基于精准调查的污染场地模型研究

基于精准调查的污染场地模型研究

1 ,郭抒燕 2 ,袁霆 1* ,从辉 1 ,张佳 3 ,张有军 1

[1.天津华北地质勘查总院,天津 300170;2.天津龙网科技有限公司,天津 300170;3.中国地质大学(北京),北京 100089]

来源：《环境监控与预警》  2023

摘 要： 以天津某污染场地为对象,开展了污染识别、初步采样及补充分层监测,依次构建了初步场地概念模型、污染表征概念模型、地下水流-溶质运移数值模型,更新优化的场地概念模型能够直观地展示污染空间分布与地层结构,明确污染成因。结果表明,该场地以氯代烃类污染为主,污染物以独立污染源为中心向四周扩散,且多积聚在浅层潜水层,粉质黏土层有效阻滞了其垂向迁移。数值模型污染预测结果表明,污染区域范围内的污染物质量浓度随时间的延长而降低,对流弥散作用对其影响较小。基于精准调查建立的场地概念模型与数值模型相结合的方法,可为掌握场地实际污染状况及后期管理决策提供数据支撑。

关键词： 精准调查;污染场地;概念模型;污染成因;数值模型

随着国家一系列环保政策的实施,重污染工业企业相继关停,因经营时间较长、生产设备陈旧、工艺落后、生产期间“三废”排放不当等原因,这些企业逐渐变成污染场地 [1-2] 。据统计,美国、德国以及我国长三角地区等氯代烃类污染场地中涉及的污染物种类繁多、易挥发且毒害性大,严重威胁着土壤、地下水环境以及人体健康 [3-5] 。目前,按照国家规范要求对上述疑似污染场地采用调查、采样、分析及筛选等方法获取污染范围和污染程度,已不能有效满足污染场地后期的风险评估、风险管控及修复工程的实施要求 [6-7] ,因此,开展场地环境调查与构建配套场地模型相结合的调查模式越来越引起关注 [8-9] 。

目前,在场地环境调查阶段,通过前期污染识别构建初步场地概念模型,明确场地土壤与地下水环境是否受到污染。当进一步开展采样分析及风险筛选后,通常由污染物含量二维插值法分析其水平分布与垂直迁移的特征 [10-11] ,很难从空间形态上精准刻画出污染分布与地层结构的关系及污染成因。而数值模型的应用可为后期决策提供良好的科学支撑 [12-14] 。

现以天津某农药原料提纯场地为研究对象,分别在污染识别、初步调查和补充调查阶段依次定性构建初步场地概念模型和污染表征概念模型,旨在精准刻画出污染空间分布与污染成因。同时,利用水文地质资料及污染物监测数据,建立地下水流-溶质运移数值模型,对污染物运移趋势进行预测。以动态交互的形式为场地后期的风险评估和管控提供科学依据,有效推动我国污染场地的绿色可持续修复发展。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区域为天津某农药原料提纯场地,曾进行三氯乙醛的提纯与分装,现为空地,局部杂草茂盛。

场地地面以下13.5 m深度范围内地层自上而下分为填土层和黏土层,具体为：杂填土① 1 层、素填土① 2 层、黏土④ 1 层、粉质黏土④ 2 层、粉质黏土⑥ 1 层、砂质粉土或黏质粉土⑥ 3 层、粉质黏土⑥ 4 层。此外,地面以下13.5 m深度范围内分布有2层地下水,第1层为浅层潜水层,主要赋存于粉质黏土④ 2 层、粉质黏土⑥ 1 层、砂质粉土或黏质粉土⑥ 3 层中,水位标高0.67～1.13 m,厚度6.00～7.39 m;第2层为深层潜水层,主要赋存于粉质黏土⑥ 4 层中,水位标高-0.90～0.41 m,2层地下水之间水力联系较差。

1.2 调查过程

(1)污染识别阶段：通过现场踏勘、人员访谈及资料收集进行污染识别,构建初步场地概念模型,确定土壤与地下水环境是否存在污染;(2)初步调查阶段：采用钻探采样与检测分析进行初步调查,确定污染平面分布;(3)补充调查阶段：通过分层建井与采样分析确定污染垂向积聚特征,查明污染成因。

