采用敏感性分析和最差情況分析進行地下水污染風險

1、 HYPERLINK / 采納敏感性分析和最差情況分析進行地下水污染風險評價 比利時Marijke Huysmans李 燁 譯；馮翠娥、魏國強 校譯本文闡述了如何利用敏感性分析和最差情況分析來對地下水污染進行風險評價，并將這一方法應(yīng)用于匈牙利境內(nèi)的一個研究區(qū)。在該研究區(qū)存在幾個地下水污染源，而且位于飲用水井附近。要緊關(guān)注的是污染源是否對飲用水井造成威脅。由于資料有限，模擬的結(jié)果具有專門大的不確定性。應(yīng)用敏感性分析來評價這一不確定性。一、概述確定與地下水污染有關(guān)的環(huán)境風險是一個常見的研究問題。通常需要研究受到污染的地下水是否會到達飲用水井、河流、生態(tài)脆弱區(qū)或動植物敏感區(qū)（Calow，1998）。

2、計算機模型是常用的進行地下水流淌和污染預測的工具。由于資料的缺乏和模型參數(shù)的異質(zhì)性，往往會造成模擬結(jié)果的不確定性。盡管與預測相關(guān)的不確定性可能特不關(guān)鍵，然而通常都會被忽略，特不是在資料相當缺乏的情況下（Levy等，1998）。有幾種解決參數(shù)不確定性的方法。常用的隨機分析方法是蒙特卡羅（Monte Carlo）模擬（Asante-Duah，1998）。應(yīng)用這一方法，能夠在所能輸入的概率分布范圍內(nèi)自由選擇輸入值，并計算出每種情況下的輸出值。通過重復計算能夠確定輸出的分布范圍。盡管蒙特卡羅模擬方法的功能強大，而且漸近收斂，然而計算效率卻專門差。另外，還需要確定每一個模擬參數(shù)的概率函數(shù)，這是在輸入信息

3、比較缺乏的情況下，該方法的一個嚴峻的缺陷。蒙特卡羅模擬通常與地質(zhì)統(tǒng)計學方法相結(jié)合，然而，地質(zhì)統(tǒng)計學方法需要通過大量的數(shù)據(jù)來準確描述每一個參數(shù)的空間變化，而在實際工作中，通常不可能獲得如此充足的資料。解決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。通過敏感性分析，能夠確定由于輸入變量和參數(shù)造成的輸出變化，這是一種檢驗?zāi)Ｐ椭休敵鲎兞繉斎胱兞康撵`敏性的分析方法。在最差情況分析中，需要給定每一個變量和參數(shù)最差的可能值，如此能夠得出模型的最差輸出結(jié)果。本文依照敏感性分析和最差情況分析進行風險評價，研究區(qū)Mtzalka市擁有25400人口，位于匈牙利東部，靠近羅馬尼亞和烏克蘭邊界。Mtza

4、lka沿Kraszn河分布，Kraszna河與Tisza河相匯，最終排泄到多瑙河。Mtzalka周圍有幾個潛在的污染源。其中一個地下水污染源是都市垃圾處理場，占地面積80萬m2，沒有加適當?shù)姆罎B層，在高水位期地下水水位會到達垃圾場的底部邊界。另一個地下水污染源是在19711997年間利用的污水氧化池（Nauner，2000）。現(xiàn)在，該池被土壤和植被覆蓋，然而在地下土壤中仍存留大量的污水和污泥。第三個地下水污染源是污水處理廠，一級處理是通過濾網(wǎng)將木頭、紙和塑料等去除，并通過大的沉降池將固體和水分離開來，大部分固體沉到池的底部，在這一時期，70%左右的固體是污泥，約1萬m3左右。與污染處理系統(tǒng)沒有

5、聯(lián)系的住宅區(qū)是第四個地下水污染源，這些住宅區(qū)的污染坑沒有用混凝土加固，因此，污水容易到達地下，特不是在地下水位較高時。工業(yè)活動是第五個地下水污染源。要緊關(guān)注的問題是這些污染源是否會對飲用水井造成威脅，要研究這一問題相當復雜，然而資料卻專門有限。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。研究區(qū)內(nèi)更新統(tǒng)沉積物厚度約為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)的沉積物要緊由砂礫組成，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，由滲透性差的沖積相或湖相粉砂和粘土組成。上更新統(tǒng)由中細砂和粉砂組成

