GMS在地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用
——以某工業(yè)廢物處置中心為例

胡軍學(xué)，王振華，徐 俊，汪發(fā)文

(1.中冶集團(tuán) 武漢勘察研究院有限公司,湖北 武漢 430080； 2.湖北省城市地質(zhì)工程院,湖北 武漢 430050)

評(píng)價(jià)區(qū)總占地面積0.089 km2,目前主要工業(yè)企業(yè)廢水排放總量為49 948 m3/a,其中主要污染物為NH3-N、COD,排放量分別為0.172 8 t/a、2.497 4 t/a。

1 地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

評(píng)價(jià)區(qū)為構(gòu)造剝蝕丘陵—低山地貌,總地勢(shì)由東北向西南傾斜,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),冬長(zhǎng)夏短、春秋相近、四季分明,年平均降水量750～1 160 mm,多年平均降水量914 mm,雨量集中,雨熱同季。

根據(jù)地下水的賦存條件、水力性質(zhì)及地層巖性組合特征[1],評(píng)價(jià)區(qū)地下水類(lèi)型可劃分為松散巖類(lèi)孔隙水和風(fēng)化基巖裂隙水,按含水層的滲透性可進(jìn)一步劃分為一個(gè)弱透水層、一個(gè)含水層和一個(gè)隔水層,具體描述如下：

(1) 弱透水層。該層主要由第四系人工填土和碎石土組成,厚度一般為0.5～3.0 m,主要分布于場(chǎng)地溝谷區(qū)及緩坡低洼地帶微地貌單元,地下水賦存于土體骨架的孔隙之中,為第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水,富水性弱,屬弱透水層。根據(jù)滲水試驗(yàn),滲透系數(shù)均值為1.459×10-5cm/s,地下水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Ca型,溶解性總固體173.34～336.17 mg/L,pH值7.4～7.9。

(2) 第一含水層。主要分布于山體斜坡區(qū)微地貌單元,巖性為元古界武當(dāng)山群楊坪組強(qiáng)風(fēng)化絹云母石英片巖,厚度6.6～14.8 m,地下水賦存于基巖裂隙中,為風(fēng)化基巖裂隙水承壓含水層,富水性貧乏；根據(jù)降水頭注水實(shí)驗(yàn),該層滲透系數(shù)均值為3.89×10-4cm/s,地下水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Ca或HCO3-Na型,溶解性總固體214.62～483.17 mg/L,pH值7.5～7.7。

(3) 隔水層。評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)廣泛分布,主要巖性為元古界武當(dāng)山群楊坪組中風(fēng)化絹云母石英片巖,該層巖體整體完整,裂隙不發(fā)育,揭露厚度4.8～14.0 m,含水極其貧乏。

第一含水層與地表水體和弱透水層均有水力聯(lián)系,弱透水層的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水補(bǔ)給,第一含水層的補(bǔ)給來(lái)源主要為弱透水層垂直入滲補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給,部分地段出露于地表,可以接受降水入滲補(bǔ)給,地下水的流向由東北向西南徑流,含水層的排泄方式主要為向下徑流排泄到下游水位較低的馬欄河。

評(píng)價(jià)區(qū)屬于水資源短缺區(qū)且地下水埋藏較深,評(píng)價(jià)區(qū)無(wú)人居住,周邊未開(kāi)采利用淺層地下水,下游工業(yè)園內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)及生活用水來(lái)自市政供水,評(píng)價(jià)區(qū)范圍內(nèi)及周邊整體利用地下水程度較低。

2 地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

本項(xiàng)目地下水影響評(píng)價(jià)等級(jí)為一級(jí)[2],含水層為層狀分布,水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單,為一完整水文地質(zhì)單元,總面積3.96 km2。本次的主要保護(hù)目標(biāo)為評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)地下水及周邊居民飲用水井,只對(duì)含水層進(jìn)行非正常工況下的預(yù)測(cè),采用GMS軟件中的MODFLOW模塊和MT3DMS模塊分別求解評(píng)價(jià)區(qū)的地下水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型和污染物運(yùn)移數(shù)學(xué)模型,選取工業(yè)廢物處置中心填埋場(chǎng)氨氮為模擬因子,按20年(7 300 d)分100 d、1 000 d、7 300 d三個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行預(yù)測(cè)。

非正常狀況下,填埋場(chǎng)底部滲水量以20 L/m2·d計(jì),以填埋場(chǎng)底部1 000 m2的面積發(fā)生泄漏進(jìn)行預(yù)測(cè),單日最大泄露量取20 000 L/d，氨氮泄露的滲濾液濃度取500 mg/L。

