數(shù)值模擬在地下水環(huán)境影響評價(jià)中的應(yīng)用
——以某焦化項(xiàng)目為例

李艷兵，趙豐昌

（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

【其 他】

數(shù)值模擬在地下水環(huán)境影響評價(jià)中的應(yīng)用
——以某焦化項(xiàng)目為例

李艷兵，趙豐昌

（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

HJ610-2011《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則—地下水環(huán)境》的實(shí)施對環(huán)評工作者提出了更高的要求，加大了地下水環(huán)境影響評價(jià)工作的難度。本文以某焦化項(xiàng)目為例，運(yùn)用國際上通用的GMS軟件對地下水中污染物運(yùn)移進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果提出相應(yīng)的地下水環(huán)境保護(hù)措施，以供廣大環(huán)評工作者在地下水環(huán)評工作中參考。

環(huán)境影響評；地下水?dāng)?shù)值模擬；GMS

1 研究背景

隨著我國工業(yè)進(jìn)程的不斷加快，一些地區(qū)工業(yè)廢污水、生活垃圾以及化肥農(nóng)藥等的滲漏，造成地下水環(huán)境質(zhì)量惡化，給人們生活帶來嚴(yán)重影響。HJ610-2011《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則—地下水環(huán)境》[1](文中簡稱《導(dǎo)則》)的頒布完善了我國現(xiàn)行環(huán)境影響評價(jià)的內(nèi)容，為地下水預(yù)測分析和污染防治提供了技術(shù)支撐，對地下水污染防治具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。地下水環(huán)評工作主要是預(yù)測和評價(jià)建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施過程中對地下水環(huán)境可能造成的影響，并提出針對性的防治對策?！秾?dǎo)則》中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了數(shù)值模擬在地下水環(huán)評中的應(yīng)用[2]，鑒于數(shù)值模擬在地下水環(huán)評過程中仍存在許多疑問和難點(diǎn)，本文以具體工程為實(shí)例，依據(jù)《導(dǎo)則》對數(shù)值模擬工作的相關(guān)要求，采用GMS軟件對工業(yè)廢水的滲漏進(jìn)行預(yù)測分析，并提出相應(yīng)的防護(hù)措施，為類似工程的地下水環(huán)境影響評價(jià)提供參考。

2 項(xiàng)目區(qū)概況

2.1 自然地理?xiàng)l件

項(xiàng)目區(qū)屬于暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬季寒冷干燥，春季少雨多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽多連陰雨。多年平均氣溫l2.6℃，一月份最冷，月均-4.5℃；七月份最熱，月均26.4℃；極端最高氣溫40.6℃；極端最低氣溫-22℃。據(jù)多年降雨觀測資料，多年平均降雨量495.9mm，年內(nèi)降雨分配極為不均，全年降雨集中在7、8、9三個(gè)月，多年平均蒸發(fā)量為1 573.1mm。

2.2 地層巖性

根據(jù)本次鉆孔資料，項(xiàng)目廠區(qū)揭露100m以淺地層主要為第四系上更新統(tǒng)(Q3al_pl)和中更新統(tǒng)(Q2al)地層，由上至下分述如下：

淺黃—黃褐色粉土，大孔隙，含小的鈣質(zhì)結(jié)核，可見白色菌絲，稍密至中密，稍濕，該層全廠區(qū)分布，厚度2.9～13.0m之間。

(2) 中更新統(tǒng)(Q2al)。

據(jù)本次廠區(qū)鉆孔資料(揭露深度100m)，中更新統(tǒng)地層以淺黃—黃褐色粉質(zhì)粘土為主，可塑，具小孔隙，土質(zhì)均勻，上部含古植物根系，可見蝸牛化石碎

片、鐵銹紅色氧化鐵薄膜和黑色錳質(zhì)斑點(diǎn)，頂板埋深2.9～13.0m之間。間夾1～4層黃褐—褐黃色砂層，分別有粉砂、細(xì)砂、中砂和粗砂，成分以石英、長石為主，厚度1.7～15.3m，局部地段夾粉土，層厚介于0.8～14.4m之間。

2.3 地下水類型及含水層結(jié)構(gòu)

評價(jià)區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。松散巖類孔隙水從含水層結(jié)構(gòu)上來看具有雙層結(jié)構(gòu)，其上部為淺層水，具潛水—微承壓水特征；其下部中層水，具承壓水特征。淺層水主要賦存在中更新統(tǒng)上部的多層粉細(xì)砂夾層中，水位埋深一般5～35m，夾有粉砂、粗砂透鏡體，厚度一般0～7.0m，層數(shù)0～2層，且有由東向西逐漸變薄、層數(shù)變少的規(guī)律。100m以上中層水的水位埋深一般在14～38m，含水層巖性為粗砂、細(xì)砂，西部含水層數(shù)2層，含水層厚度8.3m。

