火力發(fā)電廠地下水環(huán)境影響評價的工程實踐

王延輝，單 波，寇曉嵐

(中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710032)

隨著環(huán)境污染對水源水質(zhì)的影響越來越重，保障和提高水質(zhì)已成為關(guān)系到國計民生的大事，國家對地下水環(huán)境的保護力度也逐漸加大，火力發(fā)電廠項目對環(huán)境保護方面的要求越來越高，根據(jù)國家環(huán)保部2011年發(fā)布的《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》(HJ 610－2016，2016年第一次修訂)，以地下水作為供水水源以及對地下水環(huán)境可能產(chǎn)生影響的建設(shè)項目必須進行地下水環(huán)境影響評價工作。電廠項目因為存在潛在污染源，也必須進行地下水環(huán)境影響評價。

地下水環(huán)境影響評價專題工作自2011年開始，初期因地下水環(huán)境導(dǎo)則的針對性比較寬泛，使其在各行業(yè)具體應(yīng)用時也存在一些分歧，電力工程地下水環(huán)境勘測評價工作的開展也經(jīng)歷了最初幾年的摸索，最終取得了一些行業(yè)共識，尤其是2015版導(dǎo)則發(fā)布又執(zhí)行了一段時間之后，隨著電力工程專業(yè)技術(shù)人員技術(shù)水平的提升和實踐經(jīng)驗的積累，火力發(fā)電廠地下水的環(huán)境影響評價工作日益成熟。中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司(以下簡稱西北院公司)已于2009年開展電廠的地下水環(huán)境勘察工作，2011年地下水導(dǎo)則發(fā)布之后，依托原有水文地質(zhì)專業(yè)團隊，積極組織相關(guān)技術(shù)人員參加各類培訓(xùn)，迅速掌握了地下水環(huán)境影響評價技術(shù)，至今已完成此類項目近40項。

本文以西北院公司2017年完成的一項火力發(fā)電廠的地下水環(huán)境影響評價實際工程為例，介紹了最新的火力發(fā)電廠地下水環(huán)境影響評價工程經(jīng)驗，其中重點對地下水模擬評價部分進行了闡述，通過對該電廠廠址水文地質(zhì)條件的概化，建立地下水水流模型，確定能夠真實刻畫研究區(qū)地下水水流特征的地下水水流模型，計算在不同情景下污染因子對研究區(qū)保護目標的地下水環(huán)境影響情況。

1 基本條件

1.1 評價等級及范圍

根據(jù)Ⅰ類建設(shè)項目地下水評價工作的等級指標，火電建設(shè)項目由于廠區(qū)污染物存貯建筑物在事故工況下發(fā)生少量污水泄漏將有可能造成周邊地下水水質(zhì)污染。因此，根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》(HJ610－2016)的相關(guān)規(guī)定，本電廠工程屬于Ⅰ類建設(shè)項目。

按照地下水導(dǎo)則要求并結(jié)合本工程周邊的區(qū)域地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地形地貌特征和地下水保護目標，確定區(qū)域水文地質(zhì)評價范圍：西側(cè)以天堂河為界，東側(cè)以小庵川為界，南側(cè)廟溝－西溝－西河一帶為界，調(diào)查范圍約51.5 km2；建設(shè)項目評價區(qū)范圍西側(cè)以天堂河為界，東側(cè)以天堂河和小庵川之間的分水嶺為界，南側(cè)以園子坪溝為界，評價范圍約10.4 km2。

根據(jù)本地區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查分析，并結(jié)合本工程主要污染物特征，預(yù)計工程建設(shè)后可能對廠址區(qū)、灰場區(qū)潛水及其徑流下游的分散式飲用水水源井有影響。因此，本項目的地下水環(huán)境保護目標為廠址區(qū)和灰場區(qū)下游村莊分散式生活飲用水水源井。

