水文地質(zhì)勘察中數(shù)值法在地下水環(huán)境影響評價的實例應(yīng)用

黨延旭

新疆城鄉(xiāng)勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 新疆 烏魯木齊 830000

近年來，隨著化工建設(shè)項目數(shù)量的逐年增長，環(huán)境影響評價報告中地下水章節(jié)對項目選址及相關(guān)保護方案的建立有決定性因素。在環(huán)評工作中，數(shù)值法模擬計算對項目水文地質(zhì)勘察成果質(zhì)量及可信度密切相關(guān)。下面選取某化工項目對數(shù)值法進行實例分析。

1 .項目概況

擬建項目屬于有可能對地下水造成污染的I類建設(shè)項目。地下水主要為潛水及承壓水，按含水層巖性結(jié)構(gòu)劃分為第四系松散巖類孔隙水、中新生界碎屑巖類裂隙孔隙水、古生界及前古生界基巖裂隙水，項目區(qū)下游存在分散式飲用水水源地及自流井，地下水環(huán)境敏感程度為較敏感。選取取水點作為主要保護目標進行分析評價。

2 .建立模型

水文地質(zhì)概念模型是對地下水系統(tǒng)的科學(xué)概化，是為了適應(yīng)數(shù)學(xué)模型的要求而對復(fù)雜的實際系統(tǒng)的一種近似處理，把研究對象作為一個有機的整體，綜合各種信息，根據(jù)系統(tǒng)工程技術(shù)的要求概化而成。其核心為邊界條件、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地下水流態(tài)三大要素。

2.1 模擬范圍

模擬區(qū)邊界取項目區(qū)范圍并向周邊適當(dāng)擴大，由于模擬區(qū)位于山前沖洪積扇區(qū)，主要含水層巖性較為復(fù)雜，綜合考慮數(shù)值模型構(gòu)建需要，將地下水含水層垂向概化為上部潛水含水層、中部弱透水層及下部承壓含水層三部分。取第1層卵石層作為包氣帶，第2層礫石層作為潛水含水層，第3層粉土亞黏土層作為中部弱透水層，第4層粗砂礫石層作為承壓水含水層。

模型下游邊界按區(qū)域內(nèi)等水位線設(shè)為排泄邊界，上游邊界按地下水等水位線設(shè)為補給邊界，兩側(cè)按流線取零通量處作為邊界。垂向上邊界為地下水潛水面，考慮降水補給、蒸發(fā)；下邊界為承壓水底板零通量邊界。

模擬區(qū)地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律，且地下水運動方式符合達西定律，因此將模擬區(qū)地下水含水系統(tǒng)概化為穩(wěn)定流。地下水系統(tǒng)參數(shù)與空間位置相關(guān)，但系統(tǒng)的輸入、輸出不隨時間變化，系統(tǒng)為非均質(zhì)性，沒有明顯的方向性，所以參數(shù)概化成各向同性。模擬區(qū)概化為非均質(zhì)各向同性、穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 地下水水流三維模型

對于非均質(zhì)、各向同性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，可用下列微分方程的定解問題來描述：

2.2.2 地下水水質(zhì)三維模型

而一般情形下的溶質(zhì)運移可通過如下數(shù)學(xué)模型刻畫：

聯(lián)合求解水流方程和溶質(zhì)運移方程就可得到污染質(zhì)的運移結(jié)果。需要注意的是，上述方程為通用方程，應(yīng)用時須根據(jù)實際情況做相應(yīng)的調(diào)整。

2.3 數(shù)值模型

本次模擬采用Visual MODFLOW 4.2軟件進行模擬，軟件將MODFLOW、MODPATH和MT3D同圖形用戶界面結(jié)合在一起，可直觀的了解到地下水運移狀況及污染物質(zhì)點運移情況。

在模擬區(qū)單元網(wǎng)格剖分時對項目區(qū)位置進行了加密剖分：平面上網(wǎng)格間距為30～100m，每一層的平面上剖分了21120個單元；垂向上，對弱透水層采用2層單元格進行概化，即在數(shù)值模型中，第1層為潛水含水層，第2、3層為弱透水層，第4層為承壓水層，因此垂向上共剖分了4層。

地下水流動模型參數(shù)包括含水層介質(zhì)水平滲透系數(shù)、垂向滲透系數(shù)，給水度以及降雨入滲補給系數(shù)和潛水蒸發(fā)系數(shù)。參數(shù)取值參考項目現(xiàn)場工作中抽水試驗成果及收集到的周邊水文地質(zhì)資料。

