地下水污染模拟

地下水污染控制及治理工程研究 引言 地下水是我国城市生活和工农业用水的重要供水水源，全国约有三分之二的城市和部分农田以地下水作为重要供水水源。目前，地下水资源开发利用过程中缺乏宏观规划、科学和严格管理，导致地下水严重超采、水位持续下降、漏斗面积不断扩大、地下水受到普遍污染等问。此外，在有些城市和地区，与地下水有关的环境，生态问题日益严重，如地面沉降、地面塌陷、土壤沙漠化和盐渍化等。随着城市化的发展，城市生活垃圾剧增。目前，我国仅生活垃圾每年即可产生1.2x108t左右，并且以每年8%~10%的速度增加，生活垃圾无害化处理率仅有2.3%，绝大多数都是运往郊外露天堆放，累积堆存量已达60x108t，使200多座城市陷于“垃圾包围城市”的严重局面。垃圾堆放场可以产生垃圾淋滤液,这是一种垃圾经压实，生物降解生成的水以及渗入场内的雨水，地水和地下水经垃圾层渗滤出的污浊液体，其成分相当复杂，包含大量的有机物、无机盐及品种繁多且含量超标的重金属类物质。垃圾淋滤液一旦进入土壤和地下含水层造成了污染，修复治理是极其困难的，而且费用也是非常昂贵。 1 国地下水污染的研究现状 目前我国对地下水的研究主要集中在以下几个方面 1.1地下水水质研究 地下水水质研究是地下水污染研究的重要部分，我国对地下水水质的研究集中在两方面：一方面是污染物控制指标及水质标准的修订，另一方面是水质评价方法的探讨和改进。 1.1.1污染物控制指标及水质标准的修订 我国对污染物控制指标的研究始于1949年以后，主要反映在水质标准的颁布和不断修订上至今，我国已经颁布执行的地下水水质标准有地下水质量标准 （GBT14848－1993），生活饮用水卫生标准（GB5749－85）等。 1.1.2水质评价方法的探讨和改进 水质评价可以较好的反映地下水是否污染及污染程度，水质评价方法是地下水水质评价的工具和手段，由于水体污染的随机性和模糊性对于地下水水质评 价至今仍没有一个被广泛接受的评价模型。目前常用的地下水水质评价方法有单因子评价方法和综合评价方法，我国传统的水质综合评价方法是GB/T14848－1993推荐使用的内梅罗指数法。近年来世界各国的专家学者对地下水水质评价方法进行了深入的探索，提出了很多评价方法和模型，主要有基于模糊数学的模糊综合评判法、基于灰色系统理论的灰色聚类法、灰色关联度法、基于数学计算机模型的BP（误差反向传播算法）人工神经网络模型基于GIS的评价模型、多元线性回归模型、逻辑斯谛曲线LOG模型以及基于理论分析的集对分析法物元可拓法等。 1.2地下水污染调查的研究 地下水污染调查是地下水污染研究的基础我国目前在调查内容和调查技术上都有了一定的进展。 1.2.1地下水污染源的调查研究 污染与污染源有着必然的联系，地下水污染源按其形成原因可分为人为污染源和天然污染源两大类。按其分布形状又可分为点源线源和面源。按来源划分为工业污染源、农业污染源、城市污染源、固体废物源及高尔夫球场、养殖场、排污河流、加油站、污水处理厂等其它源四类。目前我国对地下水污染源的研究在认识程度和研究内容上都有了一定的深入，不断加强对地下水污染源的类型强度和空间分布特征的认识及其对地下水影响程度的分析，对地表污染水体的分布规模利用情况及水质状况等也做了详细的调查。 1.2.2电法勘探应用 近年来，国外的大量研究和试验表明，电法勘探可成功地应用于地下水污染的调查研究。应用不同的物探方法可以解决不同的问题：一是利用电阻率法可以圈定地下水污染范围，可以进行海岸环境下的地下水勘察；二是利用电磁法可以探测导电的羽流的流向及状态，圈定地下水污染区；三是利用频谱激发极化法探测有机学污染，还可以根据不同目的而采取相应的物探方法。 