1.2 水文地質(zhì)條件

建設(shè)項目評價區(qū)內(nèi)有少量飲用及灌溉用水井開采上層潛水，下部承壓水暫時沒有開采，承壓水與潛水之間存在大厚度泥巖隔水層，故評價區(qū)以上部潛水為目的含水層。評價區(qū)內(nèi)上層潛水表現(xiàn)為三種類型。

(1)黃土梁區(qū)下部溢出泉水，評價區(qū)內(nèi)泉水普遍流量較小，一般2～5 m3/d，屬極弱富水性區(qū)，泉水一般根據(jù)地形自上而下流入下游河谷或中途滲入地下補給下游第四系全新統(tǒng)沖洪積含水層。

(2)河谷川道區(qū)第四系全新統(tǒng)沖洪積層孔隙潛水，在評價區(qū)主要分布于天堂河、園子坪溝溝谷谷底及兩岸，呈帶狀分布，天堂河溝底沖、洪積堆積物結(jié)構(gòu)松散，孔隙率大，透水性相對強，單井出水量一般介于100～500 m3/d，局部可達720 m3/d，屬水量中等富水性分區(qū)，園子坪溝溝底沖、洪積堆積以粉土為主，混少量砂卵石，受地層影響，其單井出水量一般小于100 m3/d，屬弱富水性分區(qū)。

(3)黃土下伏紅粘土及第四系下伏基巖中的孔隙裂隙水，黃土層及沖積層與下伏紅粘土及基巖風(fēng)化帶之間無隔水層存在，水力聯(lián)系密切，紅粘土因夾多層姜石層故有一定含水性，評價區(qū)下伏基巖以泥巖為主夾多層砂巖、砂質(zhì)泥巖等，基巖裂隙發(fā)育程度弱，紅粘土及基巖裂隙透水性能較弱，地下水流通條件、賦存條件極差，富水性極弱，且基巖風(fēng)化帶孔隙裂隙水分布不連續(xù)，該層水單井出水量不均勻，一般小于100 m3/d，屬弱富水性分區(qū)。

2 地下水流及溶質(zhì)運移數(shù)值模型

2.1 模擬軟件選擇

地下水評價評價選取Visual Mod flow軟件，該軟件是目前國際上最流行且被各國一致認可的三維地下水流和溶質(zhì)運移模擬評價的標準可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)。軟件包由水流評價(Mod flow)、平面和剖面流線示蹤分析(Modpath)和溶質(zhì)運移評價(MT 3D)三大部分組成，并且具有強大的圖形可視界面功能。設(shè)計新穎的菜單結(jié)構(gòu)允許用戶非常容易地在計算機上直接圈定模型區(qū)域和剖分計算單元，并可方便地為各剖分單元和邊界條件直接在機上賦值，做到真正的人機對話。該軟件合理的菜單結(jié)構(gòu)、友好的界面和功能強大的可視化特征和極好的軟件支撐使之成為許多地下水模擬專業(yè)人員選擇的對象。其已經(jīng)普遍應(yīng)用于我公司承擔(dān)的所有地下水環(huán)境影響評價項目，工程實踐證明，其運行可靠，模擬結(jié)果較符合實際情況，應(yīng)用效果良好。

2.2 水文地質(zhì)概念模型

結(jié)合廠址周邊地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地形地貌特征、地下水保護目標和污染物可能的遷移路徑確定模擬范圍面積約5.8 km2，范圍內(nèi)有河谷川道區(qū)和黃土梁區(qū)兩種地貌單元。評價區(qū)內(nèi)潛水含水層地下水埋深較淺，巖性為砂卵石和粉土，空間分布連續(xù)穩(wěn)定，將潛水含水層劃分成一層，靠近河流的河谷川道區(qū)地下含水層巖性為砂卵石，厚度平均6.5 m，黃土梁區(qū)地下含水層巖性為第四系粉土，平均厚度30 m。模型的邊界均為流量邊界，通過通用水頭邊界刻畫。

