采用敏感性分析和最差情况分析进行地下水污染风险评价

1、.：.；采用敏感性分析和最差情况分析进展地下水污染风险评价 比利时Marijke Huysmans李 烨 译；冯翠娥、魏国强 校译本文论述了如何利用敏感性分析和最差情况分析来对地下水污染进展风险评价，并将这一方法运用于匈牙利境内的一个研讨区。在该研讨区存在几个地下水污染源，而且位于饮用水井附近。主要关注的是污染源能否对饮用水井呵斥要挟。由于资料有限，模拟的结果具有很大的不确定性。运用敏感性分析来评价这一不确定性。一、概述确定与地下水污染有关的环境风险是一个常见的研讨问题。通常需求研讨遭到污染的地下水能否会到达饮用水井、河流、生态脆弱区或动植物敏感区Calow，1998。计算机模型是常用的进展地

2、下水流动和污染预测的工具。由于资料的缺乏和模型参数的异质性，往往会呵斥模拟结果的不确定性。虽然与预测相关的不确定性能够非常关键，但是通常都会被忽略，特别是在资料相当缺乏的情况下Levy等，1998。有几种处理参数不确定性的方法。常用的随机分析方法是蒙特卡罗Monte Carlo模拟Asante-Duah，1998。运用这一方法，可以在所能输入的概率分布范围内自在选择输入值，并计算出每种情况下的输出值。经过反复计算可以确定输出的分布范围。虽然蒙特卡罗模拟方法的功能强大，而且渐近收敛，但是计算效率却很差。另外，还需求确定每一个模拟参数的概率函数，这是在输入信息比较缺乏的情况下，该方法的一个严重的缺

3、陷。蒙特卡罗模拟通常与地质统计学方法相结合，然而，地质统计学方法需求经过大量的数据来准确描画每一个参数的空间变化，而在实践任务中，通常不能够获得如此充足的资料。处理不确定性问题最直接的方法是敏感性分析和或最差情况分析。经过敏感性分析，可以确定由于输入变量和参数呵斥的输出变化，这是一种检验模型中输出变量对输入变量的灵敏性的分析方法。在最差情况分析中，需求给定每一个变量和参数最差的能够值，这样可以得出模型的最差输出结果。本文根据敏感性分析和最差情况分析进展风险评价，研讨区Mtzalka市拥有25400人口，位于匈牙利东部，接近罗马尼亚和乌克兰边境。Mtzalka沿Kraszn河分布，Kraszna

4、河与Tisza河相汇，最终排泄到多瑙河。Mtzalka周围有几个潜在的污染源。其中一个地下水污染源是城市渣滓处置场，占地面积80万m2，没有加适当的防渗层，在高水位期地下水水位会到达渣滓场的底部边境。另一个地下水污染源是在19711997年间利用的污水氧化池Nauner，2000。如今，该池被土壤和植被覆盖，但是在地下土壤中仍存留大量的污水和污泥。第三个地下水污染源是污水处置厂，一级处置是经过滤网将木头、纸和塑料等去除，并经过大的沉降池将固体和水别分开来，大部分固体沉到池的底部，在这一阶段，70%左右的固体是污泥，约1万m3左右。与污染处置系统没有联络的住宅区是第四个地下水污染源，这些住宅区的

5、污染坑没有用混凝土加固，因此，污水容易到达地下，特别是在地下水位较高时。工业活动是第五个地下水污染源。主要关注的问题是这些污染源能否会对饮用水井呵斥要挟，要研讨这一问题相当复杂，但是资料却很有限。二、地质条件Mtzalka位于匈牙利平原，是帕诺尼亚Pannonian山间盆地的一部分。研讨区内更新统堆积物厚度约为260m，下更新统厚度为110m，中更新统厚度为90m，上更新统厚度为60m。下更新统的堆积物主要由砂砾组成，是该区的含水层系统，是重要的饮用水源。中更新统是区域隔水层，由浸透性差的冲积相或湖相粉砂和粘土组成。上更新统由中细砂和粉砂组成，也可以作为含水层，但浸透性比上更新统要差。下部的粘

