基于GMS 軟件的某工業(yè)園區(qū)地下水水質(zhì)影響的數(shù)值模擬預(yù)測

高孟寧，楊力偉，石 闖

（安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院,安徽 蚌埠 233000）

隨著人口的快速增長、經(jīng)濟(jì)及工業(yè)事業(yè)的高速發(fā)展,污染物的排放量日益增多,眾多工業(yè)園區(qū)出現(xiàn)地下水污染問題,園區(qū)地下水污染遷移對地下水使用功能和價(jià)值的影響及其引起的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和安全問題日益突出[1-3]。地下水污染的隱蔽性、長期性、廣泛性與不確定性,加之其環(huán)境系統(tǒng)及運(yùn)動特征復(fù)雜性,使得地下水一旦受到污染,造成的生態(tài)破壞和環(huán)境安全問題往往難以恢復(fù)和逆轉(zhuǎn)。

我國對地下水污染問題的研究主要集中在大江大河的沖擊三角洲地區(qū),通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析得出污染物的時(shí)空演化趨勢。目前對地下水污染研究通常以行政區(qū)域?yàn)閱挝?針對工業(yè)園區(qū)地下水污染的時(shí)空分布研究較少。因此,研究工業(yè)園區(qū)地下水污染遷移特點(diǎn),掌握其污染的時(shí)空分布特征,對消減工業(yè)園區(qū)地下水污染危害、保障周圍生態(tài)環(huán)境安全具有重要的意義。

GMS 作為被廣泛認(rèn)可的地下水三維數(shù)值模擬軟件,具備強(qiáng)大的可視化與模擬功能[4]。本文選取安慶市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)某材料有限公司廠區(qū)為研究區(qū),通過GMS 軟件的MODFLOW 和MT3DMS 模塊模擬研究區(qū)的地下水流場和污染物時(shí)空分布特征,給出模擬污染因子COD 和氨氮在地下水中的運(yùn)移、擴(kuò)散和濃度變化,從而為研究區(qū)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評估提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省安慶高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)。屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候,多年平均氣溫16.6 ℃,多年平均降水量1363 mm。地處長江丘陵平原區(qū),總體地勢呈東高西底、北高南低的趨勢,最高點(diǎn)位于石門湖北側(cè),標(biāo)高為126 m,最低點(diǎn)位于石門湖東岸,標(biāo)高為10 m。

研究區(qū)在大地構(gòu)造的分區(qū)上屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺（Ⅲ）下?lián)P子臺坳（Ⅲ2）沿江拱斷褶帶（Ⅲ22）安慶凹斷褶束（Ⅲ22-2）,其西北部發(fā)育有三組斷裂,研究區(qū)及地表出露地層新生屆第四系（Q4）和白堊系上統(tǒng)赤山組（K2c）。區(qū)內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水,水化學(xué)類型以HCO3-Ca 型、HCO3-Ca·Na 型和HCO3-Ca·Mg 型為主。大氣降水和季節(jié)性河水入滲是地下水的主要補(bǔ)給來源,由西北向東南徑流,最終匯入石門湖和楊湖。

2 地下水流與溶質(zhì)運(yùn)移耦合的數(shù)值模型

2.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)面積約為26.22 萬m2,地貌類型以低山丘陵為主,東南兩側(cè)緊鄰地表水體,地下水總徑流方向?yàn)樽晕鞅毕驏|南徑流。根據(jù)周邊地形條件劃定模型邊界,將西南側(cè)邊界概化為定水頭邊界,其余概化為隔水邊界。模擬滲漏區(qū)地下水類型為松散巖類孔隙水和“紅層”風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水,按含水層的滲透性可進(jìn)一步劃分為含水層組、一個(gè)弱透水層組和一個(gè)隔水層。

2.2 數(shù)值模型的建立

綜合研究區(qū)域的實(shí)際狀況,利用GMS 軟件的MODFLOW和MT3DMS 模塊對模擬預(yù)測因子進(jìn)行模擬分析。假定地下水運(yùn)動是三維穩(wěn)定流,并且溶質(zhì)運(yùn)移主要是通過對流和水動力彌散兩種作用實(shí)現(xiàn),從而建立水流模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型：

