CN111046521A - 一种污染场地调查迁移趋势评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种污染场地调查迁移趋势评估方法，该评估方法考虑地表水体与地下水之间的交互作用，并考虑地表水体的岸坡结构，通过模拟计算评价污染物的迁移趋势，以对污染场地的调查布点方案提供指导。本发明的优点是：该评估方法的建立可以准确评价内部或是附近存在地表水体的污染场地的污染物迁移趋势，并且可以为污染场地调查提供准确可靠的污染物空间分布信息，便于布点实施。

Description

一种污染场地调查迁移趋势评估方法
技术领域
本发明属于环境岩土工程技术领域，具体涉及一种污染场地调查迁移趋势评估方法。
背景技术
我国经过数十年的工业发展后，对工业企业所在区域的土壤和地下水都造成了不同程度的污染。对于地表水体众多的地区，由于河网密集，许多工业厂房都是建在河流的附近，使得这些工业厂房产生的污染物经由地下水，地下水与地表水之间的交互作用而对地表水体造成污染。
地下水与地表水体之间的交互作用发生在地下水与地表水之间的潜流带，而地表水体的岸坡位于潜流带内，由于岸坡结构的差异，使得地下水与地表水之间的交互作用存在较大的差异，进而造成地下水中的污染物对地表水体的污染特征存在较大的差异。这种差异性直接影响着污染物的迁移趋势，同时对于污染场地环境调查中的采样点的布置位置影响很大。目前，对于存在地表水体的场地，在进行污染物迁移趋势的评估以及污染场地调查时都没有考虑地表水与地下水之间的交互作用以及岸坡结构对污染物迁移的影响。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种污染场地调查迁移趋势评估方法，该评估方法考虑地表水体与地下水之间的交互作用，并考虑地表水体的岸坡结构，通过模拟计算评价污染物的迁移趋势，以对污染场地的调查布点方案提供指导。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种污染场地调查迁移趋势评估方法，其特征在于所述评估方法包括以下步骤：
(1)确定目标场地的水文地质条件，所述水文地质条件包括地层分布情况、土性和物理力学参数、渗透系数、孔隙度、给水度、吸附参数、地下水位埋深或标高、地表水体水位标高及深度、降雨量、蒸发量；
(2)确定地表水体与地下水之间交互作用的潜流带的参数，所述参数包括所述潜流带的厚度、所述潜流带的渗透系数；
(3)根据岸坡的渗透性，将地表水体的岸坡分为自然岸坡和人工岸坡，其中，所述人工岸坡根据渗透系数的差异分为不透水岸坡、弱透水岸坡、透水岸坡；
(4)基于步骤(1)-(3)中的信息，建立所述目标场地有地表水体和岸坡存在时的水文地质概念模型，所述水文地质概念模型包括：(a)潜水含水层下覆隔水层及以上地层的组成情况，所述组成情况包括地面标高、土性、厚度；(b)各地层土体的渗透系数、给水度、孔隙度、含水量、弥散系数、化学反应速率常数、分配系数；(c)所述目标场地的降雨量、蒸发量、地表水体水位标高及深度、潜水位水位标高；(d)疑似污染物及污染源的位置、污染年限、污染强度；(e)所述不透水岸坡和所述弱透水岸坡为第二类边界条件，所述自然岸坡和所述透水岸坡为第三类边界条件；所述不透水岸坡和所述弱透水岸坡深度范围以下部分为第一类边界条件；
(5)将步骤(4)中所建立的所述水文地质概念模型进行数值化，数学表达方程为：
Figure BDA0002263552330000021
Figure BDA0002263552330000022
C(x,y,z,0)＝C0(x,y,z)x,y,z∈Ω
