趙嵐，李俊葉

（華東交通大學理工學院，江西南昌330000）

隨著中國城市化和工業(yè)化的迅速發(fā)展，工業(yè)和生活污水排放越來越多，導致地下水的水質不斷惡化。近年來頻繁發(fā)生的水污染事件表明，目前水資源的污染狀況已經(jīng)非常嚴重，因此水污染預測也就成為環(huán)境保護領域的研究熱點[1]。為解決上述問題，更好的進行環(huán)境保護工作，對有限元離散模型在化工區(qū)地下水污染預測中的應用方法進行優(yōu)化，把環(huán)境保護作為落實科學發(fā)展觀，轉變經(jīng)濟發(fā)展方式，推進生態(tài)文明建設的重要手段。目前國內外水污染預測的方法還沒有形成統(tǒng)一的規(guī)劃，各行業(yè)、各監(jiān)測部門的方法也不盡相同[2]。為了找出地下水環(huán)境質量變化的原因和污染趨勢，結合有限元離散模型進行地下水環(huán)境進行分析預測，很多情況下，不同的預報方法會有不同的預報結果，每種水的特性也不一樣，所以在進行水質預報時，要根據(jù)實際情況選擇合適的方法進行評估和預測。根據(jù)水污染預測方法機理不同，可分為統(tǒng)計預報、智能預報和機理模式預報，實現(xiàn)對地下水污染的準確預測和有效控制。

1 化工區(qū)地下水污染安全評價算法

當前，我國經(jīng)濟和社會不斷發(fā)展，地下水環(huán)境面臨嚴峻挑戰(zhàn)。為加強對周邊地下水的管理與保護，應及時評價地下水環(huán)境質量，并對地下水污染進行預測與風險評估[3]。運用有限元離散模型進行了實證研究，為類似工程的地下水環(huán)境影響評價提供了一種簡便有效的新方法。

有限元離散模型的基本思想是將連續(xù)幾何機構離散為有限元，在每個單元內設置有限個結點，將一個連續(xù)的單元視為一組僅在結點上連接的單元。將單元的結點數(shù)值作為基本未知量，在每個單元中假定一個近似插值函數(shù)，以表示單元中結點的分布規(guī)律，并建立結點數(shù)值的有限元方程[4]。在計算結點值之后，通過設置插值函數(shù)，確定元素的場函數(shù)，實現(xiàn)了集合的場函數(shù)設置。對于每個單元，選取適當?shù)牟逯岛瘮?shù)，使其滿足子區(qū)、子區(qū)域外邊界和子區(qū)域外邊界的條件。當單元組合處于平衡狀態(tài)時，在已知外荷載作用下，給出了以節(jié)點和位移為未知量的線性方程組。應用彈性力學的相關公式，用計算機求解節(jié)點位移，計算單元的應力應變。若單位小到一定程度，則可表示整個連續(xù)體的實際尺寸。基于此用有限元方法求解地下水中的不穩(wěn)定滲流場及污染物遷移。對于均勻的介質，簡單的幾何區(qū)域，計算模型得到了解析和驗證。并對非均質介質地下水污染問題進行了模擬。非均勻介質非穩(wěn)定滲流基本公式：

在公式中，H=h+z，h表示為壓力水頭，K為滲透系數(shù)；θ為土壤水分，且滿足θ=nSω，進一步修正公式可得：

其中Ss=dn/dh，物理意義為孔隙率隨壓力的變化；c(h)=dθ/dh，物理意義為含水隨壓力的變化；c(h)=d6/dh，物理意義為含水隨壓力的變化；c(a)表示系數(shù)。進一步將邊值范圍記為V，計算有限元離散方程可得：

利用有限元離散模型，對化工區(qū)地下水數(shù)據(jù)進行整理、分析，并對事物的發(fā)展趨勢和狀況進行預測。針對地形、水環(huán)境是多層次復雜系統(tǒng)的特點，應用有限元離散模型理論，把化工區(qū)地下水環(huán)境看作灰色系統(tǒng)記為P，把污染物看作一定范圍的灰色變量記為C。用初始列x為DS模型的單變量列建立一級矩陣：

