摘要：垃圾填埋場(chǎng)的特征及其分布廣泛，會(huì)對(duì)地下水造成嚴(yán)重污染。監(jiān)測(cè)井網(wǎng)對(duì)監(jiān)測(cè)污染羽起著極為重要的作用。本文對(duì)在垃圾填埋場(chǎng)建立的地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可*性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，對(duì)幾個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)概率進(jìn)行比較。
        關(guān)鍵詞：垃圾填埋場(chǎng); 監(jiān)測(cè); 地下水 
 
 
 
         一、概述

　　垃圾填埋場(chǎng)分布廣泛，會(huì)嚴(yán)重影響地下水水質(zhì)、人類健康，甚至生態(tài)環(huán)境。普通用語(yǔ)中，垃圾填埋場(chǎng)是指在土地上處理垃圾，然而，國(guó)際固體廢物組織將垃圾填埋場(chǎng)定義為“用工程方法將廢物在地面或地下處理，以防污染物對(duì)環(huán)境造成危害，通過(guò)土地修復(fù)后可以作為他用”。但是，一些研究表明，如果選擇的場(chǎng)地和設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)不當(dāng)，垃圾淋濾液會(huì)對(duì)環(huán)境，特別是對(duì)地下水水質(zhì)造成嚴(yán)重污染。因此，評(píng)價(jià)由于垃圾填埋造成的地下水污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)就顯得非常重要，設(shè)計(jì)垃圾填埋的防護(hù)層、監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)地下水中污染物的范圍、以及污染物對(duì)人類健康和環(huán)境造成的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)是其中三個(gè)主要的組成部分，而地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在三者中起聯(lián)結(jié)作用，起著確定污染的可能性和嚴(yán)重性的作用。這樣，在設(shè)計(jì)垃圾填埋場(chǎng)時(shí)，必須要設(shè)計(jì)合理有效的監(jiān)測(cè)網(wǎng)。然而，由于存在許多不確定性因素，通常很難保證特定的監(jiān)測(cè)網(wǎng)可以監(jiān)測(cè)到垃圾填埋場(chǎng)釋放的所有污染物?？赡苄孤┪廴疚锏姆秶臀恢靡约八牡刭|(zhì)特征的空間變化，使得很難預(yù)測(cè)地下水和污染物流動(dòng)途徑，從而會(huì)影響監(jiān)測(cè)網(wǎng)的可*性。監(jiān)測(cè)井的位置、深度和數(shù)量，污染物的化學(xué)特征，取樣等也是影響監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)概率的重要參數(shù)。

　　在實(shí)際工作中，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范來(lái)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。許多國(guó)家都采用了歐洲共同市場(chǎng)和美國(guó)環(huán)保總局(USEPA)的規(guī)則，這些規(guī)則要求在污染物到達(dá)允許邊界之前，建造足夠的監(jiān)測(cè)井來(lái)監(jiān)測(cè)污染物泄漏。最低要求是在下游建造三個(gè)監(jiān)測(cè)井，在上游建造一個(gè)監(jiān)測(cè)井。監(jiān)測(cè)時(shí)間是30年，而監(jiān)測(cè)井的位置、數(shù)量(高于最低要求)和深度則是根據(jù)垃圾填埋場(chǎng)的所有者和地方當(dāng)局確定。在實(shí)際工作中無(wú)需考慮所有的不確定因素，一些學(xué)者從不同角度研究了這一復(fù)雜問(wèn)題。Loaiciga等(1992)對(duì)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面回顧，目前的研究方法可分為四類，分別是定性、模擬、變異和優(yōu)化。Rouhani和Hall(1988)以基于方差縮減分析和介質(zhì)分類的方法，研究了在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)時(shí)取樣過(guò)程的重要性。Haug等(1989)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)沿廢物管理設(shè)備邊界的監(jiān)測(cè)井位置和間距進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在這些研究中，充分運(yùn)用了地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法，但是沒(méi)有模擬地下水流動(dòng)和污染物運(yùn)移方式。Hudak和Loaiciga(1993)提出了多目標(biāo)方法，可以用來(lái)確定監(jiān)測(cè)井位置，但是沒(méi)有考慮到不確定性。Meyer等(1994)的研究工作中，采用多目標(biāo)隨機(jī)優(yōu)化方法來(lái)確定監(jiān)測(cè)井的位置，假定污染物泄漏是連續(xù)的，通過(guò)蒙特卡羅法模擬，這一方法將不確定性和水力傳導(dǎo)系數(shù)以及污染源位置結(jié)合起來(lái)。Storck等(1997)引入局部彌散，將這一模型擴(kuò)展為三維模型，認(rèn)為特定局部彌散的影響可以忽略不計(jì)。這些研究的主要缺陷在于，為了確定最優(yōu)取樣方式，需要進(jìn)行大量的計(jì)算工作。Hudak(2001)提出用繪圖方法在垃圾填埋場(chǎng)下游確定監(jiān)測(cè)井的位置，在其隨后的工作中，對(duì)在受粒間孔隙控制的含水層中根據(jù)垂向和等距設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)井的監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。然而，Hudak在其研究工作中并沒(méi)有考慮由于地下不均勻性和污染物泄漏位置引起的不確定性。