C(x,y,z,t)＝C(x,y,z)x,y,z∈Γ1 t＞0
Figure BDA0002263552330000023
x,y,z∈Γ2 t＞0
Figure BDA0002263552330000024
x,y,z∈Γ3 t＞0
式中：
C为所述目标场地的土体的溶解浓度，ML-3；
Figure BDA0002263552330000025
为所述目标场地的土体的吸附浓度，MM-1；
qi为所述目标场地的土体的达西速度，LT-1；
Dij为所述目标场地的土体的弥散系数张量，L2T-1；
qs为源/汇处单位体积含水层的流量，T-1，所述源/汇表示水通过源进入模拟系统或是通过汇离开模拟系统；
Cs为源/汇的浓度，ML-3，所述源/汇表示水通过源进入模拟系统或是通过汇离开模拟系统；
l1为溶解相的反应速率常数，T-1；
l2为吸附相的反应速率常数，T-1；
θ为所述目标场地的土体的孔隙度；
θw为所述目标场地的土体的含水量；
ρb为所述目标场地的土体的孔隙介质的体积密度，ML-3；
R为延迟因子；
C0(x,y,z)为所述目标场地的土体的已知浓度条件；
Ω为所述水文地质概念模型的范围；
C(x,y,z)表示所述目标场地的土体的给定浓度；
Γ1、Γ2、Γ3分别表示第一类边界条件、第二类边界条件、第三类边界条件；
fi(x,y,z)表示一个正交于Γ2的弥散通量函数；
gi(x,y,z)为已知函数，代表正交于Γ3的总通量；
(6)采用数值模拟软件对步骤(5)中的所述数学表达方程进行计算求解，所述数值模拟软件包括但不局限于GMS、FEFLOW、TOUGH2、HYDRUS、COMSOL，计算求解得到地表水体的岸坡处目前的污染物浓度CP，包括：(a)地表水体的岸坡位置及岸坡位置附近的污染物水平向分布特征，所述污染物水平向分布特征包括水平方向不同位置处的污染物浓度；(b)地表水体的岸坡位置及岸坡位置附近的污染物垂直向分布特征，所述污染物垂直向分布特征包括垂直方向上不同深度的污染物浓度；
(7)根据步骤(6)中计算获得的地表水体的岸坡处目前的污染物浓度CP，分析污染物的迁移趋势，并确定在所述目标场地内的调查布点方案。
步骤(7)中具体包括以下步骤：
(a)当岸坡为所述不透水岸坡或所述弱透水岸坡时，岸坡对地下水中的污染物具有阻隔作用，污染物在岸坡处富集、浓度增加，根据步骤(6)中计算获得的地表水体的岸坡处目前的所述污染物浓度CP来确定在岸坡周围的高浓度污染区域范围，并在所述高浓度污染区域内布设钻探采样点；
(b)当岸坡为所述自然岸坡或所述透水岸坡时，岸坡对地下水中的污染物没有阻隔作用，地下水中的污染物在潜流带直接与地表水体进行水量和物质交换，在地下水中的污染物经由岸坡进入地表水体的范围内，对岸坡的底泥进行采样。
本发明的优点是：该评估方法的建立可以准确评价内部或是附近存在地表水体的污染场地的污染物迁移趋势，并且可以为污染场地调查提供准确可靠的污染物空间分布信息，便于布点实施。
附图说明
图1为本发明中目标场地的土层分布及迁移相关参数统计表格；
图2为本发明中目标场地在一个水文年度内的降雨量统计图；
图3为本发明中目标场地在一个水文年度内的潜水面蒸发强度统计图；
图4为本发明中人工不透水岸坡示意图；
图5为本发明中自然岸坡示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-5，图中标记1-6分别为：河流1、不透水岸坡2、河底潜流带3、正常土层4、自然岸坡5、河流6。
