基于Visual MODFLOW的某藥廠地下水污染模擬研究

(廣東省水文地質(zhì)大隊(duì)，廣東 廣州 510510)

基于Visual MODFLOW的某藥廠地下水污染模擬研究

王勁驥

(廣東省水文地質(zhì)大隊(duì)，廣東 廣州 510510)

以某藥廠作為研究區(qū)，應(yīng)用Visual MODFLOW建立了地下水水流模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型，模擬了污水池底部防滲破損非正常工況下4種特征污染物運(yùn)移情況，數(shù)值模擬預(yù)測(cè)污染物的影響范圍、超標(biāo)范圍和最大運(yùn)移距離。由預(yù)測(cè)結(jié)果可知：污染物主要沿水流方向運(yùn)移，對(duì)水環(huán)境的影響隨時(shí)間逐漸增大；在重力的作用下從地表逐步滲入深層，造成局部的地下水環(huán)境污染，在計(jì)算時(shí)間段內(nèi)，二氯甲烷、CODMn、氨氮和酚的滲漏會(huì)對(duì)廠區(qū)地下水水質(zhì)造成一定的影響，導(dǎo)致局部地區(qū)地下水中的污染物超標(biāo)，但是20 a的污染物均未擴(kuò)散至廠界范圍以外。

藥廠；Visual MODFLOW；溶質(zhì)運(yùn)移；地下水污染模擬

制藥工業(yè)是我國(guó)環(huán)保規(guī)劃治理的重點(diǎn)行業(yè)之一，其廢水排放量占整個(gè)工業(yè)的2%，具有“濃度高、毒性大、色度深”等特點(diǎn)，是水污染源的重點(diǎn)之一。由于我國(guó)制藥行業(yè)的迅猛發(fā)展，以及廢水處理技術(shù)的相對(duì)落后，制藥廢水亂排現(xiàn)象嚴(yán)重，制藥工業(yè)廢水亂排亂放對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重危害，直接威脅了人類生活環(huán)境及人們的人身安全，值得政府及每一個(gè)人關(guān)注。

近幾十年來(lái)，隨著地下水科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，地下水?dāng)?shù)值模擬也得到了快速發(fā)展，MODFLOW是由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開(kāi)發(fā)出的一套專門(mén)用于孔隙介質(zhì)中三維有限差分地下水流數(shù)值模擬的軟件。加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司在原MODFLOW軟件的基礎(chǔ)上應(yīng)用現(xiàn)代可視化技術(shù)開(kāi)發(fā)研制出Visual MODFLOW，具有合理的菜單結(jié)構(gòu)、友好的界面、功能強(qiáng)大的可視化特征和極好的軟件支撐應(yīng)用，VisualMODFLOW 解決地下水污染模擬的問(wèn)題有不少先例。王鈺基于Visual MODFLOW對(duì)某尾礦庫(kù)地下水污染進(jìn)行了模擬，張韻基于VisualModflow的對(duì)某化工園區(qū)地下水污染進(jìn)行了預(yù)測(cè)。喻佳基于VISUALMODFLOW的對(duì)某電廠進(jìn)行了地下水污染研究等等。

本文以某藥廠作為研究區(qū)，將研究區(qū)進(jìn)行合理概化后，應(yīng)用Visual MODFLOW 建立了地下水水流模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型，模擬了污水池底部防滲破損非正常工況下4種特征污染物運(yùn)移情況。模擬結(jié)果可以為藥廠地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

廠區(qū)周邊地貌單元為中低山區(qū)丘陵山坡地，場(chǎng)地總體地勢(shì)起伏不大，地形主要為東、北高中間底，地面標(biāo)高最高處為443.9 m，相對(duì)高差約為300 m。廠區(qū)地層主要為第四系素填土、殘坡積土，基底為泥盆系灰?guī)r。

廠區(qū)周邊地下水類型為松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。廠區(qū)地處亞熱帶，雨量充沛，大氣降雨為地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源。地下水排泄主要以滲流形式流向河流，此外，廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀多為灌木叢，地面蒸發(fā)和植物葉面蒸騰也是其較為重要的排泄途徑。廠區(qū)地下水受季節(jié)性變化較為明顯。

