沈陽(yáng)石蠟化工有限公司廠區(qū)地下水污染模擬預(yù)測(cè)

張 平，陳彥群，黃奇文，孔令珍，吳 昊

（1.沈陽(yáng)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110044；

2.東北煤田地質(zhì)局勘察設(shè)計(jì)研究總院，遼寧 沈陽(yáng) 110003；

3.東北煤田地質(zhì)局103勘探隊(duì)，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

沈陽(yáng)石蠟化工有限公司廠區(qū)地下水污染模擬預(yù)測(cè)

張 平1，陳彥群2，黃奇文2，孔令珍3，吳 昊1

（1.沈陽(yáng)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110044；

2.東北煤田地質(zhì)局勘察設(shè)計(jì)研究總院，遼寧 沈陽(yáng) 110003；

3.東北煤田地質(zhì)局103勘探隊(duì)，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

根據(jù)沈陽(yáng)石蠟化工有限公司廠區(qū)水文地質(zhì)條件以及周邊農(nóng)業(yè)灌溉等廢水排放條件，并分析地下水污染機(jī)理，建立了地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)地下水水質(zhì)時(shí)空變化特征.將含水層概化為單層非均質(zhì)不等厚各向同性的二維非穩(wěn)定潛水滲流系統(tǒng)，模擬因子確定為石油類(lèi)，向水源地的運(yùn)移概化為二維對(duì)流－彌散運(yùn)動(dòng).模擬區(qū)邊界按一類(lèi)邊界處理，并在廠區(qū)位加一虛擬點(diǎn)污染源.預(yù)測(cè)結(jié)果表明，未做防滲層條件下，隨著開(kāi)采時(shí)段的增長(zhǎng)，區(qū)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)濃度逐漸增高，其變化幅度在近河近開(kāi)采井地段較明顯，但未出現(xiàn)預(yù)警濃度（0.05 mg／L）；加防滲層后，石油類(lèi)濃度相對(duì)于原背景值將大幅減小.

地下水水質(zhì)；數(shù)值模擬；模擬因子，對(duì)流—彌散，二維滲流

沈陽(yáng)石蠟化工有限公司，位于沈陽(yáng)市西郊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi).該公司擬將催化熱裂解（CPP）產(chǎn)出的乙烯下游產(chǎn)品聚氯乙烯（PVC）改為聚氯乙烯（PE），投產(chǎn)后廢水排放量為147 t／h，廢渣產(chǎn)生量5 109 t／a.廢水經(jīng)處理后排入河流，通過(guò)入滲會(huì)對(duì)地下水水質(zhì)產(chǎn)生影響.此外在廠區(qū)及周邊地區(qū)還有多項(xiàng)補(bǔ)給，按其補(bǔ)給量的大小依次是水田及渠道水回滲補(bǔ)給、河流水側(cè)向補(bǔ)給、地表水體滲入補(bǔ)給、大氣降水入滲補(bǔ)給、側(cè)向逕流補(bǔ)給和開(kāi)采激發(fā)補(bǔ)給，特別是位于廠區(qū)附近的細(xì)河，現(xiàn)為沈陽(yáng)市的排污河流，豐水期流量為27.63 m3／s，水質(zhì)污染嚴(yán)重，河水呈紅黑色，沿河兩岸地下水水質(zhì)均受污染.沈陽(yáng)石蠟化工有限公司目前實(shí)際用水量406 m3／h，因此總體改造項(xiàng)目產(chǎn)品方案調(diào)整需對(duì)廠區(qū)及周邊地區(qū)地下水影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析地下水污染的機(jī)理，對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)，以便采取有效措施保護(hù)地下水水源.

