【地下水環(huán)境數(shù)值模擬】河北某電鍍污染場(chǎng)地Cr6+污染（六價(jià)鉻污染）調(diào)查

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:1 研究區(qū)概況

選取位于河北省某村東北方向的養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的某電鍍廠為研究對(duì)象。研究區(qū)電鍍污染場(chǎng)地面積為0.62km2 ，屬低山丘陵區(qū)，地勢(shì)北高南低，處在溝谷中，場(chǎng)地兩側(cè)為山體。污染源距離居民區(qū)最近距離約 125m。由于電鍍車(chē)間渡槽內(nèi)電鍍液出現(xiàn)滲漏，導(dǎo)致下游水井出現(xiàn)明顯的變色?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采樣后，經(jīng)化驗(yàn)分析下游地下水 Cr 6+質(zhì)量濃度超過(guò)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值近 800 倍，地下水受到嚴(yán)重污染。污染場(chǎng)地包氣帶結(jié)構(gòu)受地形地貌和水文地質(zhì)條件的控制，場(chǎng)地內(nèi)包氣帶厚度為2.68～5.15m，平均厚度為 3.38m。其巖性大部分以第四系粉土夾碎石為主，局部地區(qū)為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖。污染源處(鍍槽和洗槽位置)人工開(kāi)挖深度已達(dá) 2.8m，揭穿了包氣帶，因此該處現(xiàn)狀包氣帶厚度為 0 m，滲漏出的污染物可直接進(jìn)入含水層并向下游運(yùn)移。

2 研究方法

世界發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展污染場(chǎng)地的調(diào)查工作是在不同目的(一般以風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、污染修復(fù)為目的) 驅(qū)動(dòng)下、按階段進(jìn)行的，不同國(guó)家對(duì)調(diào)查階段的劃分、命名及涵蓋的工作內(nèi)容是不同的。我國(guó)Cr6+污染（六價(jià)鉻污染）場(chǎng)地調(diào)查的技術(shù)路線、原則、內(nèi)容及方法如下。

2.1 技術(shù)路線

污染場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查技術(shù)流程為:在資料收集、現(xiàn)場(chǎng)踏勘、人員訪談的基礎(chǔ)上進(jìn)行初步采樣計(jì)劃，根據(jù)評(píng)估數(shù)據(jù)判斷是否進(jìn)行詳細(xì)采樣，之后根據(jù)采樣化結(jié)果等資料進(jìn)行報(bào)告編制工作，最后提出對(duì)策建議，為下一步污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 原則

a． 針對(duì)性原則。針對(duì)場(chǎng)地的特征和潛在污染物特性，進(jìn)行污染濃度和空間分布調(diào)查，為場(chǎng)地的環(huán)境管理提供依據(jù)。

b． 規(guī)范性原則。采用程序化和系統(tǒng)化的方式規(guī)范場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查過(guò)程，保證調(diào)查過(guò)程的科學(xué)性和客觀性。

c． 可操作性原則。綜合考慮調(diào)查方法、時(shí)間、經(jīng)費(fèi)等因素，結(jié)合現(xiàn)階段科技水平和相關(guān)人員素質(zhì)，使調(diào)查過(guò)程切實(shí)可行。

2.3 內(nèi)容

a.開(kāi)展污染區(qū)與周邊的環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查，明確地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給、徑流和排泄的方式。查明調(diào)查區(qū)內(nèi)的相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。

b. 開(kāi)展地下水水位統(tǒng)測(cè)工作，明確地下水的補(bǔ)排關(guān)系，圈定可能受鍍鉻液滲漏威脅的范圍。

c. 開(kāi)展全面的土壤、地下水采樣測(cè)試工作，確定現(xiàn)狀 Cr6+濃度的分布情況，確定污染范 圍和程度。

d. 評(píng)價(jià)污染場(chǎng)地地下水和土壤的污染程度。

e. 建立場(chǎng)地水文地質(zhì)數(shù)值模型，預(yù)測(cè) Cr6+污染范圍及其風(fēng)險(xiǎn)變化。

f. 勘察污染場(chǎng)地的地質(zhì)條件，為后期的污染治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2. 4 方法