式中：Ω 為滲流區(qū)域；h 為含水體的水位標(biāo)高,m；t 為時(shí)間,d；Kx、Ky、Kz分別為x、y、z 方向的滲透系數(shù),m/d；Kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù),m/d； 為重力給水度；ε為源匯項(xiàng),1/d；h0為初始水位,m；Γ1為一類邊界；Γ2為二類邊界；n 為邊界面的法線方向；φ（x,y, z）為一類邊界水頭,m；q（x,y,z）為二類邊界的單寬流量,m3/（d·m）,流入為正流出為負(fù),隔水邊界為零。

式中：右端前三項(xiàng)為彌散項(xiàng)；后三項(xiàng)為對流項(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；φ為邊界溶質(zhì)通量。

2.3 模型的概化及網(wǎng)格劃分

本次模擬采用GMS 軟件的3D grid 模塊對研究區(qū)進(jìn)行離散化處理,并利用矩形網(wǎng)格進(jìn)行剖分,在污染源強(qiáng)位置進(jìn)行網(wǎng)格加密,最小網(wǎng)格間距為2 m×2 m,最大為15 m×15 m。本模擬根據(jù)鉆探資料將含水層概化為兩層,見圖1。

圖1 研究區(qū)網(wǎng)格劃分圖

2.4 水文地質(zhì)參數(shù)的確定

考慮到研究區(qū)的地層巖性情況,本模型將第一含水層劃分為兩個(gè)參數(shù)分區(qū),并根據(jù)本次野外抽水試驗(yàn)、試坑滲水試驗(yàn)、土壤測試及以往經(jīng)驗(yàn)值等獲得各層水文地質(zhì)參數(shù),見表1。

表1 模型采用的主要參數(shù)

3 污染泄露對地下水環(huán)境影響的模擬觀測分析

3.1 污染泄露預(yù)測情景及源強(qiáng)

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀及污染源的分布與類型,選取對地下水環(huán)境質(zhì)量影響符合較大的COD、氨氮作為預(yù)測因子。參考《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》（HJ 610-2016）對研究區(qū)開展正常與非正常工況兩種情景下模擬預(yù)測因子的運(yùn)移進(jìn)行預(yù)測分析,設(shè)定廠區(qū)內(nèi)污水處理設(shè)施為模擬泄露點(diǎn)。

根據(jù)《給排水水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50268-2008）中表5.1.3 條規(guī)定, 鋼筋混凝土水池滲水量不得超過2 L/（m2·d）, 初期雨水池防滲面積484.35 m2, 泄漏量為968.7 L/d,非正常工況下污染物泄漏量以允許泄漏量的10 倍計(jì),其泄漏量為9687 L/d。結(jié)合項(xiàng)目工程分析,確定研究區(qū)模擬滲漏點(diǎn)中COD 濃度為856 mg/L,氨氮濃度為25 mg/L。

3.2 地下水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測評價(jià)

根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目的過程特點(diǎn)及可能出現(xiàn)的污染事故,對正常工況、非正常工況條件下地下集水池污染物泄露100 天、1000 天、7300 天污染物的運(yùn)移進(jìn)行模擬預(yù)測。由于污染物在地下水系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程十分復(fù)雜,本次地下水污染模擬過程未考慮污染物在含水層中的吸附、揮發(fā)及生物化學(xué)反應(yīng)的影響。

研究區(qū)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,計(jì)算得出污染水進(jìn)入地下水的時(shí)間為31 天～218 天。COD 和氨氮標(biāo)準(zhǔn)值參考《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-2017）中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值,最大運(yùn)移距離的污染暈外圍以檢出限計(jì)。COD 污染物標(biāo)準(zhǔn)限值為3.0 mg/L,檢出限為0.5 mg/L；氨氮污染物標(biāo)準(zhǔn)限值0.5 mg/L,檢出限為0.02 mg/L。

3.2.1 正常工況下COD 和氨氮遷移模擬

正常工況下,在初期雨水池下游設(shè)置觀測井,觀測井內(nèi)監(jiān)測到的COD 濃度超過3.0 mg/L 或氨氮濃度超過0.5 mg/L立即采取措施,防治污染物泄露。正常工況下,COD 和氨氮的濃度變化及遷移距離見表2。

