基于Visual Modflow的某化工園區(qū)地下水污染預(yù)測(cè)

張　韻，龔繼文，程艷茹，趙　麗，鄧春光

(1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147；2. 重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045)

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基于Visual Modflow的某化工園區(qū)地下水污染預(yù)測(cè)

張韻1，龔繼文2，程艷茹1，趙麗1，鄧春光1

(1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147；2. 重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045)

[摘要]根據(jù)長(zhǎng)壽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)水文地質(zhì)條件，應(yīng)用Visual Modflow軟件建立研究區(qū)地下水水流和溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模型，對(duì)表面處理園污水處理站污水處理池池底泄露后Cr6+在地下水中的遷移趨勢(shì)和環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明: Cr6+向河流方向運(yùn)移，10后運(yùn)移距離為112 m，污染停止泄露后濃度由30 mg/L降至9 mg/L。雖然污染范圍相對(duì)較小且無居民區(qū)及環(huán)境敏感點(diǎn)，但對(duì)地下水水質(zhì)影響嚴(yán)重。針對(duì)化工園區(qū)企業(yè)數(shù)量較多、企業(yè)類型多樣、廢水污染物種類繁多且危害性大等特點(diǎn)，需加強(qiáng)園區(qū)地下水監(jiān)管。

[關(guān)鍵詞]Visual Modflow；數(shù)值模擬；地下水；化工園區(qū)；污染

長(zhǎng)壽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)是重慶市集天然氣化工、石油化工、生物質(zhì)化工、精細(xì)化工和新材料產(chǎn)業(yè)于一體的綜合性經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。園區(qū)不采用當(dāng)?shù)氐叵滤?，后期建設(shè)和發(fā)展不會(huì)引起地下水流場(chǎng)和地下水水位變化，但園區(qū)入駐企業(yè)增多會(huì)導(dǎo)致地下水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)增加。而且園區(qū)的污染物以有機(jī)污染和重金屬為主，一旦發(fā)生泄漏，可能導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果[1]。為有效防范地下水污染，保護(hù)地下水環(huán)境，應(yīng)根據(jù)園區(qū)的地下水環(huán)境特征、水文地質(zhì)條件等，預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)園區(qū)污染源對(duì)地下水環(huán)境可能造成的污染程度，提出防治措施。

利用數(shù)值模擬軟件對(duì)地下水流場(chǎng)和溶質(zhì)運(yùn)移等問題進(jìn)行計(jì)算分析，是目前研究地下水流動(dòng)、評(píng)價(jià)地下水環(huán)境狀況的主要技術(shù)之一[2]。地下水?dāng)?shù)值模擬軟件主要有基于有限差分原理的GMS(Groundwater Modeling System)、Visual Modflow和基于有限元原理的FEFLOW等[3]。本文采用國(guó)際上最為流行的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)——Visual Modflow軟件[4-6]模擬長(zhǎng)壽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)園區(qū)污染源非正常工況下泄漏廢水在地下水的污染遷移過程。

1研究區(qū)概況

1.1水文地質(zhì)概況

地下水賦存類型主要為松散巖類孔隙水、基巖淺層風(fēng)化帶中的網(wǎng)狀裂隙水和含水層層間裂隙水。地下水主要接收區(qū)域獨(dú)立水文單元范圍內(nèi)大氣降雨補(bǔ)給，以基巖裂隙為通道下滲至泥巖和頁(yè)巖等隔水層頂板排泄，或透水層層間流動(dòng)排泄，在地形較陡地段基巖裸露條件下以泉眼、河流排泄，一般徑流途徑較短，具有就近補(bǔ)給、就近排泄的特點(diǎn)。

1.2地下水質(zhì)量現(xiàn)狀

研究區(qū)地下水礦化度多在500 mg/L以下，水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg型水和HCO3-Ca型水。根據(jù)單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)，研究區(qū)地下水水質(zhì)不滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)指標(biāo)主要為高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、錳。農(nóng)業(yè)面源和居民生活廢水影響導(dǎo)致地下水生活類因子超標(biāo)；根據(jù)《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告(重慶市)》，規(guī)劃區(qū)域?yàn)榈厍蚧瘜W(xué)背景錳分布異常地帶，背景值錳含量較高導(dǎo)致地下水錳超標(biāo)。

