基于Feflow的地下水污染數(shù)值模擬及預(yù)測(cè)
——以寧波某印染廠為例

張 淼 潘 杰 劉生財(cái) 陸柯延

(浙江省工程勘察院，浙江 寧波315012)

基于Feflow的地下水污染數(shù)值模擬及預(yù)測(cè)
——以寧波某印染廠為例

張 淼 潘 杰 劉生財(cái) 陸柯延

(浙江省工程勘察院，浙江 寧波315012)

近年來(lái)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，寧波地區(qū)地下水生態(tài)環(huán)境受污染的風(fēng)險(xiǎn)程度顯著提高.以寧波某印染廠為例，為了分析其工業(yè)污水對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境的潛在威脅，利用Feflow軟件對(duì)研究區(qū)地下水滲流及溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行數(shù)值模擬.模擬結(jié)果表明：基于較為理想的地下水滲流模型，在一定假設(shè)條件下溶質(zhì)運(yùn)移模型可以較好地模擬污染物在地下水中的運(yùn)移規(guī)律.印染廠污水泄漏后將對(duì)研究區(qū)造成長(zhǎng)達(dá)10年的不利影響，20年后污染物濃度才逐漸消散.

Feflow軟件；地下水模型；溶質(zhì)運(yùn)移；化學(xué)需氧量

近年來(lái)，隨著我國(guó)人口的不斷增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，其中尤以水污染的形勢(shì)最為嚴(yán)峻.全國(guó)有400個(gè)城市開(kāi)采地下水，地下水的供水量占全國(guó)總供水量的20%以上.地表環(huán)境及土壤環(huán)境污染會(huì)加劇引發(fā)地下水污染，將直接對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅.現(xiàn)今研究資料表明在我國(guó)地下水作為主要水源之一正遭受著越來(lái)越嚴(yán)重的污染[1].寧波地區(qū)地處濱海平原，工業(yè)水平較高，大大增加了寧波地區(qū)地下水體受到污染的風(fēng)險(xiǎn).

近幾十年以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，我國(guó)地下水?dāng)?shù)值模擬也得以快速發(fā)展.目前我國(guó)地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用已遍及與地下水有關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域，數(shù)值模型在地下水污染評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)過(guò)程中起到了重要的作用[2].吳吉春等(1997)提出了一個(gè)越流含水層系統(tǒng)地下水污染的數(shù)學(xué)模型用于描述太原盆地地下水污染[3].邵景力等(2003)借助地下水?dāng)?shù)值模擬軟件對(duì)黃河下游影響帶地區(qū)沖積平原地下水系統(tǒng)進(jìn)行水資源評(píng)價(jià)[4].賀國(guó)平等(2003)對(duì)Feflow軟件進(jìn)行簡(jiǎn)介，借助其建立地下水水流模型并應(yīng)用到實(shí)際工作中[5].毛軍等(2007)運(yùn)用Feflow軟件對(duì)柴達(dá)木盆地中的香日德綠洲建立地下水模型，并進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)[6].徐鐵兵等(2014)通過(guò)對(duì)遷安市某場(chǎng)區(qū)建立地下水?dāng)?shù)值模型，并選用Cr6+作為模擬因子，對(duì)場(chǎng)地地下水污染模擬進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)[7].

本文以寧波市某印染廠為例，對(duì)廠區(qū)及其附近場(chǎng)地建立地下水滲流及污染物運(yùn)移模型.選取COD(化學(xué)需氧量)為指標(biāo)因子，建立該區(qū)域COD濃度隨時(shí)間擴(kuò)散關(guān)系的模型，并對(duì)場(chǎng)地污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià).

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件概況

研究區(qū)位于余姚黃家埠鎮(zhèn)回龍村，區(qū)域地形較為平坦，屬海積平原區(qū)，地面標(biāo)高3.1～5.2 m.地理坐標(biāo)位置為120°58′12″E，30°06′23″，研究區(qū)地理位置見(jiàn)圖1.

圖1 研究區(qū)地理位置圖

根據(jù)研究區(qū)地層巖性特征及水力性質(zhì)，將地下水類(lèi)型劃分為第四系素填土孔隙混合潛水.該潛水含水層的厚度一般為3～5 m，潛水水位埋深0.4～1.5 m.由于潛水含水層厚度較小，其富水性較弱，單井涌水量小于100 m3/d.研究區(qū)地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水及側(cè)向徑流補(bǔ)給，地下水排泄主要為蒸發(fā)排泄及人工開(kāi)采地下水.根據(jù)現(xiàn)有資料查明，余姚地區(qū)多年平均降雨量為1384 mm，多年平均蒸發(fā)量為820 mm.

