東北某企業(yè)地下水中揮發(fā)酚運(yùn)移模擬

翟 勇 黃 亮 甄占勝

(1.中國昆侖工程有限公司吉林分公司；2.中國石油天然氣股份有限公司遼河石化分公司)

0 引 言

化工工業(yè)水平是一個國家工業(yè)化程度的重要標(biāo)志，作為東北地區(qū)的主導(dǎo)行業(yè)，其快速發(fā)展加快了東北經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。也因此造成了能源、生態(tài)、環(huán)境、資源等方面的危機(jī)[1-5]。酚類主要來自于煉油、煤氣洗滌、煉焦、造紙、合成氨、化工等過程[6]，揮發(fā)酚通常是指沸點(diǎn)在230℃以下的酚類物質(zhì)，屬于一元酚。揮發(fā)酚是世界各國嚴(yán)格控制的飲用水有機(jī)污染物，長期飲用被該物質(zhì)污染的水極有可能引起慢性中毒。關(guān)于地下水的污染，國家先后出臺了《水污染防治行動計(jì)劃》《全國地下水污染防治規(guī)劃(2011—2020)》等一系列法規(guī)，國內(nèi)也有很多學(xué)者開始著手對地下水中揮發(fā)酚類物質(zhì)進(jìn)行調(diào)查、評估及評價等研究。本文以東北某化工企業(yè)場地地下水為例，研究其地下水中揮發(fā)酚類物質(zhì)的溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律。

1 場地概況

該場地位于東北某化工企業(yè)廠區(qū)內(nèi)，2013年完成了某項(xiàng)目的主體工程建設(shè)，并投產(chǎn)使用。在項(xiàng)目所涉及到的含酚廢水處理池周邊建設(shè)5眼地下水監(jiān)測井，對地下水中的酚類、COD、氨氮等指標(biāo)進(jìn)行長期監(jiān)測。對5眼井中的地下水進(jìn)行檢測后發(fā)現(xiàn)，地下水中的酚類物質(zhì)最高可達(dá)0.94 mg/L。

該場地位于松嫩平原，地形地貌主要受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和新構(gòu)造運(yùn)動控制和影響，地勢由西北向東南緩緩降低，海拔一般145～155 m，最高點(diǎn)位于西北部高崗地，海拔161.2 m，最低點(diǎn)位于東南部河谷侵蝕基準(zhǔn)面，海拔141.8 m。廠區(qū)內(nèi)包氣帶為粉質(zhì)黏土，上部黑褐色，下部褐黃色，分布連續(xù)，厚度6～8 m，滲透系數(shù)0.1～0.46 m/d。廠區(qū)內(nèi)包氣帶巖性共有3層，即雜填土、黑褐色粉質(zhì)黏土、褐黃色粉質(zhì)黏土，其中雜填土厚度1.2～1.8 m，黑褐色黏土厚度2.05～5.5 m，褐黃色粉質(zhì)黏土厚度2.0～3.5 m。

2 所用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件簡介

地下水?dāng)?shù)值模擬采用GMS地下水?dāng)?shù)值模擬軟件。國際通用標(biāo)準(zhǔn)GMS有良好的使用界面，強(qiáng)大的前處理、后處理功能和優(yōu)良的三維可視效果，是目前世界上應(yīng)用最廣泛的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件之一。

地下水?dāng)?shù)值模擬的步驟一般如下：①建立研究區(qū)域地下水系統(tǒng)的概念模型；②將概念模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型；③模型校正；④通過預(yù)測結(jié)果與觀測結(jié)果進(jìn)行模型的驗(yàn)證；⑤使用驗(yàn)證后準(zhǔn)確模型進(jìn)行預(yù)測。實(shí)體模型建立方法有網(wǎng)格法、概念模型法、鉆孔法(Solid法)。求解地下水模型的方法有解析法、數(shù)值法和物理模擬法。數(shù)值法是目前求解模型的主要方法。數(shù)值法包括有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)、有限分析法(FAM)和邊界單元法等，其中應(yīng)用最廣泛的是有限差分法和有限單元法。

本次模擬采用鉆孔法(Solid法)，利用軟件中的Boreholes軟件包進(jìn)行實(shí)體模型的建立。

3 概念模型的建立

3.1 工作區(qū)域

水文地質(zhì)資料來自于水文地質(zhì)鉆探，區(qū)內(nèi)共布設(shè)鉆孔25個，并根據(jù)鉆孔繪制鉆孔綜合柱狀圖，工作區(qū)鉆孔點(diǎn)位布置情況如圖1所示。

