[摘要]為了保持地下水的生態(tài)平衡狀態(tài)，根據(jù)地下水污染現(xiàn)狀，基于水動力控制法，對地下水污染進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)補(bǔ)償。計算M水庫的地下水水位降深及滲透率，為生態(tài)修復(fù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以水動力控制法為修復(fù)框架，在水庫上游布設(shè)注水井，修復(fù)地下水水位，在水庫下游布設(shè)抽水井，加入修復(fù)藥劑CaO?/Fe(Ⅱ)，去除有機(jī)物污染源硝基苯酚。為檢測地下水資源生態(tài)修復(fù)補(bǔ)償效果，檢測注水后30d的水位降深，在第26天，水位降深從30m恢復(fù)到24.5m，接近污染前的水位高度24m。檢測藥劑修復(fù)后的地下水硝基苯酚含量，在投放藥劑后第10min，去除率達(dá)到100%，修復(fù)了有機(jī)物污染，恢復(fù)了地下水生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。 [關(guān)鍵詞]水動力；水動力控制法；地下水；污染；生態(tài)修復(fù)；生態(tài)補(bǔ)償  

引言    

社會不斷進(jìn)步，對水資源的需求量也一直增加，人們對自然資源的不合理開發(fā)，導(dǎo)致自然資源利用率低，生態(tài)環(huán)境急速惡化。地下水是水資源中很重要的一部分，地下水資源的合理循環(huán)利用可以有效推動社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，提高經(jīng)濟(jì)效益。由于對地?zé)崮苜Y源的不合理利用，會出現(xiàn)地下水體污染、地表沉降等環(huán)境惡化問題。對地下水的污染、過度采集的過程是緩慢且不易被發(fā)現(xiàn)的，造成環(huán)境污染的原因是在開發(fā)利用資源時缺乏合理有效的管理機(jī)制與科學(xué)的補(bǔ)償體系，本文以M區(qū)地下水環(huán)境為研究對象，將生態(tài)資源價值可持續(xù)發(fā)展和利用作為修復(fù)原則，水動力控制法作為修復(fù)方法，建立地下水資源的生態(tài)修復(fù)補(bǔ)償機(jī)制，恢復(fù)地下水環(huán)境，以期促進(jìn)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的共同協(xié)調(diào)發(fā)展。  

01項目概況

   M水庫周圍建設(shè)有許多化工廠，這些工廠因需要用水大量超采地下水，并且將廢水廢渣排放入地下，對該區(qū)域的地下水環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，影響了周邊253m3的地下水水位以及水質(zhì)，根據(jù)表1所示的地下水水質(zhì)檢測項目及其評價標(biāo)準(zhǔn)，對地下水采樣得到水質(zhì)污染超標(biāo)現(xiàn)狀可見表2。 從表2中可以看出，目前M水庫的地下水水環(huán)境的pH以及硝基苯酚超標(biāo)嚴(yán)重，硝基苯酚屬于高毒特性的有機(jī)污染物，嚴(yán)重危害到周圍居民的健康生活。因為過量超采地下水，導(dǎo)致地下水的補(bǔ)徑排條件發(fā)生了改變，重新形成了降落漏斗，水位持續(xù)下降，若持續(xù)下去，會對周邊區(qū)域造成地面沉降等地質(zhì)環(huán)境危害，為了修復(fù)該區(qū)域地下水的生態(tài)平衡，基于水動力控制法對地下水位降低與污染進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)償。

02    地下水資源生態(tài)修復(fù)補(bǔ)償

   2.1計算區(qū)域地下水水位降深及滲透系數(shù) 為了對地下水資源進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)償，基于水動力控制進(jìn)行地下水回灌，進(jìn)行單井抽水試驗，計算該區(qū)域地下水滲透率設(shè)置注水井注人清水，達(dá)到調(diào)節(jié)水位降深的目的，地下水含水層滲透率計算方式如下：

  式中：a為導(dǎo)水系數(shù)；δ為地下水每1L的儲水系數(shù)；T為坐標(biāo)點(i，g，k)在。時間點的水頭值；T0為計算模型初始的水頭值；Si，Sg，Sk分別為三維方向的異性主方向的滲透系數(shù)；Q1為地下水水頭邊界值；P1為地下水隔水邊界；d為地下水隔水邊界到抽水井的距離。根據(jù)上述計算，進(jìn)行普拉斯逆變換，得到地下水的水位降深計算方法：

