水源地污染风险评价

Question

如题所述

Answer 1

4.5.2.1 区域地下水污染风险评价

（1）区域污染源危害分级分类

土地利用类型指土地表面覆盖状况，包括农田、居住地、水域等。不同利用类型的土地上会产生不同的污染物种类及强度，同时土地表面的松散程度不同，污染物进入地下水的难易程度也不同。

研究区内主要有农田、村庄、排污沟、渠系、湖泊和工厂等6种土地利用类型。研究区范围内大部分土地利用类型为农田和村庄，村庄呈条带状分布，中间以农田相隔。研究区东北部零星分布有几个湖泊，引水渠则贯穿整个研究区，从研究区西南部黄河上游引水，分为北秦渠、中马莲渠、南汉渠向东北方向流过，工厂主要分区在研究区中部，是金积镇所在地，工厂废水主要排入清二沟和南干沟，两条排污沟均自南向北流向，是研究区内主要的农田退水沟和工业生活废水的排污沟。

本书从污染物排放及向地下入渗角度出发，通过对不同土地利用类型分析，进行分级评分如下：污染物排放主要分为工业、生活和农业活动3个方面，结合研究区现状，可知研究区内糠醛厂、造纸厂、化肥厂等工厂排污量较大，其次为排污沟的影响，研究区内的排污沟收纳生活和工业排放污水，排污沟底部无任何防护措施，且为渗透性较高的砾石层，故对污染风险贡献很大，再次农业面源，化肥施用量较大且农田土地松散利于化肥农药向下渗透，再次为农村居民点，但因村庄地面密实，故相对影响较小，最后为湖泊和渠系，研究区内的湖泊和渠系水质较好基本不收纳污染，故对污染风险贡献最小。

其中，工厂点型污染源以工厂场地面积代表，排污沟线型污染源根据简单评价法由排污沟向两侧各扩展50米，由此给出不同土地利用类型分级评分得，见表4.10，得到区域污染源危害分级见图4.9。

表4.10 污染源危害分级评分

图4.9 区域污染源危害分级图

（2）区域污染风险评价结果及分析

综合上述区域地下水脆弱性分区与区域污染源危害分级分区，基于ARCGIS平台，采用模糊综合评价方法按1：1权重叠加，获得区域地下水污染风险评价，其污染风险评价分区结果如图4.10所示。

图4.10 区域地下水污染风险分区图

从计算结果可以看出，水源地保护区所在区域地下水污染风险相对较低。高污染风险地区（Ⅴ）主要分布于研究区的西南角以及工厂及排污沟所在地；工厂所在地及排污沟污染风险高，主要是受污染源影响控制，它们是研究内主要的污染来源，尤其清二沟的一部分分布在水源地二级保护区内，对水源地存在潜在影响。研究区的南部、东南部以及水源地保护区西北部属较高污染风险地区（Ⅳ），主要控制因素和研究区西南部高污染风险地区相似。中等污染风险地区（Ⅲ）在本书研究范围内分布广泛且分散，水源地保护区所在地主要为中等污染风险地区。较低和低污染风险地区（Ⅱ、Ⅰ）主要分布在村庄城镇所在地及研究区的东北部地区，村庄所在地人类对地表改造较大，地表入渗条件差，因此，上述地区呈现污染风险较低和低的分布状态。

（3）评价结果验证

本书将区内各单点氨氮污染物浓度作为区域污染风险评价结果的验证依据。本区氨氮污染物分布见图4.11所示。

计算各单点地下水环境污染程度和该点地下水污染风险指数的相关程度，用斯皮尔曼相关系数ρ表征。计算公式如下：

地下水型饮用水水源地保护与管理：以吴忠市金积水源地为例

式中：N——样本数量；

d——特征污染物排行和污染风险指数排行名次差；

ρ——斯皮尔曼相关系数，其等级划分见表4.11所示。

图4.11 区域氨氮浓度分区图

表4.11 ρ等级划分表

根据计算可知本区地下水环境污染程度和地下水污染风险指数的相关程度｜ρ｜大于0.6，因此判定两者关系为中相关或强相关，认为评价结果合理。

4.5.2.2 开采条件下水源地污染风险评价

金积水源目前为吴忠市备用水源地，预计5年之内启用。当水源地开采使用后，势必造成地下水流场和溶质分布发生变化，本书研究拟采用数值模拟方法预测计算出水源地稳定开采后的地下水动态变化，在此基础上进行稳定开采条件下的污染风险评价。

（1）水文地质概念模型

根据实测地下水位数据，插值得到研究区现状地下水等水位线图（图4.12）。研究区地下水流从西南流向东北，研究区西部为黄河，黄河水量巨大，因而黄河水位受水源地开采影响较小，故研究区西部黄河概化为给定水头的边界，为第一类边界条件；研究区南部为汉渠，再以南地区为山区，故概化为给定流量的边界，为第二类边界条件；研究区东部为京藏高速，该边界地下水位等水位线1125m以上部分与实测等水位线几乎垂直，故概化为隔水边界，为第二类边界条件，1125m以下部分为研究区的流出边界，故概化为给定流量的边界，亦为第二类边界条件。