2水流模型的建立

2.1水文地質(zhì)概念模型

2.1.1邊界概化

將模擬區(qū)域的邊界擴(kuò)展至一個(gè)相對(duì)獨(dú)立水文地質(zhì)單元，邊界設(shè)置為：西側(cè)為自然分水嶺邊界；西北側(cè)為明月山，由于明月山距離評(píng)價(jià)區(qū)遠(yuǎn)，地勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于評(píng)價(jià)區(qū)且處于評(píng)價(jià)區(qū)上游，故在西北側(cè)以評(píng)價(jià)區(qū)外1 000 m保守影響范圍為分水嶺和流量邊界；東側(cè)以菩提山和牛心山為自然分水嶺邊界；南側(cè)以長(zhǎng)江為定水頭邊界；晏家河干流(藍(lán)色)為河流邊界，晏家河支流(綠色)用排水渠來概化[7]，如圖1。

圖1　模擬區(qū)位置及邊界

2.1.2含水層概化

研究區(qū)地層中素填土、砂巖、灰?guī)r和白云巖為含水層，是地下水的主要賦存場(chǎng)所；粉質(zhì)粘土、泥巖、泥頁(yè)巖、頁(yè)巖為相對(duì)隔水層。受巖性和地形地貌影響，地下水主要賦存于淺層風(fēng)化帶、含水層層間裂隙中，屬潛水，在該面上存在大氣降水入滲、地表水入滲補(bǔ)給及潛水蒸發(fā)排泄等垂向水量交換；含水層底部分布較為完整且連續(xù)的泥巖，概化為潛水含水層隔水底板。因此，本次模型區(qū)地下水系統(tǒng)可概化為非均質(zhì)各向異性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定流潛水地下水系統(tǒng)。

2.2數(shù)值模型

利用Visual Modflow建立地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)值模型。

2.2.1模型離散

模型空間范圍x方向11.0 km，y方向13.0 km，總面積為62.3 m2。將其平面剖為25×25 m的單元格，共計(jì)440行×489列，215 160個(gè)單元格，其中有效單元格105 503個(gè)。

模型為非穩(wěn)定流，模擬預(yù)測(cè)期為2014年1月至2024年1月。2014年1月調(diào)查的水位作為初始流場(chǎng)，2014年8月調(diào)查的水位作為模型參數(shù)識(shí)別校正流場(chǎng)。模型模擬的時(shí)間單位為3 650 d。

2.2.2模型識(shí)別與驗(yàn)證

根據(jù)研究區(qū)地層巖性、抽水和滲水試驗(yàn)等，在平面上將潛水含水層分為3個(gè)參數(shù)分區(qū)并給定初始值(分區(qū)見圖2)。通過反演計(jì)算，求得各分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)，見表1。潛水頂部接受大氣降雨補(bǔ)給，本次計(jì)算將大氣降雨入滲補(bǔ)給和地下水蒸發(fā)綜合考慮，結(jié)合地形地貌和巖性特征，大氣降雨入滲系數(shù)見表2。

這第二種“正在形成或者繼續(xù)重建”的結(jié)構(gòu)與存在論中的建構(gòu)結(jié)構(gòu)似乎具有某些相通之處。前提是，如果我們以存在主義觀點(diǎn)而非生物主義觀點(diǎn)來給這第二種結(jié)構(gòu)定下基調(diào)——從人的活動(dòng)即“此在”結(jié)構(gòu)出發(fā)，就可以將“民間故事活動(dòng)”看成一個(gè)“開放的活的”結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，始終處于未封閉的形成過程中，并通過不斷的交流進(jìn)行調(diào)節(jié)達(dá)到暫時(shí)平衡。[注]此觀點(diǎn)詳見張瓊潔《當(dāng)代民間故事活動(dòng)價(jià)值發(fā)生研究》，《民族文學(xué)研究》，2018年，第1期。

表1　模型水文地質(zhì)參數(shù)

表2　有效大氣降雨入滲系數(shù)

圖2為模型模擬末期水位觀測(cè)值與計(jì)算值的擬合圖。9個(gè)觀測(cè)井的水位觀測(cè)值與計(jì)算值的擬合誤差的歸一化均方根為4.8 %，即模擬的地下水水位擬合效果較好，模擬出的研究區(qū)地下水流場(chǎng)(圖3)可較為真實(shí)的反應(yīng)研究區(qū)地下水水位。根據(jù)圖3可知，研究區(qū)地下水流向由北向南，地下水流場(chǎng)流向基本與地表水徑流流向相似；表面處理園污水處理站臨近晏家河支流和晏家河干流，受地形地貌和水文條件控制，該區(qū)域地下水向河流方向流動(dòng)。

