VisualModflow在地下水環(huán)境影響評價中的應用

（河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊，河北 秦皇島066001）

近幾十年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、工業(yè)化和城市化進程的加快，部分地區(qū)地下水嚴重超采，導致地下水水位下降，地下水污染狀況也日趨嚴重，地下水環(huán)境問題已成為影響社會經(jīng)濟發(fā)展和人民群眾健康的重大問題。可見，全面、準確地評價建設(shè)項目對地下水環(huán)境影響的意義重大。

2011年6月1日，國家環(huán)保部正式實施了《環(huán)境影響評價技術(shù)導則 地下水環(huán)境》（HJ 610-2011）（以下簡稱導則），要求以地下水作為供水水源及對地下水環(huán)境可能產(chǎn)生影響的建設(shè)項目，必須進行地下水環(huán)境影響評價[1]。地下水污染具有隱蔽性和滯后性，地下水環(huán)境影響評價是整個建設(shè)項目環(huán)境影響評價中較薄弱的一個環(huán)節(jié)[2]。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)以其方便、靈活和高效的優(yōu)勢在水文地質(zhì)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。按照《導則》要求，對于地下水環(huán)境影響一級評價的項目，必須采用數(shù)值法進行影響預測和評價，對于二級評價，可以采用數(shù)值法或解析法進行影響預測和評價?？梢姡瑪?shù)值法在地下水環(huán)境影響評價中的重要地位。筆者以秦皇島新興產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃環(huán)評為例，應用Visual Modflow軟件，介紹了數(shù)值法在地下水環(huán)境影響評價中的應用。

1 VisualModflow軟件介紹

Visual Modflow是可視化模塊化三維有限差分地下水流動模型[3]，由加拿大Waterloo Hydrogeology公司在原Modflow 軟件的基礎(chǔ)上應用可視化技術(shù)開發(fā)研制的。其獨特的可視化菜單結(jié)構(gòu)允許操作者簡單快捷地定義模擬區(qū)范圍，選擇單位，方便地分配模型的屬性和邊界條件。這個軟件包主要包括Modflow（水流評價）、Modpath（平面和剖面流線示蹤分析）、MT3D（溶質(zhì)運移評價）和Zone Budget（水量均衡計算）四大模塊[4]。本研究主要應用Modflow和MT3D兩大模塊來進行地下水流和污染溶質(zhì)運移的模擬。

1.1 地下水三維水流模型[5]

其中：Kxx，Kyy和Kzz為滲透系數(shù)在x，y和z方向上的分量。在這里，假定滲透系數(shù)的主軸方向與坐標軸方向一致，量綱為（LT-1）；h為水頭（L）；W為單位體積流量（T-1），用以代表流進匯或來自源的水量；Ss為空隙介質(zhì)的貯水率（L-1）；t為時間（T）。

邊界條件

第1類邊界（水頭邊界）：

第2類邊界（流量邊界）：

第3類邊界（混合邊界）：

式中：Γ1，Γ2，Γ3分別表示第1，2，3類邊界。

1.2 污染質(zhì)運移模型[6]

式中：n為有效孔隙度；C（x，y，z，t）為污染溶質(zhì)濃度；Ce為污染源濃度；D為彌散系數(shù)張量，用矩陣表示為：

矩陣中各個分量分別為：

Vx、Vy、Vz為V在x，y，z軸上的投影：

對于節(jié)點（I，j，k）使用隱式有限差分法，上式中以n代表濃度已知的上一時刻，n+1代表下一時刻,針對各對流項加權(quán)因子αxj+1/2，αyi+1/2，αzk+1/2，采用上游加權(quán)法，各加權(quán)因子定義為：

2 實例分析

2.1 項目概況

該項目為秦皇島新興產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃項目，根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導則 地下水環(huán)境》（HJ 610-2011），將本項目劃為Ⅰ類建設(shè)項目。由于建設(shè)項目場地的包氣帶防污性能弱，含水層易污染，地下水環(huán)境敏感，污水排放量大，污水水質(zhì)復雜等，將本項目評價等級定為一級評價。為了保護地下水環(huán)境，本項目建設(shè)過場中對地面進行硬化處理，對生產(chǎn)車間、清洗車間、固體廢物堆放、儲存場地、污水處理設(shè)施等重點污染區(qū)采取防滲措施，并設(shè)置專門的事故池，以處置事故發(fā)生時的污染物。綜合考慮評價范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件，通過對地下水環(huán)境影響因子的分析，選取氨氮作為典型預測評價因子。

2.2 評價區(qū)水文地質(zhì)條件

評價區(qū)地處戴河水系中游，地勢北東高、西南低，區(qū)內(nèi)地下水的形成、分布、賦存與運移規(guī)律嚴格受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及氣象水文諸因素的制約。按其賦存條件、水理性質(zhì)及水力特征，可劃分為：松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。大氣降水、地表水、地下水存在著密切的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，雨季（7～9月份）地表水補給第四系孔隙水，大氣降水匯集各河流，首先充滿河床內(nèi)第四系卵礫石層，隨水位抬高，補給河床兩側(cè)第四系潛水?？菟冢?0月～翌年6月）地表水則主要或者全部由地下水補給而來。

