基于GMS的有机污染物在土壤及地下水运移规律的综合研究

来源:用户上传      作者:韩鹏飞 崔阳 魏莹莹 魏国振

　　摘要：随着社会的不断进步，人们的生活水平逐步提高，我们日常生活中产生的有机污染物的数量也在不断增加，一些有机污染物在土壤和地下水环境中发生迁移活动，明显不利于环境管理和环境污染控制以及在日常生活中对水质的控制等。因此，本文对 GMS 的相关知识、有机污染物的定义以及 GMS 在环境管理中的应用进行了综述，分析研究了有机污染物在土壤和地下水中的迁移规律及对环境的影响，提出了解决有机污染物对周围生活环境严重污染的最优方案。
　　关键词：GMS;有机污染物;土壤和地下水运移规律
　　中图分类号：X832  文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）03-00-02
　　DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.018
　　GMS based comprehensive study on the movement of organic pollutants in soil and groundwater
　　Han Pengfei1，Cui Yang1，Wei Yingying1，Wei Guozhen2
　　（1.Hebei Geological Environment Monitoring Institute，Shijiazhuang Hebei 050000，China;
　　2.Hebei Hydrogeological Engineering Geological Exploration Institute，Shijiazhuang Hebei 050000，China）
　　Abstract：With the constant progress of the society ，people’s living standard gradually improve， at the same time to produce the amount of organic pollutants in our daily life is increasing， and some of the organic pollutants in soil and groundwater environment corresponding migration activities ，obviously bad for the environment management and control of environmental pollution，and in the daily life of water quality control ，and so on .Therefore，in this paper，relevant knowledge about GMS，definition of organic pollutants，impact on the environment and migration law of organic pollutants in soil and groundwater were analyzed and studied accordingly ，and then the optimal solution was proposed to solve the serious pollution caused by organic pollutants to the surrounding living environment.
　　Key words：GMS;Organic contaminant;Law of soil and groundwater migration
　　1 GMS
　　1.1 GMS 的定義
　　GMS（Groundwater Modeling System） 地下水模拟系统是当今世界上较先进的地下水模拟系统软件包。同时，GMS 是由 Brigham yongUniversity的环境模型实验室和美国军工水道实验站合作而开发出的，具有强大功能性的图形界面，综合性能强的地下水模型构建，在 3D环境下能够开发对地下水的近期状况进行透视化的模拟以及数值模拟环境的功能性的软件包。
　　1.2 GMS 的主要组成部分
　　GMS 主要的模块可以分为两大部分，分别是：第一，计算机模块。计算机模块又包括了九个基本模块。其中 Modflow 主要用于专门模拟介质中体下水流动的三维有限差分的软件，同时，具有结构的模块化，离散方法的解算简单，求解的方法多样化的特点，使得其能够应用在模拟各种地下水流的系统，进而在应用之中能够快速的发展，满足现今的需求。Femwater 模块主要是用于模拟饱和流与非饱和流条件下水流和溶质的具体运移的三维有限元耦合的模型，同时还可以用于模拟咸水入侵等密度变化的水流以及运移等其他问题解决之中。Mt3dms 模块主要用来模拟地下水系统中对流、弥散以及化学反应的三维溶质运移模块模型，在计算的过程中经常与 Modflow 混合连用。Rt3d 模块主要用来处理多组反应中的三维运移模型，一般应用于模拟自然衰减以及生物的恢复之中。Seam3d 模块经常被用来模拟复杂的生物降解的关键问题的模型，其中包括了多酶，多电子接收器。Modpath 用于在确定时间内稳定或者是非稳定流中质点运移路径的三维示踪模型，同时也就需要与 Modflow 混合联用。Seep2d 用来计算坝剖面渗透的二维有限元稳定流的具体模型，同时也可用来模拟承压流及无压流问题以及模拟饱和与非饱和的问题。Nuft 模拟三维多相不等温水流和运移模型，适合于解决包气带中的某些问题。Utchen 模拟多相流和运移的模型，对于抽水和水位恢复的模拟较为理想，已经在许多的问题中被广泛应用。第二是辅助模块。辅助模块又包括了 Pest 与 Ucode 模块主要在使用 modflow 和 Feflow 等计算模块的时候交替使用，来调整选定的参数，直到计算结果与野外观测值相吻合。 　　2 有机污染物的定义