实施例：本实施例具体涉及一种基于地表水与地下水交互及岸坡结构影响的污染场地调查迁移趋势评估方法，该评估方法能够应用于农业用地、建设用地或复垦土地等各类型污染场地的环境调查，利用地表水体与地下水交互及岸坡结构对污染物迁移的影响特点，评价污染物的空间分布特征，进而指导调查方案设计，同时对污染物的迁移趋势进行评估。以下结合某污染场地，对该评估方法的具体步骤进行说明：
(1)确定目标场地的水文地质条件，所述水文地质条件包括地层分布情况、土性和物理力学参数、渗透系数、孔隙度、给水度、吸附参数、地下水位埋深或标高、地表水体水位标高及深度、降雨量、蒸发量。
本实施例中的目标场地为某污染场地，其范围为200m×200m，污染物为三氯乙烯，污染年限为10年，污染源为场地原酸洗池，污染强度为100mg/L；
如图1所示为本实施例中目标场地的土层分布及迁移相关参数统计表格，图2为本实施例中目标场地在一个水文年度内的降雨量统计图，图3为本实施例中目标场地在一个水文年度内的潜水面蒸发强度统计图，地面标高为+4.5m，在深度30m范围内主要是以黏性土和砂性土为主，自上而下主要分为4层：第①层为填土，层底埋深2m；第②3-1层为砂质粉土层，层底埋深为15m；第②3-2层为粉砂层，层底埋深为20m；第⑤层为粘土层，至深度30m未揭穿。根据地层的成层性，可以将每一层土概化为均质，水平向与垂向异性。
(2)确定地表水体与地下水之间交互作用的潜流带的参数，这些参数包括潜流带的厚度、潜流带的渗透系数。
(3)根据岸坡的渗透性，将地表水体的岸坡分为自然岸坡和人工岸坡，其中，人工岸坡根据渗透系数的差异分为不透水岸坡、弱透水岸坡、透水岸坡。
在本实施例中，如图4所示，目标场地西侧为河流1，其岸坡为人工岸坡中的不透水岸坡2，河流1的底部为河底潜流带3，不透水岸坡2的外侧则为正常土层4，在该不透水岸坡2的深度范围内作为第二类边界条件，不透水岸坡2深度以下范围则作为第一类边界条件；
如图5所示，目标场地东侧为河流6，其岸坡为自然岸坡5，自然岸坡5的外侧为正常土层4，自然岸坡5作为第三类边界条件考虑；目标场地的地下水流向主要为东—西向，因此，将目标场地南北两侧的边界作为第二类边界条件来考虑。
(4)基于步骤(1)-(3)中的信息，建立目标场地有地表水体和岸坡存在时的水文地质概念模型，该水文地质概念模型包括如下数据：
(a)潜水含水层下覆隔水层及以上地层的组成情况，组成情况包括地面标高、土性、厚度；
(b)各地层土体的渗透系数、给水度、孔隙度、含水量、弥散系数、化学反应速率常数、分配系数；
(c)目标场地的降雨量、蒸发量、地表水体水位标高及深度、潜水位水位标高；
(d)疑似污染物及污染源的位置、污染年限、污染强度；
(e)不透水岸坡和弱透水岸坡为第二类边界条件，自然岸坡和透水岸坡为第三类边界条件，不透水岸坡和弱透水岸坡深度范围以下部分为第一类边界条件。
(5)将步骤(4)中所建立的水文地质概念模型进行数值化，所述的数值化是指将该水文地质概念模型用数学表达方程表达出来，该数学表达方程为：
Figure BDA0002263552330000051
Figure BDA0002263552330000052
C(x,y,z,0)＝C0(x,y,z)x,y,z∈Ω
C(x,y,z,t)＝C(x,y,z)x,y,z∈Γ1 t＞0
Figure BDA0002263552330000053
x,y,z∈Γ2 t＞0
Figure BDA0002263552330000054
x,y,z∈Γ3 t＞0
式中：
C为目标场地的土体的溶解浓度，ML-3；
Figure BDA0002263552330000055
为目标场地的土体的吸附浓度，MM-1；
qi为目标场地的土体的达西速度，LT-1；
