填海工程背景下半島地下水流場及污染物運移的數(shù)值模擬

陳煌+張征+婁華君+梁康+婁俊鵬

摘要：以古雷半島為例，基于GMS地下水?dāng)?shù)值模型探索海砂填海（情景一）、海砂+黏土填海（情景二）、黏土填海（情景三）這三種填海情景對研究區(qū)地下水流場及污染物運移的影響。結(jié)果表明：（1）研究區(qū)在填海背景下地下水水位整體抬升，水位上升幅度由小到大依次為情景一、情景二、情景三，最高升幅達(dá)478 m。（2）不同填海情景下的地下水流場差異在填海區(qū)的黏土區(qū)域最為明顯，情景二、情景三與情景一的地下水水位差最大值分別為444 m和820 m。（3）在僅考慮物理作用的情況下，三種填海情景下污染物運移均呈現(xiàn)以水平運移為主、垂向運移為輔的特點。（4）相較于污染物運移基本相同的情景一與情景二，預(yù)測時間30 a時，水平方向上情景三污染物遷移面積、遷移速率分別下降2307%、1889%；垂向上污染物主要積聚于第一層含水層，情景三觀測井在第一層含水層的污染物濃度為情景一（或情景二）的587倍。說明采用低滲透性黏土填海對于污染物運移具有一定的阻滯作用。

關(guān)鍵詞：填海工程； 地下水流場； 污染物運移； GMS； 古雷半島

中圖分類號：X5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：

16721683（2017）06012210

Abstract：Using the numerical model GMS，in this paper we analyzed the impacts of three reclamation scenarios on groundwater flow field and contaminant transport in the Gulei PeninsulaThe three designated reclamation scenarios were sand reclamation （Scenario 1），clay + sand reclamation （Scenario 2），and clay reclamation （Scenario 3）The results showed that （1） There was a regional increase of water table up to 478 m after reclamationThe extent of increase from small to large was as follows：Scenario 1，Scenario 2，and Scenario 3（2） The groundwater flow field difference between different scenarios was the most prominent in the clay regionThe maximum difference of water table between Scenario 2 and Scenario 1 was 444 m，and that between Scenario 3 and Scenario 1 was 820 m（3） When only the physical interaction was considered，the horizontal contaminant transport was more prominent than the vertical transport in all the three scenarios（4） Compared with the case of Scenarios 1 and 2，which had basically the same contaminant transport intensity，for the predicted duration of 30a，the contaminant transport area and speed in Scenario 3 respectively decreased by 2307% and 1889% in the horizontal direction；in the vertical direction，the contaminant mainly accumulated in the first layerThe concentration of contaminants in the first layer in Scenario 3 was 587 times of that in Scenario 1 （or Scenario 2）This indicates that reclamation with lowpermeability clay have a certain retardation effect on contaminant transport

Key words：land reclamation；groundwater flow field；contaminant transport；GMS；the Gulei Peninsula

土地資源性短缺和結(jié)構(gòu)性短缺日益成為沿海地區(qū)和島嶼地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的制約因素，填海造陸成為一種既可以拓展土地空間又可以在一定程度上避免政策制約的良方而被廣泛應(yīng)用[1]。然而，半島是陸地與海洋環(huán)境的重要物質(zhì)傳輸、能量傳遞和信息交流的重要場所和通道，對其實施填海工程會對填海工程區(qū)、原有陸地和近海海域的地形地貌、水文地質(zhì)、環(huán)境質(zhì)量和生物群落等產(chǎn)生一系列不同程度的影響[218]。海島特殊自然環(huán)境條件演變而成的水循環(huán)系統(tǒng)與內(nèi)陸有明顯區(qū)別，通常地表水資源匱乏，地下水資源多呈“透鏡體”形狀，水量有限，開采環(huán)境相當(dāng)脆弱。地下淡水是工業(yè)、旅游業(yè)及當(dāng)?shù)鼐用裼盟闹饕獊碓?，同時為海島生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要保障。因此，填海工程對地下水環(huán)境的影響以及因地下水環(huán)境改變而造成的區(qū)域濕地、紅樹林和珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的衰退等生態(tài)環(huán)境問題被廣泛關(guān)注和研究[1926]。第15卷 總第93期·南水北調(diào)與水利科技·2017年12月endprint

