巖溶區(qū)生物醫(yī)藥建設(shè)項目對地下水環(huán)境影響分析

陸海玉, 李旺林

(1.山東省水利勘測設(shè)計院,山東 濟南 250013; 2.濟南大學 資源與環(huán)境學院,山東 濟南 250022)

巖溶區(qū)生物醫(yī)藥建設(shè)項目對地下水環(huán)境影響分析

陸海玉1,2, 李旺林2

(1.山東省水利勘測設(shè)計院,山東 濟南 250013; 2.濟南大學 資源與環(huán)境學院,山東 濟南 250022)

通過等效多孔介質(zhì)模型聯(lián)合反求水文地質(zhì)參數(shù)的方法建立地質(zhì)概化后的非穩(wěn)定流巖溶區(qū)地下水數(shù)值模型,經(jīng)與模擬區(qū)地下水流場、地下水位動態(tài)曲線擬合識別、驗證,其擬合度較高。利用該模型建設(shè)項目特征因子的源、強在模型預測期對地下水的影響范圍和程度進行預測,為預防和防治地下水污染提供科學依據(jù),對巖溶區(qū)相似水文地質(zhì)條件的地下水環(huán)境影響評價具有重要的借鑒意義。

巖溶;水文地質(zhì);等效多孔介質(zhì);數(shù)值模型;環(huán)境影響評價

隨著地下水資源的減少、地下水污染越來越嚴重等問題的出現(xiàn),國家對地下水環(huán)境保護越來越重視。地下水環(huán)境影響評價已成為巖溶區(qū)建設(shè)項目環(huán)評的一個重要環(huán)節(jié)。巖溶含水系統(tǒng)因其高度的非均質(zhì)性和各向異性,使地下水環(huán)境影響評價時常用的類比分析法和解析法受到很大局限性;采用數(shù)值法時,數(shù)值模型的準確性又受含水層概化、水文地質(zhì)參數(shù)取值等影響較大。本文通過等效多孔介質(zhì)模型聯(lián)合反求水文地質(zhì)參數(shù)的方法建立地質(zhì)概化后的非穩(wěn)定流巖溶區(qū)地下水數(shù)值模型,經(jīng)與模擬區(qū)地下水流場、地下水位動態(tài)曲線擬合識別、驗證,其擬合度較高。并利用該模型對建設(shè)項目特征因子的源、強在模型預測期對地下水的影響范圍和程度進行預測,為預防和防治地下水污染提供科學依據(jù),對巖溶區(qū)相似水文地質(zhì)條件的地下水環(huán)境影響評價具有重要的借鑒意義。

1 項目背景

擬建生物醫(yī)藥項目包括生物藥真核原液、生物藥制劑等6個生產(chǎn)車間以及污水處理站、危險化學品原輔材料庫、危險固廢暫存庫、一般固廢暫存庫、事故水池等。

研究區(qū)南部為魯中低山丘陵區(qū),北部為山前傾斜平原,地勢東南高西北低,地形高差達700 m。地貌上由南向北依次為構(gòu)造剝蝕區(qū)、剝蝕堆積區(qū)、堆積平原區(qū)[1],建設(shè)項目位于構(gòu)造剝蝕區(qū)與剝蝕堆積區(qū)的交接部位。

2 區(qū)域水文地質(zhì)概述

2.1 含水巖組及補徑排條件

根據(jù)含水介質(zhì)不同及地下水在介質(zhì)中的賦存、運移特征,研究區(qū)可分為5種地下水含水巖組[2]。

2.1.1 第四系松散巖類孔隙含水巖組

主要分布于研究區(qū)北半部山前沖洪積平原及河流沖洪積扇等地帶,含水層巖性主要為粉細砂、中粗砂、砂礫石層,厚度2～15 m,水位埋深2～18 m,單井涌水量400～5 000 m3/d不等。地下水主要接受大氣降水、地表河水入滲補給和巖溶水頂托補給;徑流總體流向是北北西向,在局部開采量較大的地段形成孔隙水降落漏斗;其排泄方式主要有人工開采、向北徑流入小清河及局部反補給下部巖溶水。模型建立時該含水層主要考慮對碳酸巖類巖溶裂隙水的補排影響。