Dij为目标场地的土体的弥散系数张量，L2T-1；
qs为源/汇处单位体积含水层的流量，T-1，源/汇表示水通过源进入模拟系统或是通过汇离开模拟系统；
Cs为源/汇的浓度，ML-3，源/汇表示水通过源进入模拟系统或是通过汇离开模拟系统；
l1为溶解相的反应速率常数，T-1；
l2为吸附相的反应速率常数，T-1；
θ为目标场地的土体的孔隙度；
θw为目标场地的土体的含水量；
ρb为目标场地的土体的孔隙介质的体积密度，ML-3；
R为延迟因子；
C0(x,y,z)为目标场地的土体的已知浓度条件；
Ω为水文地质概念模型的范围；
C(x,y,z)表示目标场地的土体的给定浓度；
Γ1、Γ2、Γ3分别表示第一类边界条件、第二类边界条件、第三类边界条件；
fi(x,y,z)表示一个正交于Γ2的弥散通量函数；
gi(x,y,z)为已知函数，代表正交于Γ3的总通量。
(6)采用数值模拟软件对步骤(5)中的数学表达方程进行计算求解，数值模拟软件包括但不局限于GMS、FEFLOW、TOUGH2、HYDRUS、COMSOL，计算求解得到地表水体的岸坡处目前的污染物浓度CP，包括：(a)地表水体的岸坡位置及岸坡位置附近的污染物水平向分布特征，污染物水平向分布特征包括水平方向不同位置处的污染物浓度；(b)地表水体的岸坡位置及岸坡位置附近的污染物垂直向分布特征，污染物垂直向分布特征包括垂直方向上不同深度的污染物浓度；
(7)根据步骤(6)中计算获得的地表水体的岸坡处目前的污染物浓度CP，分析污染物的迁移趋势，并确定在所述目标场地内的调查布点方案，具体如下：
(a)当岸坡为不透水岸坡或弱透水岸坡时，岸坡对地下水中的污染物具有一定的阻隔作用，污染物在岸坡处会明显富集，浓度增加，形成高浓度的“假污染源”，根据步骤(6)中计算获得的地表水体的岸坡处目前的污染物浓度CP来确定在岸坡周围的高浓度污染区域范围，并在该高浓度污染区域内布设钻探采样点；
(b)当岸坡为自然岸坡或透水岸坡时，岸坡对地下水中的污染物没有阻隔作用，地下水中的污染物在潜流带直接与地表水体进行水量和物质交换，由于河流(地表水体)中该污染物浓度始终会比地下水中的污染物浓度低，所以地下水中的污染物会持续的污染河流(地表水体)，污染物在自然岸坡和透水岸坡前不会发生富集，此时，被污染的岸坡会呈现明显的被污染痕迹，通过现场观察，可以观察出地下水中污染物经由岸坡进入河流(地表水体)的范围，此时，只需对岸坡的底泥进行采样即可，不需要进行专门的钻探取样。
如图4、5所示，在本实施例中，由于地下水流向为自西向东，污染物向目标地的东侧河流6方向迁移，目前已经污染河流6，在河流6的西侧可以看到很明显的污染痕迹，因此对于该目标场地的自然岸坡5，直接对自然岸坡5的底泥进行采样，不需要再进行专门的钻探取样。

Claims (2)

1.一种污染场地调查迁移趋势评估方法，其特征在于所述评估方法包括以下步骤：
(1)确定目标场地的水文地质条件，所述水文地质条件包括地层分布情况、土性和物理力学参数、渗透系数、孔隙度、给水度、吸附参数、地下水位埋深或标高、地表水体水位标高及深度、降雨量、蒸发量；
(2)确定地表水体与地下水之间交互作用的潜流带的参数，所述参数包括所述潜流带的厚度、所述潜流带的渗透系数；
(3)根据岸坡的渗透性，将地表水体的岸坡分为自然岸坡和人工岸坡，其中，所述人工岸坡根据渗透系数的差异分为不透水岸坡、弱透水岸坡、透水岸坡；
