北方物流城地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

張俊棟，劉文利

(1.河北省唐山水文水資源勘測(cè)局，河北 唐山 063017；2.唐山市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，河北 唐山 063000)

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北方物流城地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

張俊棟1，劉文利2

(1.河北省唐山水文水資源勘測(cè)局，河北 唐山 063017；2.唐山市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，河北 唐山 063000)

北方物流城在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生生產(chǎn)垃圾與生產(chǎn)廢水、生活垃圾和生活污水，區(qū)域地下水環(huán)境質(zhì)量較差，分析地下水流場(chǎng)變化特征，根據(jù)污染物排放情況，確定污染指標(biāo)，設(shè)定污染情景和源強(qiáng)，采用ModFlow三維水流模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型對(duì)北方物流城地下水環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示：區(qū)域內(nèi)淺層潛水水質(zhì)相對(duì)較差，主要超標(biāo)污染物為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，含水層巖性為中粗砂和卵礫石，滲透性強(qiáng)，地下水流水力坡度大，污染物運(yùn)移快，地下水極易受到污染，主要污染物為氨氮和CODCr。在無防滲或事故有防滲破裂情境下，淺層潛水會(huì)受到污染，如果疊加出現(xiàn)防滲層破損情況，造成地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)加大。為保護(hù)地下水環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

地下水環(huán)境；影響；預(yù)測(cè)；評(píng)價(jià)

北方物流城在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生生產(chǎn)垃圾與生產(chǎn)廢水、生活垃圾與生活污水，如果防滲不及時(shí)到位，不但污染土壤，而且地表垃圾經(jīng)過雨水淋濾形成的滲濾液及生產(chǎn)、生活廢污水會(huì)對(duì)地下水環(huán)境造成污染。由于該區(qū)含水層多為中粗砂和卵礫石層，地下水流流暢，污染物運(yùn)移快，地下水很容易受到污染[1]。而地下水一旦遭受污染，因其隱蔽性和難以逆轉(zhuǎn)性，地下水環(huán)境很難恢復(fù)[2]。因此，通過對(duì)現(xiàn)狀地下水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，研究區(qū)域地下水流場(chǎng)變化特征和污染物的運(yùn)移規(guī)律，對(duì)北方物流城運(yùn)行可能造成的地下水環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，進(jìn)而為保護(hù)地下水環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 現(xiàn)狀地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

1.1 地下位監(jiān)測(cè)與水流場(chǎng)特征

北方物流城項(xiàng)目區(qū)地處燕山南麓沖洪扇平原，含水層在垂向上分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水組，上部第Ⅰ+Ⅱ含水組屬孔隙潛水，巖性以細(xì)砂、中粗砂和卵礫石為主，厚度20～80 m，單位涌水量65～92 m3/h·m，富水性強(qiáng)。下部第Ⅲ+Ⅳ含水組屬孔隙承壓水，含水層巖性由卵石和中粗砂夾粘土、細(xì)砂組成，單位涌水量15～52 m3/h·m，富水性較強(qiáng)-中等。

為掌握項(xiàng)目區(qū)地下水流場(chǎng)變化特征，在已有觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，布設(shè)了42眼監(jiān)測(cè)井，其中潛水井30眼，承壓水井12眼，選擇3月、6月和9月作為一個(gè)連續(xù)水文年的平水期、枯水期和豐水期。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，淺層地下水埋深季節(jié)變化較大，地下水埋深20～35 m，最大埋深為34.72 m，地下水流總體自東北向西南流動(dòng)，枯水期因補(bǔ)給不足，加之受企業(yè)及地下水源地長期開采影響，地下水流場(chǎng)有所改變，地下水流分別自東北和西南向漏斗中心區(qū)匯集。深層地下水埋深25～35 m，由西向東逐漸變大，枯水期最大埋深為34.00 m，地下水流自北分別向西南和東南方流動(dòng)，監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)沒有深層地下水漏斗出現(xiàn)。