6、，也能夠作為含水層，但滲透性比上更新統(tǒng)要差。下部的粘土層是隔水層，能夠作為地下水流淌和運移模型的隔水底板。依照23口水井的鉆孔資料能夠?qū)Σ煌貙訂卧M行評價，通過將更新統(tǒng)劃分為6個水文地層單元能夠?qū)碗s的地質(zhì)條件進行簡化（表1）。第一層是各向異性的含水層，滲透性較強，由許多較薄的砂層、粉砂層和粘土層組成；第一層和第二層是要緊由粘土層和砂質(zhì)粘土層組成的半透水層，滲透性較差；第三層是連續(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，水力傳導系數(shù)最大，所有的飲用水差不多上從這兩層獵取。表1更新統(tǒng)的6個水文地質(zhì)單元描述水文地質(zhì)單元平均厚度（m）描述地層第一層65薄砂、粉砂和

7、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、地下水流淌模型依照MODFLOW來求解微分方程。（一）邊界條件水文地質(zhì)模型是一個9km10km260 km的模型。上部的更新統(tǒng)粘土沉積物表示模型的不透水邊界；依照測壓圖和剖面圖獲得測壓水頭條件，將測壓水頭條件作為含水層一、三、五和六的邊界；第二層和第四層的垂直邊界是零通量邊界，這兩層要緊由粘土組成，地下水流淌相當慢，而且水流要緊是在垂直方向上運動，因此，假定沿垂直邊界的水平通量為0。模型的東部邊界是一條河流，這條河流的坡度為13cm

8、/km，河流底部沉積物厚度約為0.7m，水力傳導系數(shù)約為106m/s。按照每月的抽水資料，確定模型中從井場抽取的地下水量。共有15口抽水井，總抽水量為15000m3/天。依照Thorntwaite方法，可能含水層的補給量為30mm/年。（二）柵格設(shè)置6層104行和112列的柵格，差不多單元是100100m2，在抽水井附近柵格大小一般是5050m2，每個單元一般者不得超過其鄰近單元的1.5倍。為了進行計算，每個單元的長寬比不超過10。（三）水力傳導系數(shù)利用抽水試驗、排泄和水位下降資料以及粒度分布資料，確定研究區(qū)不同地層的水力傳導系數(shù)。在第一層進行了12次試驗，在第五層進行了3次試驗，在第六層進行

9、了8次試驗。采納Thiem-Dupuit等式來分析排泄和水位下降資料，在第一層進行了13次分析，在第五層進行了1次，在第六層進行了22次。采納Beyer公式和Zamarin公式對第六層的6個土樣進行了粒度分析，這兩個公式是分析粒度與傳導系數(shù)之間關(guān)系的經(jīng)驗公式。在第二層和第四層沒有分析水力傳導系數(shù)，取往常的研究數(shù)據(jù)。計算每一層水力傳導系數(shù)的平均值。在水平層的沉積物中，水平水力傳導系數(shù)要高于垂直水力傳導系數(shù)，假定Kh與Kv的比等于10（表2）。第五層和第六層是滲透性最強的更新統(tǒng)地層；第二層和第四層是滲透性最差的更新統(tǒng)地層，它們形成了地下水流淌的天然屏障。表2每一層的平均水力傳導系數(shù)測量值層水平水力

10、傳導系數(shù)Kh(m/s)垂直水力傳導系數(shù)Kv(m/s)一5.81055.8106二1.31071.3108三1.31051.3106四1.31071.3108五7.01047.0105六3.71043.7105（四）校 正通過32個測壓計測量地下水水位來進行校正，其中17個測壓計位于上更新統(tǒng)（第一層），另外還有15個位于下更新統(tǒng)（第六層）。依照穩(wěn)定態(tài)條件對模型進行校正，首先利用“試錯”法對水力傳導系數(shù)和補給進行校正，之后采納PEST進行自動校正。依照“試錯法”獲得的水力傳導系數(shù)見表3。表3采納“試錯法”校正前后的水力傳導系數(shù)初始值校正值Kh15.8105 m/s區(qū)1：1.5104 m/s區(qū)2：2

