基于GMS的某化工廠巖溶含水層溶質(zhì)運(yùn)移模擬

陳飛，徐世光，2，黃建國，徐梓礦

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650093；2.云南地礦工程勘察集團(tuán)公司，昆明 650041)

水是人類賴以生存的重要因素之一。近年來，水資源短缺問題越來越嚴(yán)重，水資源短缺和水資源污染成為各國首要關(guān)注的環(huán)境問題之一[1]?；どa(chǎn)產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)下滲到地下水污染比較敏感的巖溶區(qū)時(shí)會(huì)對地下水巖溶含水造成污染[2-3]。地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型是找出污染物遷移規(guī)律、確定污染范圍及污染物濃度分布的重要手段，可以為地下水資源管理和地下水污染修復(fù)提供依據(jù)[4-6]。本文以某化工廠污染源場地為例，通過對污染廠區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測，研究分析地下水流場演變趨勢，探究污染物的來源、遷移和空間分布規(guī)律，為地下水污染控制和修復(fù)提供依據(jù)[7]。對保護(hù)地下水環(huán)境有重要意義[8]。

1 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)地處云南省東南部低緯度高原，雨水充沛，年均降雨量1 187.8 mm，最大降雨量1 329 mm。研究區(qū)內(nèi)最主要的構(gòu)造為北西側(cè)文麻斷裂，該斷裂兩側(cè)發(fā)育有北東向和近南北向的張性及張扭性斷裂，為地下水的運(yùn)移提供了有利的條件。受地質(zhì)構(gòu)造控制，研究區(qū)出露地層主要為第四系松散層，三疊系法郎組、個(gè)舊組、永寧鎮(zhèn)組、飛仙關(guān)組，二疊系龍?zhí)督M、陽新組，石炭系威寧組、大塘組、董有組。區(qū)內(nèi)主要含水層為石炭系碳酸鹽巖含水層(組)，出露巖性為灰?guī)r，局部夾白云巖，賦水性強(qiáng)。其次為基巖裂隙水含水層，主要發(fā)育鈣質(zhì)粉砂巖、頁巖，局部夾泥灰?guī)r透鏡，富水性弱。第四系松散巖類孔隙含水層以河床相沖積砂礫石層、黏土層、風(fēng)化殘坡積黏土為主，富水性弱。研究區(qū)內(nèi)地下水主要補(bǔ)給方式為大氣降水和上游巖溶水的層間側(cè)向補(bǔ)給。受文麻斷裂帶的影響，區(qū)域地勢呈現(xiàn)北高南低的趨勢，地下水總體由北向南徑流，局部地區(qū)由西向東徑流。降水從北部山區(qū)順地勢流入巖溶洼地或垂向巖溶發(fā)育地區(qū)，最終向盤龍河排泄。受南東側(cè)貫穿文麻斷裂的張性斷層影響，使單元內(nèi)地下水順斷層流動(dòng)，在盤龍河以南以泉的形式排泄，如圖1。

圖1 區(qū)域水文地質(zhì)圖

2 模型建立

2.1 邊界條件與概念模型

根據(jù)地層巖性及地下水的賦存條件、水力聯(lián)系和水動(dòng)力特征，將研究區(qū)概化為一個(gè)封閉的水文地質(zhì)單元，石炭系巖溶含水層為主要的承壓含水層，層厚約100 m。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，研究區(qū)下游即廠區(qū)南東側(cè)為盤龍河，也為南東側(cè)地下水的排泄基準(zhǔn)，故將其設(shè)為第三類邊界。東側(cè)和北東側(cè)出露地層為三疊系飛仙關(guān)組粉砂巖、泥質(zhì)砂巖，賦水性較弱，透水性較差，為相對隔水層。此外，地表分水嶺近北東走向，分水嶺部分區(qū)域位于隔水層之上，分水嶺南西側(cè)大氣降水均順山坡向南側(cè)流動(dòng)后仍可進(jìn)入石炭系含水層組。因此，選取地表分水嶺及部分飛仙關(guān)組(T1f)作為該單元的隔水邊界。受文麻斷裂及其伴生構(gòu)造影響，使得研究區(qū)北西向地表分水嶺近北西向，地表分水嶺兩側(cè)的降水分別補(bǔ)給兩側(cè)地下水，地表分水嶺與地下分水嶺基本一致，因而將評價(jià)區(qū)北西側(cè)地表分水嶺概化為該模型的隔水邊界。研究區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性三維穩(wěn)定流，總面積23.57 km2