2.1.2 碎屑巖類裂隙或?qū)娱g巖溶裂隙含水巖組

分布在研究區(qū)北部,被第四系松散堆積物覆蓋,含水層巖性為石炭—二疊系砂巖、薄層灰?guī)r。地下水主要賦存在構(gòu)造裂隙中,富水性差,在構(gòu)造裂隙發(fā)育處接受上游巖溶水補給,沿構(gòu)造裂隙向下游徑流排泄。該巖組表現(xiàn)為阻擋裂隙巖溶水的徑流通道,構(gòu)成了數(shù)值模型的北邊界。

2.1.3 碳酸巖類裂隙巖溶含水巖組

在研究區(qū)內(nèi)分布較廣,南部出露地表;北部平原區(qū)埋藏于第四系和石炭、二疊系之下,含水層巖性為奧陶系亮甲組、馬家溝組、八陡組灰?guī)r及寒武系鳳山組、張夏組灰?guī)r。裸露區(qū)水位埋深30～200 m,單井涌水量500～1 000 m3/d或<500 m3/d;隱伏區(qū)處于地下水徑流排泄帶,水位埋深5～40 m,單井涌水量1 000～10 000 m3/d。該層巖溶水主要接受大氣降水和地表水的入滲補給;其徑流方向基本上沿巖層傾向由南向北徑流;在北部受石炭系—二疊系砂巖、薄層灰?guī)r阻擋,主要以泉群型式排泄地表,其次向第四系及石炭系排泄和人工開采。

2.1.4 碳酸巖夾碎屑巖巖溶裂隙含水巖組

呈北西、南東向分布在研究區(qū)南部,出露位置較高,含水層巖性主要為寒武系崮山組、長山組、毛莊組、徐莊組薄層灰?guī)r及泥灰?guī)r,由于有砂頁巖間隔各層灰?guī)r互不聯(lián)系,裂隙巖溶發(fā)育較差,單井涌水量一般<500 m3/d。該巖組主要接受大氣降水,地下水儲存于層間灰?guī)r的巖溶裂隙中,基本沿巖層傾向向北運動,受構(gòu)造及河流切割作用,常以下降泉的形式排泄轉(zhuǎn)化成地表水,沿溝谷方向向北運動,當?shù)乇硭鹘?jīng)寒武系張夏組、鳳山組及奧陶系分布區(qū)時,地表水便大量漏失補給巖溶地下水。

2.1.5 塊狀巖類風化裂隙含水巖組

分布于研究區(qū)外,構(gòu)成了區(qū)域南部的分水嶺,巖性以花崗片麻巖類為主,因深部巖石堅硬致密,僅在淺部發(fā)育細小的風化裂隙,富水性差,單井涌水量50～100 m3/d。以大氣降水為補給源,其地下水的運動特點是就地補給、短距離排泄,呈散流狀態(tài)向溝谷匯集。

2.2 巖溶發(fā)育規(guī)律及特征

2.2.1 巖溶發(fā)育具有層控性

研究區(qū)內(nèi)碳酸巖分布廣、厚度大,由于各巖層生成時代、沉積環(huán)境不同,礦物成分、化學成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造均有差別,造成巖溶發(fā)育的差異。

2.2.2 巖溶發(fā)育的分帶性

(1) 水平分帶特征:從補給區(qū)到徑流排泄區(qū),巖溶發(fā)育有逐漸增強的特征。補給區(qū)地表溶溝、溶槽、溶孔較發(fā)育,地下巖溶發(fā)育相對較弱。在補給徑流區(qū)為中等巖溶發(fā)育,在徑流排泄區(qū)為強烈?guī)r溶發(fā)育。另外,沿干谷附近巖溶發(fā)育強烈,而地表分水嶺附近巖溶發(fā)育相對較弱。

