基于數(shù)值模擬模型地下水環(huán)境影響預(yù)測評價(jià)

張振昌 余期沖

(南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份公司，江蘇 南京 210093)

引言

地下水作為中國重要的供水水源，維持著全國近70%人口的飲用，40%的農(nóng)田灌溉，在推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和維持生態(tài)環(huán)境平衡等方面，發(fā)揮著巨大作用[]。近幾十年來日益加劇的人類活動(dòng)如過量開采引起的水資源枯竭、海水入侵、地面沉降和塌陷、土壤次生鹽漬化等問題，在嚴(yán)重破壞地下水資源平衡的同時(shí)也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[-]。因此定量預(yù)測和評價(jià)地下水資源，為合理開發(fā)利用地下水資源提供決策依據(jù)已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)的迫切需求。地下水?dāng)?shù)值模擬模型作為現(xiàn)代水文地質(zhì)學(xué)科形成和發(fā)展的重要推動(dòng)力之一，廣泛應(yīng)用于地下水位預(yù)測[]、地下水資源開發(fā)利用規(guī)劃[]、地下水循環(huán)機(jī)制研究[]、地下水溶質(zhì)及熱運(yùn)移研究[]、地下水資源預(yù)報(bào)和評價(jià)[]等，已經(jīng)成為人們揭示水文地質(zhì)規(guī)律和地下水資源評價(jià)與管理中必不可少的工具。

本文選擇模擬區(qū)南部以京杭運(yùn)河為界，西北邊和東北邊至里運(yùn)河，該地區(qū)河流與地下水水力聯(lián)系較好。通過地下水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型及地下水污染物遷移數(shù)學(xué)模型，選取COD和氨氮作為預(yù)測因子，分別預(yù)測污染發(fā)生100天、1000天及10000天后污染物遷移情況，重點(diǎn)預(yù)測對地下水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的影響。以其為該區(qū)地下水環(huán)境保護(hù)及地下水資源的合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究思路和研究背景

1.1 研究思路

根據(jù)地下水環(huán)評導(dǎo)則要求，本次地下水環(huán)境影響評價(jià)預(yù)測采用數(shù)值模擬模型。通過資料收集和野外勘查獲取評價(jià)范圍含水層空間分布特征，根據(jù)含水層之間的水力聯(lián)系，以潛水含水層作為本次模擬評價(jià)的目的含水層，構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型，選擇對應(yīng)的數(shù)學(xué)模擬模型對地下水中污染物的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行評價(jià)預(yù)測。

1.2 研究區(qū)概況

按照地下水環(huán)評導(dǎo)則要求，充分結(jié)合水資源分區(qū)、水系分布，考慮區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境水文地質(zhì)條件以及擬建工程對地下水環(huán)境影響評價(jià)和預(yù)測要求確定本次模擬區(qū)范圍，確定模擬區(qū)范圍如圖1所示。模擬區(qū)南部以京杭運(yùn)河為界，西北邊和東北邊至里運(yùn)河，整個(gè)模擬區(qū)面積約17.0km2。該地區(qū)地下水開采利用量很小，區(qū)域地下水位隨時(shí)間波動(dòng)較小。因此，區(qū)域地下水流可近似為穩(wěn)定流。

圖1 模擬區(qū)范圍圖

2 數(shù)值模型

2.1 地下水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

評價(jià)范圍內(nèi)地下水流運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型可以表示為潛水含水層均質(zhì)、各向異性三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型，其控制方程及定解條件如下：

(方程1)

其中：Kxx，Kyy，Kzz：主坐標(biāo)軸方向多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)，[LT-1]；h：水頭，[L]；W：單位面積垂向流量，[LT-1]，用以表示源匯項(xiàng)；μ：多孔介質(zhì)的給水度(或飽和差)；z：潛水含水層的底板標(biāo)高，[L]；t：時(shí)間，[T]。

2.2 地下水污染物遷移數(shù)學(xué)模型

污染物在地下水中的運(yùn)移包括對流、彌散以及溶質(zhì)本身的物理、化學(xué)變化等過程，可表示為：

(方程4)

本次模擬計(jì)算，采用GMS軟件求解，用MT3DMS模塊求解地下水污染物運(yùn)移數(shù)學(xué)模型。

2.3 模型參數(shù)

潛水含水層的滲透系數(shù)根據(jù)地層巖性，參照經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行賦值，水平方向滲透系數(shù)分別取0.2m/d～1.0m/d，垂向和水平方向滲透系數(shù)比值取0.1。降雨入滲補(bǔ)給率根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤暾舭l(fā)量多年平均值進(jìn)行計(jì)算后確定。

