楊天宇

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

地下水是組成地球系統(tǒng)的重要自然資源，在地質(zhì)構造與水循環(huán)系統(tǒng)中時刻傳遞復雜龐大的信息。目前，受人類活動和氣候條件影響地下水資源正面臨著日趨突出的問題，如工農(nóng)業(yè)的發(fā)展、城鎮(zhèn)化進程的加快、水資源開采技術的進步等對地下水及其生態(tài)環(huán)境構成嚴重的威脅。地下水具有一定的隱蔽性與延遲性，因此通常情況下不易發(fā)覺水體是否已被污染，而一旦察覺則其修復與治理工程角度較大，不易開展且所需資金投入較高。所以，對地下水體污染防治方面是目前水資源與水環(huán)境研究的熱點。當前，地下水污染風險及其脆弱性分析的相關研究較多，主要是探討分析地下水體在潛在污染源作用下可能被污染的程度以及地下水系統(tǒng)抵抗污染的能力。隨著地下水污染監(jiān)測方法的不斷改進以及評價方法的逐漸完善，地下水負向演化、惡化趨勢以及污染現(xiàn)狀的分析逐漸得以發(fā)展，在地下水資源管理與保護、水資源可持續(xù)利用等方面發(fā)揮著重要作用。已有相關研究涉及水生態(tài)環(huán)境、人類健康與地下水污染預警等內(nèi)容相對較少。據(jù)此，本文通過分析地下水體污染預警指標及其涵義，模擬大凌河集中式飲用水水源地地下水污染預警體系，以期為該區(qū)域地下水體污染控制、監(jiān)測以及防治提供一定參考依據(jù)。

1 構建地下水污染預警模型

地下水污染預警是對未來水質(zhì)發(fā)展趨勢，通過對現(xiàn)有污染源和水文地質(zhì)條件的調(diào)查、監(jiān)測和分析進行定量化預測，分析地下水在某一時段內(nèi)可能發(fā)生的污染程度和污染區(qū)域，從而在地下水污染之前實現(xiàn)準確、客觀的預報和預警。根據(jù)地下水污染源的特征和范圍可將預警指標劃分為潛在污染源、地下水脆弱性、地下水水質(zhì)變化趨勢和地下水功能預警四種類型，它不僅綜合了地下水水質(zhì)、污染源潛在污染能力、包氣帶過渡地帶防護性能以及地下水水量等因素，而且可構成地下水污染預警系統(tǒng)的主要內(nèi)容。本文根據(jù)地下五級水污染風險和四級突發(fā)環(huán)境事件應急預案，將預警等級劃分為四個級別和無預警級別，按照不同的灰色、藍色、黃色、橙色和紅色代表不同的預警等級。

根據(jù)溶質(zhì)遷移轉化模型以及飽和帶、包氣帶水流模型對污染物在地下水系統(tǒng)中的轉移轉化過程進行模擬預測，從而實現(xiàn)對保護目標影響程度的預測分析，然后根據(jù)不同區(qū)域地下水污染程度和影響范圍確定相應的預警級別，該過程為地下水污染預警的過程模擬主要內(nèi)容。它不僅可對地下水系統(tǒng)中的水質(zhì)與水量進行綜合的評價分析，而且可進一步驗證模型本身的可靠性與可行性。溶質(zhì)遷移轉化模型以及飽和帶、包氣帶水流模型可涵蓋整個水系統(tǒng)的預警指標。地表潛在污染源是指包氣帶過程模擬中的“源”，其實現(xiàn)“路徑”是指垂向包氣帶在污染源處的厚度范圍，潛水含水層水面是實現(xiàn)該過程模擬的“目標”。

在地下水脆弱性分析中DRASTIC模型應用較為普遍，對模型評價指標應根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H狀況進行分析，模擬范圍內(nèi)地形坡度T和凈補給量相差不大；包氣帶厚度可通過地下水埋深D替代，而地下水脆弱性受包氣帶厚度及其巖性的影響作用可通過包氣帶影響I反映。溶質(zhì)運移模型綜合考慮了潛在污染源的特征以及污染物濃度、種類、降解系數(shù)與吸附系數(shù)等內(nèi)容，并且還分析了污染物的釋放途徑、排放量以及污染源類型等。所以，包氣帶過程模擬是綜合考慮了潛在污染源、地下水埋深D、包氣帶影響I、凈補給量R以及地形坡度T等預警因子。采用松散連接作為包氣帶與飽和帶之間的鏈接方式，在本研究中可體現(xiàn)在如下方面：從地面達到潛水面的最大污染物濃度值為Cmax；飽和帶過程模擬的上部邊界輸入條件可通過文件的形式進行反映。