圖1 鉆孔點(diǎn)位布置情況

3.2 含水層概化

根據(jù)地下水含水介質(zhì)特征和賦存條件，地層情況大體分為沖積層，主要成分為粉質(zhì)黏土，含石塊，礫石，磚頭；湖積層，主要由灰白—灰黃色含礫中粗砂、粉細(xì)砂組成，頂部分布有不連續(xù)的暗灰及暗綠色粉質(zhì)黏土及灰黑色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；沖積湖積層，由灰、深灰、灰黑色及褐色含礫中砂、粗砂、含礫細(xì)砂組成，局部夾少量礫砂、圓礫、粉砂、細(xì)砂或粉土透鏡體；湖積層，灰、灰黑色粉質(zhì)黏土，局部夾粉土或粉質(zhì)黏土透鏡體；湖積層，主要分布灰綠色、黃綠色微膠結(jié)或半膠結(jié)的細(xì)砂、礫砂、圓礫，結(jié)構(gòu)疏松。

由于地層中第一層沖積層厚度較小，且大部分為雜填土，因此將本區(qū)地層概化為四層，分別為湖積層、沖積湖積層、湖積層、湖積層四層。通過查看鉆孔柱狀圖可以得出各地層的頂?shù)装鍢?biāo)高，如表1所示。

通過鉆孔數(shù)據(jù)應(yīng)用GMS軟件中的Boreholes軟件包得出三維水文地質(zhì)概念模型，見圖2。

表1 鉆孔數(shù)據(jù)中的地層頂?shù)装鍞?shù)據(jù)整理結(jié)果

圖2 三維水文地質(zhì)概念模型

3.3 邊界條件

研究區(qū)東北方向?yàn)楹恿鳎c研究區(qū)存在補(bǔ)排關(guān)系，其他方向由于研究區(qū)較小，不存在獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，沒有天然的水頭邊界，研究采用了以地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)插值等值線為參考，建立邊界條件的方法。

通過對鉆孔的水位觀測，得出各鉆孔水位高程值如表2所示。

將各監(jiān)測點(diǎn)的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)采用反距離權(quán)重插值法進(jìn)行了數(shù)據(jù)插值，反距離權(quán)重法是進(jìn)行散點(diǎn)插值比較常用的一種方法，它假定某一點(diǎn)的值受距離較近的已知點(diǎn)的值影響較大，相反受距離較遠(yuǎn)的已知點(diǎn)的值影響較小，影響程度也就是權(quán)重點(diǎn)之間的距離平方的倒數(shù)。反距離權(quán)重法的計(jì)算公式為：

表2 研究區(qū)各鉆孔水位高程值 m

(1)

式中：zi(x，y)為已知點(diǎn)高程,m；di為某一個水位監(jiān)測點(diǎn)距周圍不同監(jiān)測點(diǎn)的距離,m。

通過反距離權(quán)重插值得到地下水流場圖，如圖3所示。

圖3 地下水流場模擬

根據(jù)地下水流場模擬圖可知，該區(qū)域地下水流向?yàn)橛杀蔽鞣较蛳蛳掠魏恿餮a(bǔ)給。

沿地下水位等值線描繪模擬區(qū)域的邊界，如圖4所示，其中紫色為下游河流補(bǔ)給邊界，黃色為零流量邊界，藍(lán)色為定水頭邊界，構(gòu)成閉合區(qū)域。

圖4 邊界條件的設(shè)定

3.4 地下水流模型

1)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)HJ 610—2016《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》，地下水滲流場的數(shù)學(xué)模型為：

(2)

(3)

式中：μs為貯水系數(shù)，1/m；h為水位，m；Kx，Ky，Kz為分別為x，y，z方向上的滲透系數(shù)，m/d；t為時間，d；W為水流的源和匯，1/d。

2)網(wǎng)格剖分

研究區(qū)地形垂向最大高程161.8 m，最小103.06 mm，相對高差58.2 m。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)含水層結(jié)構(gòu)特征及富水性，將項(xiàng)目區(qū)模型分為4層，每層以100 m×100 m的網(wǎng)格剖分，模擬區(qū)三維離散網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 區(qū)內(nèi)網(wǎng)格剖分

3)水文地質(zhì)參數(shù)

模型的滲透系數(shù)主要根據(jù)項(xiàng)目區(qū)的抽水試驗(yàn)結(jié)果確定，其他參數(shù)取值根據(jù)區(qū)域相關(guān)水文地質(zhì)資料及文獻(xiàn)類比確定。根據(jù)不同地層、不同風(fēng)化條件進(jìn)行模型滲透系數(shù)分區(qū)，取值見表3。