1.2 地下水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)井25眼，其中潛水井18眼，承壓水井7眼。根據(jù)豐、平、枯水期水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，評(píng)價(jià)指標(biāo)選取溶解性總固體、pH值、總硬度、氯化物、硫酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、氟化物、氰化物、砷、揮發(fā)酚、六價(jià)鉻、銅、鉛、鎘、鐵、錳、汞等20項(xiàng)，采用綜合評(píng)價(jià)方法按《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)項(xiàng)目區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在參與評(píng)價(jià)的18眼潛水井中，有9眼水質(zhì)類別為Ⅲ類，水質(zhì)質(zhì)量良好，達(dá)標(biāo)率50%；有 9處水質(zhì)類別為Ⅳ類或Ⅴ類，水質(zhì)質(zhì)量較差，主要污染指標(biāo)為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮。造成污染超標(biāo)的原因有兩個(gè)，一是廢污水滲漏、垃圾淋濾下滲等點(diǎn)源污染，二是長期過多施用氮肥和有機(jī)肥造成面源污染。從年內(nèi)變化看，污染指標(biāo)亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮平水期含量最高，枯水期次之，豐水期最小，但年內(nèi)濃度梯度變化較小。

深層承壓水水質(zhì)質(zhì)量較好，在參與評(píng)價(jià)的7眼承壓水井中，有1眼井水質(zhì)質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良，其余為良好。

2 地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)

北方物流城項(xiàng)目區(qū)敏感點(diǎn)為豐潤第二地下水源地和周圍村莊居民飲用水源井，項(xiàng)目運(yùn)行初期采用深層地下水供水，地下水流場(chǎng)變化可能對(duì)敏感點(diǎn)造成影響，運(yùn)行期產(chǎn)生的廢污水和垃圾若處理不當(dāng)可能對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境造成污染。本次采用ModFlow三維水流模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型模擬和預(yù)測(cè)地下水流場(chǎng)變化，并對(duì)污染物排放在正常和事故工況下造成的地下水環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測(cè)[3][4]。

2.1 地下水流場(chǎng)預(yù)測(cè)

項(xiàng)目區(qū)基本上處于一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元—山前沖洪積扇頂部水文地質(zhì)亞區(qū)，含水層垂向上呈層狀分布，其透水性隨方向變化不明顯，上部潛水含水層和下部承壓水含水層之間具有穩(wěn)定的粘土層，在水平方向上與區(qū)外含水層存在著密切水力聯(lián)系，因此可將含水層系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向同性、具有通用水頭邊界的三維非穩(wěn)定地下水水流系統(tǒng)。建立的數(shù)學(xué)模型如下：

H1(x，y，z，0)=H10(x，y，z) (x，y，z)∈Ω t>0

H2(x，y，z，0)=H20(x，y，z) (x，y，z)∈Ω t>0

式中符號(hào)意義可參考文獻(xiàn)[5][6]，在此不贅述。

建立地下水流數(shù)學(xué)模型后，通過離散化處理[5][6]，將項(xiàng)目區(qū)剖分成130行160列20 800個(gè)矩形單元網(wǎng)格，同時(shí)設(shè)定相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)和降水入滲量、井灌回歸量和地下水開采量等源匯項(xiàng)，即可進(jìn)行剖分單元的規(guī)則滲流計(jì)算。本次選用2015年3月～9月潛水和承壓水地下水位資料，對(duì)建立的數(shù)值模型進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證，數(shù)值模擬的地下水流場(chǎng)與同時(shí)期實(shí)際觀測(cè)結(jié)果基本一致，確定了相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)和邊界條件，即可利用該模型進(jìn)行地下水流場(chǎng)預(yù)測(cè)。

利用上述識(shí)別和驗(yàn)證的地下水流數(shù)學(xué)模型，按照既定開采方案，對(duì)項(xiàng)目區(qū)地下水流場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，至2020年受工業(yè)及水源地大量開采地下水的影響，地下水位呈下降趨勢(shì)，-3 m水位線漏斗面積42.36 km2，較2015年枯水期增加了29.88 km2；漏斗區(qū)中心水位達(dá)-8.51 m，較2015年同期的-4.56 m下降了3.95 m。至2025年和2030年，由于物流城改用地表水集中供水，漏斗中心水位開始恢復(fù)，2025年漏斗中心水位-6.75 m，較2020年同期恢復(fù)了1.76 m，-3 m封閉水位線漏斗面積比2020年同期減少了10.58 km2；2030年漏斗中心水位-6.12 m，與2020年和2025年相比恢復(fù)了2.39 m和0.63 m，-3m封閉水位線漏斗面積分別減少了11.54 km2和0.96 km2。

