Visual MODFLOW在地下水模擬中的應用分析

李強+于維坤+李騰飛+李偉華

【摘要】：采用Visual MODFLOW預測諸暨某廠區(qū)建成投產(chǎn)后流場的變化，建立地下水數(shù)值模型。在此基礎上，利用Visual MODFLOW軟件中的MT3DMS 模塊，選取CODCr為溶質(zhì)進行污染物運移模擬，預測地下水中污染物的運移情況。結果表明：擬建項目正常運行情況下，生產(chǎn)污水對地下水水質(zhì)的影響很??；在非正常工況下，廢水泄漏進入地下水，地下水中CODCr濃度達到最大值為16mg/L，最大遷移距離為180m。

【關鍵詞】：地下水；數(shù)值模擬；Visual MODFLOW；CODCr

1、當前地下水流和溶質(zhì)運移的研究中，常用的方法有解析法、數(shù)值法和實驗法。水文地質(zhì)領域的數(shù)值模擬方法主要有有限差分法、有限元法、邊界單元法和有限分析法。地下水模擬在地下水研究中發(fā)揮著越來越重要的作用，目前流行的地下水模擬軟件主要有GMS、Visual MODFLOW、FEFLOW、TOUGH2等。筆者采用Visual MODFLOW軟件模擬研究諸暨某擬建廠區(qū)投產(chǎn)后廢水泄漏對地下水的影響。

1.1 模擬范圍

綜合考慮擬建項目周圍的區(qū)域地形地貌特征、水文特征、地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和周圍的地下水環(huán)境敏感目標等因素，結合本次實地勘探和水質(zhì)分析結果，模擬計算范圍約為1.8km2。根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料，研究區(qū)地面高程范圍為15～20m，淺層含水層大多集中在-3～-1m，其下為相對隔水層。該區(qū)域面積較小，水文地質(zhì)條件差異性不大，可視為單一性質(zhì)含水層。該區(qū)域含水層主要巖性為粉質(zhì)黏土，滲透性能較差，含水層滲透系數(shù)為0.5m/d。

1.2 網(wǎng)格剖分

考慮到模擬精度尤其是溶質(zhì)遷移模型精度的要求，根據(jù)模擬區(qū)水文地質(zhì)條件，在垂向上將模擬區(qū)劃為一層；各層南北長1.0km，東西長1.7km，在水平方向上用正交網(wǎng)格進行剖分，網(wǎng)格數(shù)目為100×200，單個網(wǎng)格大小為10m×8.5m。

1.3 邊界條件

利用觀測水位資料，確定研究區(qū)中部渠道為河流邊界，并確定西部和南部定水頭邊界。將研究區(qū)概化為具有穩(wěn)定的空間結構，地下水位連續(xù)三維非均值各向同性的非穩(wěn)定流概念模型。

1.4 地下水數(shù)值模型

式中，μs表示儲水率（1/m）； h表示含水層水位高程（m）；t表示模擬時間段內(nèi)的時間（d）； K表示滲透系數(shù)（m/d）；W表示源匯項（m3/d）； h（x，y，z，t）表示邊界上的已知水位函數(shù)（m）；q（x，y，z，t）為第二類邊界流量函數(shù)（m3/d·m）； k表示三維空間上的滲透系數(shù)張量；Γ1為一類邊界；Γ2為二類邊界；n為邊界Γ2的外法線方向。

1.5 污染運移模擬

1.5.1 潛在污染源分析

項目的廢水主要為染整廢水（包括前處理、染色）、地面沖洗水、設備冷卻水、蒸汽冷凝水和員工生活污水。各股廢水可劃分為高濃度生產(chǎn)廢水、低濃度生產(chǎn)廢水及生活污水三種。項目產(chǎn)生的廢水按分質(zhì)收集后，分別經(jīng)現(xiàn)有廢水處理設施預處理，其中高濃度生產(chǎn)廢水經(jīng)預處理達標后納管；低濃度生產(chǎn)廢水部分經(jīng)深度處理后通過供水系統(tǒng)回用；生活污水經(jīng)化糞池、隔油池預處理后與生產(chǎn)廢水一道納管。

1.5.2 污染物遷移情景設置

正常狀況下，廢水經(jīng)過現(xiàn)有廢水處理設施處理后，納入諸暨市污水處理廠集中處理。擬建項目對地下水環(huán)境可能產(chǎn)生的影響，主要為非正常狀況。本次模擬設置模擬情景為非正常狀況生產(chǎn)發(fā)生泄漏進入地下水含水層，預測廢水中污染物在含水層中的濃度變化、影響范圍和超標情況。

廠區(qū)污水處理站人工防滲層局部發(fā)生泄漏，污染物以200L/d的泄漏速度進入地下水含水層。泄漏污水中主要污染物濃度為CODCr2500mg/L。持續(xù)泄露7d，后經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)破裂后修補，污水不再滲入地下水。模擬總時長為5000d。

1.5.3 污染物運移數(shù)學模型

根據(jù)評價區(qū)地下水流實際情況和污染物運移的一般規(guī)律，可建立以下數(shù)學模型來表示污染物進入評價區(qū)含水層后在地下水中的遷移過程：

式中：R遲滯系數(shù)為1； 為土壤人孔隙率； 為組分濃度（mg/L）； 為彌散系數(shù)（m2/d）； 為地下水速度張量；W為水流的源匯項。

聯(lián)立地下水流方程和污染物運移方程求解即可獲得污染物在含水層中的濃度分布數(shù)據(jù)。本次采用數(shù)值模擬方法對聯(lián)立的數(shù)學模型進行計算。污染物運移過程的模擬，將在Visual Modflow軟件建立的水流數(shù)值模型的基礎上，疊加該軟件中的MT3D模塊進行。

1.5.4 模擬預測

模擬非正常狀況下，0-7d內(nèi)，污染物持續(xù)進入地下水中，7d時，泄漏停止，此時泄漏中心點污染物濃度達到最大濃度為16mg/L。隨著時間的推移和水流運動，污染暈以泄漏點為中心，向四周擴散。100d時，污染暈最大濃度為4mg/L。500d時，污染暈最大濃度為0.9mg/L。1000d時，污染暈最大濃度為0.6mg/L，5000d時，污染暈最大濃度為0.06mg/L。該區(qū)域水力坡度較大，地下水流交互作用強度一般，污染暈沿著水流方向最大遷移距離約180m。

1.5.5 污染風險預測分析

在非正常狀況下，高濃度生產(chǎn)廢水防滲層出現(xiàn)破裂，廢水中的CODCr泄露排放進入地下水，不考慮包氣帶的滯留作用、包氣帶和飽和帶對污染物的消減作用、污染物的自然降解作用等。該地區(qū)滲透性能較差，水力坡度較大，地下水流交互作用一般。5000d模擬期內(nèi)地下水中CODCr濃度達到最大值為16mg/L，最大遷移距離約180m。污染暈范圍較小，易于控制，采取垂直防滲墻和原位異位修復能有效控制和削減地下水中的濃度。

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