采用敏感性分析和最差情況分析進(jìn)行地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

1、.：.；采用敏感性分析和最差情況分析進(jìn)展地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 比利時(shí)Marijke Huysmans李 燁 譯；馮翠娥、魏國(guó)強(qiáng) 校譯本文論述了如何利用敏感性分析和最差情況分析來對(duì)地下水污染進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并將這一方法運(yùn)用于匈牙利境內(nèi)的一個(gè)研討區(qū)。在該研討區(qū)存在幾個(gè)地下水污染源，而且位于飲用水井附近。主要關(guān)注的是污染源能否對(duì)飲用水井呵斥要挾。由于資料有限，模擬的結(jié)果具有很大的不確定性。運(yùn)用敏感性分析來評(píng)價(jià)這一不確定性。一、概述確定與地下水污染有關(guān)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)常見的研討問題。通常需求研討遭到污染的地下水能否會(huì)到達(dá)飲用水井、河流、生態(tài)脆弱區(qū)或動(dòng)植物敏感區(qū)Calow，1998。計(jì)算機(jī)模型是常用的進(jìn)展地

2、下水流動(dòng)和污染預(yù)測(cè)的工具。由于資料的缺乏和模型參數(shù)的異質(zhì)性，往往會(huì)呵斥模擬結(jié)果的不確定性。雖然與預(yù)測(cè)相關(guān)的不確定性能夠非常關(guān)鍵，但是通常都會(huì)被忽略，特別是在資料相當(dāng)缺乏的情況下Levy等，1998。有幾種處理參數(shù)不確定性的方法。常用的隨機(jī)分析方法是蒙特卡羅Monte Carlo模擬Asante-Duah，1998。運(yùn)用這一方法，可以在所能輸入的概率分布范圍內(nèi)自在選擇輸入值，并計(jì)算出每種情況下的輸出值。經(jīng)過反復(fù)計(jì)算可以確定輸出的分布范圍。雖然蒙特卡羅模擬方法的功能強(qiáng)大，而且漸近收斂，但是計(jì)算效率卻很差。另外，還需求確定每一個(gè)模擬參數(shù)的概率函數(shù)，這是在輸入信息比較缺乏的情況下，該方法的一個(gè)嚴(yán)重的缺

3、陷。蒙特卡羅模擬通常與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相結(jié)合，然而，地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法需求經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確描畫每一個(gè)參數(shù)的空間變化，而在實(shí)踐任務(wù)中，通常不能夠獲得如此充足的資料。處理不確定性問題最直接的方法是敏感性分析和或最差情況分析。經(jīng)過敏感性分析，可以確定由于輸入變量和參數(shù)呵斥的輸出變化，這是一種檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭休敵鲎兞繉?duì)輸入變量的靈敏性的分析方法。在最差情況分析中，需求給定每一個(gè)變量和參數(shù)最差的能夠值，這樣可以得出模型的最差輸出結(jié)果。本文根據(jù)敏感性分析和最差情況分析進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，研討區(qū)Mtzalka市擁有25400人口，位于匈牙利東部，接近羅馬尼亞和烏克蘭邊境。Mtzalka沿Kraszn河分布，Kraszna

4、河與Tisza河相匯，最終排泄到多瑙河。Mtzalka周圍有幾個(gè)潛在的污染源。其中一個(gè)地下水污染源是城市渣滓處置場(chǎng)，占地面積80萬m2，沒有加適當(dāng)?shù)姆罎B層，在高水位期地下水水位會(huì)到達(dá)渣滓場(chǎng)的底部邊境。另一個(gè)地下水污染源是在19711997年間利用的污水氧化池Nauner，2000。如今，該池被土壤和植被覆蓋，但是在地下土壤中仍存留大量的污水和污泥。第三個(gè)地下水污染源是污水處置廠，一級(jí)處置是經(jīng)過濾網(wǎng)將木頭、紙和塑料等去除，并經(jīng)過大的沉降池將固體和水別分開來，大部分固體沉到池的底部，在這一階段，70%左右的固體是污泥，約1萬m3左右。與污染處置系統(tǒng)沒有聯(lián)絡(luò)的住宅區(qū)是第四個(gè)地下水污染源，這些住宅區(qū)的