　　本文通過(guò)全面考慮設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)井時(shí)起重要作用的各種因素，分析在垃圾填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)的可*性。由于地下不均勻性、泄漏位置、介質(zhì)彌散和監(jiān)測(cè)井間距的不確定性對(duì)地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可*性造成的影響，研究方法同前。除了Meyer等(1994)和Storck等(1997)的研究方法之外，本文主要考慮了監(jiān)測(cè)井位置和初始污染源對(duì)垃圾填埋場(chǎng)釋放污染羽監(jiān)測(cè)概率的影響。采用模擬模型，通過(guò)一系列的數(shù)值實(shí)驗(yàn)對(duì)上述影響進(jìn)行分析。與以前的研究不同，假定污染物泄漏是瞬時(shí)而非連續(xù)的，這是因?yàn)榻鼇?lái)的垃圾填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行技術(shù)均有所提高，可以將污染物泄漏的可能性和泄漏量都控制到最小。此外，監(jiān)測(cè)小規(guī)模的瞬時(shí)泄漏比監(jiān)測(cè)大規(guī)模的連續(xù)泄漏要難得多。

　　二、模型描述

　　用基于模擬的模型來(lái)確定給定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功效，并結(jié)合不確定性考慮幾個(gè)參數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)的影響，采用蒙特卡羅法模擬由于垃圾填埋場(chǎng)處置不當(dāng)引起的污染羽，由以下五步組成：

　　1．生成自由水力傳導(dǎo)場(chǎng)；

　　2．建立穩(wěn)定態(tài)地下水流動(dòng)模型來(lái)確定流速場(chǎng)；

　　3．生成自由泄漏點(diǎn)；

　　4．建立自由運(yùn)移模型來(lái)確定污染羽濃度場(chǎng)，直到達(dá)到允許邊界為止；

　　5．檢驗(yàn)給定監(jiān)測(cè)井的濃度是否大于給定的閥值（監(jiān)測(cè)限），來(lái)確定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否監(jiān)測(cè)到了污染羽。

　?。ㄒ唬┠M范圍和不確定性

　　用二維模型來(lái)模擬天然三維模型顯然不太合理，但是對(duì)于局部問(wèn)題，特別是含水層水平面遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其厚度，二維模型得出的結(jié)論與實(shí)際情況偏差很?。―agan，1986；Rubin，1990；Boggs等，1992）。然而，F(xiàn)reyberg（1986）研究表明，污染羽主要是在水平方向運(yùn)動(dòng)。Moltyaner等（1993）采用天然梯度測(cè)試，在Twin Lakes研究了方向?qū)\(yùn)移的影響，研究結(jié)果表明，沿平均流向的前40米，三維模型并不能比二維模型更好地表現(xiàn)污染羽的運(yùn)移情況。因此，考慮到三維模擬所需的計(jì)算量太大，實(shí)際工作中采用二維含水層。在數(shù)據(jù)值實(shí)驗(yàn)中，采用長(zhǎng)Lx，寬Ly和單位厚度的三角形模型，模型邊界代表允許邊界。由于本文主要是研究不同介質(zhì)的垃圾填埋場(chǎng)中地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)的可*性，因此，重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的最佳監(jiān)測(cè)能力。根據(jù)數(shù)學(xué)方法，在這種情況下，對(duì)于特定距離的垂直流動(dòng)方向，最佳幾何形狀是使監(jiān)測(cè)井位于同一條直線上。此外，對(duì)于數(shù)量一定的監(jiān)測(cè)井，監(jiān)測(cè)井應(yīng)當(dāng)在空間上均勻分布。當(dāng)與垃圾填埋場(chǎng)的長(zhǎng)度和監(jiān)測(cè)井的數(shù)量（即監(jiān)測(cè)垃圾填埋場(chǎng)釋放污染羽的監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)量不足時(shí)）相比，污染羽太薄時(shí)，就應(yīng)該采取其它方式。如果是以最佳監(jiān)測(cè)能力為標(biāo)準(zhǔn)，就無(wú)需確定最佳取樣方式了。因此，可以在垃圾填埋場(chǎng)下游矩形邊界和允許邊界之間，距垃圾填埋場(chǎng)的不同位置建造幾個(gè)直線監(jiān)測(cè)井系統(tǒng)，假設(shè)取樣是連續(xù)進(jìn)行的。由于在本項(xiàng)研究中采用了二維模型，假設(shè)監(jiān)測(cè)井完全穿透了含水層。不難想像，當(dāng)采用3D模型時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)概率會(huì)有所下降，這是因?yàn)闆](méi)有完全穿透監(jiān)測(cè)井：污染羽可能向上或向下通過(guò)井壁防護(hù)層。

