基于GMS的湖口縣工業(yè)園擴(kuò)區(qū)B區(qū)地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)

付檢根

(江西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院,江西 南昌 330008)

1 項(xiàng)目概況

湖口縣工業(yè)園擴(kuò)區(qū)B區(qū)主要布局新材料、精細(xì)化工、新型裝備制造等產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目,同時(shí)保留現(xiàn)狀已有其他企業(yè)及相關(guān)配套服務(wù)設(shè)施。建設(shè)期及運(yùn)營期地下水污染源主要是化工類企業(yè)運(yùn)營期的生產(chǎn)廢水。

2 研究區(qū)地質(zhì)背景

2.1 地形地貌

該工業(yè)園擴(kuò)區(qū)B區(qū)屬侵蝕堆積壟崗地貌,主要由第四系上更新統(tǒng)柘磯組、新港粘土以及中更新統(tǒng)進(jìn)賢組成,其次為志留系茅山組碎屑巖組成。壟崗頂部高程一般為20～90 m,相對(duì)高差一般8～15 m。坡度5°～15°。崗頂渾圓,壟崗多呈條帶狀、饅頭狀,剝蝕較強(qiáng)烈,小沖溝發(fā)育,溝谷開闊,植被稀疏。該擴(kuò)區(qū)B區(qū)總體東、北東東較高,西、南西西較低。

2.2 地層巖性

該擴(kuò)區(qū)B區(qū)出露地層為第四系新港粘土(Qp3x)、志留系茅山組(S3m)。第四系新港粘土分布于研究區(qū)絕大部分區(qū)域,巖性主要為褐黃、棕黃色鐵錳質(zhì)膜發(fā)育的重粘土,其粘結(jié)性和可塑性好,透水性差。與下伏第四系進(jìn)賢組呈漸變過渡關(guān)系。下伏進(jìn)賢組未出露于地表,巖性下部為棕紅色礫質(zhì)輕粘土,由粘粒、礫石及砂粒組成,蠕蟲狀或網(wǎng)格狀構(gòu)造發(fā)育;上部為棕紅色網(wǎng)紋狀重粘土。志留系茅山組分布于東、北東東等小片區(qū)域,巖性主要為暗紫灰色、灰綠色中厚層狀細(xì)粒巖屑石英雜砂巖、細(xì)粒巖屑雜砂巖與中—薄層狀粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖呈不等厚互層。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

該擴(kuò)區(qū)B區(qū)位于揚(yáng)子陸塊下?lián)P子地塊中部,區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)第四系覆蓋層較厚,為軸向北東的短袖狀隔檔式或隔槽式褶皺的核部、軸面。該擴(kuò)區(qū)B區(qū)北側(cè)分布一般性斷裂F1,發(fā)育一組北東向的壓扭性斷裂,斷裂走向?yàn)楸?0°～50°,與水系走向一致,傾向北西,傾角70°左右,斷裂面較彎曲,走向延伸14 km,斷裂帶寬10余m,帶內(nèi)巖石硅化破碎強(qiáng)烈,且節(jié)理、裂隙發(fā)育。

2.4 水文地質(zhì)特征

該擴(kuò)區(qū)B區(qū)以第四系松散巖類孔隙水為主,第四系新港粘土中地下水賦存量較少,富水性較差,透水性差,部分區(qū)域地下水為半承壓～承壓狀態(tài)。地下水主要賦存于下伏第四系進(jìn)賢組的礫石、砂粒以及茅山組的風(fēng)化殘坡積層碎石層之中。地下水的相對(duì)隔水底板為茅山組碎屑巖中風(fēng)化層。地下水為大氣降水補(bǔ)給為主。地下水位埋深介于1.50～6.53 m,地下水位標(biāo)高為13.95～34.37 m,地下水位年際變幅約為1～5 m。該擴(kuò)區(qū)B區(qū)的第四系松散巖類孔隙水由東、北東東向西、南西方向徑流至西側(cè)黃茅潭之中。

3 地下水影響預(yù)測(cè)

3.1 水文地質(zhì)模型

3.1.1 地下水?dāng)?shù)學(xué)模型

根據(jù)該擴(kuò)區(qū)B區(qū)地下水類型,在不考慮水密度變化的前提下,建立下列多孔介質(zhì)中潛水三維非穩(wěn)定流水流問題的數(shù)學(xué)模型:

(1)

式中:Kxx,Kyy,Kzz為各滲透主方向的滲透系數(shù),(LT-1);h為水頭(L);W為單位面積垂向流量,[LT-1],用以表示源匯項(xiàng);μ為多孔介質(zhì)的給水度(或飽和差);z為潛水含水層底板標(biāo)高,[L];t為時(shí)間(T)。

方程加上相應(yīng)的初始條件和邊界條件,就構(gòu)成了描述地下水運(yùn)動(dòng)體系的數(shù)學(xué)模型。本次模擬的定解條件可表示為:

初始條件:H(x,y,z,0)=H0(x,y,z)

第一類邊界條件:H(x,y,z,t)|Γ1=H1(x,y,z,t)

