地下水六价铬运移的仿真及场地修复限值探讨.pdf

地下水六价铬运移的仿真及场地修复限值探讨 * 赵庆辉 1，2 王兴润 2 张增强 1 1. 西北农林科技大学资源环境学院， 陕西 杨凌712100; 2. 中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所， 北京100012 摘要 根据渗流理论， 考虑地下水中水头变化的影响， 利用 COMSOL 软件， 对六价铬在地下水中的运移进行数值模拟， 得到地下水压力水头和六价铬在地下水中的迁移变化规律， 为六价铬对地下水的污染研究和预测提供重要的分析数 据。并借此计算得出场地地下水的修复指导限值为 3. 17 mg/kg。 关键词 六价铬; 渗流; 数值模拟; 修复限值 NUMERICAL SIMULATION OF TRANSPORTATION AND MIGRATION OF HEXAVALENT CHROMIUM IN GROUND WATER AND REMEDIAL GUIDE LIMIT VALUE OF TYPICAL CHROMIUM SLAG CONTAMINATED SITES Zhao Qinghui1， 2Wang Xingrun2Zhang Zengqiang1 1 College of Resources and Environmental Science ，Northwest A ＆ F University ，Yangling 712100 ，China; 2. Institute of Solid Waste Management，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012 ， China AbstractChrome pollution is one of important factors affecting pollution of groundwater. Taking account of the effect of variable head on groundwater，numerical simulation of transportation and migration of hexavalent chromium is done by using COMSOL，and the changing law of migration of pressure head and hexavalent chromium in groundwater is given. It provides important analytical data for research on pollution and prediction of chrome pollution in groundwater.According to the calculations，the restoration value of Cr6 was 3. 17 mg/kg for the groundwater. Keywordschrome pollution;seepage;numerical simulation;restoration limit value * 国家高科技研究发展计划 863 项目 2009AA063101 。 0引言 当前， 世界各国都非常重视地下水污染问题。在 中国， 这个问题也十分突出。铬污染场地中 Cr6 的 化合物具有很强的氧化性和毒性， 且易溶于酸或水， 进入环境后将对人体健康及周围生态环境造成持续 的危害。可溶性物质在运移过程中是一个多种组分 和多相渗流的问题， 其运移规律是一门涉及多孔介质 流体力学、 水力学、 微生物学、 水文地质学、 环境物理 化学、 计算机技术及环境污染动力学等多学科的交叉 理论 ［ 1- 2］。为研究铬污染的发生规律、 污染源的渗透 机理及渗透强度、 迁移性， 利用 COMSOL 软件对水分 流动与 Cr6 的迁移进行仿真。 1模型的建立 由于入渗作用， 溶解在地下水中的 Cr6 既可随 地下水流动作对流运动， 也可随水分子运动作扩散运 动。地下水污染模型由地下水流问题和 Cr6 迁移问 题组成。为了进行地下水污染预测， 须同时求解地下 水流模型和 Cr6 在地下水中迁移模型。 1. 1地下水流动的控制方程 假设地下水流在均质、 各向同性的含水层中运动 时， 按达西定律和质量守恒原理取微圆柱体， 经推导， 可建立二维地下水的控制方程 ［ 3］ μs H t  x Kxx H  x  y Kyy H  y W 1 式中 H 为总水头， m; Kxx、 Kyy分别为横向、纵向渗透 系数， m/s; μs为贮水率， L; W 为源汇项， l/s。 研究域得到水时取正值， 失去水时取负值; t 为 时间， s。 对于水分运动的问题， 必须加上特定的初始条件 和边界条件才能构成完整的水分迁移的动力学数学 61 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 模型， 其定解条件如下 初始条件 H x， y， tt 0 H0 x， y 2 边界条件 H x， y， t Γi H1 x， y， t ， x， y∈ Γi， t 0 3 1. 