5、污染坑沒有用混凝土加固，因此，污水容易到達(dá)地下，特別是在地下水位較高時(shí)。工業(yè)活動(dòng)是第五個(gè)地下水污染源。主要關(guān)注的問題是這些污染源能否會(huì)對(duì)飲用水井呵斥要挾，要研討這一問題相當(dāng)復(fù)雜，但是資料卻很有限。二、地質(zhì)條件Mtzalka位于匈牙利平原，是帕諾尼亞Pannonian山間盆地的一部分。研討區(qū)內(nèi)更新統(tǒng)堆積物厚度約為260m，下更新統(tǒng)厚度為110m，中更新統(tǒng)厚度為90m，上更新統(tǒng)厚度為60m。下更新統(tǒng)的堆積物主要由砂礫組成，是該區(qū)的含水層系統(tǒng)，是重要的飲用水源。中更新統(tǒng)是區(qū)域隔水層，由浸透性差的沖積相或湖相粉砂和粘土組成。上更新統(tǒng)由中細(xì)砂和粉砂組成，也可以作為含水層，但浸透性比上更新統(tǒng)要差。下部的粘

6、土層是隔水層，可以作為地下水流動(dòng)和運(yùn)移模型的隔水底板。根據(jù)23口水井的鉆孔資料可以對(duì)不同地層單元進(jìn)展評(píng)價(jià)，經(jīng)過將更新統(tǒng)劃分為6個(gè)水文地層單元可以將復(fù)雜的地質(zhì)條件進(jìn)展簡(jiǎn)化表1。第一層是各向異性的含水層，浸透性較強(qiáng)，由許多較薄的砂層、粉砂層和粘土層組成；第一層和第二層是主要由粘土層和砂質(zhì)粘土層組成的半透水層，浸透性較差；第三層是延續(xù)的砂層，有幾口水井將該層作為水源；第五層和第六層是最好的含水層或含水單元，水力傳導(dǎo)系數(shù)最大，一切的飲用水都是從這兩層獲取。表1更新統(tǒng)的6個(gè)水文地質(zhì)單元描畫水文地質(zhì)單元平均厚度m描畫地層第一層65薄砂、粉砂和粘土層上更新統(tǒng)第二層25粘土或粘質(zhì)砂層中更新統(tǒng)第三層7砂層第四層

7、40粘土或粘質(zhì)砂層第五層20粗砂礫層和粘土互層的各向異性單元下更新統(tǒng)第六層100厚砂礫和粘土互層三、地下水流動(dòng)模型根據(jù)MODFLOW來求解微分方程。一邊境條件水文地質(zhì)模型是一個(gè)9km10km260 km的模型。上部的更新統(tǒng)粘土堆積物表示模型的不透水邊境；根據(jù)測(cè)壓圖和剖面圖獲得測(cè)壓水頭條件，將測(cè)壓水頭條件作為含水層一、三、五和六的邊境；第二層和第四層的垂直邊境是零通量邊境，這兩層主要由粘土組成，地下水流動(dòng)相當(dāng)慢，而且水流主要是在垂直方向上運(yùn)動(dòng)，因此，假定沿垂直邊境的程度通量為0。模型的東部邊境是一條河流，這條河流的坡度為13cm/km，河流底部堆積物厚度約為0.7m，水力傳導(dǎo)系數(shù)約為106m/s

8、。按照每月的抽水資料，確定模型中從井場(chǎng)抽取的地下水量。共有15口抽水井，總抽水量為15000m3/天。根據(jù)Thorntwaite方法，估計(jì)含水層的補(bǔ)給量為30mm/年。二柵格設(shè)置6層104行和112列的柵格，根本單元是100100m2，在抽水井附近柵格大小普通是5050m2，每個(gè)單元普通者不得超越其臨近單元的1.5倍。為了進(jìn)展計(jì)算，每個(gè)單元的長(zhǎng)寬比不超越10。三水力傳導(dǎo)系數(shù)利用抽水實(shí)驗(yàn)、排泄和水位下降資料以及粒度分布資料，確定研討區(qū)不同地層的水力傳導(dǎo)系數(shù)。在第一層進(jìn)展了12次實(shí)驗(yàn)，在第五層進(jìn)展了3次實(shí)驗(yàn)，在第六層進(jìn)展了8次實(shí)驗(yàn)。采用Thiem-Dupuit等式來分析排泄和水位下降資料，在第一層

