地下水流速流向在線監(jiān)測(cè)站在地下水污染場(chǎng)地溯源防控中的應(yīng)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(fù)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，精準(zhǔn)掌握污染場(chǎng)地地下水流速、流向，是鎖定污染源位置、預(yù)判污染羽擴(kuò)散路徑、制定地下水管控與修復(fù)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(chǎng)的方式在非均質(zhì)污染場(chǎng)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(chǎng)地為例，布設(shè)地下水流向?流速在線監(jiān)測(cè)站開(kāi)展原位長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；介紹監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)原則、井下安裝工藝、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，通過(guò)監(jiān)測(cè)站連續(xù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析場(chǎng)地真實(shí)地下水流場(chǎng)時(shí)空變化特征，識(shí)別抽水?dāng)_動(dòng)、雨季補(bǔ)給條件下污染水流向偏轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)；結(jié)合實(shí)測(cè)流速流向數(shù)據(jù)修正地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型，優(yōu)化污染監(jiān)測(cè)井網(wǎng)布局，劃定污染羽潛在遷移范圍。工程實(shí)例證明，地下水流速流向在線監(jiān)測(cè)站可為污染場(chǎng)地溯源、風(fēng)險(xiǎn)管控、修復(fù)效果評(píng)估提供直接水動(dòng)力依據(jù)，顯著提升地下水污染防控決策的科學(xué)性。

關(guān)鍵詞：地下水污染場(chǎng)地；地下水流速流向監(jiān)測(cè)站；污染溯源；溶質(zhì)運(yùn)移；監(jiān)測(cè)井網(wǎng)；原位監(jiān)測(cè)

1 引言

隨著我國(guó)土壤地下水污染防治工作全面推進(jìn)，大量工業(yè)遺留場(chǎng)地、加油站、垃圾填埋場(chǎng)地下水污染問(wèn)題逐步顯現(xiàn)。地下水污染物隨地下水流緩慢遷移擴(kuò)散，污染羽范圍不斷擴(kuò)大，對(duì)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(wù)就是查清場(chǎng)地地下水流場(chǎng)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(chǎng)地調(diào)查項(xiàng)目中，地下水流場(chǎng)大多依靠監(jiān)測(cè)井水位數(shù)據(jù)繪制等值線，利用達(dá)西定律計(jì)算水力梯度，間接推斷地下水流向。但化工污染場(chǎng)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(duì)應(yīng)關(guān)系，間接計(jì)算得到的流向常常和實(shí)際水流方向出現(xiàn)較大偏差，導(dǎo)致污染源誤判、污染羽預(yù)測(cè)方向出錯(cuò)，最終造成后期修復(fù)井布設(shè)失效、治理工程投資浪費(fèi)。

單井原位地下水流速流向在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，可直接測(cè)量含水層真實(shí)流向流速，不需要依靠多井水位插值反演；而長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)站又能夠捕捉地下水動(dòng)態(tài)變化，識(shí)別雨季入滲、周邊地下水開(kāi)采帶來(lái)的流場(chǎng)擾動(dòng)，解決短期一次性測(cè)量無(wú)法反映流場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的短板。本文結(jié)合實(shí)際化工污染場(chǎng)地工程案例，系統(tǒng)探討地下水流速?流向在線監(jiān)測(cè)站在地下水污染溯源、污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判、修復(fù)方案優(yōu)化當(dāng)中的應(yīng)用方法，為同類(lèi)污染場(chǎng)地調(diào)查治理項(xiàng)目提供參考案例與技術(shù)思路。

2 污染場(chǎng)地概況與水文地質(zhì)條件

研究場(chǎng)地位于華北某化工遺留地塊，占地面積約12.8?hm2，長(zhǎng)期開(kāi)展化工原料儲(chǔ)存生產(chǎn)活動(dòng)，場(chǎng)地地下水檢出揮發(fā)性有機(jī)物污染。場(chǎng)地地層自上而下依次為：素填土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂含水層。目標(biāo)監(jiān)測(cè)含水層為第四系細(xì)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(dòng)，地下水受人工開(kāi)采擾動(dòng)明顯，流場(chǎng)具有動(dòng)態(tài)變化特征。

項(xiàng)目前期調(diào)查階段，依靠水位等值線初步推斷地下水流向?yàn)檎龞|方向。但是地下水污染監(jiān)測(cè)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(chǎng)推斷結(jié)果存在偏差，需要布設(shè)地下水流速流向在線監(jiān)測(cè)站開(kāi)展原位實(shí)測(cè)，查清場(chǎng)地真實(shí)地下水流場(chǎng)。

3 地下水流速流向監(jiān)測(cè)站布設(shè)與安裝實(shí)施

3.1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)原則

污染場(chǎng)地監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)遵循“上游?污染源區(qū)?下游?側(cè)向邊界"分區(qū)布設(shè)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(yù)判區(qū)、場(chǎng)地側(cè)向邊界位置分別布設(shè)4座地下水流速?流向在線監(jiān)測(cè)站，形成場(chǎng)地水動(dòng)力監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測(cè)井濾水管段嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)污染含水層，避開(kāi)上部淺層潛水，防止淺層水干擾監(jiān)測(cè)結(jié)果。