進一步采用標準值法對污染源進行評價，標準值>1表示水質因子超出規(guī)定標準，且指標越大，超標越嚴重。水質因子標準指數(shù)的計算方法為：

其中：P1為第一個無量綱水質因子的標準指數(shù)，C1為第一個水質因子監(jiān)測濃度值，Csi為第一個水質因子，基于此進一步計算化工區(qū)地下水污染標準pH指數(shù)：

當pH<7時，可得：

當pH>7時，可得：

在上述算法中：pHsu為標準指數(shù)，pHm為水質下限。地水環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測點位采用功能點與控制點相結合的方式進行水污染預測評價。進一步用濃度-時間-空間關系函數(shù)來進行水質污染的定量描述，深度區(qū)域地下水流速、擴散系數(shù)、污染物初始濃度和污染源相關參數(shù)以及研究區(qū)邊界條件[5]。進一步計算地下水二維非飽和態(tài)下，保守性物質運移模擬方程可寫成：

式中f為地下水源匯項，求解域為Ψ，進一步利用有限元離散模型對研究區(qū)不規(guī)則形狀地下水的非均勻近似解進行了研究，獲取地下水污染情況的精確解，從而用于預測污染物濃度，通過預測數(shù)值的可靠性，具體濃度算法為：

進一步轉換可得：

此外，解析解還可用于估算溶質擴散速度，對地下水相關數(shù)據(jù)的采集及水質監(jiān)測具有重要意義?；谫|量守恒定理，建立了對流-彌散型溶質遷移方程，具體算法如下：

其中t為溶質濃度，A為水動力擴散系數(shù)張量，地下水的滲透性為V。通常情況下由于污水池的滲漏失效，排出的污水被破壞，廢水滲入地下水。這時的污染源可概括為點連續(xù)污染和持續(xù)污染。為了使二維數(shù)值計算在各個方向上都能得到精確的結果，比較了均勻流瞬時線源排放污染物二維擴散問題的解析解。具體算法為：

均勻流中，u和V是計算區(qū)域內X和Y方向的均勻流速，U和D是均勻流縱向和橫向擴散系數(shù)。進一步選取了一維穩(wěn)定流動的水動力擴散模型作為分析溶質遷移的模型。

2 化工區(qū)地下水污染等級評估

研究區(qū)淺、中、深地下水之間存在穩(wěn)定的隔水層，在進行預測過程中，只考慮污染物對淺層地下水的影響，為了研究最大風險，未考慮溶解和吸附作用，因此需要進一步進行污染評估。監(jiān)測地下水污染源和周邊環(huán)境敏感區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)場水文地質條件，對狀態(tài)監(jiān)測點及周邊地下水環(huán)境進行檢測評價。詳情請見表1：

表1 地下水環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測數(shù)值

進一步結合統(tǒng)計學方法對化工區(qū)地下水污染指數(shù)進行迭代，以便進行化工區(qū)地下水污染風險評價。通過客觀篩選影響地下水污染的主要因素，采用有限元離散模型進行賦值，計算化工區(qū)地下水污染權重設置以便進行評價，由于其評價因子的權重是基于經(jīng)驗進行設置，因此其評價因子的權重是基于經(jīng)驗進行的，以反映污染物在地下水中的遷移過程，從而更好的對地下水污染物的時空分布特征進行研究，利用有限元離散模型，以地下水標準物質含量指數(shù)為劃分標準，計算污染物濃度值，污染物在地下水中的遷移主要包括對流和水動力擴散兩個過程。對流是指污染物在水中隨處下水的流動，污染物在地下水中的濃度會與介質發(fā)生反應，包括微生物降解，從而影響污染物濃度。基于此將化工廠特征污染物對地下水污染的危害程度劃分為低、中、較高、高，具體風險等級（見表2）。

基于表2進一步分析，可有效對化工地區(qū)地下水污染情況進行準確預測評估，保證地下水污染預測的轉型，并有針對性的給出相應的防治方案。

表2 化工區(qū)地下水污染風險評價等級

3 結束語

地下水污染風險評價處于起步階段，以定性評價為主，對污染物的遷移轉化過程缺乏描述，評價體系和評價方法也不完善。在此基礎上，提出了一種基于有限元離散模型的地下水污染風險評價方法，既能反映污染物的遷移過程，又能預測污染物的時空分布特征，豐富了地下水污染風險評價方法體系。