陳煌等·填海工程背景下半島地下水流場及污染物運移的數(shù)值模擬

古雷半島是我國東南沿海地區(qū)廣泛分布的典型島嶼，作為海峽兩岸重要的交流窗口，因獨特的區(qū)位優(yōu)勢已經(jīng)成為眾多大型石化工業(yè)集中分布的國家級開發(fā)區(qū)。當(dāng)?shù)卣疄榱藬U大古雷石化園區(qū)發(fā)展所需建設(shè)用地，發(fā)揮閩南金三角整體優(yōu)勢和推動海峽西岸連片發(fā)展，將對半島西側(cè)部分海域?qū)嵤┐堤詈９こ?。然而，古雷半島西側(cè)的東山灣聚集了珊瑚自然保護(hù)區(qū)、紅樹林自然保護(hù)區(qū)、農(nóng)漁業(yè)區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)。填海造陸可能會對區(qū)域環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，但不同的填海材料和填海方式對區(qū)域地下水及生態(tài)敏感保護(hù)的影響程度不盡相同，如何定量化評估不同填海情景對區(qū)域地下水含水層及敏感保護(hù)目標(biāo)造成的影響是必須要考慮的科學(xué)問題，同時也是國家、地方政府和石化企業(yè)等需要迫切解決的現(xiàn)實問題，這對該地區(qū)海岸帶開發(fā)利用具有重要的現(xiàn)實意義[5，14，24，2729]。因此，本文在野外水文地質(zhì)調(diào)查和水文地質(zhì)試驗基礎(chǔ)上，根據(jù)古雷半島填海區(qū)工程概況，分別設(shè)置三種填海情景（海砂填海、海砂+黏土填海、黏土填海），采用國際上著名的地下水模擬系統(tǒng)Groundwater Modeling System（GMS），開展三種不同填海情景下的地下水流及污染物運移的數(shù)值模擬對比分析，希望能為評估填海工程對地下水環(huán)境造成的影響及其當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境的保護(hù)提供一定的參考。

1研究區(qū)概況

古雷半島位于福建省漳州市漳浦縣，三面臨海，南鄰臺灣海峽。由北向南呈條帶狀朝大海延伸，南北長173 km，東西寬3～4 km（最窄處僅300 m）[30]，面積約40 km2。原為近岸孤島，后因泥砂淤積形成陸連島，地勢由南向北傾斜。南部以臺地、丘陵為主，海拔約50 m，最高峰古雷山海拔270 m?？傮w處于閩東南沿海丘陵地貌區(qū)內(nèi)，主要有構(gòu)造剝蝕侵蝕的低山、丘陵、殘丘、島嶼、臺地以及沖洪積階地或沖海積海灣平原等地貌類型。近年來，古雷半島因其獨特的區(qū)位優(yōu)勢已成為中國東南沿海的石化工業(yè)集中分布區(qū)[31]。古雷半島地處亞熱帶海洋性氣候區(qū)，氣候溫和，冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑。季風(fēng)現(xiàn)象較為明顯，冬季多為東北風(fēng)，夏季多為西南風(fēng)。多年平均氣溫213 ℃，全年無霜期。年均降水量1 3274 mm，主要集中在每年的5月-8月份，占年降水量的61%。多年平均蒸發(fā)量1 6582 mm。