表2 不同時(shí)間COD 和氨氮的最大影響范圍及遷移距離

由模擬預(yù)測結(jié)果表2 可知：模擬情景下,初期雨水池（模擬泄漏點(diǎn)）泄漏7300 天（20 年）后COD 在第一含水層的污染暈沿地下水流方向上的最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為122.6 m,最大影響范圍8055.1 m2,最大超標(biāo)范圍1472.3 m2；在第一弱透水層運(yùn)移方向上最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為100.1 m,最大影響范圍6943.8 m2,最大超標(biāo)范圍0 m2；20 年后氨氮在第一含水層的污染暈沿地下水流方向上的最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為71.3 m,最大影響范圍2820.1 m2,最大超標(biāo)范圍124.3 m2；在第一弱透水層運(yùn)移方向上最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為54.3 m,最大影響范圍769.1 m2,最大超標(biāo)范圍0 m2。結(jié)果表明：正常工況下,20 年后COD 和氨氮在第一含水層和第一弱透水層中最遠(yuǎn)運(yùn)移距離均小于污染源與下游方向最敏感點(diǎn)石門湖相距的最短距離（685.9 m）；最大影響范圍和超標(biāo)范圍均未超出該園區(qū)范圍內(nèi)。因此,模擬泄漏點(diǎn)（初期雨水池）泄露在得到及時(shí)處理后,對附近敏感點(diǎn)處的地下水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)較低。

3.2.2 非正常工況下COD 和氨氮遷移模擬

非正常工況下,在初期雨水池及廠內(nèi)各廢水池下游設(shè)置觀測井,觀測井內(nèi)約100 天監(jiān)測到COD 濃度超過3.0 mg/L 或氨氮濃度超過0.5 mg/L,應(yīng)立即采取措施,終止污染物泄露。非正常工況下,COD 和氨氮的濃度變化及遷移范圍見表2。

由模擬預(yù)測結(jié)果表2 可知：模擬情景下,初期雨水池泄漏20 年后COD 在第一含水層的污染暈沿地下水流方向上的最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為194.3 m,最大影響范圍20449.2 m2,最大超標(biāo)范圍10932.9 m2；在第一弱透水層運(yùn)移方向上最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為179.7 m,最大影響范圍19757.9 m2,最大超標(biāo)范圍17762.1 m2；20 年后氨氮在第一含水層的污染暈沿地下水流方向上的最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為159.8 m,最大影響范圍13446.4 m2,最大超標(biāo)范圍722.3 m2；在第一弱透水層運(yùn)移方向上最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為146.1 m,最大影響范圍12767.1 m2,最大超標(biāo)范圍0 m2。結(jié)果表明：非正常工況下,20 年后COD 和氨氮在第一含水層和第一弱透水層中最遠(yuǎn)運(yùn)移距離均小于污染源與下游方向最敏感點(diǎn)石門湖之間最短距離；影響范圍雖然有所擴(kuò)展,但是最大影響范圍和超標(biāo)范圍均未超出該園區(qū)范圍內(nèi)。

4 結(jié)果與討論

在概化水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,利用GMS 軟件建立了地下水滲流和溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型,對模擬滲漏點(diǎn)中污染因子COD 和氨氮對第一含水層和第一弱透水層的污染情況進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)測,結(jié)果表明：1）污染物遷移的方向與地下水流方向一致。2）正常工況下,20 年后COD 和氨氮在第一含水層最大遷移距離分別為122.6 m 和71.3 m,在第一弱透水層最大遷移距離分別為100.1 m 和54.3 m,均小于污染源與下游方向最敏感點(diǎn)石門湖之間最短距離；3）非正常工況下,20 年后COD和氨氮在第一含水層最大遷移距離分別為194.3 m 和159.8 m,在第一弱透水層最大遷移距離分別為179.7 m 和146.1 m,均小于污染源與下游方向最敏感點(diǎn)石門湖之間最短距離?？傮w而言,模擬情景下預(yù)測20 年時(shí),雖然污染影響范圍有所擴(kuò)展,但是最大影響范圍和超標(biāo)范圍均未超出該園區(qū)范圍內(nèi),仍限于有效防護(hù)距離內(nèi)。因此,在污染源泄露得到及時(shí)的處理后,對敏感點(diǎn)處地下水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)低,為該區(qū)域?qū)ο滤乃|(zhì)提供了保障。