基于數(shù)值模擬模型研究濱?；て髽I(yè)地下水環(huán)境影響預(yù)測評價(jià)

，，

(南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份公司，江蘇 南京 210093)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，沿海地區(qū)加大了濱海地區(qū)的開發(fā)強(qiáng)度，化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥等行業(yè)在濱海地區(qū)迅猛發(fā)展，人工填海地區(qū)成為該行業(yè)重要的選擇[1-3]。濱海地區(qū)的過度開發(fā)導(dǎo)致污染問題日益突出，并逐漸成為了建設(shè)生態(tài)文明和諧社會的一個(gè)主要矛盾。尤其是對于地下水環(huán)境而言，地下水污染具有隱蔽性、滯后性以及一旦污染便難以清除的特點(diǎn)，因此備受關(guān)注[4]。而針對建設(shè)項(xiàng)目的地下水環(huán)境影響預(yù)測評價(jià)，能預(yù)先評估和預(yù)防項(xiàng)目可能造成的地下水污染，起到源頭防治和管理的作用，對保護(hù)地下水環(huán)境意義重大[5-7]。此外，濱海地區(qū)地下水、地表水以及海水之間的水力聯(lián)系密切且復(fù)雜，濱海地區(qū)地下水環(huán)境評價(jià)成為項(xiàng)目環(huán)評中的難點(diǎn)。這類項(xiàng)目地下水環(huán)境評價(jià)研究較少，目前可參考的文獻(xiàn)非常有限。本文以某化工企業(yè)為例，基于數(shù)值模擬模型研究濱海地區(qū)地下水環(huán)境影響評價(jià)。

1 研究思路與背景

1.1 研究思路

通過資料收集和分析，結(jié)合現(xiàn)場水文地質(zhì)環(huán)境調(diào)查進(jìn)行綜合研究，確定合理的模擬范圍；分析研究區(qū)地下水流動(dòng)特征、含隔水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和邊界條件等，建立研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型；通過對研究區(qū)進(jìn)行空間離散、水文地質(zhì)參數(shù)賦值、地下水流場識別與校正，構(gòu)建研究區(qū)地下水水流模型；研究項(xiàng)目污染源特征，確定合理的污染因子，設(shè)計(jì)地下水泄露污染情景，在地下水水流模型的基礎(chǔ)上耦合污染物運(yùn)移模型，對研究區(qū)地下水進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測，選擇合理的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，針對模擬結(jié)果開展評價(jià)[8-11]。

1.2 研究背景

1.2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為南通某沿海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，累計(jì)落戶項(xiàng)目100多個(gè)，形成集醫(yī)藥、農(nóng)藥、高分子材料為主導(dǎo)的三大產(chǎn)業(yè)板塊群。開發(fā)區(qū)東枕黃海，占地面積約9.7km2，區(qū)位條件得天獨(dú)厚。研究區(qū)地貌特征為典型的濱海平原，場地較平緩開闊，地形坡度3°以內(nèi)，自然地面標(biāo)高3.79～5.69 m(黃海高程系)，總體呈西南高東北低狀。

1.2.2 水文地質(zhì)條件

本區(qū)大地構(gòu)造處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺東部，地層屬于揚(yáng)子地層區(qū)。地表第四系廣泛覆蓋，無基巖出露。區(qū)內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水，具有分布廣、層次多、水量豐富，水質(zhì)復(fù)雜等特征。區(qū)內(nèi)潛水含水層地層巖性主要為粉土、粉砂，粉土層厚1.35～1.60 m，平均1.51 m，粉砂層厚19.65～25.60 m，平均22.61 m；潛水含水層下隔水層層厚7.00～17.00 m，平均12.06 m，巖性主要為粉質(zhì)粘土，滲透性較弱。區(qū)內(nèi)淺層地下水埋深較淺，一般在1.55～2.83 m左右，地下水流向主要由西南向東北，研究區(qū)地下水流場圖見圖1。

圖1 研究區(qū)地下水流場圖

2 數(shù)值模型

2.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)水文地質(zhì)條件較單一，主要含水層為第四系松散巖類含水層，含水層分布較均勻，在潛水含水層和承壓含水層之間有一層良好的粉質(zhì)粘土隔水層，使得潛水含水層與承壓含水層之間水力聯(lián)系較弱。