初步调查于2020年2月开展,共布置30个土壤监测点,其中15个为土壤兼地下水监测点,深度6.0～15.0 m;补充调查于2021年4月开展,在4个重点污染区域分别进行分层建井,共布置了12个监测井,滤管深度和监测层位均不同,深度3.0～9.0 m。初步调查与补充调查监测布点示意见图1。

图1 初步调查与补充调查监测布点示意

1.3 参照标准

土壤与地下水样品中各项指标的分析方法分别严格按照《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018) [15] 、《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004) [16] 、《地下水环境监测技术规范》(HJ 164—2020) [17] 及《环境监测 分析方法标准制修订技术导则》(HJ 168—2020) [18] 等规范执行。此外,实施从样品采集、流转到实验室检测全流程的质量保证与控制措施,确保数据真实有效。

1.4 模型构建

在疑似污染场地调查中,场地概念模型通常是指初步场地概念模型与污染表征场地概念模型,其中初步场地概念模型旨在衔接潜在污染源→污染途径→污染受体,污染表征场地概念模型旨在阐明污染空间分布及污染成因 [8,19] ,而场地数值模型旨在预测污染运移趋势。本研究首先在污染识别阶段构建初步场地概念模型,其次在初步调查和补充调查阶段构建污染表征场地概念模型,最后基于不断更新的概念模型,建立地下水流-溶质运移数值模型。

2 结果与分析

2.1 初步场地概念模型

通过污染识别阶段的调查可知,研究区在以往进行三氯乙醛的提纯与分装过程中可能因废水或废渣收集、处置不规范而发生遗洒、泄漏等情形,因地表多为裸露土地面,经过长期降雨淋滤、地面漫流及垂直入渗等作用,会对土壤与地下水环境造成污染。

依据“潜在污染源(生产车间及周边区域)→潜在污染途径(裸露土地面或渗透性较好的通道)→污染受体(土壤与地下水环境)”,构建了初步场地概念模型(图2)。结果表明,研究区土壤与地下水环境可能存在污染,需要进一步开展钻探、采样与检测分析工作。

图2 研究区初步场地概念模型

2.2 污染表征场地概念模型

2.2.1 初步调查

初步调查结果表明,研究区存在土壤与地下水污染,明确了污染分布区域、污染物种类及其迁移特征。

污染物分别以西部车间、中部车间、东部办公室及东部仓库附近为中心向四周扩散,主要污染物包括三氯甲烷、二氯甲烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、氯乙烯、氯乙烷和顺-1,2-二氯乙烯等。污染物集中在地面以下0.5～9.0 m深度范围内,即素填土① 2 层、粉质黏土④ 2 层、粉质黏土⑥ 1 层及砂质粉土或黏质粉土⑥ 3 层中,且污染物质量浓度在垂直方向呈现先增加后大幅降低的特征,这与土壤中黏粒粉粒占比高、砂粒占比低和渗透性差等特性有关 [20] 。

污染物穿透包气带进入含水层后,随着地下水流会发生水平迁移;氯代烃类密度比水大,故仍会沿着优势通道发生垂向迁移。为进一步查明污染积聚层位与污染成因,需要开展补充调查。

2.2.2 补充调查

在补充调查阶段,充分考虑地层岩性、含水层分布及污染物富集特征等进行分层建井,监测层位重点区分为浅层潜水(第1层)和深层潜水(第2层),另外在地面以下9.0 m深度处结合地层变化又进行了细分,建井基本信息见表1。

表1 补充调查分层建井基本信息

不同层位地下水中主要污染物质量浓度柱状图见图3。由图3可见,相同点位的同种污染物,在浅层潜水层中的质量浓度总体上高于深层潜水层,即污染物主要积聚在浅层潜水层中。

图3 不同层位地下水中主要污染物质量浓度

综合对比污染物在水-土介质中的分布特征,可以得出如下结论：(1)明确了关注区域的主要污染物,即中部车间与西部车间主要以二氯甲烷和三氯甲烷污染为主,东部办公室与东部仓库附近主要以1,1-二氯乙烷和1,2-二氯乙烷污染为主。(2)摸清了主要污染物的平面扩散特征和垂向迁移规律,即西部车间、中部车间、东部办公室及东部仓库附近分别为独立污染源,污染向四周扩散与潜水地下水流向相关,与四氯化碳在地下水中迁移转化规律一致 [21] ,另外粉质黏土层有效阻滞了污染垂向迁移。