2.3 水流運動與溶質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型

模擬區(qū)地下水流系統(tǒng)可用下列的數(shù)學(xué)模型表述：

式中：Ω為地下水滲流區(qū)域；H為地下水水頭(m)；h為含水層含水厚度(m)；S1為模型的第一類邊界；S2為模型的第二類邊界；q2為邊界流量 (m3/d)；kxx，kyy，kzz為分別為x，y，z主方向的滲透系數(shù)(m/d)；μ為給水度；w為源匯項，單位時間在垂向上單位面積含水層中

補給(排泄)的水量(m/d)。

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問題。溶質(zhì)運移的三維水動力彌散方程的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：C為地下水中組分的溶解相濃度(ML－3)；θ為含水介質(zhì)的孔隙度，無量綱；t為時間(T)；xi為沿直角坐標系軸向的距離，L；Dij為水動力彌散系數(shù)張量(L2T－1)；Vi為孔隙水平均實際流速(LT－1)；qs為含水層內(nèi)源/匯的體積流量(T－1)；Cs為源或匯水流中組分的濃度(ML－3)；

在模擬污染物擴散時，不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)等因素，重點考慮對流、彌散作用。

初始濃度定為0 mg/L，具體表述為：

地下水模擬將含水層各個邊界均看做二類邊界條件(Neumann邊界)，且穿越邊界的彌散通量為0，具體可表述為：

式中：Γ2為Neumann邊界。

2.4 地下水水流模型建立

本文利用數(shù)值軟件Visual MODFLOW建立本工程廠址區(qū)的地下水流和溶質(zhì)運移模型，經(jīng)校正后對廠址區(qū)地下水環(huán)境影響進行預(yù)測及評價。

在平面上為提高模型的精度，將全區(qū)概化為潛水含水層，含水層剖分為1層，共剖分有效單元約92800個。最大單元格為15 m×15 m，最小單元格為5 m×5 m。針對廠址與灰場泄漏點附近及其下游區(qū)域單元格進行了加密。

進行模擬預(yù)測前，必須對數(shù)值模型進行參數(shù)識別，結(jié)合評價區(qū)水文地質(zhì)條件以及現(xiàn)場抽水試驗的結(jié)果，并通過模型計算水位和實測水位擬合分析，反復(fù)調(diào)整參數(shù)，最終得到了含水層參數(shù)。將模型穩(wěn)定流水位模擬結(jié)果與實測流場進行對比，得到流場擬合效果見圖1。

圖1 廠址區(qū)模擬水位擬合圖

3 預(yù)測情形及結(jié)果

3.1 風(fēng)險事故情景設(shè)計

針對風(fēng)險事故情景設(shè)計，主要考慮到擬建本期工程在建設(shè)階段、生產(chǎn)運行階段的正常工況及服務(wù)期滿后的階段時對地下水環(huán)境基本沒有影響或影響很弱，不會對地下水造成污染；因此，本次預(yù)測主要針對的是擬建本期工程生產(chǎn)運行階段的事故工況，并重點考慮可能出現(xiàn)的、由地下水污染物遷移對地下水環(huán)境產(chǎn)生影響的事故泄漏點設(shè)有防滲措施，最終確定三種預(yù)測情景：防滲出現(xiàn)破損情況下，即生活污水池、脫硫廢水池和灰場發(fā)生污染物泄漏。

預(yù)測時假設(shè)在廠址區(qū)防滲破損5%的情況下，計算模擬各泄漏點處的污染因子的運移情況。防滲破損按5%考慮是因為根據(jù)對大量垃圾填埋場防滲土工膜的滲漏破損總結(jié)，垃圾填埋場在后期運營階段破損的概率統(tǒng)計為2%～3%，工程對比分析，且考慮到火力發(fā)電廠工程的重要性，防滲破損率在預(yù)測時考慮最不利因素，故一般按5%考慮。根據(jù)電廠工程廢污水排放情況最終選擇氨氮、Cl－、SO42－和F－污染物作為泄漏點的污染因子。預(yù)測時在泄漏點下游30 m處設(shè)置濃度觀測井。