結(jié)合研究區(qū)水資源分區(qū)、水系分布，考慮區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境水文地質(zhì)條件，研究區(qū)西部以振洋河為河流界，北部以黃海為水頭界，東部以匡河為河流界，南部以一內(nèi)陸河為河流界，整個(gè)研究區(qū)范圍面積約16 km2。含水層上邊界為地面，通過該邊界含水層系統(tǒng)與大氣降水、地表水等產(chǎn)生垂向上的水量交換；下邊界為透水性差的粉質(zhì)粘土弱透水層，該層阻斷了潛水含水層與下伏承壓含水層的水力聯(lián)系，故定義為隔水邊界。根據(jù)模擬區(qū)地層條件，污染進(jìn)入地下主要污染潛水含水層。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，評價(jià)范圍內(nèi)地下水流運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型可以表示為潛水含水層非均質(zhì)、各向異性三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型，其控制方程及定解條件如下：

H(x，y，z，0)=H0(x，y，z)(x，y，z)∈Ω

H(x，y，z，t)|Γ1=H1(x，y，z，t)

式中：Kxx,Kyy,Kzz為主坐標(biāo)軸方向多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)，[LT-1]；h為水頭，[L]；w為單位面積垂向流量，[LT-1]，用以表示源匯項(xiàng)；μ為多孔介質(zhì)的給水度(或飽和差)；z為潛水含水層的底板標(biāo)高，[L]；t為時(shí)間，[T]；Ω表示滲流區(qū)域；Γ1表示第一類給定水頭邊界。

污染物在地下水中的運(yùn)移包括對流、彌散以及溶質(zhì)本身的物理、化學(xué)變化等過程，可表示為：

本文采用GMS軟件求解，用MODFLOW計(jì)算模塊求解地下水水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，用MT3DMS模塊求解地下水污染物運(yùn)移數(shù)學(xué)模型。

2.3 模型離散

本文數(shù)值模擬求解采用有限差分法，需將評價(jià)區(qū)剖分為四邊形網(wǎng)格，在廠區(qū)污水處理站處進(jìn)行加密處理，最小網(wǎng)格空間長度達(dá)到2 m，網(wǎng)格垂向上剖分依據(jù)場區(qū)建設(shè)特點(diǎn)以及評價(jià)區(qū)內(nèi)潛水含水層特征劃分為兩層：第一層為粉土，厚度1.5 m左右；第二層為粉砂，含水層厚度22.6 m左右；在含水層下部設(shè)置一層相對隔水層，厚度為12.1 m左右；整個(gè)模型在垂向上一共三層。一共剖分148 512個(gè)網(wǎng)格，其中有效網(wǎng)格為89 733個(gè)。詳細(xì)見圖2。

圖2 研究區(qū)三維網(wǎng)格剖分示意圖

2.4 水文地質(zhì)參數(shù)

水文地質(zhì)參數(shù)的選擇主要依據(jù)該項(xiàng)目水文地質(zhì)調(diào)查所進(jìn)行的各類野外及室內(nèi)水文地質(zhì)試驗(yàn)的結(jié)果，并結(jié)合以往在附近區(qū)域各類水文地質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料確定，其水文地質(zhì)參數(shù)取值如表1所示。

表1 研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)取值

彌散度是研究污染物在地下水中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的重要參數(shù)之一，由于彌散度的不確定性，本文將通過對比不同彌散度取值條件下污染物遷移規(guī)律，幫助企業(yè)科學(xué)管理地下水。

2.5 模型校正與識別

將數(shù)值模型進(jìn)行求解，對比模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)差異程度，從而校正檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇?、?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.5.1 地下水水位擬合

模擬計(jì)算含水層地下水水位與實(shí)測地下水水位關(guān)系見圖3。圖中可以看出實(shí)際觀測水位與計(jì)算水位誤差均在0.2 m以內(nèi)，模擬誤差小，說明模型是合理的。