9、進(jìn)展了13次分析，在第五層進(jìn)展了1次，在第六層進(jìn)展了22次。采用Beyer公式和Zamarin公式對(duì)第六層的6個(gè)土樣進(jìn)展了粒度分析，這兩個(gè)公式是分析粒度與傳導(dǎo)系數(shù)之間關(guān)系的閱歷公式。在第二層和第四層沒有分析水力傳導(dǎo)系數(shù)，取以前的研討數(shù)據(jù)。計(jì)算每一層水力傳導(dǎo)系數(shù)的平均值。在程度層的堆積物中，程度水力傳導(dǎo)系數(shù)要高于垂直水力傳導(dǎo)系數(shù)，假定Kh與Kv的比等于10表2。第五層和第六層是浸透性最強(qiáng)的更新統(tǒng)地層；第二層和第四層是浸透性最差的更新統(tǒng)地層，它們構(gòu)成了地下水流動(dòng)的天然屏障。表2每一層的平均水力傳導(dǎo)系數(shù)丈量值層程度水力傳導(dǎo)系數(shù)Kh(m/s)垂直水力傳導(dǎo)系數(shù)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 正經(jīng)過32個(gè)測(cè)壓計(jì)丈量地下水水位來進(jìn)展校正，其中17個(gè)測(cè)壓計(jì)位于上更新統(tǒng)第一層，另外還有15個(gè)位于下更新統(tǒng)第六層。根據(jù)穩(wěn)定態(tài)條件對(duì)模型進(jìn)展校正，首先利用“試錯(cuò)法對(duì)水力傳導(dǎo)系數(shù)和補(bǔ)給進(jìn)展校正，之后采用PEST進(jìn)展自動(dòng)校正。根據(jù)“試錯(cuò)法獲得的水力傳導(dǎo)系數(shù)見表3。表3采用“試錯(cuò)法校正前后的水力傳導(dǎo)系數(shù)初始值校正值Kh15.8105 m/s區(qū)1：1.5104 m/s區(qū)2：2.0105 m/s區(qū)3：8.0105 m/s區(qū)4：1.5105 m/sKv15.8106 m/s區(qū)1

11、：1.5105 m/s區(qū)2：2.0106 m/s區(qū)3：8.0106 m/s區(qū)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有效入滲率30 mm/年25 mm/年采

12、用PEST進(jìn)展自動(dòng)校正，這是一個(gè)參數(shù)估計(jì)程序。采用Gauss-Marquardt-Levenberg運(yùn)算法那么，經(jīng)過PEST將均方差之和最小化，采用了兩個(gè)約束條件。第一個(gè)約束條件是每一層程度方向上的水力傳導(dǎo)系數(shù)都相等；第二個(gè)約束條件是選擇每個(gè)參數(shù)的最大值和最小值。將初始值除以10作為下限，將初始值乘以10作為上限。在本研討過程中，經(jīng)過自動(dòng)參數(shù)估計(jì)與試錯(cuò)校正獲得的平均絕對(duì)誤差一樣。自動(dòng)參數(shù)估計(jì)并沒有減小誤差，因此，在進(jìn)一步分析任務(wù)中，采用的是試錯(cuò)校正。五結(jié) 果計(jì)算東西向剖面的測(cè)壓水位，結(jié)果闡明：第一層在河流西邊的位置上，地下水補(bǔ)給河流。在河流東邊，沒有明顯的地下水徑流。該當(dāng)留意到，出于計(jì)算的緣由

13、，模型中Kraszna河的深度要大于實(shí)踐觀測(cè)值。假設(shè)減小模型中的河流深度，污染物就會(huì)在河流上游方向流入Kraszna河，一些污染物會(huì)堆積在河流底部。在第一層與第五、六層之間，垂向地下水徑流量不大。在第六層，抽水井在地下水流動(dòng)過程中起著重要作用。采用MODFLOW的區(qū)域預(yù)算模塊計(jì)算穩(wěn)定態(tài)的程度衡，可以了解該區(qū)不同地層、河流、入滲、抽水和邊境之間能量的相互作用。程度衡誤差要控制在1%之內(nèi)。在第一層，輸入的水量主要是源自側(cè)邊境，入滲占總輸入量的17%，大部分輸出的水量補(bǔ)給了河流，另一部分輸出量是沿側(cè)邊境排泄，從第一層經(jīng)過側(cè)邊境流向第二層的水量為8208m3/天。第二層是粘土層，沒有側(cè)邊境流量，從第一