污染物迁移规律归结为3类：(1)二氯甲烷的平面污染以中部车间为中心向四周扩散,污染物在垂直方向上穿透了粉质黏土④ 2 层后继续向下迁移,而粉质黏土⑥ 1 层起到了有效阻滞作用。(2)三氯甲烷的平面污染以西部车间为中心逐渐扩散,垂直方向上的粉质黏土④ 2 层有效阻滞了污染向下运移。(3)1,2-二氯乙烷和1,1-二氯乙烷的平面污染主要以东部办公室及东部仓库附近为中心向四周扩散,垂直方向上部分污染物穿透了粉质黏土④ 2 层后继续向下迁移,粉质黏土④ 2 层与粉质黏土⑥ 1 层均起到了有效阻滞作用。

综合初步与补充调查结果,更新优化了初步场地概念模型,借助Voxler软件构建了污染表征场地概念模型,见图4(a)(b),其中横、纵方向的矩形切面为地层剖面,中间近似椭圆状的为污染空间分布,即在地层结构的实体剖面上叠加污染物质量浓度分布,分别包括水平扩散插值与垂向迁移插值,重点突出不同污染区域的污染物质量浓度随地层的变化特征,最终以立体形态直观、全方位地呈现场地污染的空间分布及污染成因。场地以氯代烃类污染为主,4个独立污染源因废水或废渣遗洒、泄漏产生的污染物经包气带垂直向下迁移,进入浅层潜水层后随着地下水流发生横向迁移,并以水平扩散为主;粉质黏土④ 2 层与粉质黏土⑥ 1 层颗粒细、渗透性差,有效截留了污染物,致使污染主要积聚在浅层潜水层中。

图4 污染表征场地概念模型

以上是针对调查期间构建的场地概念模型,除了能够直观地呈现污染表征,也有助于加强对污染风险评估、后续风险管控及修复的全方位认识 [22] ,还可以为下一步建立数值预测模型提供数据支撑。

2.3 地下水流-溶质运移数值模型

土壤和地下水之间存在紧密的污染物质量交换关系,相较于土壤的高密度和非均质性,地下水中污染物的分布情况更能揭示土-水环境中污染物的空间分布 [23] 。本研究重点建立了氯代烃类污染物积聚在浅层潜水层中的水流-溶质运移数值模型,明确污染运移特征。

2.3.1 水文地质概念模型

2.3.1.1 模型范围与模型结构

将模型概化为1层结构,即浅层潜水层,厚度约9.4～11.3 m,地下水流向总体为由东向西,潜水层整体赋存于粉质黏土④ 2 层、粉质黏土⑥ 1 层及粉土⑥ 3 层中,具有典型的海陆交互相沉积环境形成的平行层理特点。

建模区潜水层分布广泛,地下水系统符合质量守恒定律,在常温常压下,地下水运动符合达西定律,且浅层潜水层多年动态变化较稳定,建模区地下水系统可概化为稳定流。

潜水层参数随空间变化,系统呈非均质性,所以参数概化为各向异性。因此建模区地下水系统概化为非均质各向异性且稳定的地下水流系统。

2.3.1.2 边界条件设置

建模区所在地区属于海积冲积低平原地区,地势平缓,浅层潜水水质较差,目前人工开采极少,地下水流场基本处于天然状态,多年动态变化稳定。划定的建模区范围较小,且属于整个水文地质单元的一部分,根据建模区地下水系统的结构特征,结合流场动态特征,人为划定建模区的侧向边界,将建模区东部、北部及南部边界均定义为流入边界,西部边界定义为流出边界。交换量根据边界水力梯度计算得出,定义为第三类边界,边界条件设置见图5。

图5 建模区边界条件设置

2.3.1.3 源汇项与水文地质参数设置

建模地下水的补给源主要为大气降水入渗补给和侧向流入。建模区所在区域地势平坦,地下水径流缓慢,埋深<4 m,基本未开发利用,故地下水的排泄项主要为蒸散发和侧向流出。