3 地下水環(huán)境影響預(yù)測與評價(jià)

3.1 含水層概化

本次地下水模擬區(qū)域上部為淺層潛水—微承壓含水層，中部為連續(xù)、穩(wěn)定分布的相對隔水層，主要以中更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土為主，厚度15～60m不等，下部為中層承壓含水層。根據(jù)本次對地下水動(dòng)態(tài)的掌握，針對地下水系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境、邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)等進(jìn)行分析研究，可概化為：非均質(zhì)各向異性、三層結(jié)構(gòu)的擬三維穩(wěn)定的地下水流系統(tǒng)。

3.2 水流數(shù)學(xué)模型

非均質(zhì)各向異性三維穩(wěn)定地下水流模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：h為水位(m)；Kx，Ky，Kz分別為沿x，y，z方向上的滲透系數(shù)(m/d)；t為時(shí)間(d)；ε為源匯項(xiàng)；Ω為模型模擬區(qū)；Γ2為第二類邊界；n為邊界面的外法線方向；h0(x，y，z)為地下水初始水位函數(shù)；q(x，y，z，t)為第二類邊界上已知流量函數(shù)。

3.3 模擬流場

本次模擬以2011年3月評價(jià)區(qū)的地下水水位作為模擬的流場。源匯項(xiàng)主要包括降雨入滲補(bǔ)給、灌溉入滲補(bǔ)給、側(cè)向流入、側(cè)向流出、人工開采等。

3.4 模擬軟件及模擬區(qū)網(wǎng)格剖分

本次模擬采用美國環(huán)境保護(hù)局(USA EPA)開發(fā)的GMS6.0。GMS是地下水模擬系統(tǒng)(Groundwater Modeling System)的簡稱，是目前國際上最先進(jìn)的綜合性的地下水模擬軟件包，由MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、Borehole Data、Solid、GEO-STATISTICS等多個(gè)模塊組成的可視化三維地下水模擬軟件包。

根據(jù)評價(jià)區(qū)水文地質(zhì)條件與地下水流場特征，模擬區(qū)在垂直方向上剖分為3層，水平方向共剖分9 817個(gè)有效網(wǎng)格單元剖分。本次模擬在廠區(qū)焦化項(xiàng)目場地對剖分的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，網(wǎng)格的長、寬在40～60m之間，整個(gè)模擬區(qū)的網(wǎng)格長、寬在40～120m之間。網(wǎng)格剖分見圖1～圖3。

圖1 模擬區(qū)網(wǎng)格剖分

圖2 模擬區(qū)東西剖面

圖3 模擬區(qū)南北剖面

3.5 地下水水流模型識(shí)別

(1) 水文地質(zhì)參數(shù)識(shí)別。

根據(jù)前述地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的分析，結(jié)合地形地貌、地下水流場特征及野外抽水試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果，對模擬區(qū)含水層水平滲透系數(shù)進(jìn)行分區(qū)，結(jié)果分別見圖4、圖5。

(2) 地下水水位擬合。

模擬后潛水—微承壓水和承壓水的地下水流場擬合見圖6、圖7。

圖4 潛水—微承壓含水層滲透系數(shù)分區(qū)

圖5 承壓含水層滲透系數(shù)分區(qū)

圖6 模擬區(qū)潛水—微承壓水流場擬合

圖7 模擬區(qū)承壓水流場擬合

(3) 地下水系統(tǒng)均衡分析。

通過模型識(shí)別，得出模型的地下水水量均衡結(jié)果(見表1)。由表1可以看出，模擬區(qū)的地下水水量補(bǔ)排基本平衡。

表1 模擬區(qū)地下水均衡表

3.6 地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型

地下水溶質(zhì)運(yùn)移可通過以下方程進(jìn)行描述。

式中：αijmn為含水層的彌散度；Vm，Vn分別為m和n方向上的速度分量；|V |為速度模；C為模擬污染質(zhì)的濃度(mg/L)；ne為有效孔隙度；W為源匯通量；Vi為滲流速度(m/d)；Cˊ為源匯的污染質(zhì)濃度(mg/L)。

根據(jù)目前填埋場的實(shí)測資料顯示，填埋場一期工程已經(jīng)填滿，二期工程也進(jìn)入填埋周期。根據(jù)測繪，填埋場目前剩余庫容2.023×106m3，預(yù)計(jì)總填埋量為4.08×106t，到2023年填埋場將填滿。