3.2 監(jiān)測(cè)站井下安裝施工流程

1）下放探頭前，首先開(kāi)展洗井作業(yè)，清除井內(nèi)淤積泥沙，恢復(fù)含水層原始流場(chǎng)，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(xué)流速?流向探頭緩慢下放至含水層濾水管中部位置，通過(guò)線纜標(biāo)記精準(zhǔn)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(jī)柜，連接鎧裝電纜，接通太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，調(diào)試4G無(wú)線通信；

4）設(shè)置監(jiān)測(cè)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(dǎo)率；

5）設(shè)備連續(xù)運(yùn)行72?h，開(kāi)展穩(wěn)定性試運(yùn)行，確認(rèn)云端接收數(shù)據(jù)正常、無(wú)異常跳變，方可進(jìn)入正式長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)階段。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制措施

地下水在線監(jiān)測(cè)野外運(yùn)行階段易受多種因素干擾，建立三級(jí)質(zhì)量控制體系：①實(shí)時(shí)剔除流速為零、流向數(shù)據(jù)無(wú)規(guī)律跳變的異常數(shù)據(jù)；②水位突變時(shí)刻標(biāo)記為抽水?dāng)_動(dòng)事件，單獨(dú)開(kāi)展數(shù)據(jù)分析；③定期遠(yuǎn)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(kāi)展一次現(xiàn)場(chǎng)巡檢校準(zhǔn)，保障長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果與地下水流場(chǎng)特征分析

經(jīng)過(guò)90?d連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，4座監(jiān)測(cè)站獲得完整長(zhǎng)時(shí)序地下水流速?流向數(shù)據(jù)集。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：場(chǎng)地背景上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí)原間接推求流場(chǎng)結(jié)論錯(cuò)誤。污染源核心區(qū)監(jiān)測(cè)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(shí)段，地下水流速最高上升至116?cm/d，流向出現(xiàn)15?25°順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明人工抽水能夠顯著改變局部地下水流動(dòng)方向，存在污染物向側(cè)向遷移的風(fēng)險(xiǎn)。雨季降水入滲補(bǔ)給后，地下水位抬升，場(chǎng)地下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)流向同樣出現(xiàn)小幅偏轉(zhuǎn)。

長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)結(jié)果揭示該污染場(chǎng)地地下水流場(chǎng)并不是恒定不變，人工抽水、雨季補(bǔ)給都會(huì)引起局部流場(chǎng)動(dòng)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(cè)成果在地下水污染防控中的工程應(yīng)用

5.1 污染源溯源判定

結(jié)合實(shí)測(cè)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(yù)判點(diǎn)位，為后續(xù)污染源清除工程精準(zhǔn)定位提供依據(jù)。

5.2 溶質(zhì)運(yùn)移模型校準(zhǔn)與污染羽預(yù)測(cè)

將監(jiān)測(cè)站實(shí)測(cè)地下水流速?流向數(shù)據(jù)輸入地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，替換原先依靠水位插值得到的概化流場(chǎng)參數(shù)，重新開(kāi)展污染物溶質(zhì)運(yùn)移模擬。修正后的模型預(yù)測(cè)污染羽遷移路徑與地下水采樣檢測(cè)結(jié)果吻合度大幅提升，更加真實(shí)反映污染物未來(lái)擴(kuò)散范圍。

5.3 優(yōu)化地下水監(jiān)測(cè)井網(wǎng)與阻隔修復(fù)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(cè)井布置于污染物側(cè)向遷移潛在通道上，補(bǔ)齊原有監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)；同時(shí)優(yōu)化地下水抽出?處理修復(fù)井布設(shè)方位，使抽水井位置正對(duì)地下水流下游方向，提升地下水污染抽取修復(fù)效率，降低后期治理成本。

5.4 修復(fù)效果長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)評(píng)估

地下水阻隔修復(fù)工程實(shí)施完成后，保留在線監(jiān)測(cè)站繼續(xù)開(kāi)展長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。通過(guò)地下水流速流向、水位動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，評(píng)估地下水阻隔墻建設(shè)完成后流場(chǎng)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(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)修復(fù)工程長(zhǎng)效監(jiān)控。

6 應(yīng)用過(guò)程存在問(wèn)題與對(duì)策建議

在污染場(chǎng)地野外長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分問(wèn)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(zhǎng)期運(yùn)行影響光學(xué)成像效果；對(duì)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(chǎng)巡檢維護(hù)頻次。②場(chǎng)地周邊多井同時(shí)抽水造成流場(chǎng)劇烈擾動(dòng)，瞬時(shí)流向數(shù)據(jù)波動(dòng)大；對(duì)策：數(shù)據(jù)分析時(shí)采用滑動(dòng)平均濾波算法，剔除瞬時(shí)擾動(dòng)值，提取含水層穩(wěn)定主流向。③監(jiān)測(cè)站野外防盜、人為破壞風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)策：地面機(jī)柜加裝防盜鎖具、視頻監(jiān)控，優(yōu)先選擇太陽(yáng)能隱蔽式安裝方案。