污染場(chǎng)地調(diào)查工作所采取的方法一般包括調(diào)查訪問(wèn)、資料收集、地形測(cè)繪、專項(xiàng)水文地質(zhì)測(cè)繪、地球物理勘探、工程點(diǎn)測(cè)量、工程地質(zhì)鉆探、水文地質(zhì)鉆探、監(jiān)測(cè)井建設(shè)、簡(jiǎn)易抽水試驗(yàn)、水位統(tǒng)測(cè)、取土樣分析化驗(yàn)、取水樣分析化驗(yàn)、三維水質(zhì)模擬等。在實(shí)際工作中可根據(jù)項(xiàng)目所需經(jīng)費(fèi)、時(shí)間及場(chǎng)地情況進(jìn)行適當(dāng)選取。本研究主要介紹取土樣分析化驗(yàn)、取水樣分析化驗(yàn)、三維數(shù)值模擬 3 種主要方法。

2.4.1 取土樣分析化驗(yàn)

參考 HJ 25.1—2014《場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查技術(shù)導(dǎo)則》和 HJ 25. 2—2014《場(chǎng)地環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》相關(guān)要求，依據(jù) HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和 GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求，結(jié)合工程地質(zhì)取樣鉆探工作，開(kāi)展土壤取樣監(jiān)測(cè)工作。土壤分析化驗(yàn)項(xiàng)目為 Cr6+ 、Cu、Pb、Zn、Cd、As、Hg、Cr、Ni 和 pH 共計(jì) 10 項(xiàng)。另外對(duì)鍍槽四壁及周邊土壤進(jìn)行取樣，按照 HJ/T 298—2007《危險(xiǎn)廢物鑒別技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行危險(xiǎn)廢物鑒別試驗(yàn)(圖1)。

圖 1 場(chǎng)地平面布置及土壤采樣布點(diǎn)

2.4 2 取水樣分析化驗(yàn)

依據(jù) HJ/T 164—2004《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》、HJ 493—2009《水質(zhì)采樣樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》和 GB/T 14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求，開(kāi)展地下水取樣工作。根據(jù)地下水流場(chǎng)特征確定具體取樣位置，以受污染源威脅的居民井為取樣對(duì)象，以圈定現(xiàn)狀污染范圍為主要目的(圖2)。地下水分析化驗(yàn)指標(biāo)主要有 K+、Na+、Ca2+ 、Mg2+ 、Fe2+ 、Fe3+ 、Cu、Pb、Zn、Cl－、SO2－4、HCO3、CO2－3、NO3、F－、CN－、全硬度、永久硬度、暫時(shí)硬度、負(fù)硬度、總酸度、總堿度、溶解性總固體、As、Hg、Se、Cr 6+ 、Cr 3+ 、Cd、游離 CO2 、Ni、Al、Mn、COD Mn 、pH 和石油類共計(jì)36 項(xiàng)。

2.4.3 三維數(shù)值模擬

根據(jù)地下水三維數(shù)值模擬相關(guān)要求，結(jié)合環(huán)境水文地質(zhì)測(cè)繪工作進(jìn)行模擬。工作目的是為預(yù)測(cè)污染范圍和優(yōu)化修復(fù)治理工程布置提供依據(jù)。采用Visual MODFLOW 4.1 模擬軟件進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖 2 地下水采樣布點(diǎn)

3 結(jié)果分析

3.1 土壤評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，污染場(chǎng)地存在個(gè)別土樣鎘、銅和鎳超過(guò)GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)，其中鎘超標(biāo)點(diǎn)存在于鍍槽處，銅超標(biāo)點(diǎn)存在于鍍槽邊，鎳超標(biāo)點(diǎn)存在于鍍槽邊、截流槽、傾倒點(diǎn)和上游背景值監(jiān)測(cè)點(diǎn)。依據(jù)DB11/T 811—2011《場(chǎng)地土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)篩選值》相關(guān)要求，以實(shí)測(cè)值與土壤風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)值之比作為污染指數(shù) F，其土壤污染分級(jí)按照如下原則:F≤1表示未受污染;F ＞1 表示已受污染，F(xiàn) 值越大污染風(fēng)險(xiǎn)越高。通過(guò)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果得知，污染風(fēng)險(xiǎn)因子為 Cr 6+和 Ni，其中Cr 6+ 的污染指數(shù)為1. 0～1.87，污染最重，Ni 的污染指數(shù)為 1. 0 ～1.04，污染較輕。通過(guò)對(duì)鍍槽和截流坑處的受污染土壤進(jìn)行危險(xiǎn)廢物鑒別，依據(jù) GB 5058.3—2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)—浸出毒性鑒別》相關(guān)規(guī)定，確認(rèn)項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)受污染的土壤不是危險(xiǎn)廢物。

