面下約2.5 m，變化幅度約2.0 m。

包氣帶作為連接含水層與地面污染物的過渡帶和主要通道，是污染物媒介體，也是污染物的凈化場所和防護層。研究區屬于回填整平區，區內穩定地下水位以上的包氣帶大部分為填土層，自上而下分為素填土層、粉土層和黏土層。包氣帶厚度在1.0～2.8 m，無基巖裸露，因此判定包氣帶防污性能為中等。

含水層巖性以稀砂、粉砂為主，滲透性能一般，含水層易污染特征為中等。第Ⅰ含水巖組砂層滲透系數約為1～7 m/d。第Ⅱ含水巖組滲透系數一般為6～7 m/d，非古道河一帶為1～4 m/d。第Ⅲ含水巖組滲透系數為0.26～4 m/d。

1.3.2 建設項目概況 本工程為廢棄脫硝催化劑回收利用項目，項目建設場地東西長144 m，南北長101 m，面積14 544 m2，廢催化劑填料規格為0.2 m×0.2 m×1 m的長方體，填料以袋裝或無包裝的方式運輸入廠，暫存于原料庫房；廢催化劑堆放場地采取防滲措施，地面排水良好，易于清潔和消毒，產生的廢水采用暗溝、管直接排入污水收集消毒處理設施。根據廠區設備布置圖，廠區西南側為生產車間，污水收集池位于西南側圍墻邊，距離廠界最近距離2.8 m，東南側為成品和原料堆放庫房，原料堆放庫房的東北側為辦公生活區。根據本項目處理工藝，新建項目產生的廢水排放源主要是：重力分離水200 m3/d，深度清洗廢水640 m3/d，車間清洗廢水1 m3/d，打漿浸取廢水300 m3/d，離子交換樹脂再生廢水90 m3/d，生活污水6 m3/d。

1.3.3 地下水環境現狀 根據地下水水質監測數據及舒卡列夫地下水化學類型分類法，確定本研究區地下水化學類型為HCO3-Mg型。另據地下水水質檢測報告，研究區各監測點位的地下水水質指標均滿足《標準》Ⅲ類標準要求。

2 結果與分析

2.1 預測結果與分析

利用構建的地下水溶質運移模型對該化工廠地下水特征污染物進行正向推算，計算100 d，3 a(1 000 d)，10 a(3 650 d)，20 a(7 300 d)后污染物的最大遷移距離，結果見圖1。

圖1 污染物最大遷移距離

由圖1可知，100 d內，高錳酸鹽指數的遷移距離達到9.8 m，鎳的遷移距離達到10.6 m，之后濃度迅速降低至《標準》規定的Ⅲ類標準，且隨著時間的推移，濃度降低的速度減緩，因此污染發生后的100 d內是化工企業治理地下水污染的最佳時期，此期間，企業應加強監控，及時采取措施防止污染大面積擴散。同時，高錳酸鹽指數在地下水中污染范圍為：100 d最大遷移距離為11.6 m，3 a(1 000 d)最大遷移距離為41 m，10 a(3 650 d)最大遷移距離為89.2 m，20 a(7 300 d)最大遷移距離為139.9 m；鎳在地下水中污染范圍為：100 d最大遷移距離為10.8 m，3 a(1 000 d)最大遷移距離為38.2 m，10 a(3 650 d)最大遷移距離為62.5 m，20 a(7 300 d)最大遷移距離為107.9 m。根據本項目污水池距離廠界最近距離約為2.8 m，2種污染物在100 d時遷移距離已分別超出廠界8.8和8.0 m，污染物沿著地下水水流方向不斷向下游擴散，濃度隨著遷移距離的增加不斷降低。

由此可知，突發事故條件下地下水中污染物擴散速度快，且特征污染物初始濃度較高，因此本項目場地建設時應重點做好防滲處理，并對污染源進行跟蹤監測，一旦發現泄漏，及時處理，同時項目運行期內加強設備維修和生產管理，防止滴漏等無組織排放。

2.2 風險評價結果與分析

根據研究區地下水總體流向(自西北向東南)，在建設項目場地西北、東南方向1 000 m處各設置一個監測井，編號為W1，W2，在建設項目場地內設置一個監測井，編號為W3，分別進行風險評價。

應用前文建立的風險評價方法對該化工廠特征污染物對周邊地下水的影響進行風險評價，結果如圖2所示。

結果表明，位于污染場地地下水流上游的W1，高錳酸鹽指數和鎳濃度始終為0，說明該化工廠不會對上游的地下水造成污染，W1監測井屬低污染風險等級。位于污染場地地下水流下游的W2，高錳酸鹽指數濃度和鎳的濃度均隨時間的推移呈顯著上升趨勢，40 a(14 500 d)后高錳酸鹽指數濃度超過3 mg/L，41 a(15 000 d)后鎳濃度超過0.05 mg/L，屬較高污染風險。位于建設項目場地內的W3，高錳酸鹽指數和鎳濃度與時間的相關性不大，波動明顯，究其原因可能是受到人為活動和降水等的影響，導致該化工廠特征污染物變化趨勢難以判斷，但總體上，高錳酸鹽指數濃度始終在0～2 mg/L內，鎳濃度始終介于0～0.05 mg/L，因此W3屬中等污染風險。