大气降水入渗补给量主要与降雨强度、包气带岩性、潜水埋深、地形及植被等因素有关 [24] ,潜水蒸散发量主要与蒸发强度、气候、包气带岩性、潜水埋深、地表植被及地下水流动系统等因素有关 [25-26] ,建模涉及的水文地质参数主要包括大气降水入渗系数、蒸发系数、渗透系数及给水度等。

2.3.2 水流-溶质运移数值模型

在水文地质概念模型的基础上,利用GMS软件中的MODFLOW模块建立地下水流数值模型,在水流模型的基础上使用MT3DMS模块建立溶质运移数值模型,掌握典型污染物在地下水中的运移趋势 [27] 。

2.3.2.1 数学模型

建立三维地下水流系统可用式(1)的微分方程的定解问题进行描述。

式中： S ——自由面以下含水层储水率,m -1 ; h ——地下水系统的水位标高,m; t ——时间,d; K ——含水介质的水平渗透系数,包括 x 与 y 方向,m/d; K z ——含水介质的垂向渗透系数,m/d; ε ——含水层的源汇项,d -1 ;Ω——渗流区域; h 0 ——系统的初始水位分布,m; μ ——潜水含水层在潜水面上的重力给水度,无量纲; p ——潜水面的蒸发和降水入渗强度,m/d;Γ 0 ——渗流区域的上边界,即地下水的自由表面; h 1 ——已知边界水位值,m;Γ 1 ——已知水位边界; K n ——边界面法线方向的渗透系数,m/d; n ——边界面的法线方向;Γ 2 ——渗流区域的流量边界; q ——Γ 2 边界的单位面积上的流量,m/d,流入为正,流出为负,隔水边界为0。

地下水中溶质运移的数学模型可表示为式(2)和式(3) [28] 。

(2)

(3)

式中： n e ——有效孔隙度,无量纲; C ——模拟污染物的质量浓度,mg/L; x i 、 x j ——沿坐标轴方向的距离,m,其中 i 、 j 分别是 x 、 y 方向; n ——孔隙度,无量纲; D ij ——水动力弥散系数,m 2 /d; V i ——渗流速度,m/d; C ′——模拟污染物的源汇质量浓度,mg/L; W ——源汇单位面积上的通量,m 3 /d; α ijmn ——含水层的弥散度,m; V m 、 V n —— m 和 n 方向上的速度分量,m/d;| V |——速度模,m/d。

2.3.2.2 空间离散

地下水流数值模型建模区面积为45 024.86 m 2 ,采用有限差分法对建模区平面进行矩形网格剖分,网格大小为3 m×3 m,共110行×110列,垂向1层,共4 992个活动单元格,模型剖分见图6。

图6 建模区网格平面及垂向剖分

2.3.2.3 源汇项与水文地质参数确定

污染场地已有历史构筑物所在区域为水泥硬化地面,其余均为裸露土地面,故降雨入渗补给和蒸散发排泄仅考虑裸露土地面。建模区所在区域多年平均降雨量为642 mm,多年平均蒸发量为1 646 mm,其中年内降雨量分配极为不均,6—9月降雨量约占全年降雨量的70%,结合前人工作成果 [29] ,降雨入渗系数取值初步确定为0.2～0.3。蒸发集中在夏季,冬季较小,春季和秋季的蒸发程度处于中等。

参考研究区原状样土工试验结果,主要地层的水平渗透系数为0.000 3～0.034 6 m/d,垂直渗透系数为0.000 1～0.004 0 m/d,同一地层的水平渗透系数大于其垂直渗透系数,渗透系数参考场地环评井抽水试验结果进行调整。研究区内含水层主要以粉质黏土、粉土为主,参考华北平原区域试验成果及天津市水文地质条件的经验参数值,初步确定给水度为0.07。