1 評(píng)價(jià)區(qū)水文、氣象及地質(zhì)概況

評(píng)價(jià)區(qū)域位于沈陽(yáng)市區(qū)的西部，總面積約212.48 km2.該地區(qū)年平均氣溫為7.8℃，多年平均降雨量為697.62 mm，年平均蒸發(fā)量為1 431.4 mm.渾河是本區(qū)主要河流，工作區(qū)內(nèi)渾河長(zhǎng)度為23.44 km，年平均流量為46.78 m3／s.渾河已成為淺層地下水的主要補(bǔ)給源之一，其水質(zhì)已經(jīng)成為影響淺層地下水水質(zhì)的主要因素之一.細(xì)河位于本工作區(qū)渾河北，全長(zhǎng)84 km，河寬15～25 m，河床比降0.024%.

區(qū)內(nèi)第四系地層極為發(fā)育，分布廣泛.全新統(tǒng)地層在區(qū)內(nèi)大面積分布.表層巖性為粉質(zhì)黏土、含礫粗砂、細(xì)砂圓礫，蘊(yùn)藏著豐富的地下水，含水層巖性為礫砂、圓礫、卵石－礫砂－粗砂、細(xì)砂.區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型為松散巖類(lèi)孔隙水和承壓水，單井涌水量2 000～10 000 t／d，因沒(méi)有連續(xù)的隔水層，上段（Q4＋Q3）含水層與下段（Q2＋Q1）含水層相互連通，水力聯(lián)系密切；區(qū)內(nèi)承壓水主要賦存在扇中部地帶和前緣帶，單井涌水量2 000～5 000 t／d，水文地質(zhì)剖面圖如圖1.

地下水的補(bǔ)給以垂向補(bǔ)給為主，側(cè)向補(bǔ)給為輔.評(píng)價(jià)區(qū)中部、東部地帶，含水層顆粒粗，補(bǔ)給條件好，水力坡度較大，滲透性能強(qiáng)，地下水逕流暢通，交替循環(huán)積極.評(píng)價(jià)區(qū)西部、西南部，含水層粒度細(xì)，滲透系數(shù)（K）值平均14.58 m／d.該地區(qū)過(guò)去大部分耕地為水田，由于接納污水進(jìn)行灌溉，致使灌區(qū)多數(shù)土地遭受重金屬鎘等污染.

圖1 評(píng)價(jià)區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.1 Profile of hydrologic geology at valuated zoon

地下水的排泄方式有人工開(kāi)采、蒸發(fā)消耗、地下逕流和河流排泄四種.根據(jù)聚類(lèi)分析結(jié)果，同時(shí)考慮區(qū)內(nèi)的地質(zhì)條件、自然因素等諸方面影響，將全區(qū)的地下水化學(xué)類(lèi)型劃分為 HCO3－Ca、HCO3·Cl－Ca、HCO3·SO4·Cl－ Ca·Na（Ca·Mg）、HCO3·SO4·Cl－Na、Cl－Ca·（Ca·Mg）五類(lèi)［7］.

2 地下水水質(zhì)模擬

2.1 地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

描述本區(qū)內(nèi)二維流場(chǎng)二維彌散的對(duì)流－彌散溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型為［1－5］：

式中，ρ為計(jì)算點(diǎn)各時(shí)段質(zhì)量濃度，g／L；D為水動(dòng)力彌散系數(shù)，m／d；αL，αT分別為縱向彌散度和橫向彌散度，m；Γ1為一類(lèi)邊界；u為地下水實(shí)際流速，m／d；n為含水層有效孔隙度；Ω為計(jì)算區(qū)域；Q為水量 m3／d；ρ1，ρ2，ρ3，ρ4，ρ5分別為降水、地表河流、稻田入滲、虛擬點(diǎn)源入滲、井開(kāi)采水水中所含溶質(zhì)的質(zhì)量濃度值，mg／L；Ic為源匯項(xiàng)，mg／d；h為水頭，m；K為滲透系數(shù)，m／d.

本次采用有限差分法對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移方程的求解，利用Visual Modflow軟件中的溶質(zhì)運(yùn)移模型MT2D程序軟件包進(jìn)行模擬.MT3D模擬單項(xiàng)污染物質(zhì)在地下水中的遷移、擴(kuò)散和一些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的濃度變化.