2六价铬迁移的控制方程 综合考虑淋滤液在地下水环境体系中发生对流、 弥散、 化学反应以及存在源汇项的情况， 根据质量守 恒定律， 描述污染物质在承压地下水中迁移的基本方 程通常写成简洁形式 ［ 3］ θC t  x i θD ij C x j － θu iC x i I， i， j x， y 4 式中 C 为浓度， kg/m3; D 为非饱和水动力弥散系数， m2/s， 为含水率的函数; ux、 uy分别为水流在地下水中 沿 x、 y 方向上的实际速度， m/s; I 为源汇项， 定义为 单位时 间 单位 体积 多 孔 介 质 得 到 的 污 染 物 质 量， kg/ m3s ; θ 为含水率， 无量纲。 对于溶质在地下水中迁移的问题， 必须加上特定 的初始条件和边界条件才能构成完整的溶质在地下 水中迁移的动力学数学模型， 其定解条件如下 初始条件 C x， yt 0 C0 x， y 5 边界条件 C x， y， t Γ1 C1 x， y， t ， x， y∈ Γ1 6 nDij C x j cos n， xi Γ2 0 x， y∈ Γ2， t 0， i， j x， y 7 2研究场地概况 研究场地位于青海某铬盐化工厂， 该厂 1988 年 建成， 1989 年投入试生产， 1999 年破产， 从投入生产 至 破 产 的10年 间 累 计 生 产 红 矾 钠 Na2Cr2O7 2 H2O 约 4 000 t， 生产过程中排放的 高浓度六价铬废水、 红矾钠生产母液以及简单堆放的 4. 8 万 m3铬渣严重污染了化工厂周边土壤及地下 水。被污染的地下水又以泉群形式转变为地表水后 进入湟水干流， 湟水水质受到严重威胁。 铬污染场地钻孔分布图见图 1。化工厂具体位 于海晏盆地东北部山前冲洪积平原， 地势较平坦， 由 化工厂向 A 泉的方向地势逐渐降低， 并最终形成 A、 B、 C 三个泉泄出， 相对高程差约 31 m。在化工厂下 游正西方向约 1 000 m 处 上星火村 和西南方向约 1 800 m 处 下星火村 有居民居住， 且在化工厂周边 种植 油 菜、青 稞 等 农 作 物， 当 地 年 平 均 降 水 量 为 377. 0 mm。 在化工厂内， 主要以生产车间和原渣堆处为主， 采用网格布点， 对场外采样范围分为两个区域考虑 由化工厂到西北和西南两个方向， 成菱形布点; 同时 上游设背景值点 1 与对铬渣堆放场的监控点共 47 个 采样点 图 1 。采样及布点原理根据 HJ/T 166 2004 土壤环境监测技术规范 ， 采用钻井取深层土 样的方式， 每隔 1 m 取 1 个土壤样品， 采样深度根据 土层厚度确定， 遇到地下水时取水样同时测量稳定水 位， 同时 ， 取 A 泉出水和上星火村的水井水样。 图 1铬污染场地钻孔分布 3工程实例分析 以青海某化工厂六价铬对地下水的污染为研究 对象。计算模型区域为长1 311. 7 m、 宽1 044. 7 m 的 矩形区域， 代表实际区域面积为1 370 333. 0 m2。通 过分析采样点稳定水位可知， 地下水在无限分布的均 质、 各向同性含水介质中沿 x、 y 方向均匀等速流动， 流体以 0. 498 m/d 的速度从左到右穿过研究区域。 这里近似为点源固定通量连续注入污染物， 以41. 2 m3/d 的速度向地下水中注入污染物， 污染物的浓度 为 1. 0kg/m3。假设所研究区域的多孔介质为均匀、 各向同性， 区域初始的污染物浓度为 0。 3. 1地下水流和六价铬迁移的模拟 计算所采用的边界条件为 底面、 顶面为 0 流量 边界， 等水位线上为定水头边界， 水头分别设置， 上边 界为定流量边界见表 1。 在已知地下水位的前提下， 通过 COMSOL 计算， 得出 360 d 后研究区域的水头分布和流体的速度方 向， 如图 2 所示。然后在流体水头分布和流体速度大 小的基础上， 分别计算 t 10 d、 t 30 d、 t 360 d 时 71 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 污染物对地下水的污染情况， 如图 3、 图 4 和图 5 所 示。本文假设六价铬在地下水中运移， 因此只考虑饱 和带的污染情况， 不考虑非饱和带的污染情况。 表 1模拟地下水所需参数 参数名称数值 Hin 进入区域的最大水头31 m ρ流体的密度1 000 kg/m3 Q源强41. 2 m3/d b污染区域的厚度30m θs孔隙度0. 3 Co 源强污染物的浓度1. 0 kg/m3 Ks 水的传导系数0. 00243 m/s α1横向弥散系数1. 18 m α2纵向弥散系数5. 91 m u达西速度0. 498 m/d 图 2地下水头和速度域 箭头 图 3 10 d 后污染物的浓度分布 分析以上模拟结果认为在水分运动过程中， 对 流和弥散是造成 Cr6 迁移的主要原因， 在 Cr6 迁移 的过程中起主要作用。