圖2　觀測(cè)井水位觀測(cè)值與計(jì)算值擬合圖

圖3　模擬區(qū)地下水流場(chǎng)

3溶質(zhì)運(yùn)移模型的建立

溶質(zhì)運(yùn)移模擬的范圍和邊界位置與水流模型一致，邊界性質(zhì)按已知濃度邊界處理，濃度值按當(dāng)?shù)厮斜镜字递斎?。正常工況下，園區(qū)所有污水經(jīng)污水處理廠處理達(dá)標(biāo)排放，污染物下滲污染地下水可能極小。本次模擬考慮非正常工況下，污水處理廠污水處理池底破裂發(fā)生泄漏從而導(dǎo)致污染物持續(xù)污染污染地下水的情況。

園區(qū)內(nèi)有表面處理園污水處理站、MDI事故池、中法污水處理站、川維污水處理廠等多個(gè)污水處理廠，考慮廢水排放量、污染物濃度及其危害性，選取表面處理園污水處理站開展模擬，六價(jià)鉻(Cr6+)為模擬因子。處理站日處理含鉻廢水700 m3，Cr6+濃度114 mg/L。假設(shè)污水處理池出現(xiàn)破損后，100 d內(nèi)被發(fā)現(xiàn)采取措施后，停止泄露。

本次模擬將上述污染源以點(diǎn)源形式設(shè)定濃度邊界，污染源位置按實(shí)際設(shè)計(jì)概化(位置見圖1)。模擬采取Visual Modflow和MT3D進(jìn)行計(jì)算，模擬過程采取保守參數(shù)，過程不考慮吸附、化學(xué)反應(yīng)等因素，重點(diǎn)考慮對(duì)流、彌散作用。

4地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)分析

參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)，Cr6+檢出下限0.004 mg/L，III類標(biāo)準(zhǔn)為0.05 mg/L。由于本底值中未檢出Cr6+，故設(shè)檢出下限為運(yùn)移平面圖污染煙羽的外邊界等濃度線值。Cr6+泄露后運(yùn)移100 d、1 000 d、3 650 d的情況見表3和圖4。

表3　Cr6+運(yùn)移影響統(tǒng)計(jì)

圖4　Cr6+運(yùn)移影響平面圖

在非正常工況下，受地形地貌及水文地質(zhì)條件的限制，Cr6+沿地下水流場(chǎng)水流方向向晏家河運(yùn)移(圖6)，污染遷移擴(kuò)散相對(duì)較慢。如表3所示，在Cr6+泄露發(fā)生100 d時(shí)，Cr6+最大運(yùn)移距離為65 m，而模擬泄露10 a后，Cr6+最大運(yùn)移距離僅擴(kuò)大到112 m。泄露初期，隨時(shí)間推移，Cr6+濃度和污染面積逐漸增加，但100 d停止泄露后，Cr6+隨地下水流運(yùn)移并不斷被稀釋，濃度均呈減小趨勢(shì)。100天時(shí)Cr6+污染影響面積達(dá)到9 414 m2，超標(biāo)范圍6 902 m2，最大濃度為30 mg/L；模擬末期(10a)，影響范圍為22 506 m2，超標(biāo)范圍12 874 m2，但最大濃度減小為9 mg/L。

根據(jù)調(diào)查，此模擬條件下Cr6+10年的污染影響范圍內(nèi)無居民區(qū)及環(huán)境敏感點(diǎn)(泉井)。因此，非正常工況下污水滲漏對(duì)研究區(qū)環(huán)境敏感點(diǎn)無影響。然而表面處理園污水處理站Cr6+初始濃度較高，Cr6+泄露進(jìn)入地下水中后雖然被不斷遷移、稀釋，但濃度至模擬期結(jié)束時(shí)依然超標(biāo)，甚至可能存在部分污染物地形較陡地段基巖裸露條件下以泉眼、河流排泄流入晏家河或其支流。因此，表面處理園污水處理站滲漏不僅對(duì)研究區(qū)地下水環(huán)境總體影響較大，還可能影響地表水，需做好基本防滲措施，并加強(qiáng)日常監(jiān)管，一旦發(fā)現(xiàn)泄露要及時(shí)采取應(yīng)急措施。