(2) 垂直分帶特征:上部巖溶發(fā)育,下部巖溶相對減弱。裸露灰?guī)r區(qū)位置高,在水位變幅帶附近巖溶發(fā)育。隱伏灰?guī)r區(qū)較強巖溶發(fā)育帶底界由南向北逐漸變深,較強巖溶發(fā)育帶以下為中等巖溶發(fā)育帶。

3 數(shù)值模型的建立

地下水數(shù)值模型是根據(jù)模擬區(qū)水文地質(zhì)條件,先建立地下水系統(tǒng)概念模型,再通過數(shù)值建模建立地下水流數(shù)學模型,通過不斷調(diào)試模型參數(shù)進行重復計算,使數(shù)值模擬工作成為“數(shù)值模擬實驗”,以觀測結(jié)果和計算結(jié)果擬合差為標準,不斷校正模型,最后達到利用數(shù)值模擬實驗方法研究地下水運動機理的目的[3]。

3.1 水文地質(zhì)概念模型

3.1.1 含水層概化

建設(shè)項目場區(qū)位于構(gòu)造剝蝕區(qū)與剝蝕堆積區(qū)的交接部位,屬碳酸巖類巖溶裂隙水的補給徑流區(qū),上部第四系松散層常年基本無水,確定第一層穩(wěn)定含水層碳酸巖類巖溶裂隙水為本次評價的目標含水層。模型建立時重點考慮目標含水層,其它含水層主要考慮對碳酸巖類巖溶裂隙水的補排影響[4]。

根據(jù)研究區(qū)含水層的水文地質(zhì)特征及補給條件,將下部碳酸巖類裂隙巖溶含水巖組、碳酸巖夾碎屑巖巖溶裂隙含水巖組概化為一層,即碳酸巖類巖溶裂隙含水層,該含水層為區(qū)域內(nèi)大厚度含水巖組,地下水流受構(gòu)造、地質(zhì)條件控制,總體在徑流過程中很少受阻,全區(qū)地下水存在著普遍的水力聯(lián)系,有較統(tǒng)一的自由水面(承壓水頭),在南部山區(qū)表現(xiàn)為潛水,至山前地帶由于上部分布的第四系更新統(tǒng)含礫粘土層及石炭系砂頁巖,過渡為承壓水[5]。

將上部第四系松散巖類孔隙含水巖組概化為第四系松散巖類孔隙含水層,主要分布在北部山前平原地段;中部將第四系更新統(tǒng)含礫粘土層及石炭系砂頁巖概化為相對隔水層,構(gòu)成上部第四系松散巖類孔隙含水層與下部碳酸巖類巖溶裂隙含水層之間的隔水層。

3.1.2 邊界條件的確定與概化

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件及地下水系統(tǒng)特點,西側(cè)以東塢斷裂為界,概化為隔水邊界;北部灰?guī)r埋藏在石炭系—二疊系以下,最大揭露深度在400 m左右,以灰?guī)r頂板埋深400 m為界,概化為隔水邊界;北部小清河為較大的地表河流,概化為第四系孔隙水定水頭邊界;東側(cè)巨野河河流與該區(qū)域內(nèi)巖溶地下水有水力聯(lián)系,概化為河流邊界,水頭高度根據(jù)各河流多年月平均水位按月份分別賦值,模擬河流與含水層之間的側(cè)向補排關(guān)系;南側(cè)山體為地下水分水嶺,概化為隔水邊界。模型范圍總面積約338 km2。

垂向上邊界根據(jù)鉆孔揭露含水層深度進行刻畫;下部為太古代泰山巖群變質(zhì)巖,概化為隔水邊界。地表高程等值線根據(jù)地形圖等高線進行刻畫。

綜上,可將研究區(qū)概化為一個統(tǒng)一的非均質(zhì)、各向同性、三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng),模型三維概化示意圖見圖1。

圖1 水文地質(zhì)概化示意圖Fig.1 Generalization sketch of hydrogeology

3.2 數(shù)學模型的建立及求解

3.2.1 水流模型

研究區(qū)地下水系統(tǒng)概化成非均質(zhì)、各向同性、三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng),地下水模型數(shù)學模型為:

式中:D為滲流區(qū)域;H為地下水水頭(m);Kx、Ky、Kz為x、y、z方向上的滲透系數(shù)(m/d);S為自由水面之下的含水層單位儲水系數(shù)(L/m);W為承壓含水層源匯項(L/d);p為潛水面的蒸發(fā)量和降水的補給量等(L/d);μ為潛水含水層重力給水度;H0(x,y,z)為初始流場水頭分布值(m);H1(x,y,z,t)為第一類邊界水頭分布值(m);q(x,y,z,t)為第二類邊界單位面積流量(m3/m2·d);Kn為邊界面外線方向的滲透系數(shù)(m/d);Г1、Г2為滲流區(qū)第一、二類邊界。

3.2.2 模型建立

運用基于有限差分法的Visual MODFLOW軟件包建立評價區(qū)的地下水流數(shù)值模型,經(jīng)參數(shù)識別與模型檢驗后,對研究區(qū)地下水流系統(tǒng)進行模擬分析,該模型作為地下水溶質(zhì)運移模擬的基礎(chǔ)。

根據(jù)含水層結(jié)構(gòu)和地下水徑流特征,將研究區(qū)剖分為82行×63列的單元格,垂向為三層。

3.2.3 源匯項處理

(1) 補給項。模型中的補給項包括降雨入滲補給、河流及水庫滲漏補給等。

① 降雨入滲補給。在模型中降雨入滲量按面狀補給量處理。降雨入滲補給量計算公式為:

Q=α×F×P

式中:α、F、P分別為降水入滲系數(shù)、降水入滲面積和降水量。

降水入滲面積取研究區(qū)整個面積,降水入滲系數(shù)按照參數(shù)分區(qū)分別賦值,降雨量按照水文站觀測資料以月為步長賦值。

② 河流、水庫滲漏補給。河流與含水層的交換量可以采用下式計算求得:

式中:QR為河流滲漏量(m3/a);B為河床寬度(m);L為河流長度(m);KR為河底滲透系數(shù);hR為河流水位(m),按月平均水位賦值;h為地下水位(m);S為河底積層厚度(m);t為河流行水時間(d)。

研究區(qū)內(nèi)水庫年滲漏量按多年實際運行記錄滲漏量平均值賦值,即狼貓山水庫補給量62.3萬m3/a,杜張水庫補給量44萬m3/a。

(2) 排泄項。模型中的排泄項包括蒸發(fā)、人工開采等。

① 蒸發(fā)量。蒸發(fā)量按照區(qū)內(nèi)水文站實測蒸發(fā)量取每月平均值,蒸發(fā)極限埋深取經(jīng)驗值4 m,蒸發(fā)量通過軟件中Evapotranspira-tion模塊自動計算并模擬。

② 開采量。農(nóng)業(yè)灌溉開采為季節(jié)性開采,每年3—6月份集中采水灌溉。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計農(nóng)業(yè)灌溉開采地下水量為1 766 m3/d。

飲用及工業(yè)用水開采主要為巖溶裂隙水,據(jù)統(tǒng)計平均開采量約3 086.46萬m3/a。

3.2.4 等效水文地質(zhì)參數(shù)的初始值

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件,將模型劃分為四個水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū),所用的滲透系數(shù)、給水度、蒸發(fā)強度系數(shù)以及降雨入滲系數(shù)等參數(shù)初始值采用研究區(qū)內(nèi)抽(注)水試驗及相關(guān)水文地質(zhì)資料綜合確定。

3.3 模型驗證與識別

地下水數(shù)學模型的識別采用試估—校正法,識別的過程同時也是等效水文地質(zhì)參數(shù)的調(diào)整過程。通過不斷的參數(shù)調(diào)整和反演,直到模擬地下流場與實測地下流場及地下水位計算值與實測水位值達到較好的擬合效果,最后得到的參數(shù)即是該模型校正后的最終參數(shù)。研究區(qū)內(nèi)上、中、下游三個碳酸巖類巖溶裂隙含水層監(jiān)測井的地下水位動態(tài)擬合曲線見圖2。

