【地下水环境数值模拟】河北某电镀污染场地Cr6+污染（六价铬污染）调查

1 研究区概况

选取位于河北省某村东北方向的养殖场内的某电镀厂为研究对象。研究区电镀污染场地面积为0.62km2 ，属低山丘陵区，地势北高南低，处在沟谷中，场地两侧为山体。污染源距离居民区最近距离约 125m。由于电镀车间渡槽内电镀液出现渗漏，导致下游水井出现明显的变色。现场调查采样后，经化验分析下游地下水 Cr 6+质量浓度超过生活饮用水卫生标准限值近 800 倍，地下水受到严重污染。污染场地包气带结构受地形地貌和水文地质条件的控制，场地内包气带厚度为2.68～5.15m，平均厚度为 3.38m。其岩性大部分以第四系粉土夹碎石为主，局部地区为强风化片麻岩。污染源处(镀槽和洗槽位置)人工开挖深度已达 2.8m，揭穿了包气带，因此该处现状包气带厚度为 0 m，渗漏出的污染物可直接进入含水层并向下游运移。

2 研究方法

世界发达国家开展污染场地的调查工作是在不同目的(一般以风险评价、污染修复为目的) 驱动下、按阶段进行的，不同国家对调查阶段的划分、命名及涵盖的工作内容是不同的。我国Cr6+污染（六价铬污染）场地调查的技术路线、原则、内容及方法如下。

2.1 技术路线

污染场地环境调查技术流程为:在资料收集、现场踏勘、人员访谈的基础上进行初步采样计划，根据评估数据判断是否进行详细采样，之后根据采样化结果等资料进行报告编制工作，最后提出对策建议，为下一步污染治理提供科学依据。

2.2 原则

a． 针对性原则。针对场地的特征和潜在污染物特性，进行污染浓度和空间分布调查，为场地的环境管理提供依据。

b． 规范性原则。采用程序化和系统化的方式规范场地环境调查过程，保证调查过程的科学性和客观性。

c． 可操作性原则。综合考虑调查方法、时间、经费等因素，结合现阶段科技水平和相关人员素质，使调查过程切实可行。

2.3 内容

a.开展污染区与周边的环境水文地质调查，明确地下水系统的补给、径流和排泄的方式。查明调查区内的相关水文地质参数。

b. 开展地下水水位统测工作，明确地下水的补排关系，圈定可能受镀铬液渗漏威胁的范围。

c. 开展全面的土壤、地下水采样测试工作，确定现状 Cr6+浓度的分布情况，确定污染范 围和程度。

d. 评价污染场地地下水和土壤的污染程度。

e. 建立场地水文地质数值模型，预测 Cr6+污染范围及其风险变化。

f. 勘察污染场地的地质条件，为后期的污染治理提供基础数据。

2. 4 方法

污染场地调查工作所采取的方法一般包括调查访问、资料收集、地形测绘、专项水文地质测绘、地球物理勘探、工程点测量、工程地质钻探、水文地质钻探、监测井建设、简易抽水试验、水位统测、取土样分析化验、取水样分析化验、三维水质模拟等。在实际工作中可根据项目所需经费、时间及场地情况进行适当选取。本研究主要介绍取土样分析化验、取水样分析化验、三维数值模拟 3 种主要方法。

2.4.1 取土样分析化验

参考 HJ 25.1—2014《场地环境调查技术导则》和 HJ 25. 2—2014《场地环境监测技术导则》相关要求，依据 HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》和 GB15618—1995《土壤环境质量标准》要求，结合工程地质取样钻探工作，开展土壤取样监测工作。土壤分析化验项目为 Cr6+ 、Cu、Pb、Zn、Cd、As、Hg、Cr、Ni 和 pH 共计 10 项。另外对镀槽四壁及周边土壤进行取样，按照 HJ/T 298—2007《危险废物鉴别技术规范》进行危险废物鉴别试验(图1)。

