基于Modflow的某表面活性劑生產(chǎn)項(xiàng)目對(duì)地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)研究

王 棟，牛 娜

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450000)

地下水?dāng)?shù)值模擬是水文地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的重要分支，已成為研究地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)問(wèn)題的關(guān)鍵手段。通過(guò)地下水?dāng)?shù)值模擬，可以全面了解和認(rèn)知復(fù)雜的地下水含水系統(tǒng)所具備的各種特征[1-2]。本文以某表面活性劑生產(chǎn)項(xiàng)目為例，對(duì)該項(xiàng)目地下水污染范圍、趨勢(shì)和程度進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，為后期地下水質(zhì)量監(jiān)測(cè)、保護(hù)、風(fēng)險(xiǎn)防控和開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

某表面活性劑生產(chǎn)項(xiàng)目為年產(chǎn)500 t的2-氯-5-氯甲基砒啶有機(jī)硅，項(xiàng)目廢水經(jīng)工程配套建設(shè)的污水處理站處理達(dá)標(biāo)后由污水管網(wǎng)排入污水處理廠。項(xiàng)目所處地區(qū)地下水類型屬于第四系沖積平原孔隙水類型，區(qū)內(nèi)含水層呈多層分布，其中淺層地下水下部有一層分布穩(wěn)定、滲透性差的粉質(zhì)粘土層阻隔，使得淺層地下水與下部水力聯(lián)系較差，埋深40 m以淺的淺層地下水，是本項(xiàng)目主要影響層位，作為本次預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。

根據(jù)區(qū)內(nèi)淺層地下水的賦存條件，本次評(píng)價(jià)垂向上分為3層，淺部0～33 m以細(xì)沙為主的潛水含水層，33～36 m的粉質(zhì)粘土弱透水層和下部36～45 m的微承壓含水層。其中，33 m以前的潛水含水層為本次預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。在平面上，評(píng)價(jià)邊界西邊界、東邊界垂直于等水位線，劃定為零流量邊界；南邊界為補(bǔ)給邊界，接受南側(cè)地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給；北邊界為排泄邊界。各邊界特征見(jiàn)圖1。

2 數(shù)學(xué)模型建立

2.1 水流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，本研究區(qū)的地下水流可概化為非均質(zhì)各向異性介質(zhì)中的三維非穩(wěn)定流問(wèn)題，確立各變量之間的數(shù)量關(guān)系，建立了該研究區(qū)的數(shù)學(xué)模型如下，其微分方程為：

(1)

式中：k為滲透系數(shù)張量，坐標(biāo)軸方向的主滲透系數(shù)分別為Kx、Ky、Kz，[LT-1]；t為時(shí)間，[T]；h為水頭，[M]；Ss為貯水率或給水度，貯水率量綱[L-1]；w為源泄項(xiàng)，即單位體積排除和吸收的水量，[T-1]；Ω為計(jì)算區(qū)域；H0為初始水頭，[L]；為第一類邊界上的水頭，[L]；q為第二類邊界上的單位面積流量，[LT-1]。

2.2 溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

地下水中溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型可表示為：

(2)

那你Vm，Vn分別為m和n方向上的速度分量；∣v∣為速度模；C為模擬污染質(zhì)的濃度；ne為有效孔隙度；C′為模擬污染質(zhì)的源匯濃度；W為源匯單位面積上的通量；Vi為滲流速度；C′為源匯的污染質(zhì)濃度。

圖1 數(shù)值模擬邊界示意圖

2.3 模型剖分

采用等間距有限差分法進(jìn)行自動(dòng)矩行網(wǎng)格剖分，剖分網(wǎng)格間距為50 m，每個(gè)單元面積50 m×50 m，共剖分有效網(wǎng)格單元13 243個(gè)，面積為33.1 km2，垂向上劃分為3層。研究區(qū)網(wǎng)格剖分見(jiàn)圖2。