6、土层是隔水层，可以作为地下水流动和运移模型的隔水底板。根据23口水井的钻孔资料可以对不同地层单元进展评价，经过将更新统划分为6个水文地层单元可以将复杂的地质条件进展简化表1。第一层是各向异性的含水层，浸透性较强，由许多较薄的砂层、粉砂层和粘土层组成；第一层和第二层是主要由粘土层和砂质粘土层组成的半透水层，浸透性较差；第三层是延续的砂层，有几口水井将该层作为水源；第五层和第六层是最好的含水层或含水单元，水力传导系数最大，一切的饮用水都是从这两层获取。表1更新统的6个水文地质单元描画水文地质单元平均厚度m描画地层第一层65薄砂、粉砂和粘土层上更新统第二层25粘土或粘质砂层中更新统第三层7砂层第四层

7、40粘土或粘质砂层第五层20粗砂砾层和粘土互层的各向异性单元下更新统第六层100厚砂砾和粘土互层三、地下水流动模型根据MODFLOW来求解微分方程。一边境条件水文地质模型是一个9km10km260 km的模型。上部的更新统粘土堆积物表示模型的不透水边境；根据测压图和剖面图获得测压水头条件，将测压水头条件作为含水层一、三、五和六的边境；第二层和第四层的垂直边境是零通量边境，这两层主要由粘土组成，地下水流动相当慢，而且水流主要是在垂直方向上运动，因此，假定沿垂直边境的程度通量为0。模型的东部边境是一条河流，这条河流的坡度为13cm/km，河流底部堆积物厚度约为0.7m，水力传导系数约为106m/s

8、。按照每月的抽水资料，确定模型中从井场抽取的地下水量。共有15口抽水井，总抽水量为15000m3/天。根据Thorntwaite方法，估计含水层的补给量为30mm/年。二栅格设置6层104行和112列的栅格，根本单元是100100m2，在抽水井附近栅格大小普通是5050m2，每个单元普通者不得超越其临近单元的1.5倍。为了进展计算，每个单元的长宽比不超越10。三水力传导系数利用抽水实验、排泄和水位下降资料以及粒度分布资料，确定研讨区不同地层的水力传导系数。在第一层进展了12次实验，在第五层进展了3次实验，在第六层进展了8次实验。采用Thiem-Dupuit等式来分析排泄和水位下降资料，在第一层

9、进展了13次分析，在第五层进展了1次，在第六层进展了22次。采用Beyer公式和Zamarin公式对第六层的6个土样进展了粒度分析，这两个公式是分析粒度与传导系数之间关系的阅历公式。在第二层和第四层没有分析水力传导系数，取以前的研讨数据。计算每一层水力传导系数的平均值。在程度层的堆积物中，程度水力传导系数要高于垂直水力传导系数，假定Kh与Kv的比等于10表2。第五层和第六层是浸透性最强的更新统地层；第二层和第四层是浸透性最差的更新统地层，它们构成了地下水流动的天然屏障。表2每一层的平均水力传导系数丈量值层程度水力传导系数Kh(m/s)垂直水力传导系数Kv(m/s)一5.81055.8106二1

10、.31071.3108三1.31051.3106四1.31071.3108五7.01047.0105六3.71043.7105四校 正经过32个测压计丈量地下水水位来进展校正，其中17个测压计位于上更新统第一层，另外还有15个位于下更新统第六层。根据稳定态条件对模型进展校正，首先利用“试错法对水力传导系数和补给进展校正，之后采用PEST进展自动校正。根据“试错法获得的水力传导系数见表3。表3采用“试错法校正前后的水力传导系数初始值校正值Kh15.8105 m/s区1：1.5104 m/s区2：2.0105 m/s区3：8.0105 m/s区4：1.5105 m/sKv15.8106 m/s区1

