基于 Visual Modflow的地下水污染模擬預(yù)測(cè)

盧丹美 黃連友 曾家華

摘? 要：龍?zhí)哆M(jìn)口再生資源加工利用園區(qū)初步建成，加大了大宗工業(yè)固廢深加工、開(kāi)發(fā)、科研和利用，同時(shí)對(duì)環(huán)保和生態(tài)環(huán)境提出更高要求。根據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》（HJ610-2016）相關(guān)要求，利用 Visual Modflow 軟件建立了研究區(qū)地下水水流模型和污染物運(yùn)移模型，預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)污染物泄漏、遷移對(duì)地下水環(huán)境的影響，為實(shí)現(xiàn)預(yù)防與控制環(huán)境惡化、保護(hù)地下水資源目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：Visual Modflow;地下水?dāng)?shù)值模型;溶質(zhì)運(yùn)移;預(yù)防與控制

中圖分類號(hào)：X824? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）05-0072-03

Abstract： With the preliminary construction of Longtan industrial park which processes and utilizes the import renewable resources， bulky industrial solid waste has been improved in the deep processing， development， scientific research and utilization. Meanwhile， environmental protection and ecological environment are highly required. According to the requirements listed in Technical Guidelines for Environmental Impact Assessment-Groundwater Environment （HJ610-2016）， this paper uses the Visual Modflow software， establishes groundwater flow model and pollutant migration model in research area， predicts and evaluates the effect of pollutant leakage and the migration on the groundwater environment， so that those simulations and predictions provide scientific bases for prevention and control of environmental degradation and for protection of groundwater resources.

Keywords： Visual Modflow; groundwater numerical model; solute transport; prevention and control

1 概述

近期龍?zhí)哆M(jìn)口再生資源加工利用園區(qū)初步建成園區(qū)發(fā)展的雛形，遠(yuǎn)期逐漸引進(jìn)研究機(jī)構(gòu)、強(qiáng)化研究能力，打造成為富有吸引力的現(xiàn)代化工業(yè)新區(qū)及國(guó)家環(huán)保部驗(yàn)收的再生資源“圈區(qū)管理”示范區(qū)，加大大宗工業(yè)固廢深加工、開(kāi)發(fā)、科研和利用，對(duì)環(huán)保和生態(tài)環(huán)境提出更高要求。而該項(xiàng)目為危廢處理項(xiàng)目，在正常運(yùn)行工況下，各污染物存貯建（構(gòu)）筑物發(fā)生污水泄漏情況可能性小，對(duì)地下水環(huán)境造成影響的可能性小。事故工況即防滲措施不得當(dāng)或失效導(dǎo)致污水下滲污染地下水環(huán)境情況。泄漏滲入地下水環(huán)境的污染物來(lái)源最大可能是來(lái)自于污水固廢處理廠。如果污水固廢處理廠出現(xiàn)破損，將引起污水有規(guī)模泄漏，呈面狀或帶狀入滲地下，從而對(duì)地下水環(huán)境造成影響。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬南亞熱帶向熱帶過(guò)渡的季風(fēng)氣候，區(qū)域地表水系較發(fā)育，地表溪溝呈樹(shù)枝狀分布。區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育有白沙河（那郊河），是本區(qū)地下水及地表水排泄區(qū)。宏觀地貌屬波狀丘陵地貌，丘頂高程一般18～62.5m，谷地高程一般為3～25m，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造屬華南褶皺系中的欽州殘余地槽、北部灣凹陷和云開(kāi)臺(tái)隆等三個(gè)二級(jí)單元，區(qū)域地層主要由第四系（Q）、白堊系上統(tǒng)（K2）和泥盆系下統(tǒng)（D3）等組成。研究區(qū)地下水賦存介質(zhì)可分為松散巖類介質(zhì)和風(fēng)化泥質(zhì)砂巖夾礫巖介質(zhì)兩種。松散巖類介質(zhì)主要分布于研究區(qū)及其下游的溝谷地帶，巖性以粘性土或含圓礫黏性土為主，厚度薄，賦水空間有限，水量貧乏，富水性弱;風(fēng)化泥質(zhì)砂巖夾礫巖介質(zhì)分布全區(qū)，是主要含水層，主要接受大氣降水補(bǔ)給。地下水埋藏類型為潛水。