表3 模型水文地質(zhì)參數(shù)

4)流場模擬

將概念模型的各項(xiàng)參數(shù)導(dǎo)入地質(zhì)模型中，使用 LPF(Layer Property Flow，分層屬性流體計(jì)算)模塊進(jìn)行流場運(yùn)算，形成研究區(qū)地下水流場如圖6所示。

圖6 地下水流場

4 地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型

4.1 數(shù)學(xué)模型

4.1.1 控制方程(對流-彌散方程)

地下水中污染物的遷移機(jī)制主要包括對流和彌散，本文采用MT3DMS進(jìn)行污染物在地下水中的運(yùn)移模擬計(jì)算。彌散方程包含了對流、彌散、流體的匯/源、平衡吸附作用和一級不可逆速率化學(xué)反應(yīng)，其一般式如下：

(4)

延遲因子的定義為：

(5)

本研究中以各取樣點(diǎn)中的揮發(fā)酚為主要溶質(zhì)，其取樣點(diǎn)的位置與揮發(fā)酚的濃度如表4所示，通過GMS中的MT3DMS軟件包進(jìn)行污染物分布三維插值，得到污染物分布結(jié)果如圖7所示。

表4 污染物位置與濃度

圖7 研究區(qū)酚污染物分布

4.1.2 定解條件

初始條件：在計(jì)算區(qū)域范圍內(nèi)給出濃度的初始分布：

C(x,y,z,t)/t=0=C0(x,y,z)

(6)

式中：t=0為任意給定的初始時刻；C0為位置的已知函數(shù)。

邊界條件(即Dirichlet條件)，指定邊界濃度：

C(x,y,z,t)/Γ1=C1(x,y,z,t)
(x,y,z)∈Γ1,t>0

(7)

式中：等式右端依次為彌散項(xiàng)、對流項(xiàng)、源匯項(xiàng)和化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)。

4.2 參數(shù)的確定

本次污染物溶質(zhì)運(yùn)移采用GMS中的MT3DMS模塊進(jìn)行模擬，溶質(zhì)運(yùn)移中主要模型參數(shù)如表5所示。

表5 溶質(zhì)運(yùn)移模型主要參數(shù)

4.3 污染物遷移預(yù)測

通過MT3DMS軟件包輸入溶質(zhì)運(yùn)移相關(guān)參數(shù)，并預(yù)測10 a后(3 650 d)的污染物運(yùn)移情況，得出圖8不同時段的污染物分布情況。

圖8 不同時段污染物分布

通過對廠區(qū)內(nèi)10 a的溶質(zhì)運(yùn)移模擬結(jié)果分析，可以判斷現(xiàn)階段的揮發(fā)酚主要集中在廠區(qū)廢水處理池區(qū)域及其西南臨近方向，最大濃度可達(dá)0.94 mg/L，其他區(qū)塊濃度較低，甚至低于檢出限。對比1，5，10 a后的濃度分布情況，可知該區(qū)域的揮發(fā)酚并不會影響到下游河流，并且通過10 a的模擬，揮發(fā)酚的濃度集中在0.002～0.1 mg/L，較現(xiàn)階段發(fā)生明顯的降解效應(yīng)。

5 結(jié) 論

通過對東北某化工企業(yè)場區(qū)地下水進(jìn)行調(diào)查，并分析其地下水中揮發(fā)酚類物質(zhì)對環(huán)境的影響，主要得到以下結(jié)論：

該場地區(qū)域內(nèi)地下水中污染物主要為揮發(fā)酚類物質(zhì)，這與該化工企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行有關(guān)。

根據(jù)廠區(qū)內(nèi)10 a的溶質(zhì)運(yùn)移模擬結(jié)果，可以判斷現(xiàn)階段的污染主要集中在廠區(qū)含酚廢水處理池區(qū)域及其西南臨近方向，最大濃度可達(dá)0.94 mg/L。

對比1，5，10 a后的揮發(fā)酚濃度分布情況，該區(qū)域的揮發(fā)酚并不會影響到下游河流。

通過10 a的模擬，揮發(fā)酚的濃度集中在0.002～0.1 mg/L，較現(xiàn)階段發(fā)生明顯的降解效應(yīng)。

應(yīng)對場區(qū)揮發(fā)酚高濃度中心地段采取削減或清除污染源的措施，降低揮發(fā)酚濃度。

應(yīng)制定監(jiān)測計(jì)劃，對場區(qū)及周邊地下水進(jìn)行長期監(jiān)測，監(jiān)測揮發(fā)酚的長期變化趨勢，進(jìn)行風(fēng)險管控。