圖2 研究區(qū)網(wǎng)格剖分圖

2.4 工況設(shè)計(jì)及源強(qiáng)

2.4.1 正常工況

正常工況下，本項(xiàng)目的各裝置區(qū)、儲(chǔ)存區(qū)、生產(chǎn)區(qū)和污水處理池構(gòu)筑物等都有嚴(yán)格的防滲措施，相關(guān)的管道、設(shè)備等都采取有防滲、防漏措施。正常工況下，不會(huì)對(duì)地下水造成污染。

2.4.2 非正常工況

在生產(chǎn)運(yùn)行期間，只有在污水處理建(構(gòu))筑物或各類廢污水收集管網(wǎng)出現(xiàn)破損、污水或者生產(chǎn)原料發(fā)生跑、冒、滴、漏的非正常工況下，如處理不當(dāng)，污染物可能下滲影響地下水。

2.4.3 泄漏點(diǎn)設(shè)定

本項(xiàng)目為化學(xué)品、藥品制造項(xiàng)目，每天產(chǎn)生及排放的廢水量相對(duì)較小，且廢水混合后集中存放于污水處理站進(jìn)行處理，經(jīng)處理合格后進(jìn)行排放。因此污水處理站是本項(xiàng)目廢水的主要匯集、儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，也是可能發(fā)生滲漏對(duì)地下水造成污染的主要場(chǎng)所。因此本次預(yù)測(cè)的滲漏點(diǎn)就設(shè)定為污水處理站生化池的底部破損滲漏。另外正常生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的辦公用水、生活用水、綠化水等規(guī)模較小、水質(zhì)中污染物濃度較小、入滲不連續(xù)，不作為本次預(yù)測(cè)的內(nèi)容。

2.4.4 預(yù)測(cè)源強(qiáng)設(shè)定

按達(dá)西公式計(jì)算源強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

(3)

式中：Q為滲入到地下的污水量，m3/d；Ka為地面垂直滲透系數(shù)，m/d；H為池內(nèi)水深，m；D為地下水埋深，m；A裂縫為污水池池底裂縫總面積，m2。

表1 泄漏量計(jì)算結(jié)果表

2.4.5 預(yù)測(cè)因子的選擇及濃度

篩選出本項(xiàng)目的預(yù)測(cè)因子為CODCr和BOD5，其初始濃度分別為360 mg/L和142 mg/L，單位時(shí)間內(nèi)注入特征污染物的質(zhì)量如下：

(1)CODCr

1.51 m3/d×360 mg/L×(1×10-6kg/mg)×(1 000L/m3)=0.54kg/d

(2)BOD5

1.51 m3/d×142 mg/L×(1×10-6kg/mg)×(1 000L/m3)=0.21 kg/d

綜上，非正常工況下，上述非可視部位發(fā)生小面積滲漏時(shí)，可能進(jìn)入地下水污染物的預(yù)測(cè)源強(qiáng)見(jiàn)表2。

表2 非正常工況下污染物預(yù)測(cè)源強(qiáng)

2.4.6 預(yù)測(cè)時(shí)段

本項(xiàng)目的預(yù)測(cè)時(shí)段選擇100 d、1 000 d、10 a、30 a。

2.5 地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

選取CODCr和BOD5為水環(huán)境的特征污染物，各特征污染物的標(biāo)準(zhǔn)限值和檢出限值如表3所示。根據(jù)上述預(yù)測(cè)時(shí)段和各污染物的初始濃度輸入模型，預(yù)測(cè)不同時(shí)段污染物的遷移過(guò)程，生成不同時(shí)間的污染暈遷移分布圖，圖中紅色范圍表示地下水污染物濃度超過(guò)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，藍(lán)色范圍表示污染物濃度可檢出。

表3 模型特征污染物污染標(biāo)準(zhǔn)和檢出限值

以下根據(jù)設(shè)定的污染源位置和源強(qiáng)大小進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如下。