2.2 研究區(qū)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)已建立的水文地質(zhì)概念模型，建立研究區(qū)地下水各向異性三維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型：

式中，Kxx為x方向滲透系數(shù)主值、Kyy為y方向滲透系數(shù)主值、Kzz為z方向滲透系數(shù)主值，m/d；H為承壓含水層水頭，m。

解偏微分方程需要定解條件，共有3類邊界條件。

第一類邊界(已知水頭邊界)：

H(x,y,z,t)|Si=φi(x,y,z,t),(s,y，z)∈Si

式中，H(x,y,z,t)表示三維條件下邊界段Si上點(diǎn)(x,y,z)在t時(shí)刻的水頭；φi(x,y,z,t)是Si上的已知函數(shù)。

第二類邊界(已知流量邊界)：

其中，n為邊界Si的外法線方向;qi為已知函數(shù)，表示Si上單位面積的側(cè)向補(bǔ)給量。

第三類邊界(混合邊界)：

式中，α、β為已知函數(shù)。

溶解在地下水中的物質(zhì)，順地下水流運(yùn)移的規(guī)律可以用如下進(jìn)行描述：

式中,Dxx為縱向彌散系數(shù)主值；Dyy為橫向彌散系數(shù)主值；Dzz為橫向彌散系數(shù)主值；c為溶質(zhì)濃度，mol/l；u為實(shí)際平均流速，m/d。

c(x,y,0)=c0(x,y) (x,y)∈Ω,t=0

式中，Ω為溶質(zhì)滲流的區(qū)域；Γ2為二類邊界；c0為初始濃度；φ為邊界溶質(zhì)通量。

2.3 源匯項(xiàng)

(1) 補(bǔ)給項(xiàng)

區(qū)域地下水主要接受降水補(bǔ)給，據(jù)統(tǒng)計(jì)文山地區(qū)相關(guān)氣象資料，當(dāng)?shù)亟邓考s為1 187.8 mm/a。因?yàn)閰^(qū)域地表巖溶較為發(fā)育，巖溶洼地和落水洞普遍存在，所以降雨入滲系數(shù)選用區(qū)域最大值0.4，當(dāng)?shù)氐慕邓a(bǔ)給地下水的量為0.001 3 m/d。

(2) 排泄項(xiàng)

盤龍河為地下水主要的排泄對象。在模擬區(qū)內(nèi)夾馬石村的兩個(gè)上升泉也是模型排泄項(xiàng)，泉點(diǎn)高程通過野外調(diào)查與讀圖相結(jié)合的方式獲得。

2.4 參數(shù)分區(qū)與取值

滲透系數(shù)取值主要參考研究區(qū)地層巖性、構(gòu)造發(fā)育狀況，廠區(qū)抽(注)水試驗(yàn)和已有研究資料確定，共分為13個(gè)區(qū)(圖2)。根據(jù)滲透張量計(jì)算，滲透系數(shù)按滲透主軸向分為Kx、Ky分別賦值，其中具體Ky=aKx，賦值情況見表1。

表1 滲透系數(shù)分區(qū)表

彌散度室內(nèi)測定值不適用于大范圍的研究區(qū)污染物彌散數(shù)值模擬[9]，因此，縱向彌散度應(yīng)參考前人在該場地得出的研究成果[10]，根據(jù)研究區(qū)附近試驗(yàn)資料，計(jì)算縱向彌散度與觀測尺度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，并按照偏保守評價(jià)原則取值，縱向彌散度取值48.375 m，橫向彌散度為縱向彌散度的10%。查閱已有的研究區(qū)研究成果資料，確定研究區(qū)巖體平均孔隙度為0.30。