3.2 地下水評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)對(duì)污染場(chǎng)地附近 30 眼水井水進(jìn)行分析化驗(yàn)，項(xiàng)目場(chǎng)地地下水質(zhì)量距離污染源由近到遠(yuǎn)呈現(xiàn)出較差、良好、優(yōu)良的分布趨勢(shì)，其中 14 眼監(jiān)測(cè)井呈現(xiàn)較差水質(zhì)。污染場(chǎng)地內(nèi)地下水中呈現(xiàn)地下水質(zhì)量Ⅴ類因子的全部為 Cr 6+ ，呈現(xiàn)地下水質(zhì)量Ⅳ類因子的主要有 Cr 6+ 和 Fe。依據(jù)《地下水環(huán)境狀況調(diào)查評(píng)價(jià)工作指南》相關(guān)要求，對(duì)項(xiàng)目場(chǎng)地地下水進(jìn)行了現(xiàn)狀污染評(píng)價(jià)，污染指數(shù) P 為評(píng)價(jià)因子實(shí)測(cè)值和背景值之差與標(biāo)準(zhǔn)值(《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類限值)

之比。污染指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為 P≤0，污染級(jí)別為Ⅰ級(jí)，污染分級(jí)為未污染；0 ＜ P≤0. 2，污染級(jí)別為Ⅱ級(jí)，污染分級(jí)為輕污染;0. 2 ＜ P≤0. 6，污染級(jí)別為Ⅲ級(jí)，污染分級(jí)為中污染；0. 6 ＜ P≤1. 0，污染級(jí)別為Ⅳ級(jí)，污染分級(jí)為較重污染;1. 0 ＜ P≤1. 5，污染級(jí)別為Ⅴ級(jí)，污染分級(jí)為嚴(yán)重污染;P ＞1. 5，污染級(jí)別為Ⅵ級(jí)，污染分級(jí)為極重污染。通過(guò)取樣化驗(yàn)結(jié)果可知，項(xiàng)目場(chǎng)地地下水質(zhì)量距離污染源由遠(yuǎn)及近呈現(xiàn)出未污染、輕污染、中污染、較重污染、嚴(yán)重污染、極重污染的分布趨勢(shì)。其中 13 眼監(jiān)測(cè)井呈現(xiàn)極重污染，污染因子為 Cr6+ 和 Fe;2 眼監(jiān)測(cè)井呈現(xiàn)嚴(yán)重污染，污染因子為 Cr6+ 和 Fe;1 眼監(jiān)測(cè)井呈現(xiàn)較重污染，污染因子為 Cr6+ ;3 眼監(jiān)測(cè)井呈現(xiàn)中污染，污染因子為石油類、Mn 和 Fe;9 眼監(jiān)測(cè)井呈現(xiàn)輕污染，污染因子為 Cr 6+ 、SO2 －4、Ni、Zn、Fe、Pb、石油類和溶解性總固體;2 眼監(jiān)測(cè)井呈現(xiàn)未污染。

3.3 地下水污染預(yù)測(cè)

在現(xiàn)狀水文地質(zhì)條件和地下水流場(chǎng)不發(fā)生改變的情況下，污染場(chǎng)地電鍍廢水泄露造成的污染將會(huì)繼續(xù)。運(yùn)用 Visual MODFLOW 軟件在研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上建立地下水流數(shù)值模型對(duì)污染情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體過(guò)程如下。