5結(jié)論與建議

本文應(yīng)用Visual Modflow模擬軟件結(jié)合園區(qū)的水文地質(zhì)條件開展園區(qū)地下水環(huán)境污染預(yù)測(cè)，該方法可用于同類型工況場(chǎng)地的地下水污染預(yù)測(cè)，為環(huán)境污染防治、應(yīng)急、日常監(jiān)管提供依據(jù)。

5.1結(jié)論

(1) 受地形地貌和水文地質(zhì)條件控制，研究區(qū)地下水流向由北向南，地下水流場(chǎng)流向基本與地表水徑流流向相似；表面處理園污水處理站附近地下水向臨近的晏家河支流和晏家河干流方向流動(dòng)。

(2) Cr6+沿地下水流場(chǎng)水流方向向晏家河運(yùn)移，污染遷移擴(kuò)散相對(duì)較慢，10 a后最大運(yùn)移距離僅擴(kuò)大到112 m；隨時(shí)間推移，Cr6+污染面積逐漸增加，但污染停止泄露后，Cr6+繼續(xù)擴(kuò)散，濃度由30 mg/L降至9 mg/L。

(3) 影響范圍相對(duì)較小，且影響范圍內(nèi)無居民區(qū)及環(huán)境敏感點(diǎn)，但園區(qū)污染源源強(qiáng)補(bǔ)給大，Cr6+初始濃度較高，一旦發(fā)生泄漏進(jìn)入地下水將會(huì)嚴(yán)重影響地下水水質(zhì)，導(dǎo)致地下水污染超標(biāo)。

5.2建議

(1) 重視已建項(xiàng)目對(duì)地下水環(huán)境的影響，加強(qiáng)運(yùn)行管理，設(shè)備維護(hù)，防治跑冒漏滴情況的發(fā)生；認(rèn)真規(guī)劃擬建項(xiàng)目，規(guī)范工程防滲、分區(qū)防滲。

(2) 根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)類型，從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，加強(qiáng)項(xiàng)目建設(shè)區(qū)周邊環(huán)境地下水監(jiān)測(cè)，尤其是項(xiàng)目建設(shè)區(qū)下游方向及可能受到環(huán)境影響的敏感區(qū)域。建議在工程項(xiàng)目修建和運(yùn)營(yíng)期間按相關(guān)規(guī)范布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)易污染地下水的項(xiàng)目建設(shè)區(qū)實(shí)施實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地下水監(jiān)測(cè)，確保區(qū)內(nèi)地下水環(huán)境保持良好狀態(tài)。

(3) 建立應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，一旦發(fā)生事故，則啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

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Forecast of Groundwater Pollution in a Chemical Industrial Park by Visual Modflow

ZHANGYun1，GONG Ji-wen2，CHENG Yan-ru1，ZHAOLi1，DENG Chun-guang1

(1.Chongqing Research Institute of Environmental Sciences, Chongqing 401147, P. R. China；2.Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, China)

Abstract:According to the hydrogeological conditions of Changshou Economic and Technological Development Zone, the groundwater flow and solute transport models were established by the Visual Modflow software, which was used to conduct a numerical simulation that forecast the transport process and the environmental impacts of Cr6+ in groundwater after sewage leakage happened in sewage treatment pond bottom of the surface treatment Park. The results show that the contamination plume of Cr6+ transports towards the river, the distance of contamination transport is 112m in 10 years, the concentration of Cr6+ in groundwater from the 30 mg.L-1 to 9 mg.L-1 after pollution stopped leaking. Although the scope of pollution is relatively small，no residential and environmentally sensitive point in this scope, but a serious impact on groundwater quality. The companies of the Chemical Industrial Park are numerous and diverse，pollutants of wastewater are hazardous. Therefore, the Chemical Industrial Park need to strengthen supervision of groundwater.

Key words:Visual Modflow；numerical simulation；groundwater；chemical industrial park and pollution

[中圖分類號(hào)]X523

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)02-0088-03

[作者簡(jiǎn)介]張韻(1984-)，女，重慶涪陵人，工程師，主要從事水環(huán)境污染防治工作。

[基金項(xiàng)目]環(huán)保重大專項(xiàng)全國(guó)地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況調(diào)查評(píng)估(N0.2110302)

[收稿日期]2015-11-16