2 模型建立

2.1 概念模型

根據(jù)地下水的賦存條件、水力性質(zhì)及地層巖性組合特征，廠區(qū)地下水類型可劃分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙巖溶水兩大類。第四系殘坡積層孔隙潛水的補(bǔ)給來(lái)源以大氣降水補(bǔ)給和相鄰層位側(cè)向補(bǔ)給為主。基巖裂隙巖溶水賦存在風(fēng)化灰?guī)r巖溶裂隙中，富水性較好，水量受其巖性，巖溶、裂隙等發(fā)育程度及充填情況控制。

將模擬的含水層概化為非均質(zhì)各向同性含水層。另因模擬區(qū)地下水開(kāi)采規(guī)模較小，地下水水流各要素不隨時(shí)間變化，為穩(wěn)定流。為此將模擬區(qū)地下水流概化成非均質(zhì)各向同性穩(wěn)定三維地下水流系統(tǒng)。

2.2 水流模型

2.2.1 空間離散

建模過(guò)程中，垂向上將模擬區(qū)概化為兩層結(jié)構(gòu)模型。平面上將模型剖分為7×7 m，污染羽附近加密為1×1 m的網(wǎng)格對(duì)污染物遷移過(guò)程進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)。模擬網(wǎng)格剖分圖見(jiàn)圖1。

圖1 模擬平面網(wǎng)格剖分圖

2.2.2 源匯項(xiàng)的處理

廠區(qū)的源匯項(xiàng)主要包括補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)。側(cè)向補(bǔ)給是項(xiàng)目區(qū)潛水的主要補(bǔ)給來(lái)源，現(xiàn)狀條件下，模擬區(qū)內(nèi)潛水的主要排泄方式有潛水蒸發(fā)、越流補(bǔ)給、側(cè)向徑流排泄三種方式。

2.2.3 邊界條件

本次模擬地下水流向整體為自西南向東北方向，與地形地貌一致，西南和東北方向根據(jù)流場(chǎng)處理為定水頭邊界，其他兩側(cè)垂直于等水位線的方向處理為隔水邊界，模型上邊界為降水入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)邊界，廠區(qū)多年平均年降水量在1 400 mm左右(降雨入滲系數(shù)ɑ=0.1)。

2.2.4 含水層參數(shù)

綜合廠區(qū)水文地質(zhì)抽水實(shí)驗(yàn)以及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，并通過(guò)計(jì)算水位和實(shí)際水位擬合分析，反復(fù)調(diào)整參數(shù)，最終得到了含水層參數(shù)，確定研究區(qū)潛水含水層的水平滲透系數(shù)為0.04～0.25 m/s，給水度為0.2，有效孔隙度為0.15，基巖裂隙溶洞水含水層的水平滲透系數(shù)為5 m/d，給水度為0.22，有效孔隙度為0.2。

2.3 模型識(shí)別

由于參數(shù)分區(qū)和參數(shù)初值的選取較客觀的反映了模擬區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)條件，加之細(xì)致的調(diào)參擬合，模型識(shí)別取得了較為理想的效果，模擬后的流場(chǎng)見(jiàn)圖2。

3 污染物模擬預(yù)測(cè)

根據(jù)項(xiàng)目的工藝特點(diǎn)，選取二氯甲烷為預(yù)測(cè)因子，濃度設(shè)定為150 mg/L，限制值0.02 mg/L；選取CODMn為預(yù)測(cè)因子，CODMn濃度設(shè)定為1 333 mg/L，限制值3.0 mg/L；選取氨氮為預(yù)測(cè)因子，氨氮濃度為30 mg/L，限制值0.2 mg/L。選取酚為預(yù)測(cè)因子。酚濃度設(shè)定為0.8 mg/L；限制值0.002 mg/L。

泄漏時(shí)間：假設(shè)污水池防滲破損，污水中二氯甲烷發(fā)生泄露。泄露點(diǎn)下游20 m處設(shè)置濃度觀測(cè)井，觀測(cè)到泄露發(fā)生220 d后，監(jiān)測(cè)到二氯甲烷超過(guò)限制值0.02 mg/L，因此，假設(shè)220后采取措施，污染物停止泄露。同理，污水中CODM泄露時(shí)間為365 d。污水中氨氮泄露時(shí)間為365 d。污水中酚泄露時(shí)間為365 d。各因子預(yù)測(cè)對(duì)地下水水質(zhì)的影響如表1所示。