2.3 評價區(qū)水文地質(zhì)概念模型

模擬區(qū)東西長15 km，南北寬9 km，含水層系統(tǒng)為潛水含水層，在垂直方向上，上層為1～2 m的粉質(zhì)粘土，向下巖性主要為中砂、粗砂、礫卵石，其厚度2～5 m，這兩層是第四紀沉積物。向下5～10 m為風化不同程度的花崗巖，構(gòu)成潛水含水層的底板。含水層為非均值各向同性，同一參數(shù)分區(qū)內(nèi)可視為均質(zhì)，水流服從達西定律。模擬區(qū)南部近海邊界概化為定水頭邊界。補給以側(cè)向補給、降水補給為主。排泄以側(cè)向流出、河流排泄和潛水蒸發(fā)為主。

2.4 模型的建立及識別驗證

2.4.1 網(wǎng)格劃分

采用Visual Modflow軟件，用有限分法迭代求解。平面上，將模擬區(qū)平面剖分為150行、90列，垂向分為3層，共剖分40 500個單元格，剖分結(jié)果見圖1、圖2。圖中白色網(wǎng)格為有效單元格，陰影部分網(wǎng)格為無效單元格。

2.4.2 模型參數(shù)的確定

圖1 平面網(wǎng)格剖分

圖2 垂直網(wǎng)格剖分

根據(jù)《水文地質(zhì)手冊》，參考《河北省秦皇島市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測報告》（2005—2010），用Visual Modflow對參數(shù)進行新的率定、分區(qū)，最終確定滲透系數(shù)、給水度和彌散度參數(shù)，分區(qū)如圖3及表1。

圖3 模擬區(qū)參數(shù)分區(qū)

表1 模擬區(qū)參數(shù)分區(qū)

2.4.3 邊界條件

模擬區(qū)南部近海，故可視作定水頭邊界，在整個模擬期間，水頭不發(fā)生變化，因此該邊界也設(shè)定為定水頭邊界；模型北部為丘陵地帶，地勢較高，可設(shè)定為流量邊界，其流量取多年平均值；下覆基巖為隔水底板；設(shè)定戴河、深河為河流排泄邊界。

各邊界因所處地形和地層的差異，根據(jù)實際情況作適當調(diào)整，以求模擬結(jié)果和現(xiàn)實最大可能的擬合。

2.4.4 初始條件

以2012年4月地下水實測流場為預測初始流場，采用本研究的人為邊界處理方法滾動預測邊界條件，其他源匯項以多年平均值代入模型。運行模型得到區(qū)域上滾動預測的研究區(qū)水位和地下水均衡量。

2.4.5 效果擬合

本次模擬選取區(qū)域內(nèi)長觀井2011年北8、北22、北23觀測數(shù)據(jù)進行效果擬合，結(jié)果如圖4。

圖4 擬合效果圖

如圖可知，模擬數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)趨勢基本相同，且殘差在95%以內(nèi)，表明各觀測點的觀測值與計算值相差較小，精度較高。

2.5 評價區(qū)地下水環(huán)境模擬與預測

2.5.1 水位模擬

圖5 模擬地下水位等值線圖

通過現(xiàn)有條件模擬地下水位，如圖5，模擬流場與實測流場基本一致。

2.5.2 水質(zhì)污染預測以區(qū)內(nèi)氨氮污染因子正常工況為例，其水量為1.18萬t/d，考慮到污水處理池有防滲設(shè)計，假定滲漏污水量為1.18×10-3t/d，設(shè)定源強為83.3 mg/L，根據(jù)本次氨氮污染因子的檢出標準（0.02 mg/L）判斷，正常排放5 a后，含水層影響范圍0.037 km2，最大運移距離為0.35 km；10 a后氨氮的影響范圍為0.055 km2，最大運移距離為0.41 km；20 a后氨氮影響范圍為0.064 km2，最大運移距離為0.53 km。

3 結(jié)論

（1）應用Visual Modflow模擬軟件建立地下水環(huán)評水文地質(zhì)模型可行，該軟件可有效地將地下水流場和污染質(zhì)運移范圍可視化，以直觀反映出地下水水位降深，地下水污染等環(huán)境問題，顯著地改進了地下水環(huán)評的定量分析能力，為區(qū)域地下水資源的合理開發(fā)利用提供了科學依據(jù)。

（2）從模擬的結(jié)果來看，秦皇島新興產(chǎn)業(yè)園區(qū)氨氮污染因子正常排放5 a后，含水層影響范圍0.037 km2，最大運移距離為0.35 km；10 a后氨氮的影響范圍為0.055 km2，最大運移距離為0.41 km；20 a后氨氮影響范圍為0.064 km2，最大運移距離為0.53 km。其影響范圍不大，對地下水影響較小。

[1]環(huán)境保護部.HJ 610-2011環(huán)境影響評價技術(shù)導則 地下水環(huán)境[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2011.

[2]任改娟，胡春雷，齊海云，等.礦區(qū)地下水環(huán)境影響評價的關(guān)鍵問題探討[J].中國環(huán)境管理干部學院學報，2014，24（5）：33-35.

[3]李云禎，葉宏，趙希錦，等.基于Visual Modflow的地下水環(huán)境影響評價研究[C]//中國環(huán)境科學學會學術(shù)年會論文集，2013：2597-2602.

[4]胡春雷，王陶然，楊立順.基于Visual Modflow的秦皇島市海水入侵剖面[J].中國環(huán)境管理干部學院學報，2015，25（1）：43-46.

[5]李俊亭.地下水流數(shù)值模擬[M].北京：地質(zhì)出版社，1989.

[6]薛禹群，謝春紅.地下水數(shù)值模擬[M].北京：科學出版社，2007.