圖2 地下水位動態(tài)擬合曲線圖Fig.2 Dynamic fitted curve of groundwater level

4 溶質(zhì)運移模型及預測

地下水溶質(zhì)運移模型是在地下水流場數(shù)值模型的基礎(chǔ)上建立的。本次利用Visual MODFLOW中的MT3D模塊計算地下水中污染物質(zhì)的運移情況,分析污染物在地下水系統(tǒng)中的運移擴散規(guī)律。

4.1 溶質(zhì)運移數(shù)學模型

4.1.1 控制方程

本次建立的地下水溶質(zhì)運移模型是在三維水流影響下的三維彌散模型,水流主方向和坐標軸重合,溶液密度不變,存在局部平衡吸附和一級不可逆動力反應,溶解相和吸附相速率相等,即λ1=λ2。在此前提下,溶質(zhì)運移的三維水動力彌散方程的數(shù)學模型為:

4.1.2 初始條件

C(x,y,z,t)=C0(x,y,z)(x,y,z)∈Ω,t=0

式中:C0(x,y,z)為已知濃度分布;Ω為模型模擬區(qū)域。

本次模擬污染源的概化有兩種方式:一是補給濃度邊界,二是注水井邊界?？蓪⒀a給濃度邊界和注水井處的初始濃度定為C0,其余地方均為0 mg/L,具體為:

4.1.3 定解條件

本模型將含水層邊界分為兩類:第一類邊界條件為定水頭邊界,第二類邊界為定流量邊界。穿越邊界的彌散通量為0,可表述為:

式中:Γ2為第二類邊界。

4.2 溶質(zhì)運移預測

正常工況下,建設(shè)項目運行期內(nèi)污水處理站、污水管線等各部分運行正常,并采取了正確的防滲保護措施,污水無法進入土壤和地下水,正常工況下不會對地下水環(huán)境造成影響。為分析非正常工況下建設(shè)項目可能對地下水環(huán)境的影響程度,選取具有代表性的可信事故進行分析預測。

(1) 情景一:生產(chǎn)裝置的設(shè)備或管線由于連接處(如法蘭、焊縫)開裂或腐蝕磨損等原因,發(fā)生管道的跑、冒、滴、漏等污水泄漏,污水泄漏量較小但持續(xù)滲漏,污染隱患點選取在污水處理站處。經(jīng)模型預測分析,不同模擬時段COD及氨氮在巖溶裂隙含水層中污染超標范圍和最大運移距離見表1。

(2) 情景二:污水處理站內(nèi)調(diào)節(jié)池底部防滲局部失效,造成污水持續(xù)泄漏,污染隱患點選取在污水處理站調(diào)節(jié)池處。經(jīng)模型預測分析,不同模擬時段COD及氨氮在巖溶裂隙含水層中污染超標范圍和最大運移距離見表2。

表1 情景一COD及氨氮對地下水環(huán)境影響預測結(jié)果Table 1 Scenario 1:Predictions on effect of COD and ammonia nitrogen on groundwater environment

表2 情景二COD及氨氮對地下水環(huán)境影響預測結(jié)果Table 1 Scenario 2:Predictions on effect of COD and ammonia nitrogen on groundwater environment

(3) 情景三:發(fā)生突發(fā)性事故,造成污水處理站內(nèi)調(diào)節(jié)池大面積破壞,大量污水滲漏,污染源類型為瞬時污染,污染隱患點選取在污水處理站調(diào)節(jié)池處。經(jīng)模型預測分析,不同模擬時段COD及氨氮在巖溶裂隙含水層中污染超標范圍和最大運移距離見表3。

(4) 情景四:當發(fā)生突發(fā)事故將廢水存放于事故池內(nèi)時,恰好事故池局部防滲失效,污水滲漏并進入地下水,儲存時間假定為1天,污染隱患點選取在生物原核原液車間事故池處。經(jīng)模型預測分析,不同模擬時段COD及氨氮在巖溶裂隙含水層中污染超標范圍和最大運移距離見表4。