  式中：Z為距離水井d處的地下水水位降深；W為在水動力控制下的穩(wěn)定的抽水量/回灌量。根據(jù)裘布依穩(wěn)定井流，計算滲透系數(shù)：

  式中：d1、d2分別為水井到觀測水井的間距；Z1為水井的水位降低值。基于以上計算，展開上游設(shè)注水井修復(fù)水位工作。  

 2.2上游設(shè)注水井修復(fù)水位 在水庫上游布設(shè)注水井，補(bǔ)給干凈水源，修復(fù)地下水水位。基于上述算法，計算注水井單井的注水量與總需求注水量，將地下水的滲透系數(shù)與水位降深的絕對值作為自變量，生態(tài)修復(fù)補(bǔ)償所需注水量作為因變量，應(yīng)用Matlab，對式(5)、式(6)進(jìn)行偏最小二乘法回歸計算，得到地下水水位降深的回歸方程式：

  根據(jù)以上計算方式，可以得到M水庫地下水的水位修復(fù)補(bǔ)償?shù)淖罴褑尉⑺繛?8.96m3/h。M水庫地下水的最大的出水量為184m3/h。 在基于水動力控制法的補(bǔ)償過程中，地下水主要接收注水井的回灌、人滲水達(dá)到補(bǔ)償效果。伴隨著水井排泄方式，通過計算地下水儲水量變化，確定注水井的補(bǔ)水與人滲量，地下水儲水量計算方式為：

  式中：η為地下水實時儲水量；ε為首層含水層的滲入率；Y為相應(yīng)地下水水丘體積。M區(qū)域的地下水含水層的滲入率平均值為0.25，那么計算注水井的注水量需要達(dá)到3698m3。

 地下水修復(fù)補(bǔ)償過程中，井群的布置是保證地下水資源生態(tài)穩(wěn)定的重要部分，基于注水方式、布井位置以及含水層厚度等相關(guān)因素，設(shè)計最佳的注水井井群布置方式。測得修復(fù)前的M水庫地下水結(jié)構(gòu)約132m，地面以下的0~70m為隔水層，70~88m是首層承壓含水層，88~96m為隔水層，96~119m是深層承壓含水層，119~132是隔水層。根據(jù)注水井的井距與地下水水力場的變化，本次修補(bǔ)項目采用直線型異側(cè)的注水模式進(jìn)行初步布設(shè)。確定布設(shè)注水井模式后，對不同井間距下的注水井井群模擬檢測水位埋深程度，確定最佳注水井井群間距檢測結(jié)果如表3所示。 由表3可以得出，隨著設(shè)置抽注水井井間距離的增加，注水井的井內(nèi)水位是上升趨勢。對水位埋深檢測結(jié)果進(jìn)行非線性擬合，計算最佳的抽灌井井距：  

在注水井注水量30m3/h的布設(shè)條件下，根據(jù)式(11)可以計算出注水井的最佳井間距為30m。 綜上所述，注水井的布設(shè)參數(shù)可見表4。布設(shè)好上游注水井后，對地下水含水層進(jìn)行注水，修復(fù)水位降深。同時在下游展開有機(jī)物污染的修復(fù)工作。

 2.3.下游設(shè)抽水井清潔水體 由于M水庫地下水受周圍化工廠排泄物的影響，地下水內(nèi)的硝基酚含量非常高，pH值也略高于標(biāo)準(zhǔn)值，基于水動力控制的整體布局，在M水庫下游布設(shè)抽水井，在抽水過程中加人納米CaO2/Fe(Ⅱ)類Fenton試劑對地下水的硝基酚污染進(jìn)行“靶向"修復(fù)補(bǔ)償。 基于CaO2穩(wěn)定的過氧共價鍵特性，藥劑投放遇水發(fā)生歧化反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理可見圖1。

 其中上述反映生成的O2對水中的耗氧微生物提供氧氣；H2O2通過催化反應(yīng)，生成高能自由基；Ca(OH)2與溶度積低于Ca的地下水中的重金屬發(fā)生沉淀反應(yīng)，穩(wěn)定重金屬， 反應(yīng)機(jī)理可見下式。