(4)基于步骤(1)-(3)中的信息，建立所述目标场地有地表水体和岸坡存在时的水文地质概念模型，所述水文地质概念模型包括：(a)潜水含水层下覆隔水层及以上地层的组成情况，所述组成情况包括地面标高、土性、厚度；(b)各地层土体的渗透系数、给水度、孔隙度、含水量、弥散系数、化学反应速率常数、分配系数；(c)所述目标场地的降雨量、蒸发量、地表水体水位标高及深度、潜水位水位标高；(d)疑似污染物及污染源的位置、污染年限、污染强度；(e)所述不透水岸坡和所述弱透水岸坡为第二类边界条件，所述自然岸坡和所述透水岸坡为第三类边界条件；所述不透水岸坡和所述弱透水岸坡深度范围以下部分为第一类边界条件；
(5)将步骤(4)中所建立的所述水文地质概念模型进行数值化，数学表达方程为：
Figure FDA0002263552320000011
Figure FDA0002263552320000012
C(x,y,z,0)＝C0(x,y,z) x,y,z∈Ω
C(x,y,z,t)＝C(x,y,z) x,y,z∈Γ1 t＞0
Figure FDA0002263552320000013
Figure FDA0002263552320000014
式中：
C为所述目标场地的土体的溶解浓度，ML-3；
Figure FDA0002263552320000021
为所述目标场地的土体的吸附浓度，MM-1；
qi为所述目标场地的土体的达西速度，LT-1；
Dij为所述目标场地的土体的弥散系数张量，L2T-1；
qs为源/汇处单位体积含水层的流量，T-1，所述源/汇表示水通过源进入模拟系统或是通过汇离开模拟系统；
Cs为源/汇的浓度，ML-3，所述源/汇表示水通过源进入模拟系统或是通过汇离开模拟系统；
l1为溶解相的反应速率常数，T-1；
l2为吸附相的反应速率常数，T-1；
θ为所述目标场地的土体的孔隙度；
θw为所述目标场地的土体的含水量；
ρb为所述目标场地的土体的孔隙介质的体积密度，ML-3；
R为延迟因子；
C0(x,y,z)为所述目标场地的土体的已知浓度条件；
Ω为所述水文地质概念模型的范围；
C(x,y,z)表示所述目标场地的土体的给定浓度；
Γ1、Γ2、Γ3分别表示第一类边界条件、第二类边界条件、第三类边界条件；
fi(x,y,z)表示一个正交于Γ2的弥散通量函数；
gi(x,y,z)为已知函数，代表正交于Γ3的总通量；
(6)采用数值模拟软件对步骤(5)中的所述数学表达方程进行计算求解，所述数值模拟软件包括但不局限于GMS、FEFLOW、TOUGH2、HYDRUS、COMSOL，计算求解得到地表水体的岸坡处目前的污染物浓度CP，包括：(a)地表水体的岸坡位置及岸坡位置附近的污染物水平向分布特征，所述污染物水平向分布特征包括水平方向不同位置处的污染物浓度；(b)地表水体的岸坡位置及岸坡位置附近的污染物垂直向分布特征，所述污染物垂直向分布特征包括垂直方向上不同深度的污染物浓度；
(7)根据步骤(6)中计算获得的地表水体的岸坡处目前的污染物浓度CP，分析污染物的迁移趋势，并确定在所述目标场地内的调查布点方案。
2.根据权利要求1所述的一种污染场地调查迁移趋势评估方法，其特征在于步骤(7)中具体包括以下步骤：
(a)当岸坡为所述不透水岸坡或所述弱透水岸坡时，岸坡对地下水中的污染物具有阻隔作用，污染物在岸坡处富集、浓度增加，根据步骤(6)中计算获得的地表水体的岸坡处目前的所述污染物浓度CP来确定在岸坡周围的高浓度污染区域范围，并在所述高浓度污染区域内布设钻探采样点；
(b)当岸坡为所述自然岸坡或所述透水岸坡时，岸坡对地下水中的污染物没有阻隔作用，地下水中的污染物在潜流带直接与地表水体进行水量和物质交换，在地下水中的污染物经由岸坡进入地表水体的范围内，对岸坡的底泥进行采样。
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