2.5 穩(wěn)定流場模型建立與擬合

(1) 模型建立

在區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查過程中，未發(fā)現(xiàn)整個(gè)水文地質(zhì)單元內(nèi)有大型水源地或其他用途的大水量抽水井，可以認(rèn)為單元內(nèi)地下水仍處于天然狀態(tài)，人為干擾較小，故可以用承壓含水層穩(wěn)定流來模擬地下水流場(圖3)。模型建立時(shí)地形高程以2D散點(diǎn)方式輸入模型，然后用IDW插值法對其賦值[11-12]。

(2) 模型擬合

在GMS7.1軟件中觀測孔數(shù)據(jù)與軟件計(jì)算數(shù)據(jù)有如下關(guān)系，如果觀測值與計(jì)算值的差在校核置信范圍內(nèi)，誤差棒會(huì)顯示為綠色；如果超出校核置信范圍，但小于200%，誤差棒會(huì)顯示為黃色；如果超出200%以上，誤差棒會(huì)顯示為紅色(圖4)。

模型以本次建造的監(jiān)測孔ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5和廠區(qū)內(nèi)其他項(xiàng)目的工程勘察鉆孔作為穩(wěn)定流地下水流場校準(zhǔn)的依據(jù)。對成品庫、分解分級、熱電、原料磨區(qū)域分別各選1個(gè)鉆孔，讀取地下水位，并按拼音縮寫依次編號為:熱電(RD)、原料磨(YLM)、成品庫(CPK)、分解分級(FJFJ)。模型模擬結(jié)果見圖3，各個(gè)觀測孔處計(jì)算水位均在設(shè)定誤差范圍內(nèi)(表2)。

模型的計(jì)算水位與觀測水位都在設(shè)定誤差內(nèi)，該模型基本能反映相應(yīng)條件下的地下水流場，所建模型合理可信。由模型可知地下水整體從北東流向南。

圖3 研究區(qū)地下水穩(wěn)定流流場

圖4 誤差棒示意圖

鉆孔編號觀測水位計(jì)算水位誤差設(shè)定誤差(絕對值)ZK11 347.5291 350.251-2.7223ZK21 346.1821 343.2362.9463ZK31 343.3191 344.794-1.4752ZK41 336.8241 335.1261.6982ZK51 355.661 886.562.9413熱電(RD)1 352.11 351.5050.5952原料磨(YLM)1 350.01 351.579-1.5792成品庫(CPK)1 353.21 351.4851.7152分解分級(FJFJ)1 350.51 351.363-0.8632

3 污染物遷移與濃度場模擬

3.1 情景模擬與源強(qiáng)設(shè)定

在未知廠區(qū)內(nèi)是否做過防滲處理的前提下，研究區(qū)內(nèi)地下水潛在污染源主要為運(yùn)營期產(chǎn)生的老化壓濾液泄露。根據(jù)收集已掌握資料，老化壓縮液排放量約18 265.01 t/a、60.88 m3/d，其中水含量15 816.22 m3/a，硝酸鹽占13.127%。根據(jù)計(jì)算，老化壓縮液中硝酸鹽排放濃度約151.68 g/l。模型考慮設(shè)備非正常運(yùn)行條件下，污水已穿透第四系黏土層，進(jìn)入含水層中。共設(shè)置3種情景，假設(shè)老化裝置發(fā)生滴漏，老化壓縮液泄漏量分別為污水總量的1%、5%、10%，對應(yīng)流量為0.608 8 m3/d、3.044 m3/d、6.088 m3/d，泄漏方式為點(diǎn)源污染。泄漏中心，硝酸鹽濃度為151.68 g/l。廠區(qū)每季度對設(shè)備進(jìn)行一次維護(hù)檢修，假設(shè)檢修時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染點(diǎn)并及時(shí)切斷污染源，污染泄露持續(xù)時(shí)長120 d。污染中心為廠區(qū)中間位置成品庫(CPK)附近，模擬時(shí)長1 000 d，模擬不同濃度污染物運(yùn)移到廠區(qū)邊緣ZK3處所需時(shí)長。本次模擬不考慮污染物的吸附、反應(yīng)、衰減等過程。