水流方向与等水位线垂直; 在 地下水流的下方向， 污染范围较大; 地下水流的上方 向， 污染范围较小。受地下水对流、 扩散作用， Cr6 在 地下水中迁移在上游呈狭窄、 带状分布， 下游呈扩散 图 4 30 d 后污染物的浓度分布 图 5 360 d 后污染物的浓度分布 的喇叭状; 由化工厂向西北方向迁移， 形成泉群泄出 地表。Cr6 主要的扩散方向正好是 A 泉、 B 泉、 C 泉、 上星火村和下星火村的方向。同时， 向 A 泉扩散的 量要远远高于向下星火村方向扩散的量。计算稳态 浓度可得， A 泉及上星火村井水中 Cr6 浓度分别为 48. 80 mg/L 和 0. 53 mg/L， 跟实测值 A 泉和上星火 村井水的 Cr6 浓度 42. 1 mg/ L 和 0. 32 mg/L 较为 接近。由此可见， 二维模型比较适合模拟当地的地下 水扩散情况。 3. 2场地修复指导限值探讨 目前已有数据表明， Cr6 通过呼吸途径暴露具有 致癌性， 但还没有文献表明经口暴露 Cr6 具有致癌 性， 因此这里将铬归为有阈化合物 ［ 4- 5］， 通过健康风险 评价模型， 采用国际上单污染物风险计算方法， 计算 各途径的人体健康风险值 ［ 6- 7］， 得到风险值 A 泉 C 泉 上星火村 B 泉 下星火村。以 “1” 作为非致 癌风险警戒值， 则危害指数 1 时， 认为存在非致癌 风险 ［ 8］。 风险值 1 时的地下水 Cr6 浓度为 0. 093 mg/L， 81 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 以此分析在人体健康接受阈值内化工厂地下水 Cr6 的修复指导限值。 当注入时间较长时， 注入点附近的污染物浓度将 逐渐趋于稳定， 随着时间的增加， 稳定范围不断扩大。 达到稳定时， 即当 t→∞ 时， 通过改变表 1 中源强污染 物的浓度 C0的大小， 计算其稳定浓度， 得到一系列 A 泉与化工厂地下水 Cr6 浓度的变化关系， 如图 6。当 A 泉 Cr6 质量浓度为 0. 093 mg/L， 即风险值 1 时对 应化工厂 Cr6 浓度。 图 6C化工厂与 C A泉关系曲线 4结论和建议 1 采用 COMSOL 模拟了地下水流动和不同时间 条件下地下水系统中可溶性污染物的动态变化规律， 预测了污染晕、 污染浓度的时空分布特征， 该方法对 其他地区地下水污染问题普遍适用。 2根据 A 泉与化工厂 Cr6 浓度关系， 从降低暴 露风险、 人体健康角度考虑， 化工厂地下水最大修复 限制为 3. 17 mg/L。 3建议建立地下水资源的决策预警系统， 充分 开发和利用现有的地下水水位、 水量和水质的长期观 测资料， 对包括污染场地在内的点源污染源和非点源 污染源信息进行分析预测， 进而达到预防、 控制地下 水污染的目的。 参考文献 ［1 ］ 王连生. 有机污染物在环境中的行为及生态效应 ［J］ . 中国科 学基金，1994 3160- 163. ［2 ］ 郑西来， 钱会. 地下水系统中石油污染物的吸附转移研究 ［J］ . 勘察科学技术，1998 126- 29. ［3 ］ 王洪涛. 多孔介质污染物迁移动力学 ［M］ . 北京 高等教育出 版社， 2007 68- 71， 92- 95. ［4 ］ U. 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Environment International，2002， 28 401- 410. 作者通信处赵庆辉100012北京市朝阳区安外大羊坊中国环境 科学研究院固体所 E- mailzhaoqinghui406 163. com 2010 － 10 － 09 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 行业信息 2011 年 5 月 57 日， IFAT CHINA EPTEE CWS 2011 将再次在上海新国际博览中心隆重举办。本次展 会将集中展出固体废弃物、 大气污染、 资源再生利用、 水和污水、 仪器仪表和新能源等领域的技术和设备。展会 自 2010 年 9 月中旬开始招展以来， 企业参展踊跃， 截止到 2010 年 11 月底， 面积达 1 万多平方米的 E7 馆已全 部销售一空， E6 馆的展位也销售近 8000 多平方米， 其他几个馆的展位销售也都过半。据主办方估计， IFAT CHINA EPTEE CWS 2011 的展会招展工作将比上一年提前 2 个月结束。 IFAT CHINA EPTEE CWS 2011 将于 2011 年 5 月 57 日在上海新国际博览中心再度精彩呈献， 目前展 位正在热销中， 各企业可抓住这难得的宣传机会报名参展， 各专业买家可登陆主办方官方网站注册参观， 获取 最新展会信息和赢取主办方为您精心准备的幸运大奖。www. eptee. com， www. ifat-china. com 91 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期