基于Visual Modflow的某化工項目地下水污染預測

魏慶龍，楊金偉，靳廷朝

（河南省地礦局第一地質環(huán)境調查院，河南鄭州450045）

在地下水資源的定量分析研究中，建立能較真實反映水文地質結構與流場特點的地下水數(shù)值模擬是地下水資源評價與管理的重要研究方法[1-2]，基于Visual Modflow軟件的有限差分法可以滿足復雜地下水的數(shù)值模擬[3]。

1 模擬區(qū)水文地質概況

模擬評價區(qū)處于豫北黃河沖積平原，不是一個完整的水文地質單元，地下水可以劃分為松散巖類孔隙水、半膠結碎屑巖類裂隙水。其含水層組按埋藏條件，可進一步劃分為淺層含水層組、中深層含水層組和深層含水層組。將淺層含水層和中深層含水層之間的粘土層當作模型的隔水底板。淺層含水層底板埋深90～120m，第一個連續(xù)穩(wěn)定隔水層之上的上更新統(tǒng)與全新統(tǒng)含水層，淺層水為潛水—微承壓水，含水介質為沖洪積及風積的粗、中、細、粉細砂組成，可見3層，單層厚度20～30m，總厚度為60～90m，由南向北，含水層厚度變薄。單井出水量為1800～2400m3/d，滲透系數(shù)13～20m/d，為中等富水區(qū)。

淺層地下水排泄主要以垂直蒸發(fā)為主，近些年來人工開采已成為重要的排泄方式，其次是向下游的徑流排泄，以及向中深層地下水的越流補給。大氣降水為本區(qū)淺層水的主要補給源。引黃渠道的滲漏補給也是本區(qū)淺層水的補給源。淺層水化學類型為HCO3·SO4-Na·Mg。

本區(qū)淺層地下水動態(tài)類型屬氣象-水文型。區(qū)內淺層地下水水位埋深差異較小，一般在3～7m之間，年變幅一般在0～4m左右。水位動態(tài)不全受降水的制約，而且又受引黃灌溉渠道水回滲因素影響，年內水位出現(xiàn)2個峰值，與降水和引黃灌溉時間相吻合。

2 地下水水動力場數(shù)值模擬

水是溶質運移的載體，地下水流場是溶質運移模擬的基礎，在溶質運移模擬前，需先建立模擬區(qū)地下水流場模型，地下水流場預測模型為modflow。

2.1 地下水流數(shù)學模型

根據(jù)模擬區(qū)水文地質特征，可將模擬區(qū)淺層孔隙水含水層概化為非均質、各向異性、三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，其運動的數(shù)學模型為：

式中：Ω——滲流區(qū)域；

Kxx、Kyy、Kzz——滲透系數(shù)在x、y和z方向上的分量，假定滲透系數(shù)的主軸方向與坐標軸的方向一致，m/d；

h——水位（水頭）標高，m；

ε——源匯項，m2/（d·m），ε＜0表示流出地下水系統(tǒng)，ε＞0表示流入地下水系統(tǒng)；

Ss——含水層給水性能參數(shù)，取重力給水度；

從圖2可以看出，常規(guī)治理方案一般需將脫硫裝置出口濕煙氣從50～55 ℃加熱至75～80 ℃(煙道及煙囪溫降按5 ℃考慮)，需要較大的熱量，現(xiàn)在電廠普遍采用除塵器前或脫硫塔前的高溫煙氣作為加熱熱源，高溫煙氣余熱無法再進行節(jié)能綜合利用，因此，治理方案應盡量減少飽和濕煙氣的加熱熱量，并考慮煙氣余熱的綜合利用效果。

t——時間，d；

h0——含水層的初始水位，m；

Γ2——流量邊界；

Γ3——淺層含水層的底板；

ˉ——邊界面的法線方向；

q(x，y，z，t)——二類邊界的單寬流量，m3/（d·m），流入為正，流出為負。

2.2 地下水流數(shù)值模擬的建立

對整個區(qū)域模型采用不等距矩形網格剖分，其中廠區(qū)進行局部加密剖分，其他區(qū)域等距離剖分，剖分為94行133列，共剖分矩形網格單元12502個，其中有效單元11118個，無效單元1384個。模擬區(qū)網格剖分見圖1，模型結構剖面圖見圖2。