在模擬污染因子在地下水中的運移情況時，本次溶質(zhì)模型不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)等因素影響，重點考慮對流、彌散的作用。結(jié)合前人所做的研究與評價區(qū)具體的水文地質(zhì)條件并出于安全的角度考慮，本次評價區(qū)域粉土與粉細砂的縱向彌散度參數(shù)值分別取5 m、10 m，水平橫向與縱向彌散度的比值為0.1，垂向與縱向彌散度比值為0.01。

3.2 結(jié)果分析

本次本期研究區(qū)污染因子重點模擬四種有代表性污染因子，本文僅以氨氮為例，計算得出其不同時間的氨氮的遷移范圍圖，氨氮污染物運移的預(yù)測代表性結(jié)果見圖2、圖3?！兜叵滤|(zhì)量標準》(GB/T14848－2017)中氨氮Ⅲ類標準臨界值為0.2 mg/L。圖中污染范圍的外邊界為0.02 mg/L。對于廠址區(qū)其他污染因子的模擬計算結(jié)果，以表格的形式呈現(xiàn)，見表1。

圖2 氨氮泄漏100天后平面濃度分布圖

表1 模擬期內(nèi)廠址區(qū)各情形下特征污染因子的遷移特征統(tǒng)計

圖3 氨氮污染物泄漏1 000天后平面濃度分布圖

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，在防滲混凝土破損5%的情況下，氨氮污染物在水平方向上主要向西北遷移擴散。與背景值疊加后，在100天時污染物最大濃度0.42 mg/L，超標范圍270 m2，超標范圍在廠址內(nèi)，距離下游廠址邊界15 m。在150天時污染暈中心點最大值為0.027。遠低于地下水III類標準值0.2 mg/L，以0.02 mg/L等濃度線為外邊界的污染物遷移距離為120 m，影響范圍6 785 m2，無超標區(qū)域?？梢娫谀M期內(nèi)一段時間污染物泄漏超標，但超標范圍在廠界內(nèi)，并且超標范圍迅速消失，所以在非正常工況下，防滲措施有效，對下游保護目標沒有影響。

采用混凝土防滲，正常情況下泄漏點下游30 m處監(jiān)測井中氨氮污染物濃度最大值為0.0204 mg/L，遠低于地下水III類標準值0.2 mg/L?？梢娫诜罎B混凝土完好工況下，微量污染物的泄漏不會對地下水水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。

采用混凝土防滲，正常狀況下河流處監(jiān)測井中氨氮污染物濃度最大值為0.0201 mg/L，非正常狀況下河流處監(jiān)測井中氨氮污染物濃度最大值為0.17 mg/L。這兩種情況下，污染物濃度都低于地下水III類標準值0.2 mg/L，低于地表水Ⅱ類標準值0.5 mg/L，可見在正常和非正常工況下污染物的泄漏不會造成天堂河水質(zhì)超標的情況，也不會對泄漏點下游含水層和保護目標造成影響。

4 結(jié)論

地下水環(huán)評影響評價等級判定、評價范圍確定及水文地質(zhì)條件是評價的基礎(chǔ)，必須根據(jù)工程建設(shè)項目區(qū)域環(huán)境條件及相關(guān)規(guī)范綜合確定，詳細查明水文地質(zhì)條件才能為影響評價的可靠性提供保證。根據(jù)地下水流及溶質(zhì)數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果地下水影響程度，設(shè)計事故工況情景，預(yù)測事故工況或持續(xù)泄漏情況下對地下水及保護目標的影響，為電廠運行期間可能出現(xiàn)的地下水環(huán)境問題提供技術(shù)支撐。

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