表1 淮安市多年氣象要素特征

對彌散度，采取土樣進(jìn)行室內(nèi)彌散試驗(yàn)，并充分考慮其尺度效應(yīng)，結(jié)合條件相似地區(qū)開展實(shí)際工作的成果，確定本次評價(jià)范圍潛水含水層彌散度取50m。

2.4 模型網(wǎng)格剖分

采用GMS軟件對數(shù)值模擬模型求解，用MODFLOW模塊求解地下水流問題時(shí)采用有限差分法求解，需對評價(jià)范圍進(jìn)行網(wǎng)格剖分，如圖2。為更精確模擬溶質(zhì)運(yùn)移，在前置反硝化生物濾池、曝氣生物濾池處進(jìn)行加密網(wǎng)格，最小網(wǎng)格空間長度達(dá)到5m。網(wǎng)格垂向上剖分依據(jù)場區(qū)建設(shè)特點(diǎn)以及評價(jià)區(qū)內(nèi)含水層特征劃分為兩層。第一層為粘土，層厚6～8米左右；第二層位粉土，層厚3～5米左右；在含水層下部設(shè)置一層相對隔水層，厚度為10m左右；整個(gè)模型在垂向上一共三層。

圖2 評價(jià)范圍網(wǎng)格剖分圖

2.5 模型校正和檢驗(yàn)

對數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算求解，將模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)比較，看兩者的差異程度，從而對模型進(jìn)行校正檢驗(yàn)。

2.5.1 地下水水位擬合

模擬選取所調(diào)查水位點(diǎn)中的11個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行流場、水位擬合，流場擬合結(jié)果表明水流方向?yàn)槲鞅毕驏|南方向。通過水位擬合計(jì)算含水層地下水水位與實(shí)測地下水水位關(guān)系，11口實(shí)際觀測井水位與計(jì)算水位誤差均在0.1m以內(nèi)，模擬誤差較小，在一定程度上反映模型計(jì)算的合理性。

2.5.2 水均衡

根據(jù)模擬計(jì)算得到模擬范圍水均衡結(jié)果，評價(jià)區(qū)每年地下水排泄進(jìn)入地表水126279.1m3，表明地下水和地表水存在較密切的水力聯(lián)系。模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況符合，從一定程度上反映模型計(jì)算結(jié)果的合理性。

綜上，根據(jù)對地下水流場、地下水水位及水均衡計(jì)算結(jié)果的分析，模型能較好反映該地區(qū)地下水流運(yùn)動(dòng)特征，可以用于地下水環(huán)境影響的預(yù)測評價(jià)。

3 地下水環(huán)境影響預(yù)測評價(jià)

污染物在地下水系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程十分復(fù)雜，本次評價(jià)本著風(fēng)險(xiǎn)最大原則，在模擬污染物運(yùn)移擴(kuò)散時(shí)不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)等因素，重點(diǎn)考慮對流彌散作用。在對水流模型進(jìn)行校正和檢驗(yàn)后，輸入溶質(zhì)運(yùn)移模型參數(shù)，模擬污染物運(yùn)移。

3.1 預(yù)測時(shí)段

將地下水環(huán)境影響預(yù)測時(shí)段擬定為10000天。結(jié)合工程特征與環(huán)境特征，預(yù)測污染發(fā)生100天、1000天及10000天后污染物遷移情況，重點(diǎn)預(yù)測對地下水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的影響。

3.2 預(yù)測因子

根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目工程分析中污水處理廠各工藝段進(jìn)水源強(qiáng)分析，本次地下水環(huán)境影響預(yù)測評價(jià)選取COD和氨氮作為預(yù)測因子，模擬其在地下水系統(tǒng)中隨時(shí)間的遷移過程。

3.3 預(yù)測情景

本次地下水環(huán)境影響預(yù)測考慮兩種工況：正常工況和事故工況下的地下水環(huán)境影響。模擬主要污染因子在地下水中的遷移過程，進(jìn)一步分析污染物影響范圍、程度，最大遷移距離。

3.3.1 正常工況

擴(kuò)建項(xiàng)目將利用現(xiàn)有項(xiàng)目污水處理廠，工程防滲措施均按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，且措施未發(fā)生破壞正常運(yùn)行情況下，計(jì)算預(yù)測污染物的遷移。

3.3.2 事故工況

在防滲措施發(fā)生事故的情況下，此時(shí)污廢水直接進(jìn)入地下水，設(shè)定預(yù)測污染源強(qiáng)為正常工況的100倍，污染源特征為面源連續(xù)污染。