地下水溶質(zhì)運移模型參數(shù)主要包括彌散系數(shù)、有效孔隙度和巖土密度。有效孔隙度根據(jù)勘察的實測的孔隙率數(shù)據(jù)確定，巖土密度根據(jù)現(xiàn)場工作的實測數(shù)據(jù)確定。彌散系數(shù)取值較為復(fù)雜，其值受滲透系數(shù)空間變化影響，考慮到彌散系數(shù)的尺度效應(yīng)問題，參考孔隙介質(zhì)解析模型LogαLLogLS，結(jié)合本次評價的模型研究尺度大小，綜合確定彌散度的取值應(yīng)介于1～10之間，按照偏保守的評價原則，彌散度取10。

模型賦值后需進行識別與校正。運行模擬程序后，可得到概化后的水文地質(zhì)概念模型在給定水文地質(zhì)參數(shù)和各均衡項條件下的地下水流場空間分布，通過擬合現(xiàn)場測定的地下水流場，校正結(jié)果為模型地下水等水位線與現(xiàn)場實測結(jié)果相近，且模型水文地質(zhì)參數(shù)也符合實際水文地質(zhì)條件。

3 .污染物預(yù)測模擬

通常情況下，污染物由地表堆積逐漸向包氣帶滲漏，最終進入潛水含水層中。為考慮最不利風(fēng)險情況，假設(shè)污染物由泄漏通量大、濃度最大的裝置區(qū)發(fā)生爆炸等突發(fā)事件，石油類污染物泄漏后，由廠區(qū)內(nèi)的井孔或未知裂隙等優(yōu)勢通道而未過包氣帶遷移迅速進入地下水。

本情景下裝置區(qū)污水排放量為159m3/h，其中石油類物質(zhì)的濃度含量1000mg/L。假定泄漏持續(xù)發(fā)生48小時后進行了妥善處理，裝置區(qū)的污水泄漏量按流通量或貯存量的20%直接進入含水層中，即直接進入含水層中的石油類污染物質(zhì)量共計1526kg。

在此情景下得到石油類污染物運移的預(yù)測結(jié)果，污染物進入了潛水含水層、浸潤了弱透水層但未進入承壓含水層，根據(jù)預(yù)測結(jié)果分別給出了污染物開始進入潛水含水層后的100天、1000天和30年的石油類污染物的運移范圍（石油類污染物的限值為0.05mg/L），具體統(tǒng)計結(jié)果見下表。

表1 石油類污染物在含水層中運移結(jié)果統(tǒng)計表

由預(yù)測結(jié)果可知，污染物直接進入含水層時， 0-48小時內(nèi)持續(xù)注入污廢水。48小時后濃度降為0mg/L，因此污染暈中心區(qū)域濃度降低速度較快，100天后污染暈中心濃度已降為12.6mg/L,污染暈面積為0.15km2；1000天后，污染暈中心濃度變?yōu)?.53mg/L，污染暈面積變?yōu)?.58km2；至30年后，污染暈中心濃度已下降至0.49mg/L，面積增大至1.25km2；模擬運算至135年后，污染暈中心濃度在地下水稀釋自凈作用下已降至0.05mg/L以下，可不考慮對環(huán)境造成的影響，在此期間污染暈最大遷移距離為8898m，污染暈最大面積為1.32km2。

圖1 裝置區(qū)污廢水泄漏后30年至120年期間造成的污染暈圖

在模擬期內(nèi)，污廢水對項目區(qū)及周邊潛水含水層中的地下水產(chǎn)生長時間的影響，在平面上主要向北東方向運移，始終未對下游的集中供水井或泉點以及承壓含水層造成影響。

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，建議對區(qū)域內(nèi)可能影響到的取水點進行遷移，避免污染物對居民日常生活的危害，在污染物運移路線下游布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測點，及時發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的輕微滲漏，同時可針對性的提前布設(shè)應(yīng)急抽水井點，事故工況下，在污染物未擴散前就排出含水層，有效避免對自然環(huán)境的破壞。

4 .結(jié)論

通過數(shù)值法運算，可對現(xiàn)場水文地質(zhì)情況進行模擬分析，提前準備應(yīng)急預(yù)案，并且對發(fā)生事故工況下?lián)p害情況提前做出評估，有助于盡快控制現(xiàn)場情況。同時可直觀的了解到建設(shè)項目可能對環(huán)境造成的影響，對項目建設(shè)的選址及周邊環(huán)境的防護工作也具指導(dǎo)意義。