11、.0105 m/s區(qū)3：8.0105 m/s區(qū)4：1.5105 m/sKv15.8106 m/s區(qū)1：1.5105 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/s9.0

12、105 m/sKv63.7105 m/s9.0106 m/s有效入滲率30 mm/年25 mm/年采納PEST進行自動校正，這是一個參數(shù)可能程序。采納Gauss-Marquardt-Levenberg運算法則，通過PEST將均方差之和最小化，采納了兩個約束條件。第一個約束條件是每一層水平方向上的水力傳導系數(shù)都相等；第二個約束條件是選擇每個參數(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。在本研究過程中，通過自動參數(shù)可能與試錯校正獲得的平均絕對誤差相同。自動參數(shù)可能并沒有減小誤差，因此，在進一步分析工作中，采納的是試錯校正。（五）結(jié) 果計算東西向剖面的測壓水位，結(jié)果表明：

13、第一層在河流西邊的位置上，地下水補給河流。在河流東邊，沒有明顯的地下水徑流。應(yīng)當注意到，出于計算的緣故，模型中Kraszna河的深度要大于實際觀測值。假如減小模型中的河流深度，污染物就會在河流上游方向流入Kraszna河，一些污染物會沉積在河流底部。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，抽水井在地下水流淌過程中起著重要作用。采納MODFLOW的區(qū)域預算模塊計算穩(wěn)定態(tài)的水均衡，能夠了解該區(qū)不同地層、河流、入滲、抽水和邊界之間能量的相互作用。水均衡誤差要操縱在1%之內(nèi)。在第一層，輸入的水量要緊是源自側(cè)邊界，入滲占總輸入量的17%，大部分輸出的水量補給了河流，另一部分輸出量是沿側(cè)

14、邊界排泄，從第一層通過側(cè)邊界流向第二層的水量為8208m3/天。第二層是粘土層，沒有側(cè)邊界流量，從第一層進入的水量沿垂直方向直接進入第三層。第三層是細砂層，從第二層獲得的水量幾乎全部流入第四層，沿側(cè)邊界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)邊界流量，從第三層獲得的水量直接流向第五層。第五層獲得的水量通過側(cè)邊界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，通過側(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，要緊是通過抽水井輸出水量，抽水量為6181m3/天。這講明通過抽水井獵取的水量中，有一部分是來自垂直補給，僅通過側(cè)邊界補給，

15、不能滿足6181m3/天的抽水量。四、運移模型采納兩種不同的方法，對運移情況進行模擬，這兩種方法分不是采納MODPATH進行顆粒示蹤（Pollock，1994）和采納MT3D進行運移模擬（Zheng and Wang，1999），包括水平對流和彌散運移。沒有考慮由于擴散造成的運移，因為在高滲透性的環(huán)境中，擴散引起的運移量能夠忽略不計（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，這是比較安全的假定。（一）邊界條件在運移模型的邊界，假定濃度梯度。因為沒有3種要緊污染源（即都市垃圾處理場、污水氧化池和污水處理廠）不同污染物濃度的資料，因此，任意選

16、擇1000個連續(xù)的濃度值。（二）運移參數(shù)每層的要緊輸入性質(zhì)是有效孔隙度以及縱向和橫向彌散性。依照前人研究的文獻，將有效孔隙度統(tǒng)一選擇為0.10（Anderson and Woesner，1992）。確定彌散性時要復雜一些，彌散值與測試或觀測范圍有關(guān)（Zheng and Bennett，1995）。在運移模型中選擇的柵格大小為50和100m。依照Gelhar等（1992）的研究結(jié)果，關(guān)于50m的柵格，縱向彌散度約為0.3m，關(guān)于100m的柵格，縱向彌散度約為5m。為了簡化，選擇整個研究區(qū)的縱向彌散度為5m。由于資料不足，選擇橫向彌散度比縱向彌散度小一個數(shù)量級，垂直方向的橫向彌散度比縱向彌散度小兩