图 1 场地平面布置及土壤采样布点

2.4 2 取水样分析化验

依据 HJ/T 164—2004《地下水环境监测技术规范》、HJ 493—2009《水质采样样品的保存和管理技术规定》和 GB/T 14848—93《地下水质量标准》要求，开展地下水取样工作。根据地下水流场特征确定具体取样位置，以受污染源威胁的居民井为取样对象，以圈定现状污染范围为主要目的(图2)。地下水分析化验指标主要有 K+、Na+、Ca2+ 、Mg2+ 、Fe2+ 、Fe3+ 、Cu、Pb、Zn、Cl－、SO2－4、HCO3、CO2－3、NO3、F－、CN－、全硬度、永久硬度、暂时硬度、负硬度、总酸度、总碱度、溶解性总固体、As、Hg、Se、Cr 6+ 、Cr 3+ 、Cd、游离 CO2 、Ni、Al、Mn、COD Mn 、pH 和石油类共计36 项。

2.4.3 三维数值模拟

根据地下水三维数值模拟相关要求，结合环境水文地质测绘工作进行模拟。工作目的是为预测污染范围和优化修复治理工程布置提供依据。采用Visual MODFLOW 4.1 模拟软件进行预测。

图 2 地下水采样布点

3 结果分析

3.1 土壤评价结果

根据土壤环境质量评价结果，污染场地存在个别土样镉、铜和镍超过GB15618—1995《土壤环境质量标准》中二级土壤标准，其中镉超标点存在于镀槽处，铜超标点存在于镀槽边，镍超标点存在于镀槽边、截流槽、倾倒点和上游背景值监测点。依据DB11/T 811—2011《场地土壤环境风险评价筛选值》相关要求，以实测值与土壤风险基准值之比作为污染指数 F，其土壤污染分级按照如下原则:F≤1表示未受污染;F ＞1 表示已受污染，F 值越大污染风险越高。通过土壤污染风险评价结果得知，污染风险因子为 Cr 6+和 Ni，其中Cr 6+ 的污染指数为1. 0～1.87，污染最重，Ni 的污染指数为 1. 0 ～1.04，污染较轻。通过对镀槽和截流坑处的受污染土壤进行危险废物鉴别，依据 GB 5058.3—2007《危险废物鉴别标准—浸出毒性鉴别》相关规定，确认项目场地内受污染的土壤不是危险废物。

3.2 地下水评价结果

通过对污染场地附近 30 眼水井水进行分析化验，项目场地地下水质量距离污染源由近到远呈现出较差、良好、优良的分布趋势，其中 14 眼监测井呈现较差水质。污染场地内地下水中呈现地下水质量Ⅴ类因子的全部为 Cr 6+ ，呈现地下水质量Ⅳ类因子的主要有 Cr 6+ 和 Fe。依据《地下水环境状况调查评价工作指南》相关要求，对项目场地地下水进行了现状污染评价，污染指数 P 为评价因子实测值和背景值之差与标准值(《地下水质量标准》Ⅲ类限值)

之比。污染指标分级标准为 P≤0，污染级别为Ⅰ级，污染分级为未污染；0 ＜ P≤0. 2，污染级别为Ⅱ级，污染分级为轻污染;0. 2 ＜ P≤0. 6，污染级别为Ⅲ级，污染分级为中污染；0. 6 ＜ P≤1. 0，污染级别为Ⅳ级，污染分级为较重污染;1. 0 ＜ P≤1. 5，污染级别为Ⅴ级，污染分级为严重污染;P ＞1. 5，污染级别为Ⅵ级，污染分级为极重污染。通过取样化验结果可知，项目场地地下水质量距离污染源由远及近呈现出未污染、轻污染、中污染、较重污染、严重污染、极重污染的分布趋势。其中 13 眼监测井呈现极重污染，污染因子为 Cr6+ 和 Fe;2 眼监测井呈现严重污染，污染因子为 Cr6+ 和 Fe;1 眼监测井呈现较重污染，污染因子为 Cr6+ ;3 眼监测井呈现中污染，污染因子为石油类、Mn 和 Fe;9 眼监测井呈现轻污染，污染因子为 Cr 6+ 、SO2 －4、Ni、Zn、Fe、Pb、石油类和溶解性总固体;2 眼监测井呈现未污染。