2.2 地下水污染機(jī)理

研究區(qū)內(nèi)渾河、細(xì)河以線狀，水田灌溉以面狀入滲補(bǔ)給Q4潛水含水層，污染的地表水可視為對(duì)Q4潛水構(gòu)成潛在的污染.Q3、Q1層為局部半承壓或承壓含水層，該層為市政水源地的主要開(kāi)采層.在開(kāi)采條件下，Q4層地下水所攜帶的污染質(zhì)在透過(guò)Q4與Q3之間弱透水層時(shí)，或存在天窗的情況下，入滲到Q3層和Q1層，這其中會(huì)有一部分污染質(zhì)被綜合吸附或吸收.本次模擬采用的是石油類(lèi)作為特征污染物.石油是一種含有多種烴類(lèi)的復(fù)雜有機(jī)混合物，地下水中石油類(lèi)污染具有隱顯性、去除困難、污染場(chǎng)地條件差異性的特點(diǎn)，決定了其在自然狀況下難于降解.場(chǎng)地土壤為砂類(lèi)土，滲透的路徑較短，也限制了石油類(lèi)污染物在自然降解，總體降解吸附的量可以忽略不計(jì)［6］.為了使模擬預(yù)測(cè)結(jié)果用于區(qū)域地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)更安全，地下水遭受污染的風(fēng)險(xiǎn)更低.所以本次模擬未考慮污染物的降解、吸咐等作用，并將第四系含水系統(tǒng)視為同一潛水含水層來(lái)處理.

2.3 模擬時(shí)段、因子、邊界的確定

地下水滲流是以垂向補(bǔ)排為主，側(cè)向補(bǔ)排次之，與渾河有水力聯(lián)系邊界，側(cè)向徑流較弱，主要含水層為第四系松散沉積物為主的砂和砂礫卵石構(gòu)成，因此，含水層可概化為單層非均質(zhì)不等厚各向同性的二維非穩(wěn)定潛水滲流系統(tǒng).模擬的污染因子確定為石油類(lèi)，向水源地的運(yùn)移可概化為二維對(duì)流－彌散運(yùn)動(dòng).在模擬時(shí)不考慮石油類(lèi)在地下水的的吸附、降解作用 ，直接參與模擬.依據(jù)各補(bǔ)給、排泄項(xiàng)在時(shí)間上的分布規(guī)律劃分8個(gè)模擬時(shí)段，水質(zhì)預(yù)測(cè)剖分網(wǎng)格圖見(jiàn)圖2.

圖2 地下水水質(zhì)預(yù)測(cè)部分網(wǎng)格圖Fig.2 Forecasting subdivision graticule figure of underwater quality

模擬區(qū)邊界按一類(lèi)邊界處理，其資料取邊界上部分觀測(cè)井孔的實(shí)測(cè)水質(zhì)分析化驗(yàn)資料，并據(jù)此進(jìn)行插值計(jì)算.模擬區(qū)的源匯項(xiàng)主要有大氣降水、地表水體對(duì)Q4層的滲入補(bǔ)給，此次將沈陽(yáng)石蠟化工有限公司作為虛擬點(diǎn)源污染處理，在垂向上忽略蒸發(fā)排泄對(duì)潛水水質(zhì)影響.

2.4 有關(guān)模型中數(shù)據(jù)的處理

以2005年4月末石油類(lèi)實(shí)測(cè)濃度為初始濃度，2005年4月末至2006年4月末的實(shí)測(cè)濃度作為一類(lèi)邊界的石油類(lèi)濃度值.在源匯項(xiàng)中，將明顯高于其周?chē)鷿舛鹊木c(diǎn)、虛擬點(diǎn)源和地表河流沿線處理為點(diǎn)源；將降水、稻田區(qū)處理為凈補(bǔ)給溶質(zhì)濃度.含水層的滲透系數(shù)、給水度等參數(shù)見(jiàn)表1.