1.2.3地下水有机污染调查 随着国际上对毒害有机物的普遍重视，我国相关部门的科研单位及高校研究人员借鉴国外的研究经验逐步展开这方面的研究工作。我国政府加大了地下水有机污染调查与研究的投入，地下水有机污染的危害已逐步得到重视，地下水有机污染的调查与研究将成为今后地下水污染调查研究的重要内容。 1.3地下水污染物的来源污染途径研究 1.3.1地下水污染的风险评价研究 地下水污染风险是指含水层中的地下水由于人类活动而遭受污染到不可接受的水平的可能性。最早的地下水污染风险可以追溯到1968年法国学者Ｍarjat提出的地下水脆弱性评价。仅从含水层的自然属性条件（土壤、气象、水文地质等）出发，称为含水层固有脆弱性或者含水层的防污性能。20世纪80、90年代针对面源污染造成的地下水污染问题，研究者认识到地下水本质脆弱性污染负荷与污染风险之间的复杂关系，因此，将污染物的特性和一些人类活动因素纳入到地下水污染风险的研究体系中，含水层的特殊脆弱性评价形成也称为早期的地下水污染风险评价。截至目前地下水污染风险评价目前还没有一套公认的评价模型和评价指标体系及方法，各国研究者都在不断地进行探索。 1.3.2地下水污染健康风险评价研究 地下水污染健康风险评价是以风险度作为评价指标，把地下水污染与人体健康联系起来，定量地描述地下水污染对人体健康产生的危害大小。地下水污染健康风险评价是在环境风险评价的基础上发展起来的，随着水污染状况越来越严重关于水环境对人体健康的风险评价也越来越受重视。目前国内的地下水污染健康风险评价是在国外环境风险评价方法的基础上，基于保护人类健康的考虑，以地下水质量标准和风险评价的健康基准值为基础客观科学地量化地下水污染对人体健康的潜在影响采用的方法主要是风险评价四步法。最初主要集中于对地表水或污水回用的评价评价的污染物主要是无机物和金属污染物随着对地下水有机污染物认识的加深地下水无机污染物的研究也在逐步加大。 1.3.3环境同位素在地下水污染研究中的应用 同位素技术在地下水勘测、地下水运动规律研究、地下水污染分析、坝堤渗漏测定、地表水来源及组成分析等方面都有重要作用，是目前世界上研究地下水的先进技术手段。同位素有稳定同位素和放射性同位素放射性同位素存在放射性衰变在地下水研究中的应用主要是定年作用和标记作用。2０世纪80年代同位素水文学在我国的研究进入一个新阶段同位素水文地质的理论和方法的研究取得了一定的进展，20世纪90年代在国家自然科学基金委员会的支持下，同位素在地下水中的应用向更高层次发展。综合分析，稳定同位素技术和放射性同位素技术在地下水污染研究中的应用得到了长足的发展，理论和方法研究比较系统、研究案例非常丰富，取得了一定的成果，对于有机污染的单体同位素技术CSIA的机理及应用的研究还处于探索阶段。 1.3.4地下水污染数值模拟研究 地下水污染的数值模拟研究包括数学模型的研究应用及模拟实验研究两个方面，地下水污染的数学模拟研究各种溶质的浓度在多孔介质中的时空变化规律，较好地定性或定量地预测含水层中污染物现在或未来的分布状况。目前对地下水水质模型的研究已有相当的水平，相应的数学模型也日趋成熟，主要的地下水质模型有对流－弥散模型、随机模型和黑箱模型。目前，我国地下水污染数值模拟模型方面的研究在模型探讨及应用上取得了一定的成果，污染物质的迁移、模型中模拟参数以及溶质迁移的机理的研究越来越得到重视，开展了大量的工作。 1.4地下水污染监测研究 地下水污染监测是地下水污染研究中的重要方面，目前，我国已经形成了由一个国家级监测院、31个省级地质环境监测总站（院、中心）和217个市（地）级地质环境监测分站组成的地质环境监测工作体系；随着环境监测指标的不断增加和监测精度要求的不断提高，监测技术也得到了一定的发展，监测井从传统的混合式的地下水监测井逐渐向分层采样、分层监测为目的的监测井发展；地下水监测网的建设工作也在逐步的扩大，建立了由两万多个监测点组成的地下水监测网络，陆续建立和完善全国地下水监测数据库。