2.3.2.4 模型校正与参数识别

模型校正与参数识别过程采用“试估-校正法”,根据实际水位和计算水位的拟合分析结果反复调整参数,使地下水模拟等值线与实测地下水位等值线形状相似,模拟水位与实际水位相近。观测孔水位模拟值与实测值对比见图7,观测孔拟合误差见图8。由图7、图8可知,观测孔实际水位与计算水位的绝对误差为0.01～0.08 m,表明建立的地下水流数值模型能较好地反映地下水流场的基本特征,且能较好地刻画建模区的水文地质条件。

图7 观测孔水位模拟值与实测值对比

图8 观测孔拟合误差

2.3.2.5 溶质运移参数及特征污染物确定

氯代烃类污染物进入地下水环境后,通常会发生对流、弥散、吸附-解吸、化学反应及生物降解等行为 [21,25] ,考虑到污染物在土-水多相介质中的吸附-解吸、化学反应及生物降解等行为多处于动态平衡中,受环境综合因素影响较显著 [30] ,保守起见,溶质运移数值模型只考虑污染物的对流与弥散。潜水水动力弥散存在尺度效应,野外或室内弥散试验均不能较直观地反映污染场地的弥散系数,故弥散度取值主要参考前人研究,纵向弥散度为8.0 m,横向弥散度为5.6 m。

结合污染表征场地概念模型(图4),并考虑到三氯甲烷可能发生脱氯反应而使二氯甲烷质量浓度发生变化。分别选择中部车间的二氯甲烷和东部办公室的1,2-二氯乙烷作为特征污染物进行模拟预测。鉴于场地地下水污染以面状不断扩散分布,故以初步调查污染物质量浓度插值分布作为模型初始条件,监测时间是2020年2月。

2.3.2.6 污染运移趋势预测

以2021年4月的溶质运移模拟预测结果为例,特征污染物运移趋势预测见图9(a)(b)。

图9 特征污染物运移趋势预测

由图9可见,中部车间中心点处的二氯甲烷、东部办公室中心点处的1,2-二氯乙烷质量浓度均呈降低趋势,降低幅度分别为6.21%和3.45%(表2),总体上降低幅度较小,侧面反映出对流弥散对污染运移的影响较小。

表2 污染物模型输入与输出的质量浓度对比

污染物模型输出的预测值与监测值的质量浓度对比见表3(与表2的监测点对应不同的网格)。由表3可见,模型预测值远高于分层监测实测值,推测原因有2个：(1) 补充调查中分层监测的滤管长度为1.0～1.5 m,而模型输入污染物的质量浓度对应的滤管长度为3.0 m,由于氯代烃类污染物密度大于水、水溶性低及黏度低等特点,会穿过高渗透性区域向下垂向运移,可能存在分层监测没有捕捉到污染物而导致实测结果相对较低;(2) 氯代烃(三氯乙烯)总量的变化对降解系数最为敏感 [25] ,但本研究模型只考虑了对流弥散,没有考虑污染物的吸附-解吸、化学反应及生物降解等行为,故致使模型溶质运移预测结果偏高。

表3 污染物模型输出的预测值与监测值的质量浓度对比

3 结论

(1)针对天津某氯代烃类污染场地开展环境调查,构建了初步场地概念模型与污染表征场地概念模型,可以直观、全方位地呈现场地污染的空间分布及污染成因。结果表明：氯代烃类污染分别以西部车间、中部车间、东部办公室及东部仓库附近为中心向四周展开,污染经包气带迁移进入浅层潜水层后发生横向迁移,而粉质黏土④ 2 层与粉质黏土⑥ 1 层有效阻滞了其垂向迁移,使污染主要积聚在浅层潜水层中。

(2)基于更新优化的场地概念模型,预测期间建立场地地下水流-溶质运移数值模型,进行污染随时空的运移趋势预测。结果表明：污染区域范围内污染物质量浓度随时间呈降低趋势,但对流弥散总体上对污染运移趋势的影响较小。该结果为后续预测不同自然条件(如降雨等)或增加工程措施(如管控或修复等)状况下的污染运移趋势提供了数据基础。

(3)调查期间的概念模型与预测期间的数值模型相互结合的方法,具有可行性和实操性,对场地后续的污染风险评估、风险管控及修复具有重要的指导意义,为精准掌握场地实际污染状况及后期管理决策提供了数据支撑。

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