初始條件為：c(x，y，o)=c0(x，y) (x，y)∈Ω，t =0式中：c0(x，y)為已知濃度分布；Ω為模型模擬區(qū)。

式中：Γ2為通量邊界；Dgradc為濃度梯度。

應(yīng)用GMS 6.0中的MT3D模塊可以對以上數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.7 運(yùn)營期地下水環(huán)境影響預(yù)測與評價(jià)

通過對焦化廠項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容的分析，應(yīng)預(yù)測正常工況下污染物跑冒滴漏和事故工況下污染物滲漏水可能對地下水產(chǎn)生的影響。本工程擬建設(shè)一座酚氰廢水生化站，面積為8 680m2，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為125m3/h，本文僅預(yù)測在事故工況下，選取氰化物這一因子進(jìn)行預(yù)測說明。假定由于腐蝕或地質(zhì)作用，池底出現(xiàn)大面積的滲漏現(xiàn)象，滲漏面積為總面積的5‰，總面積為生化集水池(厭氧池、缺氧池、好氧池)總有效面積2 764m2，生化集水池處含水層滲透系數(shù)為1.8m/d。假定污染物在包氣帶中已達(dá)到飽和狀態(tài)，其滲漏后完全進(jìn)入潛水—微承壓含水層。則氰化物滲漏進(jìn)入潛水—微承壓含水層中的滲漏量為：

20mg/L×2764m2×1.8m/d×0.005=0.5kg/d

3.8 地下水環(huán)境保護(hù)措施

事故污水池的防滲，混凝土強(qiáng)度等級不宜＜C30，鋼筋混凝土水池的抗?jié)B等級應(yīng)≥P10，且水池內(nèi)表面應(yīng)涂刷水泥基結(jié)晶型、噴涂聚脲等防水涂料(滲透系數(shù)≤1.0×10-12cm/s)。結(jié)構(gòu)厚度應(yīng)≥300mm，最大裂

縫寬度應(yīng)≤0.20mm，并不得貫通，鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的耐久性和環(huán)境類別選用，迎水面鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)≥50mm。

圖8 氰化物滲漏100天后對潛水—微承壓含水層的影響范圍

圖9 氰化物滲漏1 000天后對潛水—微承壓含水層的影響范圍

圖10 氰化物滲漏15年后對潛水—微承壓含水層的影響范圍

圖11 氰化物滲漏30年后對潛水—微承壓含水層的影響范圍

圖12 焦化廠區(qū)邊界點(diǎn)氰化物濃度變化

表2 氰化物滲漏對潛水—微承壓含水層的影響范圍

為了及時(shí)準(zhǔn)確掌握廠區(qū)及下游地區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量狀況，應(yīng)建立覆蓋全廠的地下水長期監(jiān)控系統(tǒng)，包括科學(xué)、合理地設(shè)置地下水污染監(jiān)控井，建立完善的監(jiān)測制度，如發(fā)現(xiàn)異?；虬l(fā)生事故，應(yīng)加密監(jiān)測頻次，并分析污染原因，及時(shí)采取相應(yīng)措施。

4 結(jié)論

數(shù)值模擬通過對含水層的概化和水文地質(zhì)參數(shù)的反復(fù)調(diào)整[3]，模擬結(jié)果精準(zhǔn)、合理，更加符合實(shí)際情況，且在地下水環(huán)境影響中可以直觀說明保護(hù)目標(biāo)受到的影響程度，利于制定合理可行的環(huán)境保護(hù)措施，可以為類似工程的地下水環(huán)境影響評價(jià)提供參考。

[1]環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心.HJ610-2011環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

[2]簡武，沈玲玲.淺議地下水模型在環(huán)評中的應(yīng)用[J].海峽科學(xué)，2009，26(2)：13-16.

[3]譚文清，孫春，胡婧敏，等.GMS在地下水污染質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬預(yù)測中的應(yīng)用[J].東北水利水電，2008，26(5)：54-55，59.

Application of Numerical Simulation in Groundwater Environmental Impact Assessment--Taking A Certain Coking Project as An Example

LI Yan-bing, ZHAO Feng-chang
(Sinoma Geological Engineering Exploration Academy Co., Ltd., BeiJing 100102, China)

Since the implementation of the environmental impact assessment technical guideline of groundwater environment, it puts forward the higher request to the EIA workers, and increases the difficulty of the groundwater environment impact prediction analysis. Based on a coking project as an example, this paper use which has been widely applied on the international GMS software, to simulate the migration of pollutants in the groundwater, and set environmental protection measures according to the results of the prediction ,for the EIA workers in the work for reference.

environmental impact assessment; numerical simulation of groundwater; GMS

X523；X820.3

A

1007-9386(2015)02-0050-04

2015-03-09