研究區(qū)基巖主要為燕山早期混合花崗巖，第四系覆蓋層由殘積層、沖洪積層、海陸交互沉積層組成，并且分布有上更新統(tǒng)殘積層及前泥盆系澳角群動力變質(zhì)巖等。其中海積層和風(fēng)積層出露面積最大，分別出露于半島西北部及西側(cè)、半島東側(cè)，兩者面積之和約占總面積的70%以上。巖性自東岸向西岸泥質(zhì)增多，西岸以淤泥、黏性土夾粉細(xì)砂為主，東岸以粉細(xì)砂夾淤泥、黏性土為主。該區(qū)主要地下水類型為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水，局部含微承壓承壓水。區(qū)域內(nèi)基巖裂隙水主要賦存于坡殘積層及其下伏基巖風(fēng)化帶中，水量總體較貧乏，泉流量常見值<01 Ls，單孔涌水量<100 m3d，富水性弱。松散巖類孔隙水主要分布于風(fēng)積砂和海積砂層中，含水層厚度5～20 m，水位埋深05～5 m，單井涌水量一般為100～350 m3d，賦水性中強。研究區(qū)水文地質(zhì)條件見圖1，AA′水文地質(zhì)剖面圖見圖2。大氣降水是研究區(qū)地下水的唯一補給源，雨水滲入含水層后在地形的控制下由南北兩側(cè)向中部匯集，于半島中軸形成近南北向的脊?fàn)罘炙畮X后分

別向東西兩側(cè)徑流入海。地下水水位動態(tài)主要受大[CM（22]氣降水影響，隨季節(jié)變化明顯，雨季高旱季低。古[CM）]

雷半島松散巖類孔隙水（潛水）交替強烈，pH值一般70～72，礦化度、水質(zhì)類型隨陸域向兩側(cè)海域變化，礦化度升高，一般2065→91089 mgL；水質(zhì)類型一般具有如下變化趨勢：HCO3·ClCa·Na→ Cl·HCO3Na·Ca→Cl·SO4 Na·Ca→ClNa。

2研究方法

基于GMS數(shù)值模型，通過設(shè)置不同填海情景，采用數(shù)值模擬的方法探索不同填海材料和填海方式對該半島地下水流場的影響以及預(yù)測其地下水污染狀況。

21填海情景設(shè)置

[HJ195mm]因石油化工企業(yè)聚集，土地資源緊張，為擴大廠區(qū)用地，當(dāng)?shù)卣疀Q定對古雷半島西側(cè)進(jìn)行填海，面積2194 km2，最大寬度316 km，場地標(biāo)高621～889 m。在已有填海工程方案基礎(chǔ)上，設(shè)定三種不同的填海情景。

情景一：半島三面臨海，海砂資源豐富、價格低廉，主要成分為粉砂，粒徑005～01 mm，水平滲透系數(shù)為10 md，是半島未來填海的主要材料。

情景二：古雷半島西側(cè)東山灣有漳江口紅樹林自然保護(hù)區(qū)、東山灣珊瑚自然保護(hù)區(qū)和東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)等重要的環(huán)境敏感區(qū)。黏土滲透系數(shù)低，對污染具有較好的阻隔效果。故將填海區(qū)域一分為二，將情景一海砂填海區(qū)西側(cè)寬827 m的南北向條帶區(qū)置換為黏土，主要成分為輕亞黏土，水平滲透系數(shù)為005 md。

情景三：填海材料為黏土，主要成分為輕亞黏土，水平滲透系數(shù)為005 md。

22模擬條件及計算過程

（1）模擬范圍。

地下水流場模擬范圍的確定以區(qū)域水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，同時充分考慮地下水系統(tǒng)的完整性及獨立性。本研究調(diào)查范圍北部到達(dá)杜潯鎮(zhèn)中心，南部到達(dá)古雷山南峰，面積約52 km2。根據(jù)獲取的古雷半島區(qū)域水文地質(zhì)條件，本研究的地下水流初始模型模擬范圍約為4124 km2；填海后研究區(qū)范圍約為6318 km2，如圖1所示。

利用GMS軟件，綜合考慮研究區(qū)主要含水層分布范圍、模擬精度和計算機計算能力等實際情況，研究區(qū)含水層實行網(wǎng)格加密剖分，水平方向X、Y均按50 m×50 m進(jìn)行方形網(wǎng)格剖分，i、j分別代表水平方向行、列方格數(shù)，未填海、三種填海情景的地下水模型分別剖分為16 578、25 315個二維單元格。垂直方向Z網(wǎng)格按含水層剖分為4層，L代表自上而下含水層層數(shù)。endprint