研究区含水层由全新统早期（

）的砂卵石、细砂及砾卵石组成，具有典型的河流堆积二元结构，地下水属大厚度单一潜水，故将模型垂向设为一部分，含水层厚度200m。将实测地表高程作为模型的地表高程，地表下200m作为含水层底板高程。

由于本区空间地质结构清楚，地层水平分布连续且均匀，具有统一连续的地下水位，由于本区季节性降雨和灌溉影响，地下水系统的物质输入、输出随时间变化，但变化规律稳定，因此概化为稳态。综上，可将研究区地下水流系统概化为均质各向同性二维稳定流水文地质概念模型。水文地质概念模型如图4.12所示。

图4.12 区域地下水等水位线及水文地质概念模型图

（2）边界条件

1）隔水边界：研究区东部，1125m等水位线以上，边界与等水位线垂直，故为隔水边界。

2）补给边界：研究区南部，为补给边界。另外上部补给边界为大气降雨补给和灌溉补给。

3）排泄边界：研究区东北边界，1125m等水位线以下，为排泄边界，另外上部有地下水蒸发排泄。

（3）水文地质参数值的确定

将实测渗透系数插值得到的所建的研究区水流模型中，渗透系数分布见表4.12，其他水文地质参数值的确定，借鉴水源地开采井的成井勘查报告，见表4.12。

（4）数学模型

本书研究采用地下水模拟与预测的专业软件——Visual MODFLOW。

表4.12 水文地质参数表

为真实地反映污染物迁移的运动规律，采用水流和水质耦合模型，其控制方程为：

地下水型饮用水水源地保护与管理：以吴忠市金积水源地为例

其中：

地下水型饮用水水源地保护与管理：以吴忠市金积水源地为例

式中：h——水头；

——流体的达西流速；]]

ρ^f，

——流体和参考流体的密度；

S₀——比弹性贮水系数；

K_ij——渗透系数张量；

e_j——重力方向分量；

f_μ——黏滞相关系数；

Q_EB——扩展的Boussinesq估计量；

R——延迟因子；

R_d——减缓因子；

D_ij——水动力弥散系数张量；

ϑ——衰减率；

ε——孔隙率；

Q_x——x＝ρ时为源汇项，x＝C时为污染物溶质；

——流体的密度差系数；]]

——流体的扩张系数；]]

0——参考浓度；

C_s——最大浓度；

p^f——流体的压力；

g——重力加速度；

k_ij——渗透率张量；

μ^f，μ^f_o——流体的动力黏滞系数和参考值；

D_d——流体的分子扩散系数；

——绝对达西流体通量；]]

L，β_T——纵向与横向弥散度；

χ（C）——依赖浓度的吸附函数。

上述控制方程与研究区的边界条件一起构成本次地下水模拟的数学模型。

（5）网格剖分

网格剖分的大小影响模拟结果的精度。剖分越细，能够使结果表达的更为细致，比如水位变化更加平滑等，但是过密的剖分导致程序运行计算量加大，导致运行时间加长。本研究综合考虑各方面因素，确定网格间距为13.3m，共剖分4752个网格。剖分结果如图4.13所示。

（6）模型识别

模型识别是数值模拟中重要的过程，通常需要进行多次的参数调整与运算。运行模拟程序，可得到概化后的水文地质概念模型在给定水文地质参数和各均衡条件下的地下水流场空间分布，通过拟合同时期的流场，识别水文地质参数、边界值和其他均衡项，使建立的模型更加符合研究区的水文地质条件。

通过反复调整后，获得稳定流场。用22个实测点位数据进行模型识别，对比模拟值发现，其中17个点，计算值与实测值误差小于0.5m，占总数的77.3%，满足《地下水资源管理模型工作要求》中的规定，说明模型基本准确，计算流场与实际流场基本吻合。

（7）水流模拟

水源地的开采对污染风险的影响主要是通过对地下水流场的改造，水源地开采会产生降落漏斗，扩大水源地地下水的补给来源，从而增大了水源地地下水受污染的可能性，污染风险增高。

吴忠市金积水源地预计开采20年，根据该水源地《成井技术成果报告》中设计的稳定开采量40000m³/d，加入开采井及其抽水量，预测稳定开采条件下水源地降落漏斗范围，如图4.14所示。可以看到，水位高程在1123m以上地区均为水源地的集水地区，水源地保护区的集水区域向两侧和下游发展。