表3 情景三COD及氨氮對地下水環(huán)境影響預測結(jié)果Table 3 Scenario 3:Predictions on effect of COD and ammonia nitrogen on groundwater environment

表4 情景四COD及氨氮對地下水環(huán)境影響預測結(jié)果Table 4 Scenario 4:Predictions on effect of COD and ammonia nitrogen on groundwater environment

5 地下水環(huán)境影響分析

在設(shè)置的非正常工況可信事故下,根據(jù)溶質(zhì)運移計算結(jié)果可以得到如下結(jié)論:

(1) 各污染物運移具有明顯的各向異性的特征,運移主方向基本為西北方向,因此在該方向上加強地下水動態(tài)監(jiān)測,可及時掌握建設(shè)項目對地下水環(huán)境影響程度。

(2) 從時間變化規(guī)律上看,各污染因子的初始最大污染濃度普遍較高,但隨著時間推移最大污染濃度會逐漸降低。

(3) 從空間變化規(guī)律上看,各污染物濃度在其運移方向上逐步降低。

(4) 在非正常工況和事故工況下,預測時間內(nèi)污染物影響最遠距離為7.5 km,可能會對該范圍內(nèi)自備井地下水水質(zhì)產(chǎn)生影響。

因此,應對項目場區(qū)易產(chǎn)生污染的部位采取有效防滲措施,嚴格控制非正常工況的產(chǎn)生,避免對地下水水質(zhì)產(chǎn)生污染。

[1] 山東省地礦工程勘察院,濟南市地質(zhì)礦產(chǎn)技術(shù)監(jiān)測中心.濟南市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價[R].濟南:山東省地礦工程勘察院,1999.

[2] 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局八○一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊.山東省濟南市白泉—武家水源地供水水文地質(zhì)勘探報告[R].濟南:山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1990.

[3] 易立新,徐鶴.地下水數(shù)值模擬:GMS應用基礎(chǔ)與實例[M].北京:化學工業(yè)出版社,2009.

[4] 孟慶斌,邢立亭,滕朝霞.濟南泉域“三水”轉(zhuǎn)化與泉水恢復關(guān)系研究[J].山東大學學報(工學版),2008,38(5):82-87.

[5] 汪家權(quán),吳義鋒,錢家忠,等.濟南泉域巖溶地下水三維等參有限元數(shù)值模擬[J].煤田地質(zhì)與勘探,2005,33(3):39-41.

(責任編輯：陳姣霞)

Analysis on Effect of Bio-pharmaceutical Construction Project onGroundwater Environment in Karst Area

LU Haiyu1,2, LI Wanglin2

(1.ShandongSurveyandDesignInstituteofWaterConservancy,Shandong,Jinan250013; 2.SchoolofResourcesandEnvironment,CollegeofJinanUniversity,Shandong,Jinan250002)

Based on equivalent porous medium model united with the method of conversely calculating the hydrogeology parameters,this paper establishes karst groundwater numerical model of unsteady flow after geological generalization. Through identifying and verifying the fitted dynamic curves,the resulting model shows a high fit degree with the groundwater flow field and groundwater level in simulation area. Then,this model is used to evaluate the effect of source intensities characteristics of the project on the extent of groundwater environment at model forecasting period. This not only provides scientific basis for groundwater pollution prevention,but also shows a referential significance on the environment evaluation of karst groundwater with similar hydrogeological conditions.

karst; hydrogeology; equivalent porous medium; numerical model; environmental impact assessment

2017-06-15;改回日期:2017-07-13

陸海玉(1978-),男,工程師,地質(zhì)工程專業(yè),從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)勘察及地下水環(huán)境科學研究工作。E-mail:Luhaiyu201@163.com

X824

A

1671-1211(2017)04-0480-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.027

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1320.002.html 數(shù)字出版日期:2017-06-20 13:20