3.2 污染物運(yùn)移模擬結(jié)果分析

(1) 泄露120 d后切斷污染源

以0.608 8 m3/d(1%)的流量泄漏120 d后，泄漏區(qū)中心濃度最高為94.554 mg/l，污染羽僅在污染源所在單元格內(nèi)，下游(ZK3方向)污染羽邊緣濃度2.45 mg/l(圖5)。此時(shí)受污染地下水還在廠區(qū)內(nèi)。

以3.044 m3/d(5%)的泄漏量模擬120 d，污染

圖5 1%硝酸鹽滲漏120 d污染羽

圖6 5%&10%硝酸鹽滲漏120 d污染羽

羽中心濃度為472.541 mg/l，污染羽稍有擴(kuò)大，下游(ZK3方向)污染羽前緣濃度增至12.26 mg/l，污染物超標(biāo)部分仍包括在污染源所在單元格內(nèi)(圖6-a)。

以6.088 m3/d(10%)的泄漏量泄漏120 d，污染羽中心濃度為944.51 mg/l。污染羽向下游擴(kuò)散了50 m，污染羽前緣濃度(ZK3方向)增至24.56 mg/l，污染有向外擴(kuò)張趨勢(圖6-b)。

(2) 殘留硝酸鹽運(yùn)移1 000 d

泄漏120 d后，地表污染源被切斷，含水層中殘留的硝酸鹽會(huì)隨地下水流緩慢遷移。泄漏量為1%的情況，切斷污染源后，殘留污染物遷移100 d時(shí)(圖7-a)，污染羽中心濃度88.75 mg/l；遷移300 d時(shí)(圖7-b)，前緣濃度14.06 mg/l，中心濃度降為79.37 mg/l；600 d時(shí)(圖7-c)，污染羽向下游(ZK3方向)移動(dòng)了約50 m，前緣濃度22.99 mg/l，中心濃度降為67.34 mg/l；1 000 d時(shí)(圖7-d)，污染羽中心濃度54.403 mg/l，前緣濃度30.50 mg/l。根據(jù)趨勢殘留在含水層中的污染物會(huì)隨地下水流緩慢衰減，約6 300 d地下水中硝酸鹽濃度小于20 mg/l，此時(shí)ZK3出硝酸鹽濃度為12.09 mg/l(圖8)。

圖7 1%滲漏量殘留硝酸鹽運(yùn)移1 000 d示意圖

泄漏量為5%的情況，切斷污染源后，殘留硝酸鹽遷移100 d時(shí)(圖10-a)，污染羽中心濃度443.53 mg/l，前緣濃度33.15 mg/l，污染羽向下游(ZK3方向)移動(dòng)了約50 m；遷移300 d時(shí)(圖10-b)，前緣濃度70.29 mg/l，中心濃度降為396.67 mg/l；600 d時(shí)(圖10-c)，污染羽向下游(ZK3方向)移動(dòng)超過50 m，前緣濃度4.86 mg/l，中心濃度降為336.54 mg/l；1 000 d時(shí)(圖10-d)，污染羽中心濃度271.88 mg/l，前緣濃度18.38 mg/l，污染羽向下游擴(kuò)展大概100 m。約4 200 d時(shí)，污染羽中心向下游遷移約100 m，ZK3處硝酸鹽濃度為19.63 mg/l(圖9-a)。

泄漏量為10%的情況，切斷污染源后，殘留硝酸鹽遷移100 d時(shí)(圖11-a)，污染羽中心濃度886.507 mg/l，前緣濃度66.30 mg/l，污染羽向下游(ZK3方向)移動(dòng)了約50 m；遷移300 d時(shí)(圖11-b)，污染羽前緣向下游移動(dòng)超過50 m，前緣濃度2.27 mg/l，中心濃度降為729.84 mg/l；600 d時(shí)(圖11-c)，前緣濃度9.72 mg/l，中心濃度降為672.66 mg/l；1 000 d時(shí)(圖11-d)，污染羽中心濃度543.41 mg/l，前緣濃度36.74 mg/l，污染羽向下游擴(kuò)展接近100 m。約3 600 d時(shí)，污染羽中心向下游遷移約100 m，ZK3處硝酸鹽濃度為18.56 mg/l(圖9-b)。