2.1 預(yù)測(cè)模型概化

2.1.1概念模型的建立

(1) 含水層概化：評(píng)價(jià)區(qū)含水層主要為絹云母石英片巖強(qiáng)風(fēng)化帶,上覆第四系人工填土和碎石土構(gòu)成弱透水層,下伏中風(fēng)化絹云母石英片巖概化為隔水層。因此,將評(píng)價(jià)區(qū)含水層概化成一個(gè)含水層、一個(gè)弱透水層、一個(gè)隔水層。

(2) 邊界條件：評(píng)價(jià)區(qū)東側(cè)、北側(cè)、西側(cè)以地表分水嶺為隔水邊界,南側(cè)馬欄河概化為已知水頭邊界。

(3) 地下水流場(chǎng)概化：評(píng)價(jià)區(qū)位于丘陵、低山地帶,目的含水層中的地下水總體上由北向南徑流,為非穩(wěn)定流,徑流量小且流速緩慢。

(4) 地下水源匯項(xiàng)：評(píng)價(jià)區(qū)主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給,通過(guò)蒸發(fā)或向下游池塘、馬欄河排泄。入滲系數(shù)采用1∶20萬(wàn)普查報(bào)告中計(jì)算結(jié)果0.1,降雨量采用多年平均降雨量914 mm。

(5) 單元格劃分：采用矩形網(wǎng)格剖分評(píng)價(jià)區(qū),將污染源泄漏點(diǎn)的網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密,最小網(wǎng)格為2 m×2 m,最大網(wǎng)格達(dá)50 m×50 m,最終平面網(wǎng)格剖面結(jié)果見(jiàn)圖1。

2.1.2數(shù)學(xué)模型的建立

(1) 地下水滲流數(shù)學(xué)模型。根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)水文地質(zhì)概念模型,建立下列與之相適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[3]：

圖1 評(píng)價(jià)區(qū)平面網(wǎng)格剖分圖Fig.1 Plane mesh generation of evaluation area1.模擬區(qū)；2.場(chǎng)區(qū)；3.鉆孔。

(2) 地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型。根據(jù)研究區(qū)地下水系統(tǒng)特征,本文對(duì)地下水溶質(zhì)運(yùn)移情況進(jìn)行了分析,建立下列與之對(duì)應(yīng)的地下水溶質(zhì)運(yùn)移方程：

c(x,y,z,t)|t=0=c0(x,y,z,t0) (x,y,z∈Ω,t≥0)

式中：右端前三項(xiàng)為彌散項(xiàng),后三項(xiàng)為對(duì)流項(xiàng)；Dxx、Dyy、Dzz為x,y,z三個(gè)主方向的彌散系數(shù)；ux、uy、uz為x,y,z方向的實(shí)際水流速度；c為溶質(zhì)濃度；c0為初始濃度。

將地下水滲流數(shù)學(xué)模型和溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型耦合求解,即可得到污染物質(zhì)的遷移情況。

2.1.3水文地質(zhì)參數(shù)的選取

(1) 滲透系數(shù)。評(píng)價(jià)區(qū)含水層近似層狀分布,按各向同性概化各含水層,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果,弱透水層、第一含水層、隔水層的滲透系數(shù)分別取1.459×10-5cm/s、3.89×10-4cm/s、5.0×10-9cm/s。

(2) 釋水系數(shù)、給水度、有效孔隙度、總孔隙度。在查閱大量區(qū)域地質(zhì)資料、文獻(xiàn)后,結(jié)合周邊歷史水文地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù),得到各層的釋水系數(shù)、給水度、有效孔隙度和總孔隙度,詳見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地各含水層給水度和有效孔隙度選取一覽表Table 1 Selection of specific yield and effective porosityof each aquifer in the site

(3) 縱向彌散系數(shù)。根據(jù)薛禹群等主編的《地下水動(dòng)力學(xué)》中的近似計(jì)算公式,縱向彌散系數(shù)≈20×污染組分在地下水中的分子擴(kuò)散系數(shù)。其中,分子擴(kuò)散系數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)值。

(4) 橫向彌散系數(shù)。一般來(lái)講,縱向彌散系數(shù)與橫向彌散系數(shù)的比值在5～24之間[4],本次取5進(jìn)行計(jì)算。

