地块概念模型在水利工程中的应用.pdf

环 保 与 节 能Maritime Safety 水上安全79作者简介：孙景琛，女，硕士，助教，研究方向为水利工程。地块概念模型在水利工程中的应用孙景琛（山西开放大学，太原 030027）摘要：本文构建了地块概念模型，掌握了受污染场地的地质、水文地质、地下水压强水头情况，在来源-路径-受体（SPR）框架下分析地下水渗流为动力的污染物传播，了解下游受体面临的威胁。关键词：地下水；地块概念模型；羽流；溶质传播速度0 引言某炼油工厂发生储存泄漏，导致地下水含水层受到芳香烃（苯和萘）污染，附近地下水中检测到污染物，可能严重影响环境和居民健康。因此，有必要对地下水污染情况进行彻底调查和分析，以有效减轻和管理风险。1 研究内容地块概念模型是对研究区域地下水系统的一个抽象表示，通常包括地质、水文地质、污染物来源、地下水流动方向和速度等要素，通过构建地块概念模型，可以更好地理解地下水系统的特点和影响因素。本文研究内容主要是明确地下水污染物羽流分布现状，在来源-路径-受体（source-pathway-receptor，SPR）框架下对污染物羽流运移对受体的影响进行判断，了解污染物在不同时间和空间上的传播和扩散范围，决定是否开展场地修复。2 研究方法2.1 现场勘探前期的现场地质勘探使用岩芯钻探技术，得到了岩芯成分、钻孔及各岩芯段深度，试验后期钻孔被改造用于地下水采样，监测地下水水质数据、地下水水位，开展微水试验，除此之外现场还分析了场地附近地下水污染物的潜在受体。2.2 构建地块概念模型演示地质学和水文地质学情况地块概念模型是用简单的文字和示意图展示场地的地质、水文地质、污染物分布、污染物运输情况和SPR 等。2.2.1地质情况在钻孔平面位置图上选择一条直线穿过尽可能多的钻孔，利用直线上的钻孔位置和岩芯段深度绘制二维横截面的地质图。绘制过程需要标注出岩芯对应的岩层类型，假设如果相邻两个钻孔的岩层相同，那么钻孔之间的地质类型也为此岩层。例如当较浅的钻孔两侧各有较深的钻孔时，两个深钻孔中的岩层可以推断也是浅钻孔下方的地层。从地质概念模型看，浅层有少量黏土层，砂岩和泥灰砂岩的体量占主导地位，构成非承压水的地形条件，砂层分布在地下 8m 左右，孔隙率和导水性相对较高，地下水中的污染物易于处理。2.2.2水文地质情况将水力传导率和地下水水位与岩层分布结合，可以了解水文地质情况，地块概念模型见图 1。地下水位大约在地下 5m 处，不同钻孔显示的地下水水位不同，暗示地下水存在补给区和排泄区，这一点可以用运河与地下水相交假设解释，无衬砌的运河中水位变化会形成与地下水之间的补给和排泄的交互过程。例如 33号、38 号和 28 号钻孔显示的地下水高程高于运河水位，因此它们是地下水的排泄区，地下水从这些区域流入到运河中。9 号、42 号钻孔显示的区域地下水高程低于运河水位，因此它们是地下水补给区，水从运河流入地下水含水层。一般情况下，该含水层中砂岩的导水系数为（1.22.2）10-4m/s，泥灰岩的导水系数为（2.23.6）10-4m/s。水力传导率值越高，地下水在该岩层内的流速越高。地表以下 4m处的存在一处相当高的水力传导率值环 保 与 节 能水上安全 2023 年 第10 期8016.910-4m/s 暗示可能存在裂缝。这些特殊的地质条件可能会影响羽流路径，但精准的判断仍需增加钻孔数量。2.2.3地下水流向地质勘探后钻孔被改造为地下水监测井，将监测井位置和地下水压强水头结合绘制等高线，以确定区域地下水流模式。根据地下水水位等值线图（如图 2所示）可以确定地下水流的方向，该方向垂直于水力等值线，并从地下水位高程的上部指向下部地下水位高程。因为污染物羽流扩散过程的主要动力是平流，所以平面内地下水方向也是羽流路径。地下水钻井水平坐标/m地下水钻井纵向坐标/m图 2 地下水压强水头等高线、水流流向、平均流速图得到的等值线图上有一些旋涡状的热点，表明了地下水补给区和排泄区的位置，这些热点支持了水文地质概念模型中地下水与运河之间存在交互的假设，并能够呼应水文地质章节 3.2.1 中的猜想。2.2.4地下水流速根据达西公式计算水平地下水流速和垂直地下水流速。