綜上所述，位于研究區下游的監測井受地下水污染的風險較高，水質影響嚴重，因此工廠在生產過程中應對廢水進行合理的回用和治理，對排污管道、污水處理設備進行定期檢查，以防止和降低污水的滴漏，將污染物泄漏的地下水風險事故降至最低，制定風險應急預案和應急治理程序，一旦發生事故，防止其向下游進一步擴散。

圖2 監測井污染物濃度模擬計算值

3 討論與結論

(1) 突發事故后100 d，高錳酸鹽指數最大遷移距離11.6 m，鎳最大遷移距離10.8 m，分別超出廠界范圍8.8 m和8.0 m，地下水中污染物擴散速度快，因此本項目場地建設時應重點做好防滲處理，并對污染源進行定期跟蹤監測，一旦發現泄漏，及時處理應急措施，項目運行期加強設備維修和生產管理，防止滴漏等無組織排放，同時規范工程防滲分區。

(2) 利用構建的風險評價方法對該化工廠地下水污染進行評價，結果表明，W1屬于低污染風險等級，W2屬于較高污染風險等級，有向高污染風險靠近的趨勢，W3屬于中等污染風險等級。因此工廠在生產過程中需對排污管道、污水處理設備進行定期檢查，將污染物泄漏的地下水風險事故降至最低，同時制定風險應急預案和應急治理程序，一旦發生事故，立即采取應急措施，防止其向下游進一步擴散。

(3) 利用構建的地下水污染預測模型對該化工廠地下水污染進行預測，結果與張韻等[19]利用Visual Modflow軟件得到的重慶某化工園區地下水污染預測結果類似，地下水污染范圍相對較小，但對水質影響嚴重，且本文所采用的預測方法更為簡單有效；利用構建的風險評價方法對該化工廠地下水污染進行評價，結果與劉增超等[18]對某危險廢物填埋場地下水污染風險評價結果類似，位于項目建設地上游的監測井屬于低風險等級，位于下游的監測井屬于較高污染風險等級，說明污染源與污染物在地下水中的遷移過程共同影響了地下水污染風險等級。

(4) 本文采用的地下水溶質運移解析模型基于一維穩定流速的地下水流動，不能求解二維或三維地下水流動情況下的溶質運移問題，因此污染源在二維或三維地下水流動系統中運移的情況還有待進一步開發。

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ForecastandRiskAssessmentofGroundwaterPollutioninaChemicalPlantinHuai’anCity,JiangsuProvince

MA Qunyu, BIAN Xue, LIU Chuye, ZHAO Yanwen

(CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,Jiangsu210095,China)

[Objective] The risk of groundwater pollution was evaluated, in order to provide a simple and effective new method for groundwater pollution forecast and risk assessment of both similar construction projects and enterprises’ independent environmental impact assessment. [Methods] A solute transport model based on the mathematical model of solute transport was established to predict the pollution levels of CODMnand Ni. And a risk assessment method for groundwater protection was developed to evaluate the groundwater contamination risk. [Results] After 100 d of a sudden accident, the maximum migration distance of CODMnwas 11.6 m, for Ni, it was 10.8 m, having 8.8 m and 8.0 m spreads beyond the boundary of this factory, respectively. The monitor well W2was determined as higher pollution risk level, and W3as middle pollution risk level. [Conclusion] Pollutants such as CODMnand Ni in the groundwater diffuse rapidly, affect water quality seriously, so that track monitoring should be strengthened and the impermeability should be checked regularly.

groundwater;pollutionforecast;analyticalsolution;solutetransport;riskassessment

A

1000-288X(2017)05-0297-05

X523

文獻參數： 馬群宇, 卞雪, 劉楚燁, 等.淮安市化工企業地下水污染預測與風險評價[J].水土保持通報，2017,37(5)：297-301.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.050； Ma Qunyu, Bian Xue, Liu Chuye, et al. Forecast and risk assessment of groundwater pollution in a chemical plant in Huai’an City, Jiangsu Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：297-301.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.050

2017-03-26

2017-04-26

國家自然科學基金重點項目“農村發展中生態環境管理研究”(70833001)

馬群宇(1990—),女(漢族),浙江省海寧市人,碩士研究生,主要從事水土保持、環境規劃與評價研究。E-mail:371408037@qq.com。

趙言文(1965—),男(漢族),江蘇省徐州市人,教授,博士生導師,主要從事水土保持、環境生態學、環境影響評價研究。E-mail:ywzhao@njau.edu.cn。