3 三維地下水?dāng)?shù)值模擬

3.1 水文地質(zhì)概念模型

模擬范圍位于長(zhǎng)嶺河水文地質(zhì)單元內(nèi)項(xiàng)目區(qū)所在的次一級(jí)水文地質(zhì)單元，其東、西、北面位于次一級(jí)水文地質(zhì)單元的分水嶺，南面為長(zhǎng)嶺河。

側(cè)向邊界：模擬范圍西部、東部和北部邊界依據(jù)分水嶺特征確定為隔水邊界，即第二類邊界（零流量）;南部邊界利用長(zhǎng)嶺河確定為第一類水頭邊界（即項(xiàng)目區(qū)地下水排水邊界）[1]。垂向邊界系統(tǒng)上邊界為潛水含水層自由水面，系統(tǒng)與外部條件的垂向水量交換都是通過(guò)該邊界完成，如大氣降水入滲補(bǔ)給;根據(jù)實(shí)際鉆探勘察及區(qū)域資料，本地區(qū)將下部透水性較差的泥質(zhì)砂巖為底部邊界處理為零通量邊界。源匯項(xiàng)：在自來(lái)水供給正常的情況下無(wú)開(kāi)采，開(kāi)采量為零。將模擬范圍地下水流概化為：非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定潛水。

3.2 數(shù)值模擬軟件與數(shù)學(xué)模型

本次模擬的三維地下水流模型采用Modflow程序進(jìn)行計(jì)算。Modflow是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）公布的地下水三維有限差分模擬通用程序，是目前在世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛的地下水流模擬程序，國(guó)內(nèi)引進(jìn)應(yīng)用也很多。

3.2.1 水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

模擬范圍地下水流系統(tǒng)可用下列的數(shù)學(xué)模型表述[2]：

3.2.2 溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

（1）控制方程

本次建立的地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型是在三維水流影響下的三維彌散問(wèn)題。溶質(zhì)運(yùn)移的三維水動(dòng)力彌散方程的數(shù)學(xué)模型如下[3]：

（2）初始條件

初始濃度定為0mg/L，具體表述為：

（3）邊界條件

本次模擬將含水層各個(gè)邊界均看作二類邊界條件（Neumann邊界），且穿越邊界的彌散通量為0，具體可表述為：

3.3 水文地質(zhì)參數(shù)識(shí)別

將模擬范圍剖分成9294個(gè)四面體單元，通過(guò)計(jì)算水位和實(shí)測(cè)水位擬合分析，反復(fù)調(diào)整參數(shù)，最終確定了含水層參數(shù)。計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位擬合效果見(jiàn)圖1。模型可以反映實(shí)際的地下水情況，可用于本次環(huán)評(píng)的溶質(zhì)運(yùn)移模擬。通過(guò)計(jì)算水位和實(shí)測(cè)水位擬合，最終確定了含水層參數(shù)分區(qū)見(jiàn)圖2，參數(shù)如表1。

3.4 污染物運(yùn)移預(yù)測(cè)