圖2 模型校正后流場(chǎng)圖

預(yù)測(cè)因子時(shí)間污染羽范圍/m2最大遷移距離/m中心點(diǎn)濃度/mg/L二氯甲烷CODMn氨氮酚100d1928161000d390302.510a954530.3520a1860620.1100d2841401000d91143510a8015620a--1.82633.02660120.860--0.14-----100d410.051000d65130.01610a34110.00320a---

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，二氯甲烷在20 a后中心點(diǎn)濃度0.1 mg/L，其最大遷移距離為32 m，影響范圍較廣，而CODMn、氨氮和酚20 a后中心點(diǎn)濃度均小于限制值。

4 結(jié)語(yǔ)

擬建項(xiàng)目按照按制藥項(xiàng)目的建設(shè)規(guī)范要求，在正常工況下沒(méi)有污染物滲漏，建設(shè)項(xiàng)目對(duì)下水環(huán)境影響很小。假設(shè)廠區(qū)在非正常工況下發(fā)生污水處理池泄漏，計(jì)算其對(duì)地下水的環(huán)境影響。結(jié)果表明，在出現(xiàn)事故的情況下若沒(méi)有防滲措施，污染物通過(guò)損壞或不合格的防滲層、未防滲的地段等在重力的作用下從地表逐步滲入深層，造成局部的地下水環(huán)境污染，在計(jì)算時(shí)間段內(nèi)，二氯甲烷、CODMn、氨氮和酚的滲漏會(huì)對(duì)廠區(qū)地下水水質(zhì)造成一定的影響，導(dǎo)致局部地區(qū)地下水中的污染物超標(biāo)，但是20 a的污染物均未擴(kuò)散至廠界范圍以外。故項(xiàng)目在進(jìn)行針對(duì)性防滲處理以后，當(dāng)防滲措施正常發(fā)揮作用時(shí)，防滲層能有效阻隔污染下滲污染地下水環(huán)境。

[1]薛禹群.中國(guó)地下水?dāng)?shù)值模擬的現(xiàn)狀與展望[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào).2010.16(1):1-6．

[2]王慶永,賈忠華,劉曉峰,等.Visual MODFLOW及其在地下水模擬中的應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報(bào).2007.18(5):90-92．

[3]王鈺,強(qiáng)怡星,楊海瑞.基于 Visual MODFLOW 的某尾礦庫(kù)地下水污染模擬[J].水資源與水工程學(xué)報(bào).2015.26(5):93-99．

[4]張韻,龔繼,程艷茹，等.基于Visual Modflow的某化工園區(qū)地下水污染預(yù)測(cè)[J].地下水.2016.38(2):88-90.

[5]張韻,龔繼,程艷茹，等.基于Visual Modflow的某化工園區(qū)地下水污染預(yù)測(cè)[J].地下水.2016.38(2):88-90.

[6]喻佳. 基于Visual Modflow的某電廠地下水污染研究[D].合肥工業(yè)大學(xué).2014.

SimulationstudyofgroundwaterpollutioninapharmaceuticalfactorybasedonVisualMODFLOW

WANGJin-ji

(Guangdong hydrogeological group, Guangzhou,Guangdong, 510510, China)

From a pharmaceutical company as the study area, the application of Visual MODFLOW to establish the model of the groundwater flow and solute transport model, simulation of the sewage tank bottom seepage characteristics of 4 kinds of non damaged pollutant migration under normal condition, numerical simulation and prediction of pollutants exceed the standard range of influence range and the migration distance. The predicted results show that pollutants mainly migrate along the direction of water flow, and the influence on water environment increases with time.In the calculation of time, leakage of dichloromethane, CODMn, ammonia and phenol will cause a certain impact on the groundwater quality in the factory, resulting in groundwater pollutants exceed the standard local area, but 20 years of pollutants were not spread to outside the factory.

pharmaceutical factory；Visual MODFLOW；solute transport；groundwater pollution simulation

X523

A

1004-1184(2017)05-0072-02

2017-06-12

王勁驥(1983-) ，男，湖南郴州人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)方面生產(chǎn)工作。