11、：1.5105 m/s区2：2.0106 m/s区3：8.0106 m/s区4：1.5106 m/sKh21.3107 m/s9.0108 m/sKv21.3108 m/s9.0109 m/sKh31.3105 m/s1.3105 m/sKv31.3106 m/s1.3106 m/sKh41.3107 m/s9.0108 m/sKv41.3108 m/s9.0109 m/sKh57.0104 m/s7.0104 m/sKv57.0105 m/s7.0105 m/sKh63.7104 m/s9.0105 m/sKv63.7105 m/s9.0106 m/s有效入渗率30 mm/年25 mm/年采

12、用PEST进展自动校正，这是一个参数估计程序。采用Gauss-Marquardt-Levenberg运算法那么，经过PEST将均方差之和最小化，采用了两个约束条件。第一个约束条件是每一层程度方向上的水力传导系数都相等；第二个约束条件是选择每个参数的最大值和最小值。将初始值除以10作为下限，将初始值乘以10作为上限。在本研讨过程中，经过自动参数估计与试错校正获得的平均绝对误差一样。自动参数估计并没有减小误差，因此，在进一步分析任务中，采用的是试错校正。五结 果计算东西向剖面的测压水位，结果阐明：第一层在河流西边的位置上，地下水补给河流。在河流东边，没有明显的地下水径流。该当留意到，出于计算的缘由

13、，模型中Kraszna河的深度要大于实践观测值。假设减小模型中的河流深度，污染物就会在河流上游方向流入Kraszna河，一些污染物会堆积在河流底部。在第一层与第五、六层之间，垂向地下水径流量不大。在第六层，抽水井在地下水流动过程中起着重要作用。采用MODFLOW的区域预算模块计算稳定态的程度衡，可以了解该区不同地层、河流、入渗、抽水和边境之间能量的相互作用。程度衡误差要控制在1%之内。在第一层，输入的水量主要是源自侧边境，入渗占总输入量的17%，大部分输出的水量补给了河流，另一部分输出量是沿侧边境排泄，从第一层经过侧边境流向第二层的水量为8208m3/天。第二层是粘土层，没有侧边境流量，从第一

14、层进入的水量沿垂直方向直接进入第三层。第三层是细砂层，从第二层获得的水量几乎全部流入第四层，沿侧边境输入的水量和输出的水量相差不大。第四层也是粘土层,没有侧边境流量，从第三层获得的水量直接流向第五层。第五层获得的水量经过侧边境和垂直方向流向第六层，第五层中的抽水井也占一部分输出量。在第六层，经过侧向流获得的输入量为4218m3/天，从第五层获得的输入量为5252m3/天，主要是经过抽水井输出水量，抽水量为6181m3/天。这阐明经过抽水井获取的水量中，有一部分是垂直补给，仅经过侧边境补给，不能满足6181m3/天的抽水量。四、运移模型采用两种不同的方法，对运移情况进展模拟，这两种方法分别是采用

15、MODPATH进展颗粒示踪Pollock，1994和采用MT3D进展运移模拟Zheng and Wang，1999，包括程度对流和弥散运移。没有思索由于分散呵斥的运移，由于在高浸透性的环境中，分散引起的运移量可以忽略不计Carges and Baehr，1998。由于没有关于污染物阻滞因数的资料，假定阻滞因数为1，这是比较平安的假定。一边境条件在运移模型的边境，假定浓度梯度。由于没有3种主要污染源即城市渣滓处置场、污水氧化池和污水处置厂不同污染物浓度的资料，因此，恣意选择1000个延续的浓度值。二运移参数每层的主要输入性质是有效孔隙度以及纵向和横向弥散性。根据前人研讨的文献，将有效孔隙度一致选

16、择为0.10Anderson and Woesner，1992。确定弥散性时要复杂一些，弥散值与测试或观测范围有关Zheng and Bennett，1995。在运移模型中选择的栅格大小为50和100m。根据Gelhar等1992的研讨结果，对于50m的栅格，纵向弥散度约为0.3m，对于100m的栅格，纵向弥散度约为5m。为了简化，选择整个研讨区的纵向弥散度为5m。由于资料缺乏，选择横向弥散度比纵向弥散度小一个数量级，垂直方向的横向弥散度比纵向弥散度小两个数量级。这样在运移模型中，程度横向弥散度为0.5m，垂直横向弥散度为0.05m。三结 果经过模拟，可以看出，颗粒即污染物迁移的深度不大，到达