14、層進(jìn)入的水量沿垂直方向直接進(jìn)入第三層。第三層是細(xì)砂層，從第二層獲得的水量幾乎全部流入第四層，沿側(cè)邊境輸入的水量和輸出的水量相差不大。第四層也是粘土層,沒有側(cè)邊境流量，從第三層獲得的水量直接流向第五層。第五層獲得的水量經(jīng)過側(cè)邊境和垂直方向流向第六層，第五層中的抽水井也占一部分輸出量。在第六層，經(jīng)過側(cè)向流獲得的輸入量為4218m3/天，從第五層獲得的輸入量為5252m3/天，主要是經(jīng)過抽水井輸出水量，抽水量為6181m3/天。這闡明經(jīng)過抽水井獲取的水量中，有一部分是垂直補(bǔ)給，僅經(jīng)過側(cè)邊境補(bǔ)給，不能滿足6181m3/天的抽水量。四、運(yùn)移模型采用兩種不同的方法，對(duì)運(yùn)移情況進(jìn)展模擬，這兩種方法分別是采用

15、MODPATH進(jìn)展顆粒示蹤Pollock，1994和采用MT3D進(jìn)展運(yùn)移模擬Zheng and Wang，1999，包括程度對(duì)流和彌散運(yùn)移。沒有思索由于分散呵斥的運(yùn)移，由于在高浸透性的環(huán)境中，分散引起的運(yùn)移量可以忽略不計(jì)Carges and Baehr，1998。由于沒有關(guān)于污染物阻滯因數(shù)的資料，假定阻滯因數(shù)為1，這是比較平安的假定。一邊境條件在運(yùn)移模型的邊境，假定濃度梯度。由于沒有3種主要污染源即城市渣滓處置場(chǎng)、污水氧化池和污水處置廠不同污染物濃度的資料，因此，恣意選擇1000個(gè)延續(xù)的濃度值。二運(yùn)移參數(shù)每層的主要輸入性質(zhì)是有效孔隙度以及縱向和橫向彌散性。根據(jù)前人研討的文獻(xiàn)，將有效孔隙度一致選

16、擇為0.10Anderson and Woesner，1992。確定彌散性時(shí)要復(fù)雜一些，彌散值與測(cè)試或觀測(cè)范圍有關(guān)Zheng and Bennett，1995。在運(yùn)移模型中選擇的柵格大小為50和100m。根據(jù)Gelhar等1992的研討結(jié)果，對(duì)于50m的柵格，縱向彌散度約為0.3m，對(duì)于100m的柵格，縱向彌散度約為5m。為了簡(jiǎn)化，選擇整個(gè)研討區(qū)的縱向彌散度為5m。由于資料缺乏，選擇橫向彌散度比縱向彌散度小一個(gè)數(shù)量級(jí)，垂直方向的橫向彌散度比縱向彌散度小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣在運(yùn)移模型中，程度橫向彌散度為0.5m，垂直橫向彌散度為0.05m。三結(jié) 果經(jīng)過模擬，可以看出，顆粒即污染物遷移的深度不大，到達(dá)

17、的最深處只需11m，但是沿程度方向遷移量較大，到達(dá)河流附近。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最先到達(dá)河流的顆粒污水處置廠，經(jīng)過10年的時(shí)間到達(dá)河流；最后到達(dá)河流的顆粒城市渣滓處置場(chǎng)，需求18年的時(shí)間到達(dá)河流。顆粒不會(huì)到達(dá)深井，因此不會(huì)污染飲用水源。MT3D運(yùn)移模型闡明，經(jīng)過8年左右的時(shí)間，污水處置廠的污染物會(huì)到達(dá)河流；經(jīng)過9年時(shí)間，污水氧化池的污染物到達(dá)河流；經(jīng)過13年左右的時(shí)間，城市渣滓處置場(chǎng)的污染物到達(dá)河流。計(jì)算主要污染源下5、15、25和35m深度的污染物濃度，結(jié)果闡明，在主要污染源以下15m，污染物濃度低于污染源以下5m處污染物濃度的幾倍，深度為25m和35m，污染物的濃度相當(dāng)?shù)汀８鶕?jù)運(yùn)移模型也證明了顆