進入到潛水含水層水面的污染物為飽和帶過程模擬的“源”，其實現(xiàn)“路徑”是指地下水的徑流方向，具有重要意義的河流、井和泉為實現(xiàn)該過程模擬的“目標”。建立飽和帶水流模型的重要參數(shù)和基礎材料主要包括含水層導水系數(shù)C和含水層介質(zhì)A，并且在該模型中的地下水資源功能可通過地下水水位變化情況進行反映，地下水地質(zhì)環(huán)境功能可通過水文地質(zhì)概念模型體現(xiàn)，而地下水生態(tài)功能可根據(jù)二維穩(wěn)定流模型反映，地下水水質(zhì)變化趨勢預警因子根據(jù)飽和帶溶質(zhì)運移模型體現(xiàn)。所以，飽和帶過程模擬是綜合考慮了含水層介質(zhì)A、導水系數(shù)C、地下水功能以及水質(zhì)變化趨勢等。

2 實例應用

2.1 大凌河流域概況

大凌河流域位于我國遼寧省西部，全長398km，流域內(nèi)大小支流交錯，面積約2.35萬km2，坡降比為2.35‰，為遼寧省重要的生活用水及工農(nóng)業(yè)用水的主要來源之一；屬于大陸性季風氣候，年降雨量為450～600mm，受地形與氣候環(huán)境等因素影響，全年58%以上的降水量集中在6～9月份；年平均溫度為8.5～10.0℃，并且季節(jié)性溫差較大。流域內(nèi)地勢結構以低山、低丘陵區(qū)為主，局部地區(qū)為平原區(qū)，汛期暴雨時洪峰流量較大，且可預見期短。地下水側向徑流、遼河入滲以及大氣降雨入滲為該區(qū)域地下水主要補給來源。

本文主要是針對錦州市大凌河集中式飲用水水源地，在降水作用下土壤中的污染物經(jīng)包氣帶進入含水層和地下水體中的遷移轉化規(guī)律進行分析，并對該區(qū)域供水井水質(zhì)的影響作用預測，給出了水體污染預警級別。

2.2 包氣帶過程模擬

利用Hydurs- 1D軟件建立污染物遷移轉化和垂向一維水流模型為包氣帶過程模擬的主要內(nèi)容，通過模擬包氣帶中垃圾堆場地內(nèi)土壤的硝酸鹽氮、氨氮以及有機氮濃度變化，污染物到達潛水面的濃度大小等揭示污染物遷移轉化規(guī)律。根據(jù)場地包氣帶介質(zhì)可將模型從上至下劃分為三個層次，即種植土層、細砂層以及粗砂含礫層。場地中有機氮濃度為2.45mg/L、氨氮為1.12mg/L、硝酸鹽氮為4.70mg/L，氨氮的線性吸附和消化作用以及硝酸鹽氮的反消化作用為包氣帶過程模擬的主要方面，模擬時間為7200d。隨著時間的推移，包氣帶模擬出的硝酸鹽氮以及氨氮濃度變化趨勢如圖1所示。

圖1 硝酸鹽氮與氨氮濃度變化趨勢

根據(jù)上圖變化趨勢可知，在降雨淋濾作用下場地土壤中的硝酸鹽氮在第1年即可達到潛水含水層，而氨氮穿過包氣帶到達潛水含水層則需要6年時間。在前12年期間，硝酸鹽氮和氨氮達到地下水水面的濃度值隨時間的延續(xù)呈對數(shù)增長的變化趨勢，然后逐漸趨于穩(wěn)定，其中硝酸鹽氮達到最大濃度值為12.25mg/L，氨氮濃度為1.06×10-3mg/L。氨氮濃度相對于輸入基準值降低，而硝酸鹽氮逐漸增大，由此表明該場地的氨氮硝化作用大于硝酸鹽氮的反硝化，該區(qū)域Eh值處于較高范圍并屬于氧化環(huán)境，同時表明該區(qū)域河流、水井以及泉受硝酸鹽氮進入含水層的影響作用較大。