（2）概念模型。

研究區(qū)包氣帶厚度小，對污染物運移的阻礙作用微弱，故在模型計算中忽略包氣帶對污染物的阻滯作用。古雷半島地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)清晰，含水層水平分布均勻連續(xù)、垂向變化明顯，具有統(tǒng)一連續(xù)的地下水水位。地下水系統(tǒng)的物質(zhì)輸入、輸出會隨時間變化，一年中豐水期水位變化最為明顯，從環(huán)境影響評價的安全性考慮，采用2015年9月份的實際水位數(shù)據(jù)對已有古雷半島豐水期最大潮汐時的地下水水位流場進(jìn)行了驗證，結(jié)果顯示兩者水位基本一致，故將其作為研究區(qū)全年的穩(wěn)定流場。

側(cè)向邊界：南、北部邊界均垂直地下水流場，北部到達(dá)杜潯鹽場，南部到達(dá)古雷山北側(cè)，作為第二類邊界；東側(cè)和西側(cè)以海岸線為界（包括西北部的海水養(yǎng)殖廠），作為第一類邊界。垂向邊界：研究區(qū)的上部邊界為潛水面，為水量交換邊界，接受大氣降水入滲和潛水蒸發(fā)；下部邊界為滲透性極差的弱風(fēng)化花崗巖，概化為隔水邊界。根據(jù)研究區(qū)實際的含水層巖性及垂向分布特征，將模型自上而下概化為4層：第一層含水層以海積及風(fēng)積粉細(xì)砂、中細(xì)砂為主，厚度為10～20 m；第二層弱透水層為致密黏土，5～10 m；第三層含水層為細(xì)砂，3～5 m；第四層隔水層為風(fēng)化花崗巖，10～30 m。

（3）數(shù)學(xué)模型。

根據(jù)實際掌握的水文地質(zhì)條件，同時考慮到模擬常年穩(wěn)定流場下的污染物遷移情況的實際需求，選取多年平均條件下的地下水流場及源匯項，可建立起研究區(qū)的非均質(zhì)、各向異性、三維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型，用如下微分方程的定解問題來描述：[HJ1mm]

[JB（{][SX（][]x[JB（（]Kh[SX（]H[]x+[SX（][]x[JB（（]Kh[SX（]H[]y+[SX（][]z[JB（（]Kv[SX（]H[]z+ε=0，（x，y，z）∈Ω

H（x，y，z，t）|t=0=h0，（x，y，z）∈Ω

Kh[JB（（][SX（]H[]x2+Kh[JB（（][SX（]H[]y2+Kv[JB（（][SX（]H[]z2-[SX（]H[]z（Kv+p）+p=0，（x，y，z）∈Γ0

H（x，y，z，t）|Γ1=h0，（x，y，z）∈Γ1

Kn[SX（]H[]n[TX→6]|Γ2=q，（x，y，z）∈Γ2

[JB）]（1）

式中：H為地下水位標(biāo)高（m）；Kh、Kv為分別為水平和垂直滲透系數(shù)（md）；ε為潛水含水層的垂向補排強度[m3（d·m2）]，其中包括大氣降水入滲量、地下水蒸發(fā)量；h0為含水層的初始水位標(biāo)高（m）；h1為第一類（定水位）邊界水位標(biāo)高（m）；p為潛水面的蒸發(fā)和降水等（md）；Γ0為滲流區(qū)域的上邊界，即地下水的自由表面；Γ1為一類邊界；Γ2為二類邊界：n為二類邊界外法線方向；Kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù)（md）；q為第二類邊界上的單寬滲流量，流入為正，流出為負(fù)，隔水邊界為0（m2d）；x，y，z為坐標(biāo)變量（m）；Ω為滲流區(qū)域。

基于準(zhǔn)三維地下水流場中的對流彌散方程和定解條件，污染物運移模擬應(yīng)用GMS軟件中的MT3DMS模塊計算求解：[HJ1mm]

[JB（{][SX（]c[]t=[SX（][]x[JB（（]Dx[SX（]c[]x+[SX（][]y[JB（（]Dy[SX（]c[]y+[SX（][]z[JB（（]Dz[SX（]c[]z-[SX（]（uxc）[]x-[SX（]（uyc）[]y-[SX（]（uzc）[]z+I，（x，y）∈Ω，t>0

c（x，y，o）=c0（x，y），（x，y）∈Ω，t>0

（c（x，y，t）[AKu→]·gradc）·[AKn→]|B1=（c（x，y，t）[AKu→]-D·gradc）·[AKn→]|Γ1，（x，y）∈B1，t>0[JB）]（2）