假設(shè)污水處理池防滲系統(tǒng)破損導(dǎo)致事故性泄漏，污水滲入地下影響地下水質(zhì)量。本次模擬污染指標(biāo)針對(duì)代表性因子COD。預(yù)測(cè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)為事故泄漏發(fā)生后100d、1000d，以及一些能夠反映污染物遷移規(guī)律的時(shí)間點(diǎn)，以了解泄漏影響地下水環(huán)境的范圍和程度。泄漏量按產(chǎn)生廢水量的5%滲漏。泄漏規(guī)律：設(shè)定為突發(fā)性短時(shí)滲漏排放方式，模擬30天后在SK4號(hào)鉆孔觀測(cè)到泄漏因子，按穩(wěn)定滲漏30天計(jì)，第31天后停止泄漏并及時(shí)處理達(dá)到正常工況防滲標(biāo)準(zhǔn)。為預(yù)測(cè)污水處理廠泄漏后污染物的遷移，利用本次瑤羅塘井點(diǎn)S31作為參照點(diǎn)，反映污染暈運(yùn)移路徑，預(yù)測(cè)瑤羅塘村可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。

COD：

生活污水中COD的排放量為350mg/L。根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017），Ⅲ類水質(zhì)濃度上限是3mg/L。以3mg/L為污染暈的外邊界，其長(zhǎng)度用暈體長(zhǎng)軸長(zhǎng)度表示，最遠(yuǎn)影響距離用污染暈前緣與污水處理廠之間距離來(lái)表示。污染物遷移預(yù)測(cè)見(jiàn)圖3，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

3.5 地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)

模擬結(jié)果表明，不同指標(biāo)對(duì)地下水質(zhì)量的影響不僅與泄漏濃度有關(guān)，更重要的是與《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中濃度等級(jí)有關(guān)。

以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水濃度限值來(lái)劃定影響范圍，COD指標(biāo)泄漏后影響面積逐漸增大，泄漏730天后污染面積最大、1000天后影響到瑤羅塘村S31民井，泄漏1400天后濃度低于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且污染暈逐漸往長(zhǎng)嶺河遷移。本次數(shù)值模型主要是為了驗(yàn)證廠區(qū)污染是否會(huì)影響到南面瑤羅塘居民飲用水。模型結(jié)果顯示，COD指標(biāo)在短暫事故性泄漏1000天后影響到S31水井，影響瑤羅塘居民飲用水，污染暈主要沿長(zhǎng)嶺河遷移，各污染指標(biāo)的影響會(huì)在自然作用下衰減消失，濃度逐漸減小。

4 結(jié)論

（1）從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出：所建立的水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型是正確的，選取的水文地質(zhì)參數(shù)和計(jì)算的源匯項(xiàng)基本合理，符合模擬地區(qū)地下水的實(shí)際情況，可用于流場(chǎng)研究和污水池污水泄露預(yù)測(cè)。（2）擬建項(xiàng)目建設(shè)生產(chǎn)過(guò)程中，污染因子一旦發(fā)生事故性泄漏，對(duì)地下水環(huán)境會(huì)造成嚴(yán)重的影響。按照環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)的要求，出現(xiàn)這樣的泄漏事故，必須及時(shí)修復(fù)，嚴(yán)防持續(xù)性泄漏。（3）需要注意的是，本次預(yù)測(cè)泄漏方案為短暫的事故性瞬時(shí)泄漏，不是持續(xù)性泄漏。持續(xù)性泄漏會(huì)造成污染物持續(xù)侵入地下環(huán)境，對(duì)環(huán)境將造成更深遠(yuǎn)的影響。為防治污水池事故性滲漏帶來(lái)的地下水環(huán)境惡化，應(yīng)安裝監(jiān)測(cè)設(shè)施日常監(jiān)測(cè)地面污水池進(jìn)出水量動(dòng)態(tài)，評(píng)估水量平衡，及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏問(wèn)題，及時(shí)采取應(yīng)急處理，嚴(yán)禁持續(xù)性泄漏發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧文喜.地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬過(guò)程中邊界條件問(wèn)題探討[J].水利學(xué)報(bào)，2003（3）：33-36.

[2]孫納正.地下水流的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法[M].北京：地質(zhì)出版社，1981：42-56.

[3]王大純，張人權(quán).水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：地質(zhì)出版社，1986.