　　在該模型中，將由于污染源位置和地下不均勻性造成的不確定性結(jié)合起來(lái)進(jìn)行考慮。在本文研究中，地下不均勻性通過(guò)水力傳導(dǎo)系數(shù)的空間變化反映出來(lái)。因此，將水力傳導(dǎo)系數(shù)作為自由空間函數(shù)或自由場(chǎng)，對(duì)各向同性的水力傳導(dǎo)系數(shù)取自然對(duì)數(shù)［Y=ln(K)］，作為給定平均數(shù)、方差和相關(guān)長(zhǎng)度的穩(wěn)定高斯場(chǎng)的模型。采用回轉(zhuǎn)線（turning band）方法，生成與這些統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)有關(guān)的自由傳導(dǎo)系數(shù)場(chǎng)（Mantoglou和Wilson,1982）。

　　（二）地下水流動(dòng)模型

　　 由于污染物主要是通過(guò)天然通道遷移，因此，污染物在地下水中的運(yùn)移主要取決于天然流動(dòng)系統(tǒng)。在穩(wěn)定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)中模擬污染物運(yùn)移時(shí)，流速場(chǎng)保持穩(wěn)定；而在瞬時(shí)流動(dòng)系統(tǒng)中，流速場(chǎng)隨時(shí)間變化而變化，這就要求在研究時(shí)間范圍內(nèi)，建立多種模擬方式。用蒙特卡羅方法描述瞬時(shí)狀態(tài)的計(jì)算工作量非常大，在實(shí)際工作中不可行。因此，在本項(xiàng)研究中，假定二維穩(wěn)定態(tài)飽和地下水在各向異性均質(zhì)含水層中沿水平方向流動(dòng)，以簡(jiǎn)化水文地質(zhì)環(huán)境，同時(shí)通過(guò)合理計(jì)算，也可以更好地了解地下不均勻性和不同介質(zhì)對(duì)于監(jiān)測(cè)污染羽的影響。另外，由于地下水水位和承壓水頭變化通常非常緩慢，因此，假定穩(wěn)定態(tài)流動(dòng)對(duì)于實(shí)際情況影響不大。另一方面，盡管流動(dòng)方向通常是相關(guān)參數(shù)，對(duì)于污染羽運(yùn)動(dòng)有一定影響，但在本項(xiàng)研究中，假定流動(dòng)方向從左向右，目的是為了以合理的計(jì)算成本進(jìn)行模擬計(jì)算。不過(guò)，與在單一方向流動(dòng)相比，流動(dòng)方向的變化會(huì)造成污染物在更大的范圍內(nèi)運(yùn)移。這樣，可以預(yù)測(cè)給定距離（污染物濃度接近于臨界濃度）的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)概率，會(huì)低于估計(jì)值。

　　采用五點(diǎn)有限差分法（Five-point finite difference method）建立流動(dòng)等式。根據(jù)Dirichlet和Neumann邊界來(lái)求解等式。根據(jù)地下水流動(dòng)等式得到水頭后，就可以計(jì)算出達(dá)西速率。之后，根據(jù)介質(zhì)的有效孔隙度將達(dá)西速率進(jìn)行分解，就可以得到x方向和在y方向上的平均地下水流速。采用共軛法來(lái)解飽和不均勻介質(zhì)地下水流動(dòng)等式。

　?。ㄈ┻\(yùn)移模型

　　在本研究中，用水平對(duì)流彌散等式來(lái)表達(dá)污染物在地下的運(yùn)移。假定污染物總量不變，與固體基質(zhì)沒(méi)有進(jìn)行相互作用。這一假定的原因是簡(jiǎn)化為研究運(yùn)移環(huán)境影響而進(jìn)行的參數(shù)敏感性分析，也不考慮生物和化學(xué)作用，如延遲、衰減和微生物轉(zhuǎn)化的復(fù)雜因素，主要考慮介質(zhì)的彌散和不均勻性，以一種簡(jiǎn)單直接的方式影響監(jiān)測(cè)概率。在不均勻介質(zhì)中設(shè)計(jì)捕獲和監(jiān)測(cè)污染物系統(tǒng)時(shí)，水平對(duì)流和彌散是最重要的運(yùn)移機(jī)制。然而，生物作用通常會(huì)使特定有機(jī)污染物濃度降低，但是并不能保證毒性降低。另一方面，化學(xué)作用，如吸附/解吸或衰減可以使污染物運(yùn)移速度明顯降低（Gorelick等，1993）。當(dāng)考慮延遲時(shí)，污染物濃度的空間分布表現(xiàn)為在污染羽前端較陡，在后端較為平緩（Bear和Buchlin，1987）。因此，在本研究中，當(dāng)考慮延遲時(shí)，估計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)概率在污染初期?？紤]穩(wěn)定態(tài)流動(dòng)范圍內(nèi)瞬時(shí)污染羽遷移，二維水平對(duì)流彌散等式如下（Bear,1972）： （1）