选择两条等高线，测量等高线之间的直线距离后得到水平水力梯度。垂直水力梯度是在巢式监测井中使用测压计采集地下水水头数据计算的。岩层勘探后形成的钻孔被施工改造为地下水监测井，用于监测地下水水质和水位。测量垂直水力梯度需要在观测井内施工建造不同长度的井管，形成巢式井。值得注意的是，钻孔 38 中的水力梯度-0.02，数值为负，这表明地下水从地下流向地表，即钻孔 38 为地下水排泄区域，证实了前述猜想。因地质勘探显示此场地地下水为非承压水，因此含水层的渗透系数可以采用微水试验测定，求解模型采用鲍威尔-赖斯（Bouwer-Rice）模型计算1。经过计算得到地下水水平流速为 6.45m/a。相比之下，监测井 4m、5m、5d、6m、37、41、49 的中流速较快，其中4m监测井中水流速度最快，为22.5m/a。监测井4d、6d、7d、9、10、11、12、13、33、34、35、36、37、38d、42、44、48较慢，最慢速度在监测井33为1.69m/a。2.2.5地下水污染物分析1）地下水污染分布。监测井 1d、6m、6d、7m、7d、9、10、11、12、33、34、36、37、41、42、48、49中采样的地下水进行了水化学分析，可以将不同监测图 1 地块概念模型展示场地地质和水文地质情况高程/m环 保 与 节 能Maritime Safety 水上安全81井显示的污染物浓度标注在水文地质图的坐标下，绘制有机污染物浓度的二维等高线图描述其分布。为了进行污染物浓度评估，需要 1d 监测井位于厂房上游它可以认为是未受污染的地下水，作为未受污染的水源进行空白对照。1d 监测井中的水样中含有 O2，Cl-，NO3-，SO42-，少量的 Fe2+，Mn2+。以有机污染物苯分布为例，目前苯的羽流形状为长约 550m，深度约 60m。不同污染物羽流的形状相似，但传播速度仍略有差异：苯最快，乙苯次之，其次是甲苯、二甲苯和萘。2）有机污染物的运动。地下水流速可以估计由于含水层中因吸附而导致的每种有机污染物的实际流速和传播到达下游受体的时间。其计算公式为 （1）式中：Koc为有机碳吸附系数，mL/g；foc为地下水含水层有机碳；Rf为溶质阻滞因子；为含水层容积密度，g/cm3；ne为含水层有效孔隙率；Vw为区域地下水流速；Vs为由于吸附而导致延迟的溶质（污染物）速度；L 为溶质与受体之间距离；t 为溶质传播至受体所需时间。3）危险受体。SPR 框架下2，S 是指环境中产生污染物的位置或过程。P 是指污染物从源到达受体的路径，R 是指受体是指可能受到污染物影响的对象。监测井 49 中各污染物含量均较低，所在位置被视为羽流前缘，为本文 SPR 中的 S，污染物在地下水中的行进时间计算基于从受体到监测井 49的距离，速度使用监测井 49 中各污染物的延迟速度。据此，可以估计羽流中的每种有机污染物到达任何重要且可能面临污染风险的受体的传播时间。下游居民饮用水取水井距离监测井 49的距离是1200m，经计算污染物还需要约 200 年时间才能抵达，但此时间未考虑取水井抽水而产生的影响。因监测井中的水质数据显示有机污染物苯分布的污染物羽流已经抵达运河，因前文已证实地表水与地下水之间存在交换，运河水质面临污染的风险，有必要立即修复工厂土壤污染物和沿途地下水，地下水原位化学氧化修复是针对石油烃污染的一种可行方式3。3 结束语本文构建了地块概念模型，描述了受污染场地的地质、水文地质情况，该地点的地下水总体上是非承压水。通过水化学分析，了解目前污染物分布羽流长约 550m，深约 60m。根据水文地质和地下水水文参数计算得到地下水渗流的方向和流速，判断在 SPR 框架中运河作为受体因地下水中污染物受到了威胁，明确需要立即启动修复。4 参考文献1 徐化楠.微水试验在常州地区潜水层中的应用分析 J.山西建筑,2023,49(13):124-126,179.2 伊斯法罕.某污染场地风险评估和修复 D.南京:东南大学,2022.3 章生卫,程小谷,于李罡,等.石油烃污染地下水原位化学氧化修复研究 J.环境科学与技术,2021,44(增刊 1):56-60.