地下水流速流向在線監(jiān)測站在地下水污染場地溯源防控中的應用研究

摘要

地下水污染具有隱蔽性、滯后性、遷移緩慢、治理修復周期長等特點，精準掌握污染場地地下水流速、流向，是鎖定污染源位置、預判污染羽擴散路徑、制定地下水管控與修復方案的核心前提。傳統(tǒng)依靠水位等值線間接推求地下水流場的方式在非均質(zhì)污染場地誤差較大，難以支撐高精度污染溯源工作。本文以某化工遺留污染場地為例，布設地下水流向?流速在線監(jiān)測站開展原位長期監(jiān)測；介紹監(jiān)測站點布設原則、井下安裝工藝、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，通過監(jiān)測站連續(xù)實測數(shù)據(jù)分析場地真實地下水流場時空變化特征，識別抽水擾動、雨季補給條件下污染水流向偏轉(zhuǎn)風險；結(jié)合實測流速流向數(shù)據(jù)修正地下水溶質(zhì)運移模型，優(yōu)化污染監(jiān)測井網(wǎng)布局，劃定污染羽潛在遷移范圍。工程實例證明，地下水流速流向在線監(jiān)測站可為污染場地溯源、風險管控、修復效果評估提供直接水動力依據(jù)，顯著提升地下水污染防控決策的科學性。

關(guān)鍵詞：地下水污染場地；地下水流速流向監(jiān)測站；污染溯源；溶質(zhì)運移；監(jiān)測井網(wǎng)；原位監(jiān)測

1 引言

隨著我國土壤地下水污染防治工作全面推進，大量工業(yè)遺留場地、加油站、垃圾填埋場地下水污染問題逐步顯現(xiàn)。地下水污染物隨地下水流緩慢遷移擴散，污染羽范圍不斷擴大，對周邊地下水飲用水源地構(gòu)成潛在威脅。地下水污染防控首要任務就是查清場地地下水流場分布規(guī)律，明確污染物遷移方向與遷移速率。

在以往污染場地調(diào)查項目中，地下水流場大多依靠監(jiān)測井水位數(shù)據(jù)繪制等值線，利用達西定律計算水力梯度，間接推斷地下水流向。但化工污染場地地層往往高度非均質(zhì)，局部存在透鏡體、古河道、破碎帶，含水層滲透性空間差異巨大，水位?流向之間并非一一對應關(guān)系，間接計算得到的流向常常和實際水流方向出現(xiàn)較大偏差，導致污染源誤判、污染羽預測方向出錯，最終造成后期修復井布設失效、治理工程投資浪費。

單井原位地下水流速流向在線監(jiān)測技術(shù)，可直接測量含水層真實流向流速，不需要依靠多井水位插值反演；而長期在線監(jiān)測站又能夠捕捉地下水動態(tài)變化，識別雨季入滲、周邊地下水開采帶來的流場擾動，解決短期一次性測量無法反映流場動態(tài)變化的短板。本文結(jié)合實際化工污染場地工程案例，系統(tǒng)探討地下水流速?流向在線監(jiān)測站在地下水污染溯源、污染風險預判、修復方案優(yōu)化當中的應用方法，為同類污染場地調(diào)查治理項目提供參考案例與技術(shù)思路。

2 污染場地概況與水文地質(zhì)條件

研究場地位于華北某化工遺留地塊，占地面積約12.8?hm2，長期開展化工原料儲存生產(chǎn)活動，場地地下水檢出揮發(fā)性有機物污染。場地地層自上而下依次為：素填土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細砂含水層。目標監(jiān)測含水層為第四系細砂孔隙含水層，含水層頂板埋深18?22?m，地下水埋深15?19?m，含水層滲透性空間分布不均，局部存在粉質(zhì)黏土弱透水夾層，屬于典型非均質(zhì)含水層。周邊存在農(nóng)業(yè)灌溉井間歇性抽水活動，地下水受人工開采擾動明顯，流場具有動態(tài)變化特征。

項目前期調(diào)查階段，依靠水位等值線初步推斷地下水流向為正東方向。但是地下水污染監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，污染物濃度高值區(qū)并未出現(xiàn)在正東下游位置，初步判斷原流場推斷結(jié)果存在偏差，需要布設地下水流速流向在線監(jiān)測站開展原位實測，查清場地真實地下水流場。

3 地下水流速流向監(jiān)測站布設與安裝實施

3.1 監(jiān)測站點布設原則

污染場地監(jiān)測站點布設遵循“上游?污染源區(qū)?下游?側(cè)向邊界"分區(qū)布設原則，在污染羽上游背景區(qū)、疑似污染源核心區(qū)、污染羽下游預判區(qū)、場地側(cè)向邊界位置分別布設4座地下水流速?流向在線監(jiān)測站，形成場地水動力監(jiān)測網(wǎng)絡。監(jiān)測井濾水管段嚴格對準目標污染含水層，避開上部淺層潛水，防止淺層水干擾監(jiān)測結(jié)果。

3.2 監(jiān)測站井下安裝施工流程

1）下放探頭前，首先開展洗井作業(yè)，清除井內(nèi)淤積泥沙，恢復含水層原始流場，洗井后靜置24?h待井內(nèi)水流穩(wěn)定，再下放流速?流向探頭；