　　其中，C是時(shí)間t內(nèi)給定點(diǎn)（x,y）的污染物濃度；vx和vy分別是在x和y方向上的平均地下水流速；Dxx、Dxy、Dyx和Dyy分別是水力彌散張量的分量。得到每個(gè)水文傳導(dǎo)系數(shù)場(chǎng)的流速場(chǎng)后，就可以對(duì)運(yùn)移等式進(jìn)行求解（Elfeki，1996）。當(dāng)0≤x≤Lx，0≤y≤Ly時(shí)，假定C（x,y,0）＝0，對(duì)于t≥0，邊界條件為，。

　　污染源位于模型范圍的上游。顆粒示蹤法是用大量的等體積顆粒代替初始污染物，在時(shí)空范圍內(nèi)追蹤這些顆粒。通過(guò)對(duì)流顆粒運(yùn)動(dòng)和自由運(yùn)動(dòng)，建立彌散模型。幾個(gè)獨(dú)立的自由顆粒Walk形成彌散顆粒云，表現(xiàn)出污染物的分布特征。自由Walk模型是一種合適的方法，除了最初要采用柵格來(lái)獲得流速場(chǎng)外，再無(wú)需通過(guò)任何柵格進(jìn)行計(jì)算。此外，數(shù)值彌散是用有限差和有限元方法求解水平對(duì)流彌散等式是常見(jiàn)的問(wèn)題，但在自由Walk顆粒示蹤方法中不存在這一問(wèn)題（Uffink,1990）。要詳細(xì)了解Walk顆粒示蹤方法，參見(jiàn)Kinzelbach（1986）的研究成果。

　　通過(guò)自由walk方法求解水平對(duì)流彌散運(yùn)移等式，得出的結(jié)果是離散顆粒位移，而非濃度值。因此，離散柵格模型與求解地下水流動(dòng)等式方法相似，分層將每一柵格的顆粒密度轉(zhuǎn)化為濃度。在x和Y方向和的柵格單位（i,j）的平均濃度為：

　　 　　　　　　　　　　　(2)

　　其中，Cij(t)是時(shí)間t柵格（i,j）的平均濃度；Mo是顆粒初始質(zhì)量；nij(t)是t時(shí)間柵格（i,j）中的總顆粒數(shù)；N是釋放的總顆粒數(shù)量；是介質(zhì)的孔隙度；hij是柵格厚度，在本項(xiàng)研究中取單位厚度。

　　（四）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概率

　　在本項(xiàng)研究中，地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的失效（Pf）的概率定義為系統(tǒng)不能監(jiān)測(cè)污染羽的概率。因此，污染羽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的概率（Pd）等于1－Pf。由于地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由無(wú)數(shù)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)井組成，因此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的概率取決于各獨(dú)立監(jiān)測(cè)井的監(jiān)測(cè)概率。根據(jù)監(jiān)測(cè)井（mw）中污染物的濃度來(lái)監(jiān)測(cè)污染羽，在時(shí)間t，Cmw等于或大于給定的閾濃度CTH。因此，在某一時(shí)間t，通過(guò)給定監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)給定污染羽的概率Pd(mw)等式如下：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?）

　　將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一個(gè)整體，系統(tǒng)的失效意味著所有監(jiān)測(cè)井都不能監(jiān)測(cè)污染羽。因此，對(duì)于由n個(gè)監(jiān)測(cè)井組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的失效可以表達(dá)為n個(gè)獨(dú)立失效事件的交集。系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)概率（Pd）說(shuō)明在所有模擬過(guò)程N(yùn)MC中監(jiān)測(cè)到污染羽的比率：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　（4）

　　其中，是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)I的監(jiān)測(cè)指標(biāo)函數(shù)，即，如果對(duì)于給定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)到模擬污染i，＝1，反之＝0。