本次水質(zhì)模擬計(jì)算中，有效孔隙度用給水度代替.彌散度是收集了本研究區(qū)附近所做的現(xiàn)場(chǎng)彌散試驗(yàn)資料，其彌散度確定為αL＝0.19～0.47 m，αT＝0.09～0.23 m.將本研究區(qū)的具體水文地質(zhì)條件與彌散試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的水文地質(zhì)條件相比擬，最終確定此參數(shù)分區(qū)和賦值.

表1 含水層水文地質(zhì)參數(shù)Table 1 Hydrogeologic paramelter of aquifar

2.5 水質(zhì)模擬與模型驗(yàn)證

采用2005年4月末至2006年4月末的實(shí)測(cè)濃度作為本次調(diào)參和模型驗(yàn)證.為控制全區(qū)流場(chǎng)和溶質(zhì)分布，選取12眼潛水水質(zhì)觀測(cè)井，以期對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行識(shí)別.模擬的結(jié)果是80%以上的井孔其相對(duì)誤差小于50%.

3 地下水水質(zhì)預(yù)測(cè)

3.1 未做防滲層條件下地下水水質(zhì)預(yù)測(cè)

蠟化公司污水處理廠以前總?cè)肟谖鬯皖?lèi)最大質(zhì)量濃度為800 mg／L，考慮最不利條件，模擬時(shí)在沈陽(yáng)市石蠟廠區(qū)位加一虛擬點(diǎn)污染源（800 mg／L）.在現(xiàn)有開(kāi)采條件下，未做防滲層的條件運(yùn)行模型來(lái)預(yù)測(cè)石油類(lèi)濃度的時(shí)空變化.表2為距廠區(qū)最近水源地某處潛水水質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果.

由模擬結(jié)果可以看出，石蠟廠區(qū)一旦發(fā)生突發(fā)污染地下水的事件，對(duì)距離最近的水源地潛水水質(zhì)有影響，并朝著影響越來(lái)越顯著方向發(fā)展；假設(shè)石油類(lèi)持續(xù)滲漏，隨著開(kāi)采時(shí)段的增長(zhǎng)，區(qū)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)濃度逐漸增高，其變化幅度在近河近開(kāi)采井地段較明顯，尤其以開(kāi)發(fā)區(qū)水源突出，但未出現(xiàn)預(yù)警質(zhì)量濃度（0.05 mg／L）.

表2 水源地A010處潛水水質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果Table 2 Forecasting result of phreatic water quality of water source zoon at A010

3.2 防滲層完成后地下水水質(zhì)預(yù)測(cè)

防滲層的滲透系數(shù)K＜10－9m／s，在無(wú)降解與吸附時(shí)污水穿透防滲層（厚度為0.5 m時(shí)）的時(shí)間在理想狀態(tài)下為15.85年，假如由于施工等因素造成防滲層內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量的裂隙，設(shè)裂隙率為1%（實(shí)際條件遠(yuǎn)小于此），對(duì)區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè).表3為距廠區(qū)最近水源地某處潛水水質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果.由此可見(jiàn)，加防滲層后，石油類(lèi)濃度相對(duì)于原背景值將大幅減小［7］.

表3 水源地A010處在CPP加防滲層后潛水水質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果Table 3 Forecasting result of phreatic water quality of water source zoon at A010 after constructing impermeable layer on CPP

4 結(jié) 論

（1）對(duì)地下水水質(zhì)模擬的結(jié)果表明地下水系統(tǒng)水質(zhì)演化機(jī)理主要受地下水水位動(dòng)態(tài)變化、區(qū)內(nèi)人工形成的地下水流場(chǎng)變化和地下水系統(tǒng)外界環(huán)境所控制.外界環(huán)境向地下水系統(tǒng)輸入污染源，水質(zhì)變化的水動(dòng)力條件是地下水水位動(dòng)態(tài)特征和地下水流場(chǎng).近岸地下水中氨氮含量高，表明氨氮長(zhǎng)期超標(biāo)的地表水體污染了近岸的地下水體.