2）將光學流速?流向探頭緩慢下放至含水層濾水管中部位置，通過線纜標記精準控制下放深度，固定井口線纜鎖止裝置，防止探頭位移；

3）安裝地面防水主控機柜，連接鎧裝電纜，接通太陽能供電系統(tǒng)，調(diào)試4G無線通信；

4）設置監(jiān)測采集參數(shù)：采樣間隔30?min，同步采集流速、流向、水位、水溫、電導率；

5）設備連續(xù)運行72?h，開展穩(wěn)定性試運行，確認云端接收數(shù)據(jù)正常、無異常跳變，方可進入正式長期監(jiān)測階段。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制措施

地下水在線監(jiān)測野外運行階段易受多種因素干擾，建立三級質(zhì)量控制體系：①實時剔除流速為零、流向數(shù)據(jù)無規(guī)律跳變的異常數(shù)據(jù)；②水位突變時刻標記為抽水擾動事件，單獨開展數(shù)據(jù)分析；③定期遠程調(diào)取井下圖像，檢查探頭鏡頭是否被泥沙覆蓋，每季度開展一次現(xiàn)場巡檢校準，保障長期監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4 監(jiān)測結(jié)果與地下水流場特征分析

經(jīng)過90?d連續(xù)在線監(jiān)測，4座監(jiān)測站獲得完整長時序地下水流速?流向數(shù)據(jù)集。監(jiān)測結(jié)果表明：場地背景上游監(jiān)測點地下水流向穩(wěn)定為北東65°，與早期水位等值線推斷的正東流向存在明顯偏差，證實原間接推求流場結(jié)論錯誤。污染源核心區(qū)監(jiān)測站數(shù)據(jù)顯示，地下水平均流速42.3?cm/d；在周邊灌溉井抽水時段，地下水流速最高上升至116?cm/d，流向出現(xiàn)15?25°順時針偏轉(zhuǎn)，說明人工抽水能夠顯著改變局部地下水流動方向，存在污染物向側(cè)向遷移的風險。雨季降水入滲補給后，地下水位抬升，場地下游監(jiān)測點流向同樣出現(xiàn)小幅偏轉(zhuǎn)。

長期在線監(jiān)測結(jié)果揭示該污染場地地下水流場并不是恒定不變，人工抽水、雨季補給都會引起局部流場動態(tài)變化。如果僅依靠一次性短期調(diào)查數(shù)據(jù)制定治理方案，很有可能漏掉污染物側(cè)向遷移路徑，造成污染防控盲區(qū)。

5 監(jiān)測成果在地下水污染防控中的工程應用

5.1 污染源溯源判定

結(jié)合實測地下水流向分布，重新分析地下水污染物濃度分布數(shù)據(jù)，鎖定污染源核心區(qū)域位置，修正原先污染源預判點位，為后續(xù)污染源清除工程精準定位提供依據(jù)。

5.2 溶質(zhì)運移模型校準與污染羽預測

將監(jiān)測站實測地下水流速?流向數(shù)據(jù)輸入地下水數(shù)值模擬軟件，替換原先依靠水位插值得到的概化流場參數(shù)，重新開展污染物溶質(zhì)運移模擬。修正后的模型預測污染羽遷移路徑與地下水采樣檢測結(jié)果吻合度大幅提升，更加真實反映污染物未來擴散范圍。

5.3 優(yōu)化地下水監(jiān)測井網(wǎng)與阻隔修復方案

基于修正后的污染羽遷移方向，新增2口地下水監(jiān)測井布置于污染物側(cè)向遷移潛在通道上，補齊原有監(jiān)測網(wǎng)絡盲區(qū)；同時優(yōu)化地下水抽出?處理修復井布設方位，使抽水井位置正對地下水流下游方向，提升地下水污染抽取修復效率，降低后期治理成本。

5.4 修復效果長期動態(tài)評估

地下水阻隔修復工程實施完成后，保留在線監(jiān)測站繼續(xù)開展長期監(jiān)測。通過地下水流速流向、水位動態(tài)變化數(shù)據(jù)，評估地下水阻隔墻建設完成后流場控制效果，判斷是否出現(xiàn)水流繞流、污染物穿透阻隔邊界風險，實現(xiàn)修復工程長效監(jiān)控。

6 應用過程存在問題與對策建議

在污染場地野外長期監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)部分問題：①污染含水層地下水含油量、高濃度懸浮物易附著探頭鏡頭，長期運行影響光學成像效果；對策：選用帶高壓定期自清潔鏡頭的流速流向探頭，增加季度現(xiàn)場巡檢維護頻次。②場地周邊多井同時抽水造成流場劇烈擾動，瞬時流向數(shù)據(jù)波動大；對策：數(shù)據(jù)分析時采用滑動平均濾波算法，剔除瞬時擾動值，提取含水層穩(wěn)定主流向。③監(jiān)測站野外防盜、人為破壞風險；對策：地面機柜加裝防盜鎖具、視頻監(jiān)控，優(yōu)先選擇太陽能隱蔽式安裝方案。

7 結(jié)論

地下水流?流向在線監(jiān)測站可直接獲取污染場地含水層原位、長時序水動力數(shù)據(jù)，克服水位等值線間接推求流向在非均質(zhì)場地誤差偏大的缺陷；能夠捕捉抽水擾動、雨季補給條件下地下水流場動態(tài)變化，為地下水污染源溯源、污染羽遷移預測、監(jiān)測井網(wǎng)優(yōu)化、地下水修復治理方案制定提供直接、可靠的實測依據(jù)。該監(jiān)測裝備在我國地下水污染場地調(diào)查、風險管控、修復效果評估領(lǐng)域具備高推廣價值，未來可納入地下水污染場地常態(tài)化監(jiān)測體系，助力地下水生態(tài)環(huán)境安全防控。

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三、水文地質(zhì)?含水層關(guān)鍵詞

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