式中：c為飽和含水層中的污染物的濃度（ML3）；t為時間（T）；ux、uy為孔隙平均實際流速（LT1）；ux=vxn，uy=vyn，其中vx、vy為滲流速度（LT1），n為有效孔隙（無量綱）；Dx、Dy、Dz為坐標(biāo)軸方向的主彌散系數(shù)（L2T1），Dx=αL·u，Dy=αT·u，，Dz=αV·u，其中αL、αT、αV分別為縱向彌散度、橫向彌散度、垂向彌散度（L）；I為單位時間單位面積含水層內(nèi)由于源匯項流量W（包括污染源、抽水和降水入滲）引起的污染物濃度cs變化，I=csWn；c0（x，y）為初始時刻區(qū)域Ω上的溶質(zhì)濃度分布；B1為研究區(qū)給定溶質(zhì)通量邊界。

（4）水文地質(zhì)參數(shù)的確定。

野外調(diào)查工作共實施109個水位調(diào)查點，11個抽水試驗點，5個野外現(xiàn)場滲坑試驗點（見圖2）。抽水井均穿過包氣帶至含水層。以試驗結(jié)果和經(jīng)驗值為參考，經(jīng)過模型調(diào)參獲得研究區(qū)各含水層自上而下水平滲透系數(shù)Kh分別為005～15 md不等、0001 md、10 md、0000 1 md。垂直滲透系數(shù)Kv根據(jù)經(jīng)驗值按水平滲透系數(shù)Kh的110給定。研究區(qū)補給主要來源于降雨入滲，故按照經(jīng)驗值[3233]選取降雨入滲系數(shù)014～035。最大蒸發(fā)速率參考年均蒸發(fā)量計算經(jīng)過調(diào)參后為0004 1～0006 7 md不等，極限蒸發(fā)深度為3 m。彌散系數(shù)采用定水頭的淋濾實驗獲得，縱向彌散度αL=132 cm，本模型給定αVαL=02，αHαL=02。

（5）模型識別和驗證。

模型的驗證和識別是判斷一個模型是否符合實際環(huán)境條件的重要依據(jù)。模型必須滿足水文地質(zhì)參數(shù)符合實際水文地質(zhì)條件、地下水補給量與排泄量基本相等（ΔQQ補<10%）、地下水模擬流場與實際流場基本一致等條件。研究區(qū)未填海條件下水文地質(zhì)參數(shù)設(shè)置符合古雷半島水文地質(zhì)條件，地下水流模型水均衡（ΔQQ補）為-065%，地下水模擬等值線與實測等水位線基本一致（見圖3），因此本研究數(shù)值模型可信，模擬流場可以客觀反映研究區(qū)實際地下水流場。

23污染源強設(shè)定endprint

本研究以擬建古雷半島煉化一體化項目化工原

[CM（22]料罐區(qū)苯儲罐泄漏為例（i=184，j=78，L=1）。根據(jù)儲罐區(qū)內(nèi)外壓差及裂口面積等，按照化工行業(yè)常用的經(jīng)驗公式（3）輸入研究區(qū)相應(yīng)數(shù)據(jù)[34]，計算出苯泄漏速率為1837 kgd（純物質(zhì)）。

QL=CdAρ[KF（][SX（]2（P-P0）[]ρ+2gh[KF）]（3）

式中：QL為液體泄漏速率（kgs）；P為容器內(nèi)介質(zhì)

壓力（Pa）；P0為環(huán)境壓力（Pa）；ρ為泄漏液體密度（kgm3）；g為重力加速度，981 ms2；h為裂口之上液位高度（m）；Cd為液體泄漏系數(shù)，無量綱；A為裂口面積。