2 研究區(qū)地下水溶質(zhì)運(yùn)移滲流數(shù)值模型

2.1 研究區(qū)模型建立基礎(chǔ)及范圍確定

根據(jù)研究區(qū)區(qū)域位置圖所示，研究區(qū)區(qū)域范圍較小，且周邊地表水系較為發(fā)育.考慮到地表水系與研究區(qū)地下水水利聯(lián)系較為密切，因此以廠區(qū)為中心，結(jié)合周邊居民點(diǎn)的位置，將研究區(qū)外擴(kuò)至地表水系所能圈閉的范圍(圖1).

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)及勘查資料，在垂向上將研究區(qū)概化為一個(gè)潛水含水層(素填土)與一個(gè)隔水層(淤泥質(zhì)黏土).在構(gòu)建模型中的三維地層結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)勘查資料確定各水層的頂?shù)装甯叱?在模型中，垂向上將頂面設(shè)置為自由邊界，是作為潛水含水層(素填土)與一個(gè)隔水層(淤泥質(zhì)黏土).在構(gòu)建模型中的三維地層結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)勘查資料確定各水層的頂?shù)装甯叱?在模型中，垂向上將頂面設(shè)置為自由邊界，是作為潛水含水層的自由水面，接受降雨補(bǔ)給，潛水蒸發(fā)排泄等.由于研究區(qū)邊界為地表水系，因此將區(qū)域側(cè)向邊界均概化設(shè)置為一類(lèi)水頭邊界，即定水頭邊界.

圖2 A-A’地質(zhì)剖面圖

表1 各含水層水文地質(zhì)參數(shù)

層號(hào)巖性滲透系數(shù)K/(cm·s-1)給水度/μ彈性釋水系數(shù)/(Sc·m)1素填土50×10-301010×10-32淤泥質(zhì)黏 土35×10-700320×10-3

研究區(qū)各地層水文地質(zhì)參數(shù)的確定依據(jù)以往地質(zhì)資料，最終確定各參數(shù)取值，詳見(jiàn)表1.

2.2 研究區(qū)數(shù)學(xué)模型及求解方法

本模型主要借助Feflow軟件對(duì)本次研究區(qū)的地下水水流模型進(jìn)行數(shù)值模擬求解方程.基于有限單元法的Feflow軟件是由德國(guó)著名的WASY水資源規(guī)劃和系統(tǒng)研究所于1979年開(kāi)發(fā)的，用于模擬多孔介質(zhì)中飽和非飽和的地下水水流與污染物運(yùn)移.研究區(qū)的地下水滲流模型可以概化為含水層介質(zhì)為非均質(zhì)各向同性的三維非穩(wěn)定流模型.因此研究區(qū)地下水滲流數(shù)學(xué)模型及其定解條件為公式1.

式中：H為水位 (m)；Z為第一潛水含水層底板高程 (m)；K為含水層滲透系數(shù) (m/d)；ε降雨滲入及農(nóng)業(yè)回歸強(qiáng)度 (m/d)；μ為第一潛水含水層給水度；W為越流強(qiáng)度 (1/d)；p為單位體積含水層開(kāi)采強(qiáng)度 (1/d)；S為承壓含水層貯水率 (1/m)；H0為初始水頭 (m)；Г1為一類(lèi)水頭邊界；H1為一類(lèi)邊界水位 (m).

2.3 模型離散化

利用Feflow軟件將研究區(qū)剖分為三角單元，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行單元離散化處理.在本模型中，研究區(qū)面積約為2.41km2，一共剖分為8806個(gè)三角單元，共計(jì)6810個(gè)結(jié)點(diǎn)，具體剖分結(jié)果見(jiàn)圖3.

其中，為了詳細(xì)刻畫(huà)印染廠對(duì)居民區(qū)及地表水系環(huán)境的影響，針對(duì)研究區(qū)內(nèi)廠區(qū)水井、臨近居民點(diǎn)水井以及研究區(qū)內(nèi)河流水系進(jìn)行了網(wǎng)格加密，其具體剖分情況如圖3所示.同時(shí)利用軟件完成了對(duì)模型的分層和地層標(biāo)高的賦值.具體的分層情況如圖4所示.