圖3 研究區(qū)地下水水位擬合圖

2.5.2 水均衡

模擬計(jì)算得到的模擬范圍內(nèi)水均衡結(jié)果如表2所示。

表2 研究區(qū)水均衡結(jié)果表 m3/a

根據(jù)水均衡結(jié)果，評價(jià)區(qū)每年地下水排泄進(jìn)入地表水1 757 080.8 m3，地表水補(bǔ)給地下水的量為785 582.2 m3，表明地下水和地表水存在密切的水力聯(lián)系。綜上，根據(jù)對地下水水位及水均衡計(jì)算結(jié)果的分析，模型能較好反映該地區(qū)地下水流運(yùn)動(dòng)特征，可以用于地下水環(huán)境影響的預(yù)測評價(jià)。

3 地下水模擬預(yù)測與評價(jià)

3.1 地下水污染源

建設(shè)項(xiàng)目工程可能存在的地下水污染源主要是各生產(chǎn)裝置產(chǎn)生的生產(chǎn)廢水、各生產(chǎn)廢水的輸送管線、污水處理池等，根據(jù)對本次改擴(kuò)建項(xiàng)目的生產(chǎn)工藝、設(shè)備設(shè)施分析后，項(xiàng)目裝置區(qū)內(nèi)的污水處理池防治措施較薄弱，也是最重要的地下水污染源。非正常狀況下污水處理池池壁因系統(tǒng)老化、防滲措施失效等原因發(fā)生滲漏可能對地下水產(chǎn)生影響。本工程排放的廢水主要產(chǎn)生于噻蟲胺、乙螨唑、蟲胺等原藥生產(chǎn)過程中的廢水。污水處理池廢水源強(qiáng)進(jìn)水情況見表3。

表3 污水處理池進(jìn)水源強(qiáng)情況表

非正常狀況下，污水處理池發(fā)生滲漏，廢水經(jīng)包氣帶進(jìn)入潛水含水層。挑選污水處理池調(diào)節(jié)池底部及側(cè)壁面積約為220 m2，滲漏面積按面積的5‰計(jì)算，根據(jù)《給水排水構(gòu)筑物工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50141-2008)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水池滲水量不得超過2 L/(m2·d)，非正常狀況按照正常狀況的100倍考慮，則污水處理池調(diào)解池滲水量為0.22 m3/d。

3.2 預(yù)測因子及時(shí)段

項(xiàng)目地下水的主要污染源來自污水處理池中的廢水，根據(jù)對項(xiàng)目廢水的主要成分分析，確定廢水中主要種類和標(biāo)準(zhǔn)值屬較大的COD和甲苯作為預(yù)測的對象，此類物質(zhì)有較大危害性，如進(jìn)入地下水易對環(huán)境造成危害，因此選取該指標(biāo)進(jìn)行地下水溶質(zhì)遷移預(yù)測。

考慮項(xiàng)目建設(shè)、運(yùn)營和退役期，將地下水環(huán)境影響預(yù)測時(shí)段擬定為10 000 d。結(jié)合工程特征與環(huán)境特征，預(yù)測污染發(fā)生100 d、1 000 d及10 000 d后污染物遷移情況。

3.3 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

COD標(biāo)準(zhǔn)限值參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值[12]，甲苯超標(biāo)范圍參照《地下水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DZ/T0290-2015)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值[13]。因COD與高錳酸鉀指數(shù)存在換算系數(shù)，根據(jù)南通地區(qū)地表水監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示換算系數(shù)在2.5～3之間，為保守起見，本文COD濃度與高錳酸鉀指數(shù)按4倍進(jìn)行換算。各指標(biāo)具體情況見表4。

表4 地下水污染物評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖4 不同時(shí)刻下COD運(yùn)移分布圖(D=10m)

3.4 預(yù)測結(jié)果分析

3.4.1 彌散度為10 m時(shí)，污染物遷移規(guī)律

將污染物泄露量和水文地質(zhì)參數(shù)帶入校正模型進(jìn)行模擬預(yù)測，彌散度為10 m時(shí)，100 d、1 000 d、10 000 d時(shí)刻下COD和甲苯運(yùn)移規(guī)律見圖4和圖5。

從圖中可以看出，隨著時(shí)間不斷增加，污染物在中心處的濃度逐漸升高，往東北方向不斷遷移，距離逐漸增加，污染范圍不斷擴(kuò)大；污染物詳細(xì)遷移規(guī)律見表5。