由于儲罐區(qū)泄露不易被發(fā)現(xiàn)，按照每季（3個月）一次監(jiān)測頻率，設(shè)定污染源在前90 d 內(nèi)未被發(fā)現(xiàn)，視為連續(xù)穩(wěn)定釋放的點源，90 d后發(fā)現(xiàn)污染并立即采取措施，污染物不再釋放，故模型可分為2個應(yīng)力期。泄漏區(qū)域污染物運移速率慢、濃度梯度大，為了及時發(fā)現(xiàn)地下水污染，更好地展現(xiàn)污染羽水平運移范圍和濃度變化以及垂向上各含水層污染物濃度變化，在泄漏點西側(cè)50 m設(shè)定1個觀測井（i=184，j=77），以探索不同填海情景下污染物的運移規(guī)律。

3結(jié)果與討論

31不同填海情景下的地下水流場

根據(jù)模型模擬結(jié)果（圖4），三種填海情景下原有陸域地下水流場形態(tài)與初始流場趨勢基本一致，呈現(xiàn)南北兩側(cè)高，中部次之，東西部最低的分布規(guī)律，與地形保持一致。地下水由南北兩側(cè)向中部匯集，在中軸形成近南北向的脊?fàn)罘炙畮X，最后分別向東西兩側(cè)徑流入海。

研究區(qū)地下水初始流場平均水位127 m，最高水位1400 m，最低水位與海平面持平。填海工程實施后，半島地下水水位發(fā)生變化，三種填海情景最高水位依次為1392 m、1392 m、1378 m，最低水位三者均與海平面基本持平。海砂填海、海砂+黏土填海、黏土填海三種填海情景下的陸域地下水流場相比于初始流場，半島四周水位呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，上升幅度最高值分別為405 m、405 m、478 m，上升區(qū)主要出現(xiàn)在未填海西側(cè)臨海陸域。填海工程的實施區(qū)域包含劃定的填海區(qū)和低于填海區(qū)規(guī)定標(biāo)高的少部分沿海陸域，西側(cè)臨海陸域因填海造成地下水排泄受阻，呈現(xiàn)大幅度抬升。在填海區(qū)域，填海材料的加入使原來的海洋轉(zhuǎn)變?yōu)殛懙兀Ｋ?qū)退，填海區(qū)接受大氣降水和原有陸域補給大于蒸發(fā)和海洋排泄量，故地下水水位升高。古雷半島實施填海工程后整體水位呈上升趨勢，水力坡度降低，地下水水流流速減緩，地下水分水嶺由陸地向海洋一側(cè)移動，而且經(jīng)過一定時間后將達(dá)到新的平衡。

利用ArcGIS 101柵格計算分析獲得三種不同填海情景兩兩比較中的地下水水位差空間分布圖，如圖5所示。通過比較分析得到：（1）情景二相較于情景一（圖5a），在大部分原有陸域和海砂填海區(qū)與前者變化一致，而未填海陸域東北側(cè)臨海區(qū)域和黏土填海區(qū)地下水水位高，水位差最值分別為-067 m、444 m；（2）情景三相較于情景一（圖6（b）），未填海陸域中部地區(qū)水位值低，而填海區(qū)和未填?？拷詈?cè)水位高，水位差的最值分別為-031 m、820 m；（3）情景三相較于情景二（圖5（c）），未填海陸域東側(cè)地區(qū)和西側(cè)黏土填海區(qū)水位低，但在未填海陸域西側(cè)和后者的海砂填海區(qū)水位高，水位差最值分別為-047 m，820 m。水位差最大值均出現(xiàn)在未填海區(qū)的最北端區(qū)域，地下水因填海工程實施被迫滯留而抬升明顯。上述結(jié)果和分析說明填海材料的滲透系數(shù)越低、覆蓋面積越大，對地下水流動的阻礙作用越強，并且其對填海區(qū)流場的影響大于未填海區(qū)。

32不同填海情景下的地下水污染物運移

根據(jù)前述污染物源強設(shè)置以及項目運營期的情況[3435]，綜合選取泄漏發(fā)生后的近、中、遠(yuǎn)三個典型期作為典型代表，即污染物運移100 d、1 000 d、10 950 d（一般項目服務(wù)年限為30 a）三個典型時刻來對污染物遷移范圍和運移規(guī)律開展詳細(xì)分析。苯發(fā)生泄漏后因重力和滲透作用通過包氣帶進(jìn)入地下水，隨著地下水流的運動而遷移，從而對地下水含水層造成污染。參考《地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（DZT 0290-2015）[36]，污染物濃度高于III類水質(zhì)苯濃度閾值001 mgL即處于污染狀態(tài)。三種填海情景下的地下水污染羽在水平和垂向上的遷移分布范圍分別見圖6、圖7，污染運移相關(guān)參數(shù)數(shù)值見表1。