圖3 研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型剖分結(jié)果示意圖

圖4 研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)分層情況三維示意圖

2.4 模型識(shí)別與檢驗(yàn)

模型的設(shè)定是整個(gè)模擬過(guò)程中極為重要的部分，通常需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的修改測(cè)試才能得到較為理想的擬合結(jié)果.模型以2016年8月的研究區(qū)范圍內(nèi)潛水含水層地下水背景水位作為初始水位，其初始水位分布圖見(jiàn)圖5.

圖5 研究區(qū)地下水初始水位線分布圖

在模型識(shí)別之后，進(jìn)行模型的驗(yàn)證.根據(jù)已知的研究區(qū)邊界條件和研究區(qū)的源匯項(xiàng)變化情況，不改變含水層以及弱透水層的水文地質(zhì)參數(shù)，將模型向后運(yùn)行一段時(shí)間.驗(yàn)證時(shí)間長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)測(cè)資料來(lái)確定.將模型驗(yàn)證計(jì)算出來(lái)的水位和與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比.

本次預(yù)測(cè)模型選取2016年8月-11月的地下水位實(shí)測(cè)值對(duì)模型驗(yàn)證計(jì)算值進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)在研究區(qū)選取4眼有代表性的井來(lái)完成模型的識(shí)別驗(yàn)證.各監(jiān)測(cè)井的地下水水位過(guò)程線擬合情況具體見(jiàn)圖6.從中可以看出，模型對(duì)于研究區(qū)的實(shí)際水位情況可以進(jìn)行較為準(zhǔn)確的刻畫(huà)，基本達(dá)到模擬精度要求，符合研究區(qū)水質(zhì)地質(zhì)條件及水利特征.

圖6 各觀測(cè)井的地下水水位過(guò)程線識(shí)別及驗(yàn)證擬合曲線

3 研究區(qū)地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬

一般情況下，研究區(qū)內(nèi)印染廠生產(chǎn)過(guò)程中排放的污水會(huì)經(jīng)過(guò)污水管道直接運(yùn)輸?shù)轿鬯幚韽S，不會(huì)對(duì)區(qū)域內(nèi)地下水產(chǎn)生污染.如果印染廠污水站發(fā)生污水泄漏事故，將會(huì)直接污染研究區(qū)地下水.但污水在泄漏事故發(fā)生以后將會(huì)產(chǎn)生多大的影響范圍，地下水水質(zhì)指標(biāo)將發(fā)生怎樣變化.本文將通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行探討.

根據(jù)實(shí)際資料與上述分析結(jié)果，選擇COD作為溶質(zhì)運(yùn)移因子.COD指水中需要被氧化的還原性物質(zhì)的量，它反映了水中受還原性物質(zhì)污染的程度，其數(shù)值越高，就表示水中有機(jī)物污染越嚴(yán)重[9].它的影響范圍可以代表研究區(qū)污水滲入對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生影響的最大范圍和最大程度.根據(jù)研究區(qū)地下水水質(zhì)測(cè)試結(jié)果，區(qū)域地下水COD數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2.

3.1 地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬預(yù)測(cè)

為了了解印染廠發(fā)生污水泄漏事故后對(duì)研究區(qū)地下水可能產(chǎn)生的影響，利用Feflow軟件中溶質(zhì)運(yùn)移分析模塊，在已建立的滲流模型基礎(chǔ)上建立溶質(zhì)運(yùn)移模型，對(duì)地下水水質(zhì)的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)分析.

本次溶質(zhì)運(yùn)移模擬預(yù)測(cè)是假設(shè)印染廠發(fā)生污水泄漏事故，研究區(qū)1年、5年、10年及20年后地下水中COD濃度超過(guò)本底值的區(qū)域范圍，即COD濃度超過(guò)10 mg/L.污水泄漏事故假設(shè)條件為：印染廠污水池發(fā)生泄漏，滲漏量為：15 m3/d.假定滲漏持續(xù)時(shí)間為30 d后發(fā)現(xiàn)，則總滲漏量為450 m3.保守起見(jiàn)，不考慮包氣帶對(duì)污染物的截留作用，認(rèn)為所有污染物直接進(jìn)入含水層，假設(shè)主要污染物滲漏濃度為COD：650 mg/L，則COD污染物滲漏量為270 kg.