式中:H0(x,y,z)為研究區(qū)各層初始水頭值,H1(x,y,z,t)為研究區(qū)各層第一類邊界上的實(shí)測(cè)水頭值,q(x,y,z,t)為研究區(qū)各層第二類邊界上的單位面積流量。

3.1.2 水文地質(zhì)模型概化

水文地質(zhì)概念模型是在準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水文地質(zhì)條件以及所建立起來的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)研究重點(diǎn),確定以概化模擬區(qū)邊界條件及參數(shù),針對(duì)研究區(qū)實(shí)際情況而建立起來的概念模型。水文地質(zhì)概念模型的建立主要包括:研究區(qū)范圍、含水層類型及空間分布、邊界條件、源匯項(xiàng)以及地下水流態(tài)等[1-3]。

1)模擬范圍及邊界確定

根據(jù)地形地貌和含(隔)水層空間分布,模擬區(qū)域可劃分獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。如圖1、圖2所示,擴(kuò)區(qū)B區(qū)模擬范圍總地勢(shì)為東、北東東較高,西、南西西較低,其中北部山脊線位置以及區(qū)域內(nèi)部分山峰高程最高,能達(dá)到100～150 m,大部分區(qū)域海拔高程為-10～40 m,模擬區(qū)上邊界為潛水面,在垂向上水量接受大氣降水入滲等補(bǔ)給和側(cè)向徑流等補(bǔ)給、排泄,上部邊界概化為補(bǔ)給邊界,取海拔高程-50 m為模擬區(qū)域的下邊界,并將其概化為隔水邊界。模擬區(qū)西部與黃茅潭相接處取為定水頭邊界(Dirichlet邊界),其余邊界均根據(jù)地表山脊線等信息作為區(qū)域分水嶺(Neumann邊界)。模擬區(qū)域內(nèi)包含多個(gè)水文地質(zhì)勘探鉆孔可供模型進(jìn)行參數(shù)識(shí)別和水位校準(zhǔn)[4]。

圖1 地下水模擬評(píng)價(jià)范圍

2)三維水文地質(zhì)模型與時(shí)空離散

三維實(shí)體模型主要通過DEM數(shù)據(jù)插值得到,首先根據(jù)區(qū)域邊界將模擬區(qū)域劃分成三角網(wǎng)格,根據(jù)地表高程數(shù)據(jù)插值得到地面,再將地形面擠壓至海拔高度-50 m的平面生成三維實(shí)體模型。模擬范圍內(nèi)總地勢(shì)為東高西低。根據(jù)三維實(shí)體模型將模型離散化成有限差分網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分結(jié)果以及網(wǎng)格巖性分區(qū)如圖3、圖4所示。在水平方向上,模型網(wǎng)格尺寸為100 m×100 m。研究區(qū)域內(nèi)鉆孔揭示的主要地層巖性,因此數(shù)值模型中將含水層在垂向上剖分為4層。在模擬時(shí)段上,由于資料和數(shù)據(jù)有限,區(qū)域水流僅考慮穩(wěn)定流模擬。溶質(zhì)運(yùn)移模擬過程中按照預(yù)測(cè)時(shí)間進(jìn)行非穩(wěn)定流模擬。

圖3 三維地形面

3)源匯項(xiàng)概化和初始地下水流場(chǎng)

研究區(qū)氣候溫和、雨量充沛、日照充足、四季分明、無霜期長、嚴(yán)冬期短。根據(jù)近十年(2008-2018年)研究區(qū)氣象資料,3-7月降雨量917.58 mm,占全年降雨量的64%,月平均降雨量183.52 mm,為豐水期;12至翌年1年降雨量107.27 mm,占全年降雨量的7.5%,月平均降雨量53.64 mm,為枯水期;2、8、9、10、11降雨量407.51 mm,占全年降雨量的28.5%,月平均降雨量81.5 mm,為平水期。如圖5所示,將區(qū)域分別劃分成6個(gè)和7個(gè)降雨分區(qū),各個(gè)分區(qū)賦予獨(dú)立的入滲補(bǔ)給強(qiáng)度值。

圖5 模擬區(qū)域降雨入滲強(qiáng)度分區(qū)

根據(jù)模型區(qū)域內(nèi)的調(diào)查點(diǎn)的勘測(cè)水位數(shù)據(jù),通過三角網(wǎng)格TIN差值的方法可以近似得出模擬區(qū)域內(nèi)的初始水位分布,具體模型的水位分布后續(xù)還需通過模型參數(shù)反演得出,鉆孔水位插值結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,模擬區(qū)域內(nèi)地下水位分布大致為由東向西流動(dòng),地下水位在15～32 m之間。

3.2 污染運(yùn)移預(yù)測(cè)模擬

3.2.1 預(yù)測(cè)情景設(shè)計(jì)