3.3 地下水污染预测

在现状水文地质条件和地下水流场不发生改变的情况下，污染场地电镀废水泄露造成的污染将会继续。运用 Visual MODFLOW 软件在研究区水文地质概念模型的基础上建立地下水流数值模型对污染情况进行预测，具体过程如下。

3.3.1 含水层概化

研究目标为潜水含水层，厚度为 20 ~30 m。结合场地含水层分布情况的勘查，将地下水系 统模型概化为两层:将地表以下第四系覆盖层及强风化片麻岩分布区域概化为第一层(含水层);将第一层底板以下的中风化、微风化及完整未风化片麻岩分布区域概化为第二层(隔水层)。将含水层概化为非均质各项同性介质。

3.3.2 边界条件概化

模拟区上边界为潜水面，垂向上受到大气降水和蒸发的影响。下边界取潜水含水层底部隔水层，由于其下部为风化程度较低的片麻岩组成，为较好的隔水层，故将其概化为零通量边界。四周边界在概化时，考虑到地形地貌的影响以及地下水特征和实际资料，确定模型东、西、北 3 个方向为定水头边界。

3.3.3 地下水流特征

模拟区为潜水含水层，地下水流受到地形控制，由地势高的地区流向地势低的地区，地下水主要接受大气降水入渗补给。排泄途径为垂向蒸发、侧向径流排泄。鉴于调查区内地下水含水层介质单一，分布均匀，可将该区地下水径流概化为二维稳定流。

3.3.4 模型检验

在进行模拟预测前，需要对模拟效果进行评价。利用污染场地前期的地下水质检测结果作为校正标准。利用机井中Cr6+浓度与模拟结果进行对比，通过污染场地的第10 天的采样化验结果对三维数值模拟结果进行了校正，模拟结果与实际观测值有较好的一致性，模拟结果的可信度较高。

3.3.5 地下水污染预测结果

根据对污染场地三维数值模拟，得出地下水污染预测结果见表 1。图 3为发生污染的第10天、第90天、第180天和第360天的 Cr6+污染羽分布情况。

(a)第 10 天

(b)第 90 天

(c)第 180 天

(d)第 360 天

图 3 发生污染后不同时间 Cr 6+ 污染羽分布情况

由图 3 可以看出，受到地下水流向的影响，污染场地北部及东北部位于地下水上游区域，未受到污染。从污染初期到电镀废水停止泄露的第 90 天，Cr6+的污染羽已经由厂区扩散到居民区，污染面积达 14772m2 ，部分居民区水井中Cr6+浓度已经超过地下水质量的Ⅲ类水质标准(0.05mg/L)。在第 90天至180天，由于电镀废水停止泄露，高浓度污染区Cr6+ 浓度降低，最高质量浓度由 2766 mg/L 降至169mg/L，但污染范围持续扩大至 19888m2 ，污染范围已经超出了模拟区域，向调查区西南方向扩散。在污染发生的第 360 天，Cr6+最高质量浓度降至12mg/L。电镀废水中的 Cr6+大量被截流在含水层中，剩余部分随水流向地下水下游区域扩散。通过模拟未进行人工干预治理时Cr6+在污染场地的时间和空间的分布情况发现，受地下水流向和含水层介质的影响，在电镀废水停止泄露后的180d内，调查区西南部大片区域的地下水有被污染的风险，污染物流经的含水层也会截流大量污染物，增大后续污染治理的难度。因此，对污染区域采取及时有效的治理措施是十分必要的。