3.2 地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬預(yù)測(cè)結(jié)果

污水發(fā)生泄漏事故以后，模型以COD為模擬因子，超標(biāo)范圍(以超過(guò)本底值為限)、污染物最大運(yùn)移距離和最大濃度值見(jiàn)表3.

從溶質(zhì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，隨時(shí)間增長(zhǎng)，污染物超標(biāo)范圍先增后減，最大運(yùn)移距離持續(xù)增加，地下水中COD濃度逐漸減.如圖7所示為污水發(fā)生泄漏后，地下水中污染物影響范圍.從圖中可以看出，污染物的主運(yùn)移方向?yàn)闁|南向，同時(shí)向四周擴(kuò)散.地下水污染將對(duì)印染廠周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民日常生活產(chǎn)生不利影響.

表2 主要污染物檢出限、標(biāo)準(zhǔn)值及本底值

污染物檢出限/(mg·L-1)標(biāo)準(zhǔn)值/(mg·L-1)本底值/(mg·L-1)COD013010

表3 污水發(fā)生泄漏事故后地下水中COD污染影響情況表

預(yù)測(cè)年限/年COD超標(biāo)范圍/m2污染物最大運(yùn)移距離/m最大濃度值/(mg·L-1)182151262525599742151210101930236101620--869

圖7 潛水含水層預(yù)測(cè)年份污染物影響范圍圖

4 結(jié)論

(1)地下水滲流數(shù)值模型的模擬結(jié)果表明，借助Feflow軟件所建立的研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型是正確的，所選取的水文地質(zhì)參數(shù)及計(jì)算的匯源項(xiàng)基本合理.符合研究區(qū)地下水滲流基本規(guī)律，可作為研究區(qū)溶質(zhì)運(yùn)移模型的依據(jù).

(2)地下水污染對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)及生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，本文根據(jù)某印染廠污染物泄漏假設(shè)條件，借助Feflow軟件探究污染物在地下水中運(yùn)移的基本規(guī)律.預(yù)測(cè)結(jié)果表明：污染物泄漏后10年內(nèi)會(huì)對(duì)印染廠周邊地下水環(huán)境產(chǎn)生不利影響，污染物最大遷移距離為236 m，最大濃度為10.16 mg/L，污染物將會(huì)對(duì)周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民日常生活產(chǎn)生不利影響.20年后，污染物對(duì)周邊地下水的不利影響逐漸消失，污染物最大濃度低于本底值.

[1]薛禹群,張幼寬.地下水污染防治在我國(guó)水體污染控制與治理中的雙重意義[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(3):474-481.[2]薛禹群.中國(guó)地下水?dāng)?shù)值模擬的現(xiàn)狀與展望[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào),2010,16(1):1-6.

[3]吳吉春,薛禹群,張志輝,等.太原盆地地下水污染數(shù)值模擬[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1997(3):70-79.[4]邵景力,崔亞莉,趙云章,等.黃河下游影響帶(河南段)三維地下水流數(shù)值模擬模型及其應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版),2003(1):51-55.

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(責(zé)任編輯 魯越青)

Numerical Simulation and Prediction of Groundwater Pollution Based on Feflow ——An Illustrative Study of a Printing and Dyeing Factory in Ningbo

Zhang Miao Pan Jie Liu Shengcai Lu Keyan

(Zhejiang Engineering Prospecting Institute, Ningbo, Zhejiang 315012)

In recent years, with the rapid development of social economy, there has been a marked rise in the risk of pollution of groundwater ecological environment in Ningbo. In order to analyze the potential threat of industrial wastewater to local groundwater environment, the groundwater seepage model and solute transport model in the study area were conducted by Feflow. The simulation results show that the solute transport model can simulate the transport of pollutants in groundwater based on the ideal groundwater seepage model. The leakage of the pollutants from the printing and dyeing factory will affect the study area in the next 10 years until the pollutants gradually dissipate in 20 years.

Feflow; groundwater model; solute transport; COD

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2017.07.004

P641.69

A

1008-293X(2017)07-0021-07

2017-01-11 作者簡(jiǎn)介：張 淼(1991- )，男，山東鄆城人，浙江省工程勘察院助理工程師，研究方向：水文地質(zhì).