為加快修復(fù)時間，提高修復(fù)效率，在CaO2中加入Fe(Ⅱ)進(jìn)行催化，催化機(jī)理可見圖2。

 Fe離子通過催化CaO2的水解產(chǎn)物H2O2，快速有效的降解有機(jī)物污染。為了使修復(fù)藥劑在地下的水動力環(huán)境下能夠更好地遷移分散，有效移動降解有機(jī)污染物。制備吸附能力強(qiáng)的納米級CaO2試劑(直徑小于100nm)，實現(xiàn)對地下水污染的修復(fù)補(bǔ)償。調(diào)試降低pH，較低的pH環(huán)境可以顯著提高有機(jī)污染物的去除率。去除率的計算方式為：

  式中：σ0為硝基苯酚的初始濃度：t為反應(yīng)降解的時間；σt為硝基苯酚在時間的濃度。在振蕩頻率為210rmp/min的水動力情況下，設(shè)定去除率達(dá)到99%時，計算藥劑投放參數(shù)，藥劑投放參數(shù)可見表5。

 在下游設(shè)抽水井，通過將上游排下來的污水抽出，將藥劑按以上參數(shù)投放入污水中，將處理過的水循環(huán)到上游的注水井，達(dá)到地下水污染的修復(fù)補(bǔ)償效果。本次修復(fù)項目地下水的含水層滲透系數(shù)為7.20m/d，導(dǎo)水系數(shù)為0.20m/d，在該水動力條件下，通過水動力控制法對地下水流的干擾，加快藥劑在含水層的擴(kuò)散速度，增大擴(kuò)散范圍，高效地治理硝基苯酚對地下水的污染。

03生態(tài)修復(fù)補(bǔ)償評價

   為檢驗本次對M水庫地下水的修復(fù)效果，通過對地下水水位以及地下水中有機(jī)物污染源硝基苯酚含量進(jìn)行檢測。

3.1水位檢測 從布設(shè)好注水井開始注水后，通過式(5)計算水位降深，記錄30d的地下水水位埋深變化，結(jié)果如圖3所示。

 M水庫的地下水在修復(fù)的前5d，地下水水位標(biāo)高在27~30m范圍，水位有小幅度地回升，在第5~21d之間，地下水水位標(biāo)高在27~25m范圍之間，水位呈大幅度回升趨勢，在第26d，水位標(biāo)高為24.5m，基本回升到因過度采伐造成的水位驟降之前的水位高度24m，在第26~30d內(nèi)，水位標(biāo)高在24.5~25m范圍內(nèi)，水位在修復(fù)水位高度24.5m處保持平緩狀態(tài)。結(jié)果表明，基于水動力控制法，對地下水進(jìn)行注水回填，可以有效修復(fù)地下水資源因超量采集水位驟降導(dǎo)致地面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)沉降的問題。

3.2地下水有機(jī)物污染修復(fù)檢測 為檢測本次對M水庫地下水硝基苯酚污染的修復(fù)效果，通過紫外可見光光度法，采用U-2910紫外-可見分光光度計，對修復(fù)后地下水中的硝基苯酚進(jìn)行檢測。由于化學(xué)修復(fù)過程是一個非常迅速的過程，需要在修復(fù)時刻開始，定時定量的取樣，取樣后立即加入甲醇終止污染物降解反應(yīng)，以保證采取樣本時刻的檢測時效性，加入鹽酸，在50℃的溫度中加熱10min，待冷卻后加人抗壞血酸，通過紫外可見光光度計在317光譜nm處進(jìn)行比色檢測，得到硝基苯酚含量，地下水有機(jī)物污染修復(fù)結(jié)果可見圖4。

 由圖4可以看出，CaO2/Fe(Ⅱ)對硝基苯酚的降解是非常有效的，在進(jìn)行藥劑修復(fù)的10min時，降解率達(dá)到100%，去除了地下水中的硝基苯酚污染物，有效地對地下水資源進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)補(bǔ)償。  

04 結(jié)語

   水是人能賴以生存的重要物質(zhì)，地下水資源的利用也越來越廣泛，其引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題也越加被重視，對地下水資源的生態(tài)修復(fù)補(bǔ)償研究，可以為實現(xiàn)地下水資源的節(jié)能環(huán)保與可持續(xù)開發(fā)與循環(huán)利用提供科學(xué)的方案。