2.2 地下水污染預(yù)測(cè)

北方物流城項(xiàng)目運(yùn)行期主要有16家生產(chǎn)用水企業(yè)產(chǎn)生廢污水，污染指標(biāo)為氨氮和CODcr，隨著給排水設(shè)施的完善和防滲措施的實(shí)施，廢污水全部排入污水處理廠集中處理，沒有污染物外排，在正常工況下不會(huì)對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生影響，僅在無防滲和防滲措施失效事故工況下才會(huì)對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生影響。在地下水流場(chǎng)模擬預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，釆用溶質(zhì)運(yùn)移模型對(duì)上述兩種情景下可能造成的地下水污染進(jìn)行預(yù)測(cè)。數(shù)學(xué)模型如下：

C(x，y，z，t)=C0(x，y，z，t)

式中符號(hào)意義可參考文獻(xiàn)[3][7]， Dij根據(jù)彌散試驗(yàn)確定，縱向彌散度為0.295 m。

2.2.1 正常工況無防滲情景

正常工況下，污水管道的跑、冒、滴、漏量按流通量的0.1%考慮。假設(shè)泄漏量全部通過地表進(jìn)入地下水，設(shè)定源強(qiáng)為： 2020年氨氮0.56 kg/d、CODCr163 kg/d；2020年后氨氮7.739 kg/d，CODCr259.6 kg/d。污染預(yù)測(cè)結(jié)果見表1。

表1 正常工況無防滲情景地下水污染范圍表

2.2.2 事故工況有防滲情景

假定污水管線由于連接處(如法蘭、焊縫)開裂或腐蝕磨損等原因，發(fā)生泄漏，防滲層斷裂或破壞，則將導(dǎo)致污染物泄漏污染地下水。滲漏檢測(cè)發(fā)現(xiàn)及修復(fù)非正常工況時(shí)間為10 d，破裂泄漏孔徑按20 mm計(jì)，經(jīng)計(jì)算污水泄漏量為271 m3，其中氨氮4.47 kg，CODCr54.20 kg。污染預(yù)測(cè)結(jié)果見表2。

表2 事故工況有防滲情景地下水污染范圍表

3 地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)

3.1 對(duì)地下水流場(chǎng)影響

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，北方物流城項(xiàng)目區(qū)內(nèi)用水企業(yè)開采井中心點(diǎn)影響降深量為0.10～4.13 m，影響半徑30～460 m，距離附近居民生活水源井1 437～1 663 m，距離第二地下水源地914～1 684 m，項(xiàng)目運(yùn)行初期用水僅對(duì)附近地下水流場(chǎng)有一定的影響，對(duì)周圍敏感點(diǎn)基本沒有影響。至2025年和2030年，由于改用地表水集中供水，停采地下水，對(duì)地下水流場(chǎng)及周邊敏感點(diǎn)無影響。

3.2 對(duì)地下水環(huán)境影響

北方物流城運(yùn)行期主要污染指標(biāo)為氨氮和CODCr，污染物在水動(dòng)力條件作用下主要由東北向西南運(yùn)移，與地下水徑流方向一致。從流場(chǎng)分布看，北方物流城運(yùn)行初期受企業(yè)開采影響，地下水水力坡度大，污染物運(yùn)移速度較快，包氣帶巖性大部分地區(qū)為細(xì)砂，防污性能差，淺層潛水很容易受到污染。預(yù)測(cè)到2030年氨氮最大運(yùn)移距離513.6 m，污染影響范圍0.28 km2； CODCr最大運(yùn)移距離364.8 m，污染影響范圍0.22 km2；在事故工況防滲層出現(xiàn)破裂的情況下，氨氮最大運(yùn)移距離為247.2 m，影響范圍為0.11 km2，減少影響面積0.17 km2；CODCr最大運(yùn)移距離為216 m，影響范圍為0.08 km2，比正常工況無防滲措施減少影響面積0.14 km2。