　　三、數(shù)值實(shí)驗(yàn)和結(jié)論討論

　　假定的數(shù)值實(shí)驗(yàn)實(shí)例見(jiàn)圖1，在x方向長(zhǎng)500m，在y方向長(zhǎng)300m，每一方向的節(jié)點(diǎn)間距均為2m。一個(gè)矩形垃圾填埋場(chǎng)（L=120m，W＝50m）位于模擬區(qū)域左邊。穩(wěn)定態(tài)地下水流動(dòng)模型的邊界條件在y=0（底部邊界）和y=300m（頂部邊界）是零通量，從左向右沿邊界水頭穩(wěn)定。選擇x=0和500m時(shí)的水頭值，使得水力梯度為0.001。假定孔隙度為0.25。對(duì)于給定平均值、方差和各向同性的相關(guān)排列結(jié)構(gòu)，取各向同性水力傳導(dǎo)系數(shù)自然對(duì)數(shù)［Y=ln(K)］模擬為穩(wěn)定高斯場(chǎng)的模型。算術(shù)平均值K為10m/天，而Y的方差在和之間。Y的各向同性協(xié)方差是相關(guān)長(zhǎng)度的指數(shù)形式，＝20m。這樣就生成了數(shù)值實(shí)驗(yàn)的500m自由水力傳導(dǎo)系數(shù)場(chǎng)。對(duì)于運(yùn)移模型來(lái)說(shuō)，在頂部和底部邊界采用零彌散能量，模型區(qū)的起始背景濃度值設(shè)置為0。在每一個(gè)蒙特卡羅運(yùn)行過(guò)程中，選擇垃圾填埋場(chǎng)相同概率分布的污染源。數(shù)值實(shí)驗(yàn)一般都是選擇點(diǎn)污染源。但是為了進(jìn)行比較，一些計(jì)算過(guò)程中也選擇了一個(gè)柵格單位污染源和四個(gè)柵格單位污染源。在數(shù)值實(shí)驗(yàn)中考慮了距垃圾填埋場(chǎng)下游邊界不同距離，呈一直線排列數(shù)量不同監(jiān)測(cè)井組成的幾個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。關(guān)于垃圾填埋場(chǎng)與流向的垂直距離L，為了統(tǒng)一，將監(jiān)測(cè)井間距s和距垃圾填埋場(chǎng)的距離d進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。nws(s/L)和ndfs（d/L）分別相應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測(cè)井間距和標(biāo)準(zhǔn)化的距垃圾填埋場(chǎng)的距離。通過(guò)引入微尺度的縱向（）和橫向（）彌散度，將彌散加入到模型中。假定和的比率為1/10（根據(jù)Bear,1972）。取0.01～2m之間的不同值。在本文中，所有的模擬過(guò)程都采用總質(zhì)量為1000g的2000個(gè)顆粒。根據(jù)靈敏度分析選擇顆粒數(shù)量，可以通過(guò)合理計(jì)算確定監(jiān)測(cè)概率。三個(gè)污染物閾濃度CTH（檢測(cè)限）值分別為起始濃度的0.25、0.35和0.50%用于確定是否監(jiān)測(cè)到了污染羽。監(jiān)測(cè)井位于柵格單元中心。表1為數(shù)值實(shí)驗(yàn)中用到的模型參數(shù)。當(dāng)其它參數(shù)保持不變時(shí)，可以通過(guò)改變某一參數(shù)來(lái)確定該參數(shù)對(duì)于監(jiān)測(cè)概率的影響。

　?。ㄒ唬┟商乜_模擬數(shù)量的靈敏性

　　蒙特卡羅（MC）方法是模擬隨機(jī)現(xiàn)象最常用的方法，這一方法最大的缺陷是，結(jié)果是否精確在很大程度上取決于蒙特卡羅實(shí)現(xiàn)值的數(shù)量NMC。此外，因?yàn)橐?jì)算大量的蒙特卡羅實(shí)現(xiàn)值獲得可*的結(jié)果，就計(jì)算費(fèi)用而言，這一方法要求很高。應(yīng)當(dāng)識(shí)別出Pd實(shí)際上是與NMC無(wú)關(guān)，從而使計(jì)算費(fèi)用降至最低。因此，在評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)概率時(shí)，在距污染源距離不同的不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中將Pd作為NMC的函數(shù)。采用了兩個(gè)不同的彌散度和，研究結(jié)果表明，隨NMC增加，Pd值下降，而在400～2000MC運(yùn)行次數(shù)時(shí)呈漸近趨勢(shì)。由于在500MC運(yùn)行次數(shù)給出一個(gè)可接受的收斂點(diǎn)，因此在數(shù)值實(shí)驗(yàn)中采用500MC運(yùn)行次數(shù)，這樣可以使得模擬計(jì)算更可行。