图4.13 模拟区平面网格剖分

（8）验证开采抽水的影响半径

采用“大井法”确定影响半径，首先根据开采井分布的几何图形，《水文地质手册》中查表计算引用影响半径r₀。开采井群分布为菱形，故r₀＝η∗c/2，见图4.15，其中，c＝1.2km，θ＝68.2°，查表3.41，取η＝1.16，故r₀＝0.696km。故将开采群井转化为半径为0.696km的大井，大井中心位于菱形中心。金积水源地为傍河且含水层各向均质的水源地，《水文地质手册》中查表得其引用影响半径为R₀＝2d，见图4.16所示，d为大井中心到河岸的距离，d＝2.0km，故R₀＝2d＝4.0km。

模拟水源地开采稳定条件的流场显示开采井群的影响半径约为3.9km，如图4.14，与经验公式法计算的4.0km比较接近，故认为模型与实际情况较为吻合。

表4.13 η与θ对应表

由于缺乏长期观测数据，因此无法进行模型验证，但是研究区地质条件简单，而且水位较为稳定，且模拟开采的影响半径与经验公式计算所得较为相近（图4.15，图4.16），故认为经过识别的模型基本可以用来预测模拟。

图4.14 水源地稳定开采条件下的降落漏斗范围图

图4.15 菱形井群引用半径计算公式

图4.16 引用影响半径计算公式图

（9）特征污染物迁移模拟

通过实测研究区地下水水质数据，得出氨氮、TDS、总硬度、亚硝酸盐、铁、锰等为本区的特征污染物，其中超标最严重的为氨氮，故将氨氮作为预测因子。在 VISUAL MODFLOW数值模拟软件中，模拟了水源地开采20年末氨氮污染源的扩展情况，1、2、3、4、5、6、8、10、15、20年的污染晕迁移情况见图4.17。分析可以看到，由于水源地地下水的开采，使得水源地下游和两侧的氨氮污染物向水源地迁移，水源地一级保护区东侧污染源，在开采3年时，污染晕与一级保护区相切，15年的时候已经进入开采井；二级保护区北部的污染源在开采6年的时候，污染晕与一级保护区相切，20年后未进入开采井但距离已经很近；一级保护区南部的污染源向水源地方向迁移，但未进入二级保护区内；保护区东南部和西南部污染源未受水源地开采影响，向下游运移，未进入二级保护区。

图4.17 预测水源地开采污染晕扩展范围图

（10）基于预测的区域地下水污染风险评价

基于上述研究，在ARCGIS平台上，在研究区区域地下水污染风险分区图的基础上，叠加预测的特征污染物氨氮的运移模拟分级图，形成基于Visual Modflow模拟预测的研究区地下水污染风险分区图（图4.18），图中带有稳定开采条件下的流场等值线。

从图中可以看出，相比较图4.18而言，特征污染物氨氮污染晕所在位置污染风险增高，部分已经进入水源地一级保护区，说明现有氨氮分布在开采条件下会对水源地水质造成污染，需要予以治理。

4.5.2.3 水源地污染风险评价

地下水脆弱性表征着研究区地下水本身抵抗污染的能力，污染源危害分级表征着不同污染源对地下水的污染风险水平的大小，二者叠加表征着研究区不同地区地下水污染风险的可能性大小。

（1）现状水源地污染风险评价

综合上述研究区区域污染风险分级图，基于ARCGIS平台，采用模糊综合评价方法按1：1权重叠加，获得水源地污染风险评价，其污染风险评价分区结果如图4.19所示。

图4.18 稳定开采条件下水源地区域污染风险分区图

图4.19 水源地污染风险分区图

从计算结果可以看出：基于水源地保护的水源地污染风险分区图中，污染风险高和较高的地区主要为水源地保护区所在地以及其西南地区，这些地区正是现状流场水源地保护区及其上游地区，这正是水源地水质需要特别保护的地区。另外，排污沟和工厂所在地也是高风险和较高风险地区，它们是主要的污染源，需要加强监管和控制。中等污染风险地区分布较为零散，主要在一级保护区北部村庄所在地，水源地保护区东部、东南部及东北部地区，是水源地污染风险评价中较低或低风险地区，主要是因为它们处于水源地下游地区或者不是保护区地下水的上游来水区域。

（2）预测水源地污染风险评价

综合上述基于Visual Modflow预测的区域地下水污染风险分区图与研究区保护区分区图，基于ARCGIS平台，采用模糊综合评价方法按1：1 权重叠加，获得预测的水源地污染风险分区，如图4.20所示。

图4.20 预测水源地污染风险分区图

从计算结果可以看出：污染风险高和较高的地区主要为水源地保护区所在地及其西南地区，这些地区正是现状流场水源地保护区及其上游地区，正是水源地水质需要特别保护的地区。另外，排污沟和工厂所在地也是高风险和较高风险地区，它们是主要的污染源，需要加强监管和控制。中等污染风险地区分布主要在一级保护区北部村庄所在地、保护区南部和东南部。水源地保护区东部、东南部及东北部地区，是水源地污染风险评价中较低或低风险地区，主要是因为它们处于水源地下游地区或者不是保护区地下水的上游来水区域。