鄰近敏感點(diǎn)第二地下水源地處于地下水上方徑流區(qū)，不會(huì)受到污染影響。污染源距離下游敏感點(diǎn)居民飲用水源井1 437～1 663 m，在污染影響范圍之外。另外居民飲用水源井目前都是開采深層承壓水，淺層潛水與深層承壓水之間有巨厚的粘土相隔，兩者水力聯(lián)系不密切，上部污染潛水對(duì)下部承壓水越流污染的可能性較小。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

從地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果看，淺層潛水水質(zhì)相對(duì)較差，主要超標(biāo)污染物為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮。由于包氣帶巖性多為細(xì)砂，含水層巖性為中粗砂和卵礫石，滲透性強(qiáng)，地下水流水力坡度大，污染物運(yùn)移快，地下水極易受到污染。北方物流城運(yùn)行期主要污染物為氨氮和CODCr，在正常工況無防滲和事故有防滲破裂情境下，淺層潛水會(huì)受到污染，如果疊加出現(xiàn)防滲層破損情況，則造成地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)加大。

4.2 建議

(1)對(duì)固體廢棄物和生活垃圾及時(shí)集中處理和清運(yùn)，加強(qiáng)污水處理設(shè)施和排污管線監(jiān)管，杜絕跑、冒、滴、漏、滲，防止地下水污染。

(2)加強(qiáng)項(xiàng)目區(qū)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)，在線監(jiān)測(cè)與常規(guī)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，充分做好各種污染事故情景的應(yīng)急預(yù)案。

(3)參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格實(shí)行功能分區(qū)地面防滲和污水構(gòu)(建)筑物基礎(chǔ)防滲措施，有效降低對(duì)地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)開展水力調(diào)控措施研究[8]，如地下帷幕墻技術(shù)、井排技術(shù)等，提高地下水污染應(yīng)急處理能力。

[1]張俊棟,劉國勝,曹東衛(wèi)，等. 唐山市豐潤區(qū)北方現(xiàn)代物流城地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告[R].河北省唐山水文水資源勘測(cè)局.2016,5.

[2]王焰新.地下水污染與防治[M].北京：高等教育出版社.2007.

[3]環(huán)境保護(hù)部.環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則-地下水環(huán)境[M].中國環(huán)境科學(xué)出版社.2011.

[4]Modflow:模塊化三維有限差分地下水流動(dòng)模型[M].地質(zhì)出版社.1999.

[5]陳崇希,唐仲華.地下水流動(dòng)問題數(shù)值方法[M].中國地質(zhì)大學(xué)出版社.1990.

[6]孫訥正.地下水流的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法[M].地質(zhì)出版社.1981.

[7]孫訥正.地下水污染數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法[M].地質(zhì)出版社.1989.

[8]金曉文,曾斌,劉建國,等. 地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)中數(shù)值模擬的關(guān)鍵問題討論[J]. 水電能源科學(xué).201,32(5):23-28.

Prediction and Evaluation of Groundwater Environment Impact in North Logistics City

ZHANG Jun-dong1，LIU Wen-li2

(1.Tangshan Hydrology and Water Resources Survey Bureau, Hebei Province, Tangshan 063017, China; 2. Tangshan Environmental Monitoring Center Station, Tangshan 063000, Hebei, China)

In the running of north Logistics city, the waste water, domestic waste and domestic sewage are produced in the course .The quality of groundwater is poor. The characteristics of groundwater flow are analyzed, and the pollution index is determined according to the pollutant discharge .The effect of ModFlow three-dimensional flow model and solute transport model on the groundwater environment in the north logistics city is predicted and evaluated. The results show that the shallow sub-water quality in the area is relatively poor, and the main pollutants are nitrate nitrogen and nitrite nitrogen, The lithology is coarse sand and gravel, the permeability is strong, the groundwater flow is large and the pollutants are moving fast, and the groundwater is highly polluted. The main pollutants are ammonia nitrogen and CODCr . In the absence of seepage or seepage failure due to the situation, shallow diving will be contaminated .if the superposition of impervious layer damage, the risk of groundwater pollution will increase, providing a scientific basis for the protection of groundwater environment.

groundwater environmental； impact；prediction；evaluation

2017-01-16

張俊棟(1967-)，男，河北東光人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水文水資源和水文預(yù)報(bào)研究工作。

P641.74

A

1004-1184(2017)03-0064-03