　　表1　數(shù)值實(shí)驗(yàn)中用到的模型參數(shù)

　?。ǘ┏手本€排列監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的井距和位置影響

　　通過(guò)研究監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)量和位置對(duì)這些呈直線排列系統(tǒng)的影響，來(lái)研究監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可*性。對(duì)距離不同，分別由3、4、6和12個(gè)（nws分別為0.33，0.25，0.17和0.08）監(jiān)測(cè)井組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在不同的非均質(zhì)和彌散條件下進(jìn)行評(píng)價(jià)（見(jiàn)表1）。對(duì)于監(jiān)測(cè)井呈直線排列的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最有效的設(shè)計(jì)模式是使監(jiān)測(cè)井等間距分布。然而，必須意識(shí)到，監(jiān)測(cè)井剛好位于垃圾填埋場(chǎng)的頂部或底部邊界，會(huì)使監(jiān)測(cè)網(wǎng)效果非常差。就監(jiān)測(cè)污染羽而言，位于邊界的監(jiān)測(cè)井會(huì)被限制在僅監(jiān)測(cè)起源于邊界或非常接近邊界泄漏的污染羽。為了預(yù)防邊界效應(yīng)，提高呈直線排列監(jiān)測(cè)井的效率，監(jiān)測(cè)井不僅應(yīng)當(dāng)是等間距（s），而且應(yīng)當(dāng)在垃圾填埋場(chǎng)的頂部和底部邊界之間（s/2）。研究結(jié)果表明，距垃圾填埋場(chǎng)距離一定時(shí)，如預(yù)期結(jié)果一致，污染羽的監(jiān)測(cè)概率隨監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)量的增加而增加。另外，在所有數(shù)值實(shí)驗(yàn)中，三個(gè)監(jiān)測(cè)井（法規(guī)要求）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)概率都相當(dāng)?shù)?。已?jīng)證明，即使在污染羽最大的最佳環(huán)境，例如，在均質(zhì)、高度彌散的特定介質(zhì)（＝2m，＝0.2m）中，閾濃度非常低（起始污染物的0.25%），三個(gè)監(jiān)測(cè)井的監(jiān)測(cè)概率也不超過(guò)26.4%，而6個(gè)監(jiān)測(cè)井和12個(gè)監(jiān)測(cè)井的監(jiān)測(cè)概率分別可以達(dá)到50%和94%。與橫向彌散和起始污染源的規(guī)模不同，CTH事實(shí)上不影響污染物的運(yùn)移，但是可以確定給定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否可以監(jiān)測(cè)到模擬污染羽。當(dāng)CTH值減小時(shí)，Pd值增加，這是由于監(jiān)測(cè)污染物能力有所提高，換句話說(shuō)，是可以有效監(jiān)測(cè)到的污染羽規(guī)模有所增加。當(dāng)彌散值較低時(shí)，CTH的影響特別小，原因是，當(dāng)平流起主導(dǎo)作用時(shí)，污染羽很窄，污染羽的邊界非常陡。事實(shí)上，閾濃度比其它物理參數(shù)的定義更精確，然而，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于數(shù)值運(yùn)移模型而言，由于計(jì)算費(fèi)用和模擬參數(shù)的限制，不可能得到閾濃度。因此，了解在模型中采用閾濃度的結(jié)果高于或低于在野外中采用的值，這一點(diǎn)非常重要。要注意，CTH值低于野外采用的結(jié)果時(shí)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)值會(huì)比實(shí)際值更保守，反之亦然。因此，根據(jù)可利用的實(shí)際情況，包括模型參數(shù)、場(chǎng)地條件和所掌握的知識(shí)，實(shí)際上可以采用所需CTH最大值和最小值之間的中間值，這樣可以得到的結(jié)果更合理，從而可以設(shè)計(jì)出合適的監(jiān)測(cè)網(wǎng)。在本文中，閾濃度值用初始濃度的百分比來(lái)表示，這樣，針對(duì)某種污染物最大允許排放量，可以設(shè)計(jì)出監(jiān)測(cè)該污染物的監(jiān)測(cè)網(wǎng)。在本文中，百分比可以代表監(jiān)測(cè)的總污染物量，而無(wú)需考慮污染物類型，采用的點(diǎn)污染源初始濃度為4000mg/L，閾濃度初始污染物濃度的0.35%，即14mg/L。如果污染物是硝酸鹽（地下水中一種常見(jiàn)的污染物），那么0.35%具有一定的代表性，這是因?yàn)楹商m地下水修復(fù)手冊(cè)（2000年）中指出，15mg/L說(shuō)明存在硝酸鹽污染。另外，該手冊(cè)給出特定污染物如環(huán)己酮（作為農(nóng)藥藥劑或燃料）或二乙二醇（用于印染）的最大允許排放量分別為15mg/L和13mg/L。另一方面，檻限值為14mg/L相應(yīng)于28個(gè)顆粒，這一數(shù)量足夠確定一個(gè)柵格單元的濃度，對(duì)本文而言，足夠確定監(jiān)測(cè)井中的濃度。因此，在本文的后半部分，主要是以起始污染源的0.35%作為閾濃度。然而，可以看出，目前多采用的在污染源下游設(shè)置三個(gè)監(jiān)測(cè)井，總的來(lái)說(shuō)不能充分監(jiān)測(cè)污染羽和防止地下水污染，這是因?yàn)榈叵聦?shí)際情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)比任何模型都要復(fù)雜得多。