3.3.1 含水層概化

研究目標(biāo)為潛水含水層，厚度為 20 ~30 m。結(jié)合場(chǎng)地含水層分布情況的勘查，將地下水系 統(tǒng)模型概化為兩層:將地表以下第四系覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化片麻巖分布區(qū)域概化為第一層(含水層);將第一層底板以下的中風(fēng)化、微風(fēng)化及完整未風(fēng)化片麻巖分布區(qū)域概化為第二層(隔水層)。將含水層概化為非均質(zhì)各項(xiàng)同性介質(zhì)。

3.3.2 邊界條件概化

模擬區(qū)上邊界為潛水面，垂向上受到大氣降水和蒸發(fā)的影響。下邊界取潛水含水層底部隔水層，由于其下部為風(fēng)化程度較低的片麻巖組成，為較好的隔水層，故將其概化為零通量邊界。四周邊界在概化時(shí)，考慮到地形地貌的影響以及地下水特征和實(shí)際資料，確定模型東、西、北 3 個(gè)方向?yàn)槎ㄋ^邊界。

3.3.3 地下水流特征

模擬區(qū)為潛水含水層，地下水流受到地形控制，由地勢(shì)高的地區(qū)流向地勢(shì)低的地區(qū)，地下水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給。排泄途徑為垂向蒸發(fā)、側(cè)向徑流排泄。鑒于調(diào)查區(qū)內(nèi)地下水含水層介質(zhì)單一，分布均勻，可將該區(qū)地下水徑流概化為二維穩(wěn)定流。

3.3.4 模型檢驗(yàn)

在進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)前，需要對(duì)模擬效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用污染場(chǎng)地前期的地下水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果作為校正標(biāo)準(zhǔn)。利用機(jī)井中Cr6+濃度與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)污染場(chǎng)地的第10 天的采樣化驗(yàn)結(jié)果對(duì)三維數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了校正，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值有較好的一致性，模擬結(jié)果的可信度較高。

3.3.5 地下水污染預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)對(duì)污染場(chǎng)地三維數(shù)值模擬，得出地下水污染預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 1。圖 3為發(fā)生污染的第10天、第90天、第180天和第360天的 Cr6+污染羽分布情況。

(a)第 10 天

(b)第 90 天

(c)第 180 天

(d)第 360 天

圖 3 發(fā)生污染后不同時(shí)間 Cr 6+ 污染羽分布情況

由圖 3 可以看出，受到地下水流向的影響，污染場(chǎng)地北部及東北部位于地下水上游區(qū)域，未受到污染。從污染初期到電鍍廢水停止泄露的第 90 天，Cr6+的污染羽已經(jīng)由廠區(qū)擴(kuò)散到居民區(qū)，污染面積達(dá) 14772m2 ，部分居民區(qū)水井中Cr6+濃度已經(jīng)超過(guò)地下水質(zhì)量的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(0.05mg/L)。在第 90天至180天，由于電鍍廢水停止泄露，高濃度污染區(qū)Cr6+ 濃度降低，最高質(zhì)量濃度由 2766 mg/L 降至169mg/L，但污染范圍持續(xù)擴(kuò)大至 19888m2 ，污染范圍已經(jīng)超出了模擬區(qū)域，向調(diào)查區(qū)西南方向擴(kuò)散。在污染發(fā)生的第 360 天，Cr6+最高質(zhì)量濃度降至12mg/L。電鍍廢水中的 Cr6+大量被截流在含水層中，剩余部分隨水流向地下水下游區(qū)域擴(kuò)散。通過(guò)模擬未進(jìn)行人工干預(yù)治理時(shí)Cr6+在污染場(chǎng)地的時(shí)間和空間的分布情況發(fā)現(xiàn)，受地下水流向和含水層介質(zhì)的影響，在電鍍廢水停止泄露后的180d內(nèi)，調(diào)查區(qū)西南部大片區(qū)域的地下水有被污染的風(fēng)險(xiǎn)，污染物流經(jīng)的含水層也會(huì)截流大量污染物，增大后續(xù)污染治理的難度。因此，對(duì)污染區(qū)域采取及時(shí)有效的治理措施是十分必要的。

原標(biāo)題:【地下水環(huán)境數(shù)值模擬】河北某電鍍污染場(chǎng)地Cr6+污染調(diào)查