2.5.1 CODCr

不同預(yù)測(cè)時(shí)段CODCr污染物的超標(biāo)距離、檢出距離、超標(biāo)面積和檢出面積見(jiàn)表4，污染暈遷移分布圖見(jiàn)圖3。

表4 CODCr污染物預(yù)測(cè)結(jié)果表

圖3 污染暈遷移分布圖(CODCr)

2.5.2 BOD5

不同預(yù)測(cè)時(shí)段BOD5污染物的超標(biāo)距離、檢出距離、超標(biāo)面積和檢出面積見(jiàn)表5，污染暈遷移分布見(jiàn)圖4。

表5 BOD5污染物預(yù)測(cè)結(jié)果表

2.5.3 預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)工程分析和地下水環(huán)境影響識(shí)別，本項(xiàng)目對(duì)地下水的污染途徑表現(xiàn)在非正常工況下污水處理站生化池的底部破損發(fā)生滲漏，污水將下滲進(jìn)而對(duì)地下水造成污染。地下水中CODCr在30 a的最大超標(biāo)距離約0.39 km，最大檢出距離約0.82 km，超標(biāo)面積約0.05 km2，檢出面積約0.15 km2；地下水中BOD5在30 a的最大超標(biāo)距離約0.20 km，最大檢出距離約0.64 km，超標(biāo)面積約0.03 km2，檢出面積約0.09 km2。在非正常狀況下，至30 a模擬結(jié)束，污染影響范圍和超標(biāo)范圍均是CODCr>BOD5，污染物最大遷移距離約0.82 km(CODCr)，最大超標(biāo)距離約0.39 km(CODCr)。

圖4 污染暈遷移分布圖(BOD5)

因此，區(qū)內(nèi)地下水污染防治措施應(yīng)按照“源頭控制、分區(qū)防治、污染監(jiān)控、應(yīng)急響應(yīng)”相結(jié)合的原則，從污染物的產(chǎn)生、入滲、擴(kuò)散、應(yīng)急響應(yīng)全方位進(jìn)行控制。同時(shí)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)調(diào)查區(qū)水文地質(zhì)條件，在調(diào)查區(qū)建設(shè)場(chǎng)地及周邊共布設(shè)地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井，用以長(zhǎng)期監(jiān)控污染物在地下水中運(yùn)移情況。如發(fā)現(xiàn)異?；蛘甙l(fā)生事故，加密監(jiān)測(cè)頻次，并分析污染原因，確定泄露污染源，及時(shí)采取應(yīng)急措施。同時(shí)，針對(duì)區(qū)內(nèi)不同類型的生產(chǎn)項(xiàng)目，要充分依據(jù)各項(xiàng)目場(chǎng)地包氣帶的天然防污性能、污染物控制難易程度、污染物特性和主要污水產(chǎn)生裝置，相關(guān)企業(yè)開(kāi)展相應(yīng)場(chǎng)地的地下水勘察工作，做好分區(qū)防滲措施和地下水監(jiān)測(cè)工作，防治污染物下滲影響地下水。

3 結(jié)語(yǔ)

由于地下水具有埋藏隱蔽性和一旦污染很難治理的特征，因此根據(jù)技術(shù)規(guī)范布設(shè)常規(guī)淺層地下水監(jiān)測(cè)工程，實(shí)施常規(guī)監(jiān)測(cè)計(jì)劃，是防控污染事件的必要措施。建議盡快在產(chǎn)業(yè)調(diào)查區(qū)布設(shè)相應(yīng)地下水監(jiān)測(cè)孔，開(kāi)展淺層地下水的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，以實(shí)時(shí)掌握項(xiàng)目對(duì)淺層地下水的水質(zhì)的影響。同時(shí)加快區(qū)域及周邊地區(qū)污水處理及管網(wǎng)建設(shè)，對(duì)調(diào)查區(qū)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局時(shí)考慮污水排放綜合分類及管理，避免污水排放不當(dāng)對(duì)地下水產(chǎn)生的影響。