圖1 模擬區(qū)網格剖分圖

2.3 模型識別

圖2 模型結構剖面示意圖

模型識別過程通常要在反復修改水文地質參數(shù)和調整某些源匯項基礎上才能達到較為理想的擬合結果。此模型的識別過程采用的方法稱為試估—校正法，屬于反求參數(shù)的間接方法之一。運行計算程序，可得到這種水文地質概念模型在給定水文地質參數(shù)和各均衡項條件下的地下水位時空分布，通過擬合同時期的地下水水位，識別水文地質參數(shù)、邊界值和其它均衡項，使建立的模型更加符合模擬區(qū)的水文地質條件。

根據(jù)所掌握的資料，以2013年底流場作為初始流場（見圖3），識別期選為2014年1月～2015年6月，2015年7～12月為驗證期，應力期以月為單位，共劃分為24個應力期。地下水位擬合效果見圖4，可見地下水位模擬水位和實測水位誤差均小于0.5m，所建立的數(shù)學模型達到了模型精度要求，可以利用該模型對研究區(qū)進行地下水污染情景預報。

3 地下水污染模擬預測

本次地下水污染模擬過程未考慮污染物在含水層中的吸附、揮發(fā)、生物化學反應，模型中各項參數(shù)予以保守性考慮。溶質運移模型采用MT3DMS進行求解。

3.1 溶質運移數(shù)學模型

地下水中溶質運移的數(shù)學模型為：

式中：ρb——介質密度，mg/(d·m)3；

θ——介質孔隙度，無量綱；

C——組分的濃度，mg/L；

t——時間，d；

x、y、z——空間位置坐標，m；

Dij——水動力彌散系數(shù)張量，m2/d；

Vi——地下水滲流速度張量，m/d；

Cs——組分的濃度，mg/L。

圖3 初始流場

3.2 地下水污染預測情景設定

通過對廠區(qū)平面布置、污水收集排放系統(tǒng)等綜合分析，確定規(guī)劃區(qū)污水處理站為此次模擬泄露點。根據(jù)廠區(qū)規(guī)劃特點，特征污染因子選為COD，地下水污染主要預測非正常工況防滲不正常情景

而非正常工況下，構筑物的最大滲水量取100倍的正常工況的滲水量進行計算。由于廠區(qū)有較完備的污染事故監(jiān)測預警系統(tǒng)，考慮不正常工況持續(xù)的時間為2d，非正常工況排除后，污水池滲水量按2L/（m2·d）進行計算。

3.3 場區(qū)生產對地下水水質的影響評價

根據(jù)非正常工況防滲不正常情景下污染模擬預測結果，依據(jù)《地下水質量標準》（GB/T14848-1993）中CODMn的Ⅰ類和Ⅲ類水的要求，特征污染因子在1、5、10、20、30年對地下水的影響范圍、超標范圍見表1和圖5。第1年CODMn濃度最大值分別為12.478mg/L；第30年CODMn濃度最大值分別為82.0544mg/L。第30年CODMn影響范圍已到達廠區(qū)邊界。此外，第27d，CODMn濃度超過地下水Ⅰ類標準，其濃度最大值為1.0288 mg/L，如果以廠區(qū)范圍作為污染控制范圍、以CODMn作為控制性污染因子，則非正常工況排除的時間不超過2d。

圖4 地下水位擬合效果圖

4 結論

根據(jù)研究水文地質資料和地下水觀測資料，識別和驗證了區(qū)域地下水運動水流運動模型，數(shù)值模擬模型具有較高的模擬精度。

根據(jù)廠區(qū)規(guī)劃特點，特征污染因子選為COD。地下水污染預測情景設定為非正常工況，構筑物的最大滲水量取200L/（m2·d），不正常工況持續(xù)的時間為2d，非正常工況排除后，污水池滲水量按2L/（m2·d）進行計算。

若以《地下水質量標準》（GB/T14848-1993）中Ⅰ類和Ⅲ類水CODMn濃度標準值分別作為地下污染影響范圍和超標范圍，則非正常工況下，第1年CODMn濃度最大值為12.478mg/L；第30年CODMn濃度最大值為82.0544mg/L。第30年CODMn影響范圍已到達廠區(qū)邊界。此外，第27d，CODMn濃度超過地下水Ⅰ類標準，其濃度最大值為1.0288mg/L，如果以廠區(qū)范圍作為污染控制范圍、以CODMn作為控制性污染因子，則非正常工況排除的時間不超過2d。

圖5 非正常工況下CODMn影響范圍

表1 非正常工況下污染物對地下水的影響范圍

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