在水平方向上，污染物在地下水流場的作用下往海島西側(cè)運移，在地下水中不斷遷移擴散，濃度逐漸減小，污染羽面積不斷增大，運移速度減緩，但在

預(yù)測時間30 a內(nèi)未運移出廠區(qū)。情景一與情景二污染物運移基本相同，擴散強度高于情景三。情景一和情景二的污染羽運移最大水平距離為450 m，最大運移范圍109 000 m2，中心濃度向西側(cè)運移了250 m，濃度最高值達(dá)1 064 69550 mgL；情景三最大水平距離為365 m，最大運移范圍83 855 m2，中心濃度向西側(cè)運移150 m，最高值達(dá)1 064 78500 mgL。相較于情景一或情景二，情景三水平運移面積、運移速率分別下降2307%、1889%。在垂直方向上，污染物泄漏后下滲進(jìn)入第一層含水層，由于含水層連通性，在100 d內(nèi)即到達(dá)第二層含水層并且不斷積聚，呈現(xiàn)以水平運移為主、垂向運移為輔的特征。在1 000 d后突破第二層含水層阻滯進(jìn)入第三層含水層，但預(yù)測時間10 950 d內(nèi)未對第四層含水層造成污染。

三種填海情景下觀測井在污染物泄漏10 d內(nèi)會受到污染，并且污染物垂向濃度變化明顯，受污染含水層污染物濃度隨時間變化見圖8。因為情景一與情景二變化趨勢一致，所以兩者濃度時間曲線發(fā)生重疊。第一層含水層賦存潛水，污染物濃度在三種填海情景均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，情景一和情景二在2 410 d同時達(dá)到最大值368 76859 mgL后逐漸下降至10 950 d時濃度為78378 mgL，情景三在2 760 d達(dá)到最大值391 77656mgL后逐漸下降10 950 d濃度為4 60291 mgL，30 a時情景三觀測井濃度為情景一或情景二的587倍。第二層含水層污染物濃度隨時間濃度不斷升高，三種情景在10 950 d分別達(dá)到最大值2036 mgL、2036 mgL、2673 mgL。第三層含水層污染物濃度隨時間增加濃度不斷升高，三種情景在10 950 d分別達(dá)到最大值001 mgL、001 mgL、002 mgL第四層含水層在預(yù)測時間內(nèi)濃度endprint

低于001 mgL，即認(rèn)為沒有受到污染。三種填海情景在同一時刻污染物濃度均隨含水層埋深增加而降低，而同一含水層情景一和情景二污染物濃度出現(xiàn)先高于后低于情景三的現(xiàn)象。由上述運移結(jié)果可以看出，在未考慮土壤對污染物的化學(xué)、生物作用條件下，污染物運移差異主要由填海材料、含水層巖性和填海后地下水流場變化引起。情景一與情景二在泄露點附近區(qū)域水文地質(zhì)條件相同，地下水流場基本一致，故地下水污染物運移特征基本相同。由于情景三填海材料對地下水流的阻滯作用強于情景一和情景二，其污染物運移速率、距離和面積等參數(shù)顯著低于后兩者，但污染物因遷移擴散強度低而不斷滯留在未填海區(qū)域，濃度削減緩慢。填海材料滲透性不僅會影響流速，也會改變局部地下水流向，從而影響污染物遷移擴散方向與運移范圍。泄露點周圍第一層潛水含水層與外界連通性好，存在頻繁的物質(zhì)和能量的交換，地下水交換頻繁、運移速度快，污染物在該層的衰減速率明顯高于其他含水層。而第二層黏土層滲透性弱，對污染物截留作用強，在預(yù)測期內(nèi)模擬濃度呈現(xiàn)大幅度下降，這對微承壓承壓含水層起到了較大的保護(hù)作用。與情景一、情景二相比，情景三污染物抵達(dá)觀測井時間長且衰減速率慢。