2.2 模型的識(shí)別校正與驗(yàn)證

在給定條件下,對(duì)概化后的模型進(jìn)行計(jì)算,得出評(píng)價(jià)區(qū)地下水位時(shí)空分布規(guī)律,擬合同期地下水流場(chǎng)以及長(zhǎng)期觀測(cè)孔數(shù)據(jù)曲線,對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別,使建立的模型更符合評(píng)價(jià)區(qū)實(shí)際條件。

(1) 水位識(shí)別。根據(jù)實(shí)測(cè)民井水位與模擬流場(chǎng)對(duì)比分析,判斷模型結(jié)果在時(shí)段內(nèi)對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)流場(chǎng)模擬的客觀性(見(jiàn)圖2)。

圖2 目的含水層水位識(shí)別等值線圖Fig.2 Contour map of target aquifer water level identification1.評(píng)價(jià)區(qū)范圍；2.場(chǎng)區(qū)范圍；3.實(shí)測(cè)水位；4.擬合水位。

(2) 參數(shù)識(shí)別。通過(guò)模型識(shí)別校正后,得到各區(qū)的參數(shù)，見(jiàn)表2。參數(shù)分區(qū)和參數(shù)初值的選取較客觀地反映了模擬區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)條件,模型識(shí)別效果較為理想?？捎糜陬A(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)污染源對(duì)本區(qū)地下水環(huán)境的影響。

本文選取我院于2015年3月至2017年1月收治的118例胃癌術(shù)后化療患者作為研究對(duì)象,采取隨機(jī)分組法平均分為觀察組(59例)和對(duì)照組(59例),兩組患者均無(wú)嚴(yán)重心血管疾病,無(wú)交流障礙和意識(shí)障礙,且所有患者均確診為胃癌患者,術(shù)后均進(jìn)行化療治療,所有患者及家屬均簽署知情同意書(shū)[2]。59例觀察組患者中,男性患者29例,女性患者30例,患者年齡42-70歲,平均年齡為(58.31±10.48)歲;59例對(duì)照組患者中,男性患者30例,女性患者29例,患者年齡43-72歲,平均年齡為(58.19±10.64)歲。兩組患者性別、年齡、病情等無(wú)差異(P>0.05),具有研究?jī)r(jià)值。

2.3 環(huán)境影響預(yù)測(cè)

本次地下水環(huán)境保護(hù)對(duì)象為評(píng)價(jià)區(qū)范圍內(nèi)地下水、周?chē)用顸c(diǎn)飲用水井,保護(hù)級(jí)別達(dá)到《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 模型各層水文地質(zhì)參數(shù)Table 2 Hydrogeological parameters of each layer of the model

(1) 污染物進(jìn)入地下水時(shí)間預(yù)測(cè)。由于包氣帶厚度較薄,計(jì)算中不考慮包氣帶的截留和自凈作用。廠區(qū)內(nèi)表層地層為含碎石粘土,包氣帶厚度>1 m,平均滲透系數(shù)0.017 m/d,通過(guò)包氣帶進(jìn)入地下水。通過(guò)計(jì)算,得出污水要進(jìn)入地下水至少需要59 d。

(2) 污染物外界濃度確定。模擬污染物在7 300 d后外邊界氨氮濃度設(shè)定為《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)值,氨氮污染暈外圍的濃度為0.5 mg/L。

(3) 環(huán)境影響預(yù)測(cè)結(jié)果。本次采用GMS的MT3DMS模塊對(duì)區(qū)內(nèi)污染物運(yùn)移進(jìn)行模擬,污染物擴(kuò)散時(shí)間取20年(7 300 d)。在模擬污染物擴(kuò)散時(shí)不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)等因素,重點(diǎn)考慮對(duì)流彌散作用。本次情景評(píng)價(jià)選取氨氮作為預(yù)測(cè)因子。

將初始條件、邊界條件及相關(guān)參數(shù)代入模型,聯(lián)合運(yùn)行水流和水質(zhì)模型,得到填埋場(chǎng)氨氮運(yùn)移的預(yù)測(cè)結(jié)果(見(jiàn)圖3-圖5),各圖分別給出了非正常狀況下污染物泄漏100 d、1 000 d、7 300 d后在水平方向上的運(yùn)移范圍。模擬污染物在7 300 d后外邊界污染物濃度設(shè)定為《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值,氨氮污染暈邊界值為0.5 mg/L,污染物遷移特征見(jiàn)表3。

圖3 填埋場(chǎng)泄露100 d氨氮污染物濃度分布圖Fig.3 Concentration distribution of ammonia nitrogen pollutantsin 100 days of landfill leakage

