实例计算

为了进一步阐述上述模型的使用方法，本节将使用松散沉积层包气带防污性能评价模型以某区域为例进行防污性能评价的计算演示。

假设该区域范围内污染物的初始浓度为100μg/L，将穿透整个包气带到达地下水面时污染物的浓度为初始浓度的1%，即1μg/L作为浓度限制，通过计算污染物需要多少时间才会达到该限制浓度，直接按照耗费的时间长短作为该地区防污性能的评价标准。

以某地区的10个典型包气带钻孔为例依次进行研究，系统的介绍该模型的计算及评价方法。首先，根据松散沉积物命名表将10个包气带钻孔进行细致划分，标明各层的厚度，然后按照忽略薄夹层，合并相似层的原则，对相对阻滞系数相同、渗透系数相同或细小的夹层进行厚度合并与概化，统一为一个整体层位便于下步计算。10个钻孔的概化结果见表7.5～表7.14。

表7.5 某包气带A钻孔剖面岩性表

注:由于两层亚粘土之间夹有的砂层很薄，因此将其直接归入亚粘土中，不另外计算其层位的相对阻滞系数。

表7.6 某包气带B钻孔剖面岩性表

续表

注:由于粉砂与细砂的相对阻滞系数相同，因此将两层合并，夹在亚粘土中的细砂层与粗砂层较亚粘土层薄，因此与上下亚粘土层合并为一个整体，夹层不再做单独计算。

表7.7 某包气带C钻孔剖面岩性表

注:由于粉细砂与粗砂的相对阻滞系数相同，因此将两层合并，不做单独计算。

表7.8 某包气带D钻孔剖面岩性表

注:由于粉细砂与含砾中细砂的相对阻滞系数相同，因此将两层合并，不做单独计算。

表7.9 某包气带E钻孔剖面岩性表

表7.10 某包气带F钻孔剖面岩性表

注:由于淤泥与粘土的相对阻滞系数相同，因此将两层合并，不做单独计算。

表7.11 某包气带G钻孔剖面岩性表

表7.12 某包气带H钻孔剖面岩性表

表7.13 某包气带I钻孔剖面岩性表

表7.14 某包气带J钻孔剖面岩性表

注:由于亚粘土与粉砂亚粘土互层的渗透系数相同，因此将两层合并，不做单独计算。

根据表7.5～表7.14的岩性概化结果可进行下步计算，A～J剖面的数据都在表7.5～表7.14中列出。按照7.3.2中给出的计算方法，先对A剖面进行计算，设定初始浓度100μg/L，限制浓度为初始浓度的1%，即1μg/L，垂向深度单元数为111，将表7.5中列出的各种介质的阻滞系数R_i'代入非均质包气带的公式(7.3)中，得y=60，即需要60个时间单元使得到达地下水面的污染物浓度达到1μg/L，接下来要计算的是走完一个单元的具体时间，根据表7.5中列出的渗透系数及公式:

T=t₁+t₂+t₃+…+t_n=L₁/K₁+L₂/K₂+L₃/K₃+…+L_n/K_n即

T_A=(4/0.5+11/0.1+8/1+53/0.1+6/20+29/0.1)/365=2.6年，那么污染物在A剖面中累积浓度达到限制浓度所耗费的时间为:时间单元数y_A×T_A=60×2.6=156年。

按此步骤依次计算余下的9个钻孔，其中:

污染物在B剖面中累积浓度达到限制浓度所耗费的时间为:时间单元数y_B×T_B=56×2.43=136年。

污染物在C剖面中累积浓度达到限制浓度所耗费的时间为:时间单元数y_C×T_C=7×0.5=3.5年。

污染物在D剖面中累积浓度达到限制浓度所耗费的时间为:时间单元数y_D×T_D=27×1.14=30.9年。

污染物在E剖面中累积浓度达到限制浓度所耗费的时间为:时间单元数y_E×T_E=42×1.90=79.7年。

污染物在F剖面中累积浓度达到限制浓度所耗费的时间为:时间单元数y_F×T_F=14×0.89=12.4年。

污染物在G剖面中累积浓度达到限制浓度所耗费的时间为:时间单元数y_G×T_G=35×1.66=58年。

污染物在H剖面中累积浓度达到限制浓度所耗费的时间为:时间单元数y_H×T_H=29×2.15=56年。

污染物在I剖面中累积浓度达到限制浓度所耗费的时间为:时间单元数y_I×T_I=47×2.6=101年。

污染物在J剖面中累积浓度达到限制浓度所耗费的时间为:时间单元数y_J×T_J=13×0.77=10年。

通过计算发现，不同的剖面达到相同限制浓度所耗费的时间各有不同，计算结果见表7.15。

表7.15 10个包气带剖面防污性能评价结果

从表7.15中可以看出，同种污染物通过不同厚度、不同结构的包气带剖面所耗费的时间各有不同，且差异较大，污染物进入地下水的累积浓度达到1μg/L时所耗费的时间最少为10年，最多的可达到156年。据上节所述，包气带的厚度及结构对其防污性能都有着十分重要的影响，其中，包气带的厚度越厚，污染物进入地下水的途径就越长，去除污染物的容量就越大，地下水受到污染物威胁的可能性也就越弱;而包气带结构中阻滞能力较强的夹层有增强整个包气带防污性能的效力，夹层越厚，污染物到达地下水的浓度也越低，整个包气带的防污性能就越强。因此，下面就从该区域的包气带厚度及阻滞能力强的粘土、亚粘土层厚度出发，分析其对防污性能的影响及其影响的重要性。

图7.1 影响防污性能的因素分析图

图7.1分别绘制了剖面厚度及剖面中粘土、亚粘土厚度对防污性能的影响，从图7.1中可以看出，不管是整个剖面的厚度还是其中粘土、亚粘土层的厚度都与防污性能有着较好的正相关关系，拟合方程分别为y=0.497x+36.417，y=0.4965x+17.15，R²分别为0.8418和0.978。从拟合的相关系数不难发现，粘土、亚粘土层的厚度对包气带的防污性能影响高于整个包气带厚度所产生的影响，也就是包气带的结构对整个包气带的防污性能影响更为重要，且本研究建立的评价模型能很好地反映出结构差异造成的防污能力差异。粘土、亚粘土层的有机碳含量较高，且土壤质地较密集，孔隙度小，污染物通过该层所耗费的时间长，因此就有充足的时间在土壤中发生吸附作用，且含量较高的有机碳能吸附更多的污染物，进而降低污染物的浓度;而砂质土壤，它的孔隙度较大，污染物在该层的渗流速度较大，因此在该层停留的时间就越短，不能够很好地进行吸附反应，污染物的去除也不充分，致使污染物能较快地进入地下水，且进入地下水的浓度也较通过粘土层的高。由此可知，粘土、亚粘土是松散沉积层中防污性能最好的质地，其在包气带结构中占据的越多或者越靠近包气带的上部，阻滞污染物进入地下水的能力就越强，从而提高整个包气带介质的防污性能。总之，通过使用该评价模型计算结果可知，该松散沉积层内各包气带的防污性能由好至差的排序为:A＞B＞I＞E＞G＞H＞D＞F＞J＞C。

本章所讨论的松散沉积层细化包气带的评价体系仅仅是一种新思路的提出，在很多防污性能评价方法的研究中，研究者们都已认识到了包气带对地下水防污能力的影响，且在修正各种评价方法的时候都突出强调了包气带介质在地下水防污性能评价中的重要性。本研究建立的评价模型本着突出包气带介质重要性的前提，从结构上对包气带进行了更为细致的刻画，分析包气带结构的差异对地下水防污性能的贡献及影响。鉴于中国的地下水供水水源地大部分在松散沉积物区，故该评价方法主要是从松散沉积层的角度出发，地下水考虑的也仅是潜水含水层，根据这种思路构建的一套细化包气带的防污性能评价体系。实例计算是从以往的研究中选取了10 个较有代表性的钻孔资料，从钻孔的概化 ( 阻滞系数相同的层位可合并或将细小夹层与上下层位进行合并) 、参数的获取 ( 从给出的参数表中根据具体岩性名称查取各个层位的相对阻滞系数及渗透系数) 、计算 ( 根据所获取的参数计算污染物进入地下水所需的时间) 到最后的评价，对评价体系中的计算方法进行了一次有针对性及代表性的演示，遗憾的是，由于缺少实测资料而未能对该防污性能评价方法进行系统的验证。本研究提出的通过细化包气带的结构对地下水防污性能评价的方法虽然是一种尝试但还是有其实用价值的，它即能单独作为松散沉积层包气带结构的一种评价模式应用于其他的含水层评价中，也可作为某些防污性能评价方法的补充，尤其是评价污染物在包气带介质中垂向途径上的迁移。