煤矸石作路基材料对地下水硝酸盐污染的数值模拟分析

第43卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol．43，No．32014年6月JournalofShanghaiNormalUniversity(NaturalSciences)Jun．，2014DOI:10．3969/J．1SSN．100－5137．2014．03．013煤矸石作路基材料对地下水硝酸盐污染的数值模拟分析杜勇立1，2，黄向京2，戚芳方3，黄满红3(1．中南大学土木学院，长沙410075;2．湖南省交通规划勘察设计院，长沙410008;3．东华大学环境科学与工程学院，上海201620)摘要:以某高速公路的煤矸石路基材料为主要研究对象，在实验的基础上，利用数值模拟的方法，对煤矸石区域地下水系统中的硝酸盐浓度进行了数值模拟，分析了分布规律．研究结果表明:随着时间的推移，受污染面积在横向和纵向不断扩大，且横向更为显著，同时受污染范围较大的主要是地下水的下流方向;另外，硝酸盐浓度沿两轴方向呈递减趋势，淋溶液对地下水系统的污染程度随距污染源的距离的增大而降低．目前该研究路段的地下水硝酸盐浓度(以N计)达到地下水环境质量标准(GB/T14848－93)Ⅰ类标准，通过数值模拟可得，该高速公路建成10年后，研究路段的地下水硝酸盐浓度(以N计)达到地下水环境质量标准(GB/T14848－93)Ⅲ类标准．关键词:煤矸石;地下水;硝酸盐;数值模拟中图分类号:X523文献标识码:A文章编号:1000-5137(2014)03-0297-07收稿日期:2014-03-17基金项目:交通运输部科技项目(2010－353－343－290);湖南省交通科技项目(201155)通信作者:黄满红，中国上海市人民北路2999号东华大学环境科学与工程学院，邮编:201620，E-mail:541367918@qq．com0概述采用煤矸石作为公路铁路的路基材料，不但可以解决煤矸石占地大、污染大的问题，还能节省大量的土方，从而减少工程用土对沿线田地的破坏．但是，大量应用煤矸石后，是否会对道路的沿线环境造成二次污染也是一个不容忽视的问题．煤矸石中的有害物质很可能在经过雨雪的淋洗或者地下水的浸泡后被溶出，进而对道路周边环境，例如地下水源、农田等造成直接而长远的危害，也极有可能通过食物链进入人体来直接危害道路沿线居民的身体健康［1］．地下水硝酸盐污染成为国际性问题，已在世界上多数国家造成危害［2］．在美国及欧洲的一些国家里已经相当严重，对人类健康构成潜在威胁．近几十年来的监测结果显示，地下水中硝酸盐氮浓度正在逐年增高［3］．美国许多地区水中硝酸盐平均每年增长0．8mg·L－1，1895～1970年在伊利诺斯州、以阿华州、明尼苏达州等均有许多农场井水的硝酸盐含量为45～450mg·L－1的记载［4－5］．1999年欧洲22%农业地下水硝酸盐氮浓度超过10mg·L－1［6］．在德国，有50%的农用井水硝酸盐氮浓度超过了60mg·L－1［7］．1996年以来，丹麦和荷兰地下水中硝酸盐氮浓度以每年0．2～1．3mg·L－1的速度上升［8］．2003年的国家地质调查局数据表明，全国118个大中城市中有76个城市地下水存在严重的硝酸盐污染，占总数的64%;39个城市轻度污染，占总数的33%，仅有3个城市未受污染［9］．北方以地下水为主要供水水源的大城市污染更为明显，硝酸盐氮浓度超过世界卫生组织(WHO)卫生标准的面积在上海师范大学学报(自然科学版)2014年100～200km2以上的城市就有4个［10］．WHO和美国EPA最高污染物水平(MCL)控制标准规定，饮用水中硝酸盐浓度不得超过10mg·L－1［11－12］，我国饮用水卫生标准(GB5749～2006)最新规定的饮用水中硝酸盐浓度限值也为10mg·L－1［13］．可见，随着工农业的迅猛发展和城市人口的急剧膨胀，地下水硝酸盐污染在全国范围内都达到了相当严重的程度，对安全饮水和人民身体健康构成了严重威胁．1实验材料与方法实验所用的煤矸石和粘土均取自于某高速公路用材，采用连续式匀速淋溶来模拟自然降雨，利用恒流泵控制加入的蒸馏水每次约为600mL，持续加水60min，然后停水120min，再继续加入蒸馏水，共加水8次．用锥形瓶接收分液漏斗的溶出液，分别接8次，每次约为120mL．接收完溶出液后，锥形瓶瓶口用保鲜膜封好，以免水样被污染．图1淋溶实验装置实验分析时，采用离子色谱法测定滤液中的硝酸盐浓度．实验装置见图1．在实验室内，将各种样品粉碎成粒径小于10mm的颗粒．在1000mL的筒式分液漏斗底部紧密铺两层定量滤纸，然后装入厚度约为200mm(约1000g)的煤矸石样品，轻轻晃动分液漏斗，使颗粒紧实无空隙，记为样品1．另取4个分液漏斗，分别按10%、20%、40%的比例加入土壤和煤矸石样品的混合物，记为样品2、3、4，按高