33地下水污染防控措施與建議

根據(jù)地下水污染運移結(jié)果及分析，如果古雷半島中部靠近填海邊界發(fā)生泄露事故，污染物對地下水的影響范圍小，主要集中在廠區(qū)泄露點半徑05 km內(nèi)，在不采取任何防控措施的情況下，雖然泄漏事件在預(yù)測時期內(nèi)不會污染半島西側(cè)海域環(huán)境敏感區(qū)，但是會嚴(yán)重污染源強泄露點附近及下游臨近的潛水含水層，甚至在遠(yuǎn)期時會造成源強點下伏局部微承壓承壓含水層水質(zhì)輕微污染。因此，按照“源頭控制、分區(qū)防治、污染監(jiān)控、應(yīng)急響應(yīng)”相結(jié)合的原則，建議擬建項目在施工期要對苯儲罐區(qū)等潛在污染源進(jìn)行分區(qū)分級水平防滲和垂向防滲，并且在其下游設(shè)置不同層位的地下水監(jiān)測井進(jìn)行定期采樣檢測，對污染物的產(chǎn)生、入滲、擴散、應(yīng)急響應(yīng)進(jìn)行全方位監(jiān)測與控制。

4結(jié)論

根據(jù)GMS數(shù)值模擬結(jié)果，填海工程實施后，對

[HJ195mm]

填海區(qū)地下水的影響大于未填海區(qū)，地下水流向改變不明顯，但地下水水位整體抬升，流速減小，地下水分水嶺朝海島西側(cè)移動。不同填海材料及其組合的方式會對地下水流場產(chǎn)生不同的影響。滲透系數(shù)越低對地下水流場的阻礙作用越強，但本文提出的組合方式——情景二（海砂+黏土填海）對研究區(qū)地下水流場影響在未填海區(qū)和海砂填海區(qū)與情景一（海砂填海）基本相同，只有在黏土填海區(qū)滯留地下水效果明顯。在未考慮環(huán)境對污染物的化學(xué)、生物作用的前提下，填海材料滲透性、含水層巖性和地下水流場是影響污染物運移的主要因素。填海情景下污染物向半島西側(cè)運移，以水平運移為主、垂向運移為輔。水平方向上污染羽面積和最大水平運移距離持續(xù)增加，污染物中心濃度持續(xù)減?。淮怪狈较蛏想S含水層埋深的增加濃度減小。與情景三（黏土填海）相比，情景一和情景二污染物運移基本相同且水平運移強、垂直運移弱。

研究結(jié)果表明，污染源位于臨近填海區(qū)的原有陸域中部，本文提出的組合填海方式對污染物運移阻滯效果不明顯，采用黏土填海對周邊環(huán)境的影響最小。另外，研究區(qū)發(fā)生泄漏后污染物運移速度慢、分布集中，且在30 a內(nèi)未運移出廠區(qū)，對周邊海域的環(huán)境影響弱，但是對源強泄露點附近及下游臨近潛水含水層污染嚴(yán)重，不采取任何措施的情況下甚至?xí)廴揪植课⒊袎撼袎汉畬?。因此，臨近含水層受污染的潛在風(fēng)險高，必須嚴(yán)控污染源，并及時做好污染監(jiān)測與防控。

由于數(shù)據(jù)和實驗條件有限，沒有考慮研究區(qū)地下水污染物背景值以及土壤對污染物的生物和化學(xué)作用，在實際情況下前者會使污染物濃度更高，后者會使污染物濃度變化更為復(fù)雜。此外，如果半島過度抽汲地下水使區(qū)域地下水水均衡遭到破壞，則本文建立的非均質(zhì)、各向異性、三維穩(wěn)定流水文地質(zhì)模型將與實際情況出現(xiàn)偏差。為了更好地評估填海工程對地下水環(huán)境的影響，仍需要完善地下水監(jiān)測機制并進(jìn)行長期跟蹤研究，做好污染防控，以使填海工程對地下水環(huán)境的不利影響最小化。

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