呼市某污水厂尾水排放对地下水的污染预测及预防措施研究

孙 红，王文志，张国飞，闫 丽，陈 利，辛 欣

(1.内蒙古自治区城镇供排水监测中心，内蒙古 呼和浩特 010020；2.吉林大学新能源与环境学院，吉林 长春 130012)

水在城市中穿梭和流动，对于维持人类社会的生态功能和安全稳定具有重要作用。在城镇化和工业化的快速发展中，存在很严重的地下水污染问题。浅层地下水的污染问题尤为突出，作为淡水资源的重要组成部分，如何合理地开发、利用、管理和保护地下水资源，以支持经济社会的可持续发展，已成为亟待解决的时代问题之一[1]。地下水虽是可再生资源，但由于不合理的开采、利用及污染，已严重影响了人们的日常生产生活质量，精准的研究污染物在水中的分布状况及污染的发展趋势，对污水处理厂排放质控、地下水污染的防控治理等方面都能提供可靠的依据。

以呼市某污水厂的尾水排放为例，对地下水可能会造成的污染范围进行分析。根据污水处理厂尾水排放的实地调查情况，结合排放区地下水的形成、分布、埋藏条件、循环、富水性等水文地质条件，以污染物硫酸盐作为影响因子，对地下水可能造成污染的范围进行分析研究。

1 研究区概况

研究区为大黑河冲湖积平原，含水层厚度小，单位涌水量小于500m3/(d·m)，水力坡度一般在1～3‰[2]。根据勘查资料测得，地下水赋存于粉土、粉细砂、粉质粘土中，地下水位埋深2.0～5.5m，地下水位标高1027.0～1038.0m。研究区地下水总体化学类型属于HCO3-Ca·Mg型水，pH值在7.44～7.54之间，不含侵蚀性CO2，水质一般[2]。本次模拟范围水平方向上共24km2，沿河长4.5km，监测水位、水质的监测孔21眼。污水处理厂尾水排放主要对潜水含水层产生影响，而对承压含水层的影响很小，因此，本次模拟计算的目的层为第四系松散岩类孔隙潜水含水层。

2 边界条件的概化

模型主要模拟污水厂的尾水排放到河流之后，污染河流对沿岸地下水的影响。研究区的上部边界为潜水面，是水量交换边界，有河水入渗、大气降水入渗、侧向径流等，故溶质边界概化为已知通量边界。计算模拟区的下部边界为潜水含水层隔水底板，由渗透差的粉质粘土及粉土组成，概化为隔水边界。下边界概化为零通量边界。研究区的东部有侧向补给，西侧及南侧有侧向排泄，概化为已知流量边界；研究区的北侧为流线，概化为隔水边界。

研究区地下水系统的输入输出受不同时空范围内降雨、蒸发、开采等因素的影响，因此地下水流表现出非稳定流的特性。由于含水层参数随着空间变化很小，参数概化为均质，含水层内部结构为非均质各向同性的潜水含水层，区内渗流基本符合达西定律，水流形式概化为平面二维流。

3 水文地质参数的确定

研究区目标含水层主要的参数包括两类：一类是含水层的水文地质参数：包括给水度、渗透系数；另一类是用于计算地下水补排量的参数：大气降水入渗补给系数。见表1。

表1 水文地质参数

4 地下水流数值模拟模型的建立

根据研究区水文地质概念模型，地下水在二维匀质各向同性孔隙介质中的潜水运动可用下面的偏微分方程来描述。

(x，y)∈Ω，t≥0

H(x，y，t)|t=0=H0(x，y)

(x，y)∈Ω，t=0

(x，y)∈Γ2，t>0

(1)

4.1 模拟软件选用

本次计算采用三维地下水数值模拟系统GMS7.1，是基于概念模型的最先进地下水环境模拟软件。软件包含众多子模块，各程序包既可以独立使用又可以联合求解。

4.2 预测模型概化

4.2.1网格剖分

水平方向以50m×50m为一个单元格进行剖分，每层分为88行，132列，其中活动单元格为9801个。

4.2.2源汇项的确定

潜水含水层补给来源包括大气降水入渗、河流入渗及侧向补给，排泄项包括蒸发排泄及侧向径流排泄。降水入渗补给量采用多年平均降水入渗补给量进行计算。河流中污染物的浓度根据现状条件下监测孔浓度的平均值以定浓度给出。潜水蒸发强度采用《地下水资源调查和评价工作技术细则》中推荐的阿维里扬诺夫公式进行计算，现场调查研究区无机井、民井开采。研究区内地下水侧向边界补、排量可根据达西公式来进行计算。河流入渗补给强度、人工开采量、灌溉回渗量可忽略不计。