2.3 飽和帶過程模擬與預警分區(qū)

選取含水層巖性為粗砂、砂卵石以及砂礫石為主的區(qū)域作為飽和帶過程模擬范圍，模擬區(qū)占地面積21km2，長寬為3100m×6800m。將含水層系統(tǒng)沿垂向劃分為粗砂、亞黏土和砂礫石層次，分別對應于25m的潛水層、6m厚的弱透水層以及30m厚的承壓含水層，各層次滲透系數(shù)、給水度等參數(shù)見表1。

表1 含水層水文地質(zhì)條件

模型底部水流的下滲可通過頂部補給邊界進行補給，由于該區(qū)域水流方向為東南流向西北，因此可將補給流量和排泄邊界分別選取為東南部和西北部相鄰河流。隔水邊界選取承壓含水層底板并將其作為模型模擬底部，補給來源主要有河流、側向徑流或排泄、測向補給等，采取人工開采的方式作為排泄項。模擬區(qū)域地下水流速度較慢且面積較小，因此可采取二維穩(wěn)定流模型作為該區(qū)域的水流概化狀況。然后將示蹤粒子設置于場地單元格內(nèi)，污染物在降雨淋濾作用下到達地下水后的遷移路徑，可通過MODPATH模塊進行模擬，結果表明示蹤粒子在水源地供水時可隨地下水水流運移并偏向于供水井的流向。若不能采取有效的防范措施，在長期的淋濾作用下場地內(nèi)的土壤終將污染該區(qū)域的水源地。

結合包氣帶模擬結果，模型頂部的硝酸鹽輸入濃度為12.25mg/L，氨氮輸入濃度為1.06×10-3mg/L，人類活動是影響硝酸鹽氮污染的關鍵因素，并以人為因素最為明顯。因此，在地下水水流運動分析時可選取影響較大的硝酸鹽氮，并將其作為供水井水質(zhì)影響的關鍵因子。

在飽和帶過程模擬時不考慮其他硝酸鹽氮的來源、背景值、吸附作用以及反硝化作用，而僅僅考慮含水層中硝酸鹽氮的對流-彌散效應。因此，在預警等級設定時，只要滿足水源井硝酸鹽氮預警值即可發(fā)出警報。模型中共包括承壓與潛水含水層，相對于潛水含水層的污染治理，承壓含水層的治理難度更大，地下水系統(tǒng)的恢復和治理工作更加困難，難以準確預測水體污染對生態(tài)環(huán)境、人類健康的風險程度，因此在劃定預警臨界值時應充分考慮其與潛水含水層之間的區(qū)別以及關聯(lián)作用。

硝酸鹽氮在包氣帶底部濃度進入含水層時可明顯降低，并且隨著模擬時間的延長，場地含水層的硝酸鹽氮濃度呈逐漸增加的趨勢，因此對潛水層預警界線可采取四分位距法進行確定，相應的警戒值分別為1.20mg/L、2.5mg/L和5.00mg/L。抽水井、潛水含水層、承壓含水層中的最大硝酸鹽氮濃度在不同時間的取值范圍見表2。

表2 最大硝酸鹽氮濃度值取值范圍

由表2統(tǒng)計結果可以看出，潛水層中的最大污染物濃度值在相同時間段內(nèi)基本是承壓含水層的50倍，因此在設定預警等級臨界值時承壓層預警應為潛水層的1/50，因此其警戒線為0.03mg/L、0.06mg/L、0.12mg/L。

對比分析不同時間內(nèi)水源井的硝酸鹽氮濃度范圍以及污染暈中的硝酸鹽氮最大濃度值，結果顯示污染物濃度在場地土壤持續(xù)堆放垃圾的條件下進入地下水環(huán)境中，并且隨著地下水流方向污染暈質(zhì)心不斷增大，其影響范圍也逐漸擴大。水源井濃度和最大濃度值不斷增加，承壓層預警級別的劃分相對于潛水含水層應更加慎重。潛水含水層的預警級別隨著時間推移應低于承壓含水層，從而實現(xiàn)承壓含水層水資源的更好保護。時間與承壓含水層最大污染物濃度值呈指數(shù)相關性，其相關系數(shù)R2達到0.9826；而與潛水含水層呈線性相關性，其相關系數(shù)R2為0.9730，由此表明可利用該模型進行更長時間序列的預測。