（2）在廠區(qū)位加一虛擬點(diǎn)污染源后，污染物表現(xiàn)出向鄰近水源地的開(kāi)采井區(qū)運(yùn)移趨勢(shì)，對(duì)該水源地潛水水質(zhì)有影響，并朝著影響越來(lái)越顯著方向發(fā)展，必須監(jiān)控，防患于未然.

（3）研究區(qū)的地下水系統(tǒng)由于處于不同的水文地質(zhì)單元，它們的巖性與結(jié)構(gòu)不同，第四紀(jì)地層滲透性能有很大差別，表現(xiàn)出地下水系統(tǒng)的天然防護(hù)功能各異.在區(qū)內(nèi)近一級(jí)階地的地區(qū)，地下水系統(tǒng)的天然防護(hù)功能較強(qiáng)，屬于地下水易污性較弱區(qū)；地下水易污性一般地區(qū)主要分布在高漫灘區(qū)，沈陽(yáng)市石蠟廠位于此區(qū)，其污染途徑主要表現(xiàn)為通過(guò)地表水體入滲至含水層.

（4）本次模擬采用的是石油類(lèi)作為特征污染物，同時(shí)未考慮污染物的降解、吸咐等作用，指示劑的運(yùn)移速度要大于污染物的運(yùn)移速度，所以這種保守評(píng)價(jià)方法對(duì)本次地下水水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)是有效的.

［1］ 王康.非飽和土壤水流運(yùn)動(dòng)及溶質(zhì)遷移［M］.北京：科學(xué)出版社，2010：217－246.

［2］ 朱學(xué)愚，謝春紅.地下水運(yùn)移模型［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1990：158－189.

［3］ 朱學(xué)愚，錢(qián)孝星.地下水水文學(xué)［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2005：205－256.

［4］ 芮孝芳.水文學(xué)原理［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008：80－103.

［5］ 彭澤洲，楊天行，梁秀娟，等.水環(huán)境數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：169－202.

［6］ 龔春生，姚琪，趙棣華，等.淺水湖平面二維水流－水質(zhì)－底泥污染模型研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2006（4）：496－500.

［7］ 遼寧省沈陽(yáng)礦區(qū)總體規(guī)劃環(huán)境影響報(bào)告［R］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)環(huán)境科學(xué)研究院，2010.

Simulation Forecasting of Underground Water Contamination at Factory District of Shenyang Paraffin Wax Chemical Limited Company

ZHANGPing 1，CHENYanqun 2，HUANGQiwen 2，KONGLingzhen 3，WUHao 1
（1.Architectural and Civil Engineering College，Shenyang University，Shenyang 110044，China；2.Exploration and Design Institute，Northeast Coalfield Geological Bureau，Shenyang 110003，China；3.The 103th Exploration Team，Northeast Coalfield Geological Bureau，Shenyang 110003，China）

According to hydrogeological conditions at factory district of Shenyang Paraffin wax Chemical Limited Company as well as wastewater discharging conditions of peripheral agricultural irrigation，the underground water contamination mechanism was analyzed；the ground water solute migration mathematical model was established；and the temporal and spatial variation characteristic of ground water quality was forecasted.The aquifer was generalized single layer and non－h(huán)omogeneous and unequal thickness and isotropic two－dimensional unsteady infiltration flow underwater system，the simulation factor was determined for petroleum classes，the movement to the water source place was generalized the two－dimensional convection－dissemination movement.The simulation boundary area was treated as the first kind area，and a hypothesized point pollution source was added at the plant area.The forecasting result indicates that under the non－impermeable layer condition，the density of every spot in the area has been gradually increasing along with the mining time's growth.Its rangeability was very obvious at near river and near mining well sector，but warning density（0.05 mg／L）was emerged；After constructing a impermeable layer，the density of petroleum class was significantly reduced relatively to the original background value.

groundwater quality；numerical simulation；simulation factor；convection－diffusion；twodimensional seepage

TV 211.1＋2

A

1008－9225201201－0048－05

2011－03－29

張 平（1963－），男，遼寧黑山人，沈陽(yáng)大學(xué)副教授.

祝 穎】