　　（三）介質(zhì)彌散性的影響

　　 已經(jīng)證實(shí)控制污染羽運(yùn)移的主要參數(shù)是介質(zhì)的彌散性，這與Meyer等（1994）和Storck等（1994）的研究結(jié)果一致?？v向彌散性控制污染羽在水流方向上的遷移距離，橫向彌散性控制著垂直于水流方向的遷移距離（即污染羽的寬度）。對(duì)于呈直線排列的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要考慮的是污染羽的寬度。如前所述，縱向與橫向彌散性的比率是常數(shù)10，因此，在介質(zhì)均勻情況下，兩種不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中Pd均是的函數(shù)。研究結(jié)果表明，在距垃圾填埋場(chǎng)一定距離時(shí)，隨增加，Pd也在增加。當(dāng)ndfs達(dá)到一定值，由于污染羽加寬，彌散性較高，Pd開(kāi)始下降，特別是當(dāng)＝0.2m（數(shù)值實(shí)驗(yàn)中用到的最大值），即使在距污染源非常近的地方都可以見(jiàn)到這一現(xiàn)象（ndfs≤0.25）。

　　（四）地下非均質(zhì)性的影響

　　地下非均質(zhì)性，此處所指為水力傳導(dǎo)系數(shù)的空間變化，是控制污染物遷移的重要因素。水力傳導(dǎo)系數(shù)K在柵格單元是均質(zhì)的，在較大范圍則是非均質(zhì)的。變量Y是表征地下非均質(zhì)程度的參數(shù)。變量Y變化大，相應(yīng)的水力傳導(dǎo)系數(shù)值的變化范圍也大，產(chǎn)生的是非均質(zhì)場(chǎng)；而變量Y變化小，產(chǎn)生的是均質(zhì)場(chǎng)。研究結(jié)果表明，6個(gè)監(jiān)測(cè)井和12個(gè)監(jiān)測(cè)井的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，Pd是的函數(shù)，當(dāng)ndfs等于0.5和1.25時(shí)， 分別等于0.001和0.05m。當(dāng)水力傳導(dǎo)系數(shù)的變化增加時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)概率會(huì)降低，地下越不均勻，監(jiān)測(cè)污染羽的難度也就越大。如前所述，這是因?yàn)槲廴居鹦螤畈灰?guī)則所致。另一方面，分析結(jié)果表明，當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位于污染源附近，ndfs＜0.25， ＜1時(shí)，非均質(zhì)性的影響會(huì)降低。事實(shí)上，出現(xiàn)這種現(xiàn)象有兩個(gè)原因。首先，許多污染羽只能沿一個(gè)相關(guān)長(zhǎng)度運(yùn)移，在本實(shí)驗(yàn)中相關(guān)長(zhǎng)度是20m。換言之，當(dāng)污染羽沿多個(gè)相關(guān)長(zhǎng)度運(yùn)移時(shí)，非均質(zhì)性的影響起的控制作用就越大，這樣可以解釋當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)距污染源較遠(yuǎn)時(shí)， 對(duì)Pd的影響非常顯著。其次，由于在距污染源較遠(yuǎn)時(shí)（即ndfs＞0.25），彌散性較低或中等對(duì)污染羽運(yùn)移的影響起主導(dǎo)作用，污染羽仍相對(duì)較窄。不過(guò)，分析結(jié)果也表明 ≥0.1m，ndfs＜0.25時(shí)，當(dāng)非均質(zhì)性增加時(shí)，Pd會(huì)降低。這是由于對(duì)于高度彌散介質(zhì)，污染羽更多由彌散性控制，因此，在這種情況下，即使是距污染源非常近，彌散性和地下非均質(zhì)性的共同作用對(duì)污染羽的控制作用也非常顯著。