18、粒示蹤的結(jié)果。根據(jù)可利用的數(shù)據(jù)進(jìn)展研討，污染物似乎不會(huì)到達(dá)較深的地域，因此，位于下更新統(tǒng)的飲用水井也不會(huì)遭到這些污染物的要挾。五、敏感性分析在本研討中，由于資料有限，所以對(duì)邊境條件進(jìn)展了簡(jiǎn)化和假定。這樣當(dāng)然會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且污染物不會(huì)對(duì)飲用水井呵斥要挾的結(jié)論也會(huì)遭到質(zhì)疑。為了檢驗(yàn)結(jié)論能否準(zhǔn)確，選擇最差情況進(jìn)展敏感性分析。首先，對(duì)第一層到第二層和第五層到第六層的邊境條件、水力傳導(dǎo)系數(shù)、河流參數(shù)以及沿垂直方向的水流量進(jìn)展分析。不同層之間的垂直地下水流動(dòng)對(duì)于溶解污染物向晚更新統(tǒng)地層遷移起著重要的作用。根據(jù)敏感性分析結(jié)果可以看出，從第一層到第二層的地下水流對(duì)一切的邊境條件都非常敏感；假設(shè)將第一層

19、的水頭添加2m，就會(huì)使第一層到第二層的水流量添加24%；假設(shè)將第五層和第六層的水頭添加2m，就會(huì)使從第一層到2層的水流量減少24%。從第五層到第六層的水流量取決于第五層和第六層的邊境條件。假設(shè)將第五層和第六層的邊境水頭降低2m，就會(huì)使從第五層到第六層的水流量添加11%；假設(shè)將第五層和第六層的邊境水頭添加2m，就會(huì)使地下水流量減少19%。經(jīng)過垂直流量與水力傳導(dǎo)系數(shù)、電導(dǎo)率和入滲的敏感性分析，可以看出，改動(dòng)粘土層的水力傳導(dǎo)系數(shù)K2和K4，會(huì)對(duì)水流量呵斥很大的影響。假設(shè)K2添加10倍，從第一層到第二層的水流量就會(huì)添加%；假設(shè)K4添加10倍，就會(huì)使第五層到第六層的水流量添加61%。其次，需求分析模擬出

20、來的運(yùn)移時(shí)間和濃度對(duì)第一層的水力傳導(dǎo)系數(shù)、有效孔隙度和彌散程度的敏感性。期間用到了以下縮寫：t1：污水處置廠的污染物到達(dá)河流的時(shí)間；t2：污水氧化池的污染物到達(dá)河流的時(shí)間；t3：渣滓處置場(chǎng)的污染物到達(dá)河流的時(shí)間；c1：污水處置廠15m以下的污染物濃度；c2：污水氧化池15m以下的污染物濃度；c3：渣滓處置場(chǎng)15m以下的污染物濃度。計(jì)算結(jié)果闡明，隨著水力傳導(dǎo)系數(shù)添加，有效孔隙度減少和彌散度添加，污染物向河流的運(yùn)移時(shí)間減小，水力傳導(dǎo)系數(shù)較大會(huì)呵斥污染源以下的溶質(zhì)濃度減小，這是由于假設(shè)孔隙介質(zhì)浸透性較強(qiáng)，污染物更容易在程度和垂直方向上運(yùn)移。有效孔隙度對(duì)濃度分布情況影響不大，而彌散度添加會(huì)使污染源以下污染物的濃度添加，而且會(huì)呵斥污染物沿與水流垂直的方向運(yùn)移，使污染物到達(dá)較深的地方。需求留意的是，在敏感性分析當(dāng)中，參數(shù)值變化時(shí)，無需重新進(jìn)展校正。但是，這樣會(huì)得出一些有趣的結(jié)果，也許這就是未來需求進(jìn)一步研討的課題。例如，假設(shè)天然補(bǔ)給量是50mm/年，而不是25mm/年，重新校正后第一層的水力傳導(dǎo)系數(shù)能夠會(huì)變大，根據(jù)這一校正值重新評(píng)價(jià)水流量分布和污染物運(yùn)移能夠是一種新的嘗試。六、最差情況分析根據(jù)敏感性分析，大多數(shù)參數(shù)對(duì)污染物向下遷移的影響都是知的。利用給定輸入?yún)?shù)值實(shí)踐值或能夠值，經(jīng)過將污染物向下游遷移速度最快，來確定最差情況，參數(shù)值見表4。如前所述，第一層邊境的測(cè)壓水頭添加了2m，