2.4 預警管理措施

根據(jù)上述不同含水層的預警分析結果，對其管理措施主要可分為預防、監(jiān)測、控制等，其中預防和監(jiān)測應主要分布于一級和零級預警區(qū)。監(jiān)測是指將監(jiān)測網(wǎng)布置于水源地污染暈附近范圍，通過監(jiān)測污染物濃度的變化速度和污染暈擴散速率分析其時空變化趨勢；而預防措施是指在對硝酸鹽氮達到水源地時間范圍內(nèi)進行模擬預測。在零級預警區(qū)范圍內(nèi)，可通過采取適當?shù)姆罎B措施處理堆積的垃圾及其場地土壤，對地下水中的污染物可利用合適的清除措施進行潔凈處理。對于一級預警區(qū)已經(jīng)達到水源地的硝酸鹽氮，其濃度較低，因此可采取的措施有：移走場地垃圾并切斷污染源，適當處理場地土壤；利用注水或抽水的方式改變模擬區(qū)的地下水流場，并以此改變污染物的擴散方向，避免向水源地擴散。

監(jiān)測和控制措施主要發(fā)生在二至四級預警區(qū)范圍，地下水污染預警在達到此程度時，其水質(zhì)已表現(xiàn)出較為顯著的惡化趨勢并且污染物濃度往往較高。據(jù)此，應在調(diào)查分析污染途徑和主要污染源的基礎上，及時切斷地下水污染源并采取如下控制措施：對含水層系統(tǒng)中的貯存量通過抽水或注水的方式進行改變，對已經(jīng)被污染的地下水利用合適的物理化學法進行凈化處理，為防止污染物進一步向含水系統(tǒng)擴散可采取生物法對污染較重的包氣帶進行處理；對地下水中的污染物彌散過程可通過截留或堵塞措施進行控制，并以此防止進入水源地。

地下水中的污染物濃度在二至四級預警區(qū)往往較高，并對水質(zhì)已造成明顯的影響，在此條件下應對地下水污染進行及時的觀測并在短期內(nèi)熟知污染物濃度、類型、來源、污染物及其可能造成的各種影響。與此同時，還需要在短期內(nèi)及時制定一整套科學、適用的監(jiān)測方案，對各影響因素進行充分的分析。

3 結論

本文以大凌河集中式飲用水水源地為例，對場地土壤場地硝酸鹽氮、氨氮到達地下水水面的詳細過程利用包氣帶過程模擬進行了深入分析，并在此基礎上制定了相應的臨界值。

(1)在降雨淋濾作用下場地土壤中的硝酸鹽氮在第1年即可達到潛水含水層，而氨氮穿過包氣帶到達潛水含水層則需要6年。在前12年期間，硝酸鹽氮和氨氮達到地下水水面的濃度值隨時間的延續(xù)呈對數(shù)增長的變化趨勢，然后逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)相對于潛水含水層的污染治理，承壓含水層的治理難度更大，地下水系統(tǒng)的恢復和治理工作更加困難，難以準確預測水體污染對生態(tài)環(huán)境、人類健康的風險程度，因此在劃定預警臨界值時應充分考慮其與潛水含水層之間的區(qū)別以及關聯(lián)作用。

(3)污染物濃度在場地土壤持續(xù)堆放垃圾的條件下進入地下水環(huán)境中，并且隨著地下水流方向污染暈質(zhì)心不斷增大，其影響范圍也逐漸擴大。水源井濃度和最大濃度值不斷增加，承壓層預警級別的劃分相對于潛水含水層應更加慎重。

(4)潛水含水層的預警級別隨著時間推移應低于承壓含水層，從而實現(xiàn)承壓含水層水資源的更好保護。時間與承壓含水層最大污染物濃度值呈指數(shù)相關性，而與潛水含水層呈線性相關性。