17、個數(shù)量級。如此在運移模型中，水平橫向彌散度為0.5m，垂直橫向彌散度為0.05m。（三）結(jié) 果通過模擬，能夠看出，顆粒（即污染物）遷移的深度不大，到達的最深處只有11m，然而沿水平方向遷移量較大，到達河流附近。依照計算結(jié)果，最先到達河流的顆粒來自污水處理廠，通過10年的時刻到達河流；最后到達河流的顆粒來自都市垃圾處理場，需要18年的時刻到達河流。顆粒可不能達到深井，因此可不能污染飲用水源。MT3D運移模型表明，通過8年左右的時刻，污水處理廠的污染物會到達河流；通過9年時刻，污水氧化池的污染物到達河流；通過13年左右的時刻，都市垃圾處理場的污染物到達河流。計算要緊污染源下5、15、25和35m深

18、度的污染物濃度，結(jié)果表明，在要緊污染源以下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?shù)汀Ｒ勒者\移模型也證實了顆粒示蹤的結(jié)果。依照可利用的數(shù)據(jù)進行研究，污染物大概可不能到達較深的地區(qū)，因此，位于下更新統(tǒng)的飲用水井也可不能受到這些污染物的威脅。五、敏感性分析在本研究中，由于資料有限，因此對邊界條件進行了簡化和假定。如此因此會阻礙結(jié)果的準確性，而且污染物可不能對飲用水井造成威脅的結(jié)論也會遭到質(zhì)疑。為了檢驗結(jié)論是否準確，選擇最差情況進行敏感性分析。首先，對第一層到第二層和第五層到第六層的邊界條件、水力傳導系數(shù)、河流參數(shù)以及沿垂直方向的水流量進行分析。

19、不同層之間的垂直地下水流淌關(guān)于溶解污染物向晚更新統(tǒng)地層遷移起著重要的作用。依照敏感性分析結(jié)果能夠看出，從第一層到第二層的地下水流對所有的邊界條件都特不敏感；假如將第一層的水頭增加2m，就會使第一層到第二層的水流量增加24%；假如將第五層和第六層的水頭增加2m，就會使從第一層到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界條件。假如將第五層和第六層的邊界水頭降低2m，就會使從第五層到第六層的水流量增加11%；假如將第五層和第六層的邊界水頭增加2m，就會使地下水流量減少19%。通過垂直流量與水力傳導系數(shù)、電導率和入滲的敏感性分析，能夠看出，改變粘土層的水力傳導系數(shù)K2和

20、K4，會對水流量造成專門大的阻礙。假如K2增加10倍，從第一層到第二層的水流量就會增加135%；假如K4增加10倍，就會使第五層到第六層的水流量增加61%。其次，需要分析模擬出來的運移時刻和濃度對第一層的水力傳導系數(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：污水處理廠的污染物到達河流的時刻；t2：污水氧化池的污染物到達河流的時刻；t3：垃圾處理場的污染物到達河流的時刻；c1：污水處理廠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：垃圾處理場15m以下的污染物濃度。計算結(jié)果表明，隨著水力傳導系數(shù)增加，有效孔隙度減少和彌散度增加，污染物向河流的運移時刻減小，

21、水力傳導系數(shù)較大會造成污染源以下的溶質(zhì)濃度減小，這是由于假如孔隙介質(zhì)滲透性較強，污染物更容易在水平和垂直方向上運移。有效孔隙度對濃度分布情況阻礙不大，而彌散度增加會使污染源以下污染物的濃度增加，而且會造成污染物沿與水流垂直的方向運移，使污染物到達較深的地點。需要注意的是，在敏感性分析當中，參數(shù)值變化時，無需重新進行校正。然而，如此會得出一些有味的結(jié)果，也許這確實是今后需要進一步研究的課題。例如，假設(shè)天然補給量是50mm/年，而不是25mm/年，重新校正后第一層的水力傳導系數(shù)可能會變大，依照這一校正值重新評價水流量分布和污染物運移可能是一種新的嘗試。六、最差情況分析依照敏感性分析，大多數(shù)參數(shù)對污染物向下遷移的阻礙差不多上已知的。利用給定輸入?yún)?shù)值（實際值或可能值），通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，第一層邊界的測壓水頭增加了2m，第五層和第六