圖8 1%滲漏量殘留硝酸鹽運(yùn)移6 200～6 300 d示意圖

圖9 5%&10%滲漏量殘留硝酸鹽運(yùn)移至ZK3示意圖

(3) 結(jié)果分析

本次模擬主要針對廢水污染物濃度最高的老化裝置進(jìn)行，老化壓縮液中主要污染物為硝酸鹽，占13.127%，濃度為151.68 g/l。假設(shè)設(shè)備非正常運(yùn)行發(fā)生泄漏，污水已穿透第四系黏土層，進(jìn)入含水層中。共設(shè)置3種情景，假設(shè)老化裝置發(fā)生滴漏(點(diǎn)源污染)，老化壓縮液泄漏量分別為污水總量的1%、5%、10%，對應(yīng)流量為0.608 8 m3/d、3.044 m3/d、6.088 m3/d，連續(xù)泄露120 d后切斷污染源，此時(shí)對應(yīng)的污染羽中心濃度為94.554 mg/l、472.541 mg/l、944.51 mg/l。切斷污染源后，模擬殘留污染羽在地下水中運(yùn)移情況(表3)。

圖10 5%滲漏量殘留硝酸鹽運(yùn)移1 000 d示意圖

圖11 10%滲漏量殘留硝酸鹽運(yùn)移1 000 d示意圖

原污染源滲漏量m3/d殘留污染源遷移天數(shù)/d1003006001 000污染羽到ZK3的時(shí)間/dZK3處污染羽濃度/mg·l-1硝酸鹽0.608 888.7579.3767.3454.4036 30012.093.044443.53396.67336.54271.884 20019.636.088886.507729.84672.66543.413 60018.56

4 結(jié)語

(1) 通過模擬發(fā)現(xiàn)，污染物持續(xù)泄露120 d內(nèi)，由于污染物的滲漏量較小，為0.608 8 m3/d～6.088 m3/d，幾乎不影響地下水的天然流場，所以，3種情形污染羽的擴(kuò)散情況較為近似，污染物運(yùn)移緩慢。切斷污染源后，3種情形下污染物運(yùn)移到廠區(qū)下游邊緣ZK3需要數(shù)十年時(shí)間，且濃度低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(硝酸鹽20 mg/l)。

(2) 污染物泄露濃度越高，隨著地下水遷移距離會(huì)越長。在未采取任何措施情況下，污染物泄漏不易被發(fā)現(xiàn)，污染源濃度持續(xù)上升，則污染物會(huì)隨著地下水運(yùn)移到廠區(qū)下游夾馬石村，危及村民飲用水安全。

(3) 由于廠區(qū)石炭系含水層非均質(zhì)性較強(qiáng)，模型只能反應(yīng)現(xiàn)有鉆孔資料所揭露的地層信息。從現(xiàn)有情況看，研究區(qū)地層滲透性差，溶質(zhì)運(yùn)移緩慢，污染物泄露進(jìn)入地下水后會(huì)長時(shí)間滯留在含水層中，一旦遇到巖溶帶，污染物會(huì)通過巖溶帶高迅速運(yùn)移到下游，危及下游泉水及地下水水質(zhì)。

由此可知，研究區(qū)地下水一旦被污染，以現(xiàn)有水力條件仍難以控制。根據(jù)模擬結(jié)果和研究分析，提出以下幾點(diǎn)建議：

在廠區(qū)下游設(shè)置多個(gè)應(yīng)急監(jiān)測井，構(gòu)建應(yīng)急監(jiān)測防控體系。一旦污染物泄露，啟動(dòng)應(yīng)急檢測防控體系，檢查并切斷污染源，啟動(dòng)應(yīng)急井以恒定流量抽水，以保證形成降落漏斗，控制污染物的運(yùn)移。另外，在泄露源上做好防控措施，根據(jù)污染物泄露控制難易程度以及污染物類型做好分區(qū)分級防滲。