5 溶质运移模型

5.1 溶质运移的水动力弥散方程的数学模型如下：

式中，Ω—评价模拟区；c—污染物浓度，mg/l；c0—初始时刻模拟区污染物浓度分布，mg/l；D—水动力弥散系数，m2/d；u—地下水实际流速，m/d；I—源汇项，即单位时间进入单位面积含水层的溶质质量，mg/m2·d；g1(x，y，t)—流量边界上的质量通量，mg/(m·d)；Γ3—已知质量通量边界。

5.2 弥散度的确定

本次研究工作参考前人的研究成果，此次计算区范围为1000～10000m范围，根据下图1，对应的纵向弥散度应介于50～100之间，从保守角度考虑，本次模拟取纵向弥散度参数为80m2/d。水平横向弥散度为8m2/d。本次模拟计算的初值取水平横向弥散度与纵向弥散度的比值为0.5，给水度为0.2。

图1 纵向弥散度与观测尺度间的关系(引自Gellar等(1992))

5.3 模型参数识别与验证

以氯离子作为对流弥散参数识别过程的模拟因子。根据监测点实测浓度与模拟模型计算浓度的拟合结果可以看出，计算浓度与实测浓度拟合较好，验证时段选其相应处理与识别时段相同，模型输入时按验证时段计算后输入。由验证时段监测点的实测浓度与模型计算浓度的拟合图3可见实测浓度与计算浓度在验证时段也达到了较好的拟合程度。

通过反复拟合，最终识别了水文地质条件，确定了模型结构。识别末期模型的模拟水位计实测水位拟合结果如图2所示。可以看到本次模拟建立的地下水模型基本符合研究区水文地质条件，反映了地下水系统的流场特性，故对研究区的地下水环境影响进行预测评价是合理可信的[3]。

图2 验证末期氯离子浓度拟合图

图3 完整水文年模拟流场与实际流场对比图

5.4 模拟结果分析

本次以2019年10月12日作预测的初始时刻，预测未来1、5、10年研究区硫酸盐的浓度分布情况如图4所示，分析某污水处理厂尾水排放对区域地下水的影响。由于河水及地下水流向均为东北向西南流，所以在处理厂的下游方向扩展范围较大，上游方向扩展范围较小。在现状条件下根据GB/T 14848—2017《地下水质量标准》，研究区内硫酸盐为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类及Ⅳ类水。

未来排放区域污染物浓度受污水处理厂污水排放及化工排污口排水的影响，1年后硫酸盐浓度出现Ⅴ类水，分布范围沿河线状分布，浓度最大值为362.91mg/L。到第5年硫酸盐最大浓度为694.13mg/L，第10年硫酸盐最大浓度为1404.67mg/L。污水处理厂尾水排放对研究区的影响范围从污水处理厂排污口向下游，沿河线状分布，10年内沿河流侧向影响距离不超过0.5km，向下游沿河影响距离不超过4km。

6 污染防治措施

排放区应提高地下水污染防治对策的有效性，做好以下工作：研究区河段主要污染源按类型分为农业污水、城市生活污水和工业生产排放的废水，针对硫酸盐的污染物超标，主要以工业生产排放的废水为主，因此化工类企业应从生产源头上，减少硫酸盐的新增使用量，提高产出废水的重复利用率，从而降低污水厂硫酸盐的输入量，进而减少污水厂尾水中污染物的含量；化工类企业可以引进膜分离法，去除工业废水中的硫酸根，从而减少硫酸盐的排放；排污口附近为污染物浓度最高区域，同时距周边村镇距离较近，是重点污染防治区域，应在此区域进行防渗设计；积极开展地下水环境状况调查，结合场地地下水污染物流场，充分利用现有监测水质、水位孔，不定期进行地下水水质监测。

7 结语

污水厂尾水排放对浅层地下水的污染非常直观，但污染程度、污染物扩散面积等很难精准掌握。本文基于GMS建立了研究区地下水数值模型，在识别验证后的模型基础上，以硫酸盐为影响因子，进行了溶质运移模拟、污染预测及污染防治，可以发现污染物在研究区内的运移扩散规律。必须指出的是，模拟技术可以在宏观上给出污染物在一定时间段内的污染程度及扩散范围，作为理论参考值。但模型的最初建立是人为的设定参数值进行演示，因此应建立地下水动态监测网络，实时掌握浅层地下水的水质、水位、水量的变化情况，修正已建立的模型参数，提高对地下水污染防治的有效性。

图4 污水渗漏硫酸盐污染晕分布图