　?。ㄎ澹┏跏嘉廴驹匆?guī)模的影響

　　本文的數(shù)值實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的效率很大程度上取決于控制模擬污染羽平均寬度的參數(shù)。污染源的初始規(guī)模可能也是直接影響污染羽寬度的另一個(gè)重要參數(shù)。前文所討論的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，假定起始污染源是在垃圾填埋場(chǎng)任意處選取的點(diǎn)源。本節(jié)中，通過(guò)加大污染源規(guī)模研究初始污染源（泄漏）規(guī)模的影響。因此，通過(guò)一個(gè)柵格單元（2×2m2）和四個(gè)柵格單元（4×4m2）計(jì)算初始污染源的規(guī)模，與點(diǎn)污染源采用同一流速場(chǎng)。研究結(jié)果表明，對(duì)于給定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)污染源初始規(guī)模增加時(shí)，監(jiān)測(cè)能力也有所增加。這是由于污染源規(guī)模越大污染羽就越寬。然而，對(duì)于高度非均質(zhì)和/或高度彌散介質(zhì)而言，ndfs達(dá)到一定值時(shí)，盡管污染羽加寬，但是Pd值有所下降，這對(duì)前述提及的由于稀釋效應(yīng)污染源規(guī)模較大也有效。

　　四、結(jié)論

　　本文對(duì)垃圾場(chǎng)的地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可*性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可*性主要取決于幾個(gè)參數(shù)，如介質(zhì)的彌散性、非均質(zhì)性、起始污染物泄漏規(guī)模、檢測(cè)閾、監(jiān)測(cè)井的數(shù)量和位置。分析結(jié)果表明，由于側(cè)向彌散是控制污染羽規(guī)模的主要參數(shù)，因此這一參數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響非常顯著。隨著起始污染物規(guī)模和介質(zhì)性的增加，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)概率也在增加。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)距垃圾填埋場(chǎng)非常接近，側(cè)向彌散值大于0.02m時(shí)，可以得到最大監(jiān)測(cè)概率。這是由于，盡管隨著從污染源開(kāi)始向外遷移污染羽范圍在加寬，但由于稀釋作用，濃度降至閾濃度以下。在高度彌散介質(zhì)中不考慮地下非均質(zhì)程度（ ＝2m，＝0.2m），當(dāng)距污染源的標(biāo)準(zhǔn)化距離大于0.5時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化的井距為0.08（12個(gè)監(jiān)測(cè)井系統(tǒng)）的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)概率不足1%。

　　地下非均質(zhì)性是影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可*性的另一個(gè)重要因素，可以控制污染物的運(yùn)移和污染羽形狀。當(dāng)水力傳導(dǎo)系數(shù)增加時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)概率下降。這是由于地下非均質(zhì)性的指形效應(yīng)（Fingering Effect）造成的。場(chǎng)地非均質(zhì)性越強(qiáng)，污染羽形狀越不規(guī)則，監(jiān)測(cè)概率就越低。然而，當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在污染源附近，介質(zhì)的橫向彌散性小于0.1m時(shí)，非均質(zhì)性的影響作用不明顯。

　　分析結(jié)果表明初始污染源的規(guī)模是影響污染羽寬度的另一個(gè)因素。初始污染源（泄漏）規(guī)模越大，污染羽就越寬，因此，對(duì)于距污染源距離一定呈直線排列的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，初始污染源規(guī)模越大，監(jiān)測(cè)概率也越大。

　　在均質(zhì)彌散性低的介質(zhì)中，距污染源的標(biāo)準(zhǔn)化距離增加，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)概率也在增加；但在彌散性較高的介質(zhì)中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)距污染源最近，得到的監(jiān)測(cè)概率也最大。這是由于在高度彌散的介質(zhì)中，可以不考慮地下的非均質(zhì)性。即使由12個(gè)監(jiān)測(cè)井組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)距污染源的標(biāo)準(zhǔn)化距離大于0.5時(shí)，也只能監(jiān)測(cè)到不足1%的污染羽。當(dāng)水力傳導(dǎo)系數(shù)增大時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)類似的效應(yīng)，這是由于當(dāng)污染羽運(yùn)移至距污染源較遠(yuǎn)時(shí)，地下非均質(zhì)性的作用非常顯著，污染羽的形狀就極不規(guī)則。當(dāng)距污染源的標(biāo)準(zhǔn)化距離大于1.25，水力傳導(dǎo)系數(shù)大于或等于1.5時(shí)，由12井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)概率不超過(guò)15%。這一分析結(jié)果表明，隨標(biāo)準(zhǔn)化的井距增加，監(jiān)測(cè)概率也在增加。數(shù)值實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要結(jié)論是，即使其它參數(shù)都取最佳值，3井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)概率最多只能達(dá)到26.4%。因此，可以得出，實(shí)際工作中廣泛采用的污染源下游3井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根本不足以監(jiān)測(cè)污染羽和防止地下水污染。
 

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