本次評(píng)價(jià)以2021年作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)年,將地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)時(shí)段定為10 a。結(jié)合園區(qū)環(huán)境特征,預(yù)測(cè)污染發(fā)生100 d、365 d、1 000 d和3 650 d時(shí)污染物遷移情況,地下水風(fēng)險(xiǎn)源為湖口縣化工企業(yè)的廢水調(diào)節(jié)池,預(yù)測(cè)因子為CODcr和氟化物。預(yù)測(cè)情景設(shè)計(jì)為:非正常狀況下,廢水調(diào)節(jié)池防滲系統(tǒng)破裂情況下廢水泄漏。

3.2.2 預(yù)測(cè)源強(qiáng)概化

非正常工況下,預(yù)測(cè)源強(qiáng)因工藝設(shè)備或地下水環(huán)境保護(hù)措施因系統(tǒng)老化或腐蝕,設(shè)定為正常狀況的100倍。廢水調(diào)節(jié)池在非正常工況下污染物泄漏對(duì)地下水產(chǎn)生污染的風(fēng)險(xiǎn)較大,廢水產(chǎn)生源強(qiáng)中CODcr的最大產(chǎn)生濃度為1 000 mg/L、氟化物最大產(chǎn)生濃度為50 mg/L,泄露量按照非正常工況下0.2 m3/d計(jì)算。

3.2.3 地下水污染運(yùn)移參數(shù)選取

含水層有效孔隙度取為0.25～0.39,本次評(píng)價(jià)取小值作為污染運(yùn)移模型參數(shù)。彌散度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值為18 m,橫向彌散度和垂向彌散度按照比例選取,其中橫向彌散度/縱向彌散度=0.31,垂向彌散度/縱向彌散度為0.03。因模型缺乏其他相關(guān)參數(shù)如等溫吸附系數(shù)和反應(yīng)參數(shù),因此按照最不利風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)原則,不考慮污染物的吸附和降解。

3.2.4 地下水污染運(yùn)移預(yù)測(cè)結(jié)果

模擬期考慮污染源持續(xù)泄露3 650 d,不同預(yù)測(cè)因子分別在100 d、365 d、1 000 d和3 650 d超標(biāo)范圍如圖7、圖8所示。在第100 d、365 d、1 000 d和3 650 d的時(shí)刻,超標(biāo)范圍呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),且污染區(qū)域中心濃度逐漸降低。由于區(qū)域地下水滲流場(chǎng)水流梯度較大,地下水流動(dòng)速度較快,兩種污染物在第100 d、365 d、1 000 d和3 650 d的時(shí)刻運(yùn)移距離大概為21.5 m、62.5 m、172.1 m及616.3 m,如表1所示。據(jù)源強(qiáng)概化假設(shè)為面源污染,圖中顯示隨著時(shí)間增加污染羽沿著地下水流方向持續(xù)擴(kuò)大。污染物超標(biāo)范圍呈現(xiàn)橢圓污染羽向四周擴(kuò)散,CODcr泄露濃度較大,因此污染羽中心的濃度也比氟化物污染物大一些。

表1 污染物沿地下水方向運(yùn)移最大距離統(tǒng)計(jì) m

圖7 CODcr在不同預(yù)測(cè)時(shí)間的污染羽分布圖

圖8 氟化物在不同預(yù)測(cè)時(shí)間的污染羽分布圖

4 結(jié)語

(1)本研究區(qū)與黃茅潭相鄰,污染物一旦發(fā)生滲漏,長時(shí)間后可能會(huì)對(duì)黃茅潭水、其他地表水以及地下水環(huán)境造成影響。根據(jù)前期地下水調(diào)查結(jié)果顯示,研究區(qū)潛水埋深1.5～4.1 m,潛水含水層有易污的特征,污染風(fēng)險(xiǎn)較大。此外,湖口縣化工企業(yè)的廢水調(diào)節(jié)池泄漏后對(duì)項(xiàng)目周邊植被生態(tài)和環(huán)境也有較大影響。本項(xiàng)目結(jié)合數(shù)值模擬方法對(duì)廢水調(diào)節(jié)池在非正常工況下進(jìn)行了預(yù)測(cè)。選擇廢水調(diào)節(jié)池中濃度較高的CODcr和氟化物作為預(yù)測(cè)因子,污染物的最大運(yùn)移距離達(dá)到616.3 m,距離黃茅潭尚有一段距離。CODcr污染物的釋放濃度大于氟化物污染物,在同一時(shí)間,其污染范圍及濃度要稍大于氟化物?？傮w而言,污染物短時(shí)泄露工況下危害風(fēng)險(xiǎn)較小;對(duì)于長時(shí)泄露工況,在十年以后污染超標(biāo)范圍較大。

(2)考慮到研究區(qū)包氣帶厚度很小,污染物一旦泄露將直接污染到潛水含水層,因此應(yīng)采取嚴(yán)格的源頭控制和防治措施,對(duì)工業(yè)園內(nèi)企業(yè)的工藝、管道、設(shè)備、滲濾液收集和儲(chǔ)存采取相應(yīng)措施,將污染物泄漏的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事故降到最低程度。同時(shí)在不同企業(yè)的污水處理設(shè)施正下游設(shè)立跟蹤型污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,并建立應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制,預(yù)防污染物持續(xù)泄露。