圖4 填埋場(chǎng)泄露1 000 d氨氮污染物濃度分布圖Fig.4 Concentration distribution of ammonia nitrogen pollutantsin 1000 days after landfill leakage

圖5 填埋場(chǎng)泄露7 300 d氨氮污染物濃度分布圖Fig.5 Concentration distribution of ammonia nitrogen pollutantsin 7 300 days after landfill leakage

表3 污染物遷移特征表Table 3 Characteristics of pollutant migration

由圖3-圖5及表3可以得出：

(1) 污染物遷移方向主要為由北向南方向,主要受地下水水流方向影響,污染物遷移距離較小,對(duì)廠區(qū)下游地下水造成影響較小。

(2) 氨氮在水平方向上主要向地下水下游擴(kuò)散。由表3可知,非正常狀態(tài)下,填埋場(chǎng)泄漏20年后氨氮的污染暈沿地下水流方向上的最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為412 m。氨氮污染暈最外圍的邊界濃度為《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017) Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)值。

(3) 污染物濃度隨時(shí)間變化過(guò)程顯示,非正常狀態(tài)下,污染物運(yùn)移速度整體很慢,污染物運(yùn)移范圍不大,對(duì)地下水影響有限。

因此,預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)各泄漏點(diǎn)的污染物擴(kuò)散僅限于項(xiàng)目廠區(qū)及周邊較小范圍內(nèi),污染暈擴(kuò)散在20年后外邊界濃度均在標(biāo)準(zhǔn)限值以內(nèi),對(duì)保護(hù)目標(biāo)處地下水影響較小。

3 地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)

3.1 施工期

(1) 正常狀況：廠區(qū)基建期在正常狀況下,污染地下水的可能性小。

(2) 非正常狀況：基建期設(shè)備損壞,污染組分泄露,污染源為點(diǎn)狀污染,排放方式為瞬時(shí)排放。由于施工期不會(huì)超過(guò)100 d,類(lèi)比分析污染物進(jìn)入地下水后100 d運(yùn)移距離,其在含水層中遷移距離為16 m,在基建期結(jié)束后地下水可通過(guò)自凈能力,消除污染。

3.2 生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)期

(1) 正常狀況：廠區(qū)內(nèi)各種設(shè)備(罐、泵、塔)均架空安置,地埋設(shè)施防滲良好,不會(huì)出現(xiàn)泄漏和淋濾液,即使出現(xiàn)泄漏和淋濾液,也可及時(shí)處理,污染地下水的可能性小。

(2) 非正常狀況：生產(chǎn)區(qū)和儲(chǔ)罐區(qū)出現(xiàn)罐體、管道破裂,填埋場(chǎng)出現(xiàn)滲濾液泄露,污染物流至地表,通過(guò)包氣帶滲入地下水中。污染組分為COD、石油類(lèi)、氨氮、總鉛,為點(diǎn)狀污染源,排放規(guī)律為瞬時(shí)排放。

根據(jù)本次預(yù)測(cè),填埋場(chǎng)中的氨氮污染物在泄漏20年后,其第一含水層中的遷移距離為259 m,污染范圍小,其他污染物的遷移距離和污染范圍均小于氨氮污染物。類(lèi)比預(yù)測(cè),其他污染物在第一含水層中的遷移距離<259 m,污染物對(duì)下游地下水環(huán)境影響較小。

3.3 服務(wù)期滿

本項(xiàng)目在服務(wù)期滿后會(huì)封場(chǎng),生產(chǎn)停止,人員會(huì)撤離,不再產(chǎn)生生活污水和工業(yè)廢水,不會(huì)對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論與建議

本次采用GMS軟件對(duì)場(chǎng)區(qū)含水層地下水進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果精準(zhǔn)、合理,符合實(shí)際情況,能直觀地說(shuō)明保護(hù)目標(biāo)受到的影響程度,有利于及時(shí)采取合理可行的環(huán)境保護(hù)措施。本次預(yù)測(cè)也可應(yīng)用到多層、各向異性等復(fù)雜的滲流與彌散模型,適用于不同的評(píng)價(jià)級(jí)別,適用性強(qiáng)。

針對(duì)場(chǎng)區(qū)地下水環(huán)境現(xiàn)狀,建議從控制污染源和進(jìn)行分區(qū)防滲兩方面采取防治措施,即各類(lèi)廢物循環(huán)利用,減少污染物的排放量,對(duì)填埋場(chǎng)、污水處理池等進(jìn)行重點(diǎn)防治,并加強(qiáng)地下水的監(jiān)測(cè)和管理。