表5 D=10 m時(shí)不同時(shí)刻污染物運(yùn)移特征表

3.4.2 不同彌散度條件下污染物遷移規(guī)律

溶質(zhì)運(yùn)移模型的彌散度參數(shù)具有“尺度效應(yīng)”(隨研究尺度的增大而增大)，因此彌散度具有很大的不確定性。為了更好的了解污染物可能的運(yùn)移規(guī)律，可以通過分析不同彌散度條件下污染物遷移規(guī)律，得到污染物遷移距離、污染范圍、污染物濃度等參數(shù)，從而方便企業(yè)后期科學(xué)管理判斷可能存在的污染現(xiàn)象。本文選取彌散度為2 m、10 m、50 m進(jìn)行模擬預(yù)測，COD和甲苯模擬結(jié)果分別見圖6和圖7。

圖5 不同時(shí)刻下甲苯運(yùn)移分布圖(D=10m)

圖6 不同彌散度下COD運(yùn)移分布圖(T=10 000 d)

圖7 不同彌散度下甲苯運(yùn)移分布圖(T=10 000 d)

圖8 不同彌散度下污染物中心濃度變化趨勢圖

圖9 不同彌散度下遷移距離與超標(biāo)范圍變化趨勢圖

模擬結(jié)果顯示，模擬時(shí)間為10 000 d時(shí)，隨著彌散度的不斷增加，污水處理池中心濃度逐漸下降，遷移距離和超標(biāo)范圍不斷擴(kuò)大，見圖8和圖9。彌散度為2 m、10 m、50 m時(shí)，污染物COD和甲苯中心處濃度與初始濃度的比值從分別為0.97、0.94、0.90和0.96、0.91、0.87，遷移距離分別為32.39 m、52.12 m、88.24 m和36.89 m、58.38 m、102.49 m，超標(biāo)范圍分別為2 263.3 m2、4 007.4 m2、10 080.3 m2和2 585.5 m2、4 763.1 m2、12 851.1 m2。COD比甲苯的濃度下降的更慢，而甲苯比COD的遷移距離和超標(biāo)范圍更大。

發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因是，彌散度的增加有利于污染物的擴(kuò)散，同時(shí)隨著對流作用，污染物越容易向外擴(kuò)散，從而導(dǎo)致遷移距離不斷增加，污染物擴(kuò)散范圍及污染范圍變大；與此同時(shí)，中心處的污染物濃度隨著擴(kuò)散作用的增強(qiáng)會逐漸下降。

由于彌散度的尺度效應(yīng)，在目前無法有效解決尺度效應(yīng)情況下，通過模擬不同彌散度下污染物遷移規(guī)律，確定彌散度對溶質(zhì)運(yùn)移的影響。與確定的彌散度模型相比，本文可以更好的弄清污染物可能的遷移距離和超標(biāo)范圍，有利于企業(yè)加強(qiáng)地下水管理和判斷可能發(fā)生的污染現(xiàn)象。

4 結(jié)語

(1)本文在對濱海地區(qū)水文地質(zhì)條件詳細(xì)了解和調(diào)查的情況下，構(gòu)建了地下水?dāng)?shù)值模型，選擇合理的水文地質(zhì)參數(shù)校正模型，所建立的模型能夠真實(shí)地反應(yīng)研究區(qū)實(shí)際的水文地質(zhì)條件。

(2)針對本項(xiàng)目特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了合理的污水處理池泄露情景，分析了非正常工況下污染物對地下水的影響，模擬預(yù)測了污染物的時(shí)空遷移與擴(kuò)散規(guī)律，結(jié)果表明隨時(shí)間的增加，中心處污染物濃度逐漸升高，遷移距離逐漸增加，污染范圍不斷擴(kuò)大。

(3)由于彌散度的尺度效應(yīng)，研究了不同彌散度條件下污染物遷移規(guī)律，結(jié)果表明彌散度的不斷增加，污水處理池中心濃度逐漸下降，遷移距離和超標(biāo)范圍不斷擴(kuò)大。通過模擬不同彌散度下污染物遷移規(guī)律，有利于企業(yè)加強(qiáng)地下水管理和判斷可能發(fā)生的污染現(xiàn)象。

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