7 結(jié)論

地下水流?流向在線監(jiān)測(cè)站可直接獲取污染場(chǎng)地含水層原位、長(zhǎng)時(shí)序水動(dòng)力數(shù)據(jù)，克服水位等值線間接推求流向在非均質(zhì)場(chǎng)地誤差偏大的缺陷；能夠捕捉抽水?dāng)_動(dòng)、雨季補(bǔ)給條件下地下水流場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化，為地下水污染源溯源、污染羽遷移預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)井網(wǎng)優(yōu)化、地下水修復(fù)治理方案制定提供直接、可靠的實(shí)測(cè)依據(jù)。該監(jiān)測(cè)裝備在我國(guó)地下水污染場(chǎng)地調(diào)查、風(fēng)險(xiǎn)管控、修復(fù)效果評(píng)估領(lǐng)域具備高推廣價(jià)值，未來(lái)可納入地下水污染場(chǎng)地常態(tài)化監(jiān)測(cè)體系，助力地下水生態(tài)環(huán)境安全防控。

下水行業(yè)全套關(guān)鍵詞（分大類(lèi)，論文、標(biāo)書(shū)、宣傳、視頻號(hào)均可直接使用）

一、核心主關(guān)鍵詞（論文標(biāo)題）

地下水監(jiān)測(cè)、地下水流速流向監(jiān)測(cè)、原位地下水監(jiān)測(cè)、地下水在線監(jiān)測(cè)、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、地下水水動(dòng)力監(jiān)測(cè)、含水層監(jiān)測(cè)、地下水原位測(cè)量、地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、地下水長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)

二、技術(shù)?參數(shù)關(guān)鍵詞（硬件、設(shè)備、原理）

地下水流速、地下水流向、水位監(jiān)測(cè)、水溫監(jiān)測(cè)、電導(dǎo)率、pH值、溶解氧、氧化還原電位、濁度、粒子光學(xué)示蹤、單井流速流向、膠體粒子追蹤、圖像互相關(guān)算法、電子羅盤(pán)、磁偏角校正、鎧裝電纜、316L不銹鋼探頭、井下傳感器、RTU遙測(cè)終端、4G?LoRa無(wú)線傳輸、太陽(yáng)能供電、云端監(jiān)測(cè)平臺(tái)、自清潔鏡頭、耐壓井下探頭、多參數(shù)一體化監(jiān)測(cè)

三、水文地質(zhì)?含水層關(guān)鍵詞

孔隙含水層、基巖裂隙含水層、巖溶含水層、潛水、承壓水、地下水埋深、水力梯度、滲透流速、地下水流場(chǎng)、地下水補(bǔ)給、地下水徑流、地下水排泄、地下水?dāng)?shù)值模擬、溶質(zhì)運(yùn)移、達(dá)西定律、含水層非均質(zhì)性、地下水污染羽、地下水示蹤試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)

四、應(yīng)用場(chǎng)景關(guān)鍵詞（工程方向）

地下水污染場(chǎng)地調(diào)查、地下水污染溯源、地下水修復(fù)、污染羽防控、地下水風(fēng)險(xiǎn)管控、土壤地下水調(diào)查、工業(yè)遺留場(chǎng)地、加油站地下水監(jiān)測(cè)、垃圾填埋場(chǎng)地下水監(jiān)測(cè)、地?zé)峥辈?、地源熱泵水文監(jiān)測(cè)、地下水超采治理、水源地保護(hù)、礦山地下水監(jiān)測(cè)、基坑降水監(jiān)測(cè)、野外原位勘察、地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井

五、工程建設(shè)、平臺(tái)軟件關(guān)鍵詞

地下水監(jiān)測(cè)站建設(shè)、地下水監(jiān)測(cè)井網(wǎng)優(yōu)化、地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、地下水云平臺(tái)、地下水矢量圖、流向時(shí)序曲線、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解算、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、無(wú)人值守監(jiān)測(cè)、地下水預(yù)警系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)成果評(píng)估、修復(fù)效果評(píng)估

六、論文長(zhǎng)尾關(guān)鍵詞（適合摘要、關(guān)鍵詞欄）

地下水原位在線監(jiān)測(cè)技術(shù)；單井地下水流速流向測(cè)量；地下水動(dòng)態(tài)變化特征；非均質(zhì)含水層流場(chǎng)研究；地下水污染羽遷移預(yù)判；地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)；地下水水動(dòng)力參數(shù)長(zhǎng)期觀測(cè)；地下水監(jiān)測(cè)裝備研發(fā)

七、短視頻/朋友圈推廣標(biāo)簽（流量標(biāo)簽）

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