17、的最深处只需11m，但是沿程度方向迁移量较大，到达河流附近。根据计算结果，最先到达河流的颗粒污水处置厂，经过10年的时间到达河流；最后到达河流的颗粒城市渣滓处置场，需求18年的时间到达河流。颗粒不会到达深井，因此不会污染饮用水源。MT3D运移模型阐明，经过8年左右的时间，污水处置厂的污染物会到达河流；经过9年时间，污水氧化池的污染物到达河流；经过13年左右的时间，城市渣滓处置场的污染物到达河流。计算主要污染源下5、15、25和35m深度的污染物浓度，结果阐明，在主要污染源以下15m，污染物浓度低于污染源以下5m处污染物浓度的几倍，深度为25m和35m，污染物的浓度相当低。根据运移模型也证明了颗

18、粒示踪的结果。根据可利用的数据进展研讨，污染物似乎不会到达较深的地域，因此，位于下更新统的饮用水井也不会遭到这些污染物的要挟。五、敏感性分析在本研讨中，由于资料有限，所以对边境条件进展了简化和假定。这样当然会影响结果的准确性，而且污染物不会对饮用水井呵斥要挟的结论也会遭到质疑。为了检验结论能否准确，选择最差情况进展敏感性分析。首先，对第一层到第二层和第五层到第六层的边境条件、水力传导系数、河流参数以及沿垂直方向的水流量进展分析。不同层之间的垂直地下水流动对于溶解污染物向晚更新统地层迁移起着重要的作用。根据敏感性分析结果可以看出，从第一层到第二层的地下水流对一切的边境条件都非常敏感；假设将第一层

19、的水头添加2m，就会使第一层到第二层的水流量添加24%；假设将第五层和第六层的水头添加2m，就会使从第一层到2层的水流量减少24%。从第五层到第六层的水流量取决于第五层和第六层的边境条件。假设将第五层和第六层的边境水头降低2m，就会使从第五层到第六层的水流量添加11%；假设将第五层和第六层的边境水头添加2m，就会使地下水流量减少19%。经过垂直流量与水力传导系数、电导率和入渗的敏感性分析，可以看出，改动粘土层的水力传导系数K2和K4，会对水流量呵斥很大的影响。假设K2添加10倍，从第一层到第二层的水流量就会添加%；假设K4添加10倍，就会使第五层到第六层的水流量添加61%。其次，需求分析模拟出

20、来的运移时间和浓度对第一层的水力传导系数、有效孔隙度和弥散程度的敏感性。期间用到了以下缩写：t1：污水处置厂的污染物到达河流的时间；t2：污水氧化池的污染物到达河流的时间；t3：渣滓处置场的污染物到达河流的时间；c1：污水处置厂15m以下的污染物浓度；c2：污水氧化池15m以下的污染物浓度；c3：渣滓处置场15m以下的污染物浓度。计算结果阐明，随着水力传导系数添加，有效孔隙度减少和弥散度添加，污染物向河流的运移时间减小，水力传导系数较大会呵斥污染源以下的溶质浓度减小，这是由于假设孔隙介质浸透性较强，污染物更容易在程度和垂直方向上运移。有效孔隙度对浓度分布情况影响不大，而弥散度添加会使污染源以下污染物的浓度添加，而且会呵斥污染物沿与水流垂直的方向运移，使污染物到达较深的地方。需求留意的是，在敏感性分析当中，参数值变化时，无需重新进展校正。但是，这样会得出一些有趣的结果，也许这就是未来需求进一步研讨的课题。例如，假设天然补给量是50mm/年，而不是25mm/年，重新校正后第一层的水力传导系数能够会变大，根据这一校正值重新评价水流量分布和污染物运移能够是一种新的尝试。六、最差情况分析根据敏感性分析，大多数参数对污染物向下迁移的影响都是知的。利用给定输入参数值实践值或能够值，经过将污染物向下游迁移速度最快，来确定最差情况，参数值见表4。如前所述，第一层边境的测压水头添加了2m，