自动化监测水平逐步提高，部分省市通过安装地下水自动检测仪，实现地下水的在线自动化监测。 2 地下水污染治理研究现状 修复已被污染的地下水，加强地下水环境的保护，己成为当前国内外研究的热点。世界上经济发展水平很高的一些发达国家，自20世纪80年代就已经开始了地下水修复工作，并在该领域取得了较好成绩。地下水吸附技术在大量的实践应用中得以不断改进和创新。一般，地下水污染的处理分为异位处理法和原位处理法。 2.1 地下水污染的异位处理技术 地下水污染的异位处理方法主要有抽取-处理方法（Pump and treat）。自20世纪80年代开展地下水污染修复至今，该技术仍是地下水污染治理的主要技术。抽取一处理方法就是采用先抽取己污染的地下水，然后在地表进行处理的 方法。处理方法可以是物理化学法也可以是微生物法等，通过不断的抽取污染 地下水，使污染晕的范围和污染程度逐渐减小，并使含水层介质中的污染质通 过向水中转化而得到清除。目前，抽取-处理方法被应用于地下环境中易溶污 染质的恢复和治理。有时需要注入表面活性剂来增强吸附在地层介质颗粒上的 有机污染物的溶解性能，从而加快抽取一处理的速度。对于从含水层中抽取出来的污染地下水，可以采用环境工程污水处理的多种方法进行处理，如碳吸附方法，化学氧化以及微生物处理等。 2.2 地下水污染的原位处理技术 原位处理法是地下水污染治理技术研究的热点，不但处理费用相对节省，而且还可减少地表处理设施，最大程度地减少污染物的暴露，减少对环境的扰动，是一种很有前景的地下水污染治理技术。较典型的地下水原位修复技术有空气注入(Air sparging)修复技术(简称As技术)、渗透性反应墙(permeable Reaetive Barrier)修复技术(简称pRB技术)、原位生物(Bioremediation)修复技术、多相抽提(MultiZPhase Extraetion)修复技术原位化学修复(Chemieal Treatment)技术、植物修复(phytoremediation)技术以及多种方法相结合的修复技术等。 2．21 PRB技术 处理墙方法也称为被动屏障法或被动处理墙方法，首先在污染源的下游开 挖沟槽，然后充填反应介质，与流经的污染地下水进行反应，使污染物得到处 理。用于反应的充填介质可以包括零价铁、微生物、活性碳、泥炭、蒙脱石、 石灰、锯屑或其它物质，在处理墙中污染物的反应包括降解，吸附和沉淀等。 2.22 原位生物(Bioremediation)修复技术 所谓原位生物修复技术就是利用微生物对污染土壤不经搅动，在原位和易残留部位之间进行现场处理。原位生物修复的原理实际上是自然生物降解过程的人工强化，它是通过采取人为，包括添加氧和营养物等，刺激原位微生物的生长，从而强化污染物的自然生物降解过程。通常原位生物修复的过程为：先通过试验研究，确定原位微生物降解污染物的能力，然后确定能最大程度促进微生物生长的氧需要量和营养配比，最后再将研究结果应用于实际。原位生物修复包括以下几个方面：(l)深入的现场调查；(2)可处理性研究；(3)消除污染源和回收游离相污染物；(4)和实施生物修复工艺；(5)通过监测项目来评价工艺的运行情况。好氧地下水生物修复图例见图。 好氧地下水生物修复图 从20世纪70年代开始，人们进行污染含水层的微生物原位处理的研究，目前已有许多利用微生物进行原地处理的实例。目前在发达国家这一方法的应用越来越普遍，对微生物原位处理方法的研究一直是学术界和工程技术界的热点和重点，绝大多数的微生物原位处理采用的是好氧模式(不排除特殊情况下的厌氧处理方法)。