　　有机污染物指的是以碳水化合物、蛋白质氨基酸以及脂肪等其他形式存在的天然有机物质及其他种类的可以生物降解的人工合成有机物质为主要成分的污染物的总称。有机污染物的存在形式主要是挥发态有机污染物。所以，这些挥发性的污染物借助挥发、淋浴以及浓度上的差距来进一步的扩散到所有的环境中，接着对周边的空气、水源、生态系统以及人们造成严重的危害，不利于人们的生活、社会的进步。
　　3 有机污染物在土壤中的运移规律
　　有机污染物在粘土中的运移规律：粘土中含有较多的矿物，颗粒较小，比表面积大，粘土有一定的粘度，导致颗粒表面的薄膜水以及结合水会对有机污染物的弥散形成一定的影响。在观察有机污染物在粘性土的实验中发现，有机污染物的浓度会出现“拖拽”的现象，延缓了有机污染物的运移速度，在水平方向上有机污染物会随着距离污染源的增加而逐渐地下降，而在竖直方向上，有机污染物会随着距离的增加而缓慢的增加，一般在 0.12～0.30 之间，同时出现“拖拽”的现象。作为对比，有机污染物在砂土中的运移规律却是在竖直方向上会随着距离的增加而增加，一般是在 1.34～1.73 之间，偶尔会出现一些“拖拽”的现象，出现的几率比在粘性土中的几率小，同时有机污染物会受到其他因素的影响进而影响运移速度。
　　4 有机污染物在地下水中的运移规律
　　有机污染物在地下水系统中的迁移、转化过程属于复杂的物理、化学及生物综合作用的效果。在地表的污染物在进入含水层时，一般都要经历表土层及下包气带，而表土层和下包气带对污染物不仅有输送和储存功能，而且还有延续或衰减污染的效应。所以有人认为表土层和下包气带为天然的过滤层。其实，实际上是由于有机污染物经过表土层及下包气带时产生了一系列相应的物理、化学和生物的作用，从而使得一些污染物被降解为无毒无害的成分。其中的一些污染物由于过滤、吸附和沉淀而截留在土壤里，其余还有的一些污染物被植物吸收或合成到微生物里，最终使污染物浓度降低，这称为自净作用。但是，污染物在上述迁移过程中，还有可能发生与自净作用相反的现象。就是指有些作用会增加污染物的迁移性能，使其浓度增加，或者是从一种污染物转化成另一种污染物。例如，对 2002 年发生的垃圾场 NH4 -N 泄露通过 GMS 建模分析后得出了 NH4 -N 在地下水中的运移规律。抽水井一般处于地下水的水界面的饱和水带，所以会贯穿三层土壤。经过 1800d 后，垃圾场泄露的 NH4 -N 开始进入到抽水井的所处位置，此时的 NH4 -N 的浓度是0.0024mg/L，所以泄露的 NH4 -N 会影响到抽水井中水源的水质。通过参考《地下水环境质量标准》，发现泄漏的污染物在经过 3000d后，抽水井中的 NH4 -N 浓度含量会超标，抽水井中的 NH4 -N 的浓度会达到 0.0622mg/L，此时，垃圾场泄露的 NH4 -N 就会严重影响到抽水井的水质，从而对周边居民的日常生活造成影响，甚至会严重威胁到居民的生命安全。同时对于垃圾场的下部区域，会因为防渗层的破坏，其中的渗透液发生泄漏，使得包气带中土壤中的 NH4 -N的含量超标。发生泄漏后 3900d 后，该浓度会维持在 1.0468mg/L。因此，由于垃圾场的泄漏，使得滲透进入的污染物必然进行土壤的迁移。与此同时，随着土壤的迁移，会深刻影响到泄漏液在土壤及地下水中的运移规律。所以，在滤液发生泄漏后 600d 后，相对隔水层的土壤中的含量会超过0.02mg/L，最终保持在 0.1415mg/L，而饱和带地下水中的泄漏物的浓度最高会是 0.0359mg/L。所以，发生了有机物污染物的泄漏会对厂区下方的饱和带地下水造成一定的污染，严重的话，会迫使居民难以继续生活在污染物泄漏的附近地区。
　　5 结语
　　通过借助 GMS 建模的形式能够更好地了解到在发生污染物的泄漏后该区域污染物的迁移规律，从而能够更好地做出预防措施以及做出对应的纠正措施来进一步解决有机物泄漏后对周边环境造成的影响。使得相关的环境保护部门能够及时地对发生泄漏的区域进行评估，进行相关的环境保护，进一步实现环境的可持续发展。同时，GMS 也需要进一步的技术研究，因为 GMS 还不能够准确计算出允许泄露的最大浓度且在应用 GMS 的过程中计算较为复杂、繁琐。
　　参考文献
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　　收稿日期：2019-12-11
　　作者简介：韩鹏飞（1987-），男，汉族，本科学历，初级职称，研究方向为水文地质、环境地质。
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