4 預(yù)測結(jié)果分析

在模擬污染物擴(kuò)散時(shí)，不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)等因素，重點(diǎn)考慮了對流和彌散作用。為了分析廠區(qū)內(nèi)由于污水處理廠泄漏而導(dǎo)致的污染物隨地下水的運(yùn)移對周邊地下水環(huán)境造成的影響，利用校正后的水流模型，結(jié)合上述情景設(shè)置，對各類污染物進(jìn)入地下水進(jìn)行預(yù)測。經(jīng)過模擬計(jì)算得到正常和事故工況下不同污染物運(yùn)移特征，詳見表2。

4.1 正常工況

正常工況下，利用所建立的模型，評價(jià)預(yù)測時(shí)間段(100天、1000天、10000天)后污染物運(yùn)移過程。經(jīng)過模擬計(jì)算得到COD和氨氮污染物運(yùn)移過程分布圖如圖5至10所示。

圖3、4、5為正常工況下污水處理廠粗格柵池、前置反硝化生物濾池、曝氣生物濾池運(yùn)行100天、1000天和10000天后COD運(yùn)移平面分布圖。污水處理廠運(yùn)行100天后地下水中COD濃度最大值為51.72mg/L，水平最大遷移距離為6.13m，污染范圍較小，僅限于廠區(qū)內(nèi)。隨著時(shí)間持續(xù)，污染范圍逐漸擴(kuò)大，但COD污染僅僅限于廠區(qū)附近，距離周邊的村莊等地下水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)仍然較遠(yuǎn)。

圖3 正常工況下污水處理廠運(yùn)行100天后COD運(yùn)移分布圖 圖4 正常工況下污水處理廠運(yùn)行1000天后COD運(yùn)移分布圖 圖5 正常工況下污水處理廠運(yùn)行10000天后COD運(yùn)移分布圖

圖6～8為正常工況下污水處理廠粗格柵池、前置反硝化生物濾池、曝氣生物濾池運(yùn)行100天、1000天和10000天后氨氮運(yùn)移平面分布圖。污水處理廠運(yùn)行100天后地下水中氨氮濃度最大值為6.03mg/L，水平最大遷移距離為12.16m，污染范圍較小，僅限于廠區(qū)內(nèi)。隨著時(shí)間持續(xù)，污染范圍逐漸擴(kuò)大，但氨氮污染僅僅限于廠區(qū)附近，距離周邊的村莊等地下水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)仍然較遠(yuǎn)。

由模擬結(jié)果可以看出，正常工況下，污水處理廠各水池由于設(shè)置防滲系統(tǒng)，滲透量不大。污染物擴(kuò)散的范圍及方向主要由地下水流和濃度梯度決定，隨著時(shí)間推移，污染范圍逐漸擴(kuò)大。受地下水流向控制，污染暈主要從西北向東南方向擴(kuò)散。

此外，預(yù)測期內(nèi)廠區(qū)邊界處各特征因子隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖9和圖10所示。從圖中可以看出隨時(shí)間推移，場地邊界處特征因子濃度不斷增大。

圖6 正常工況下污水處理廠運(yùn)行100天后氨氮運(yùn)移分布圖 圖7 正常工況下污水處理廠運(yùn)行1000天后氨氮運(yùn)移分布圖 圖8 正常工況下污水處理廠運(yùn)行10000天后氨氮運(yùn)移分布圖

圖9 正常工況下廠區(qū)邊界處COD濃度隨時(shí)間變化曲線 圖10 正常工況下廠區(qū)邊界處氨氮濃度隨時(shí)間變化曲線

4.2 事故工況

在防滲措施發(fā)生事故的情況下，此時(shí)污廢水更容易經(jīng)包氣帶進(jìn)入地下水，設(shè)定預(yù)測污染源強(qiáng)為正常工況的100倍，污染源特征為面源連續(xù)污染。

事故工況下，評價(jià)預(yù)測時(shí)間段(10000天)內(nèi)污染物運(yùn)移過程。經(jīng)過模擬計(jì)算得到COD和氨氮運(yùn)移過程分布圖如圖11至16所示。

圖11、12、13為事故工況下污水處理廠前置反硝化生物濾池、曝氣生物濾池運(yùn)行100天、1000天和10000天后COD運(yùn)移平面分布圖。污水處理廠運(yùn)行100天后地下水中COD濃度最大值為123.00mg/L，水平最大遷移距離為19.13m，污染范圍較小，僅限于廠區(qū)內(nèi)。隨著時(shí)間持續(xù)，污染范圍逐漸擴(kuò)大，但COD污染僅僅限于廠區(qū)附近，距離周邊的村莊等地下水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)仍然較遠(yuǎn)。

圖11 事故工況下污水處理廠運(yùn)行100天后COD運(yùn)移分布圖 圖12 事故工況下污水處理廠運(yùn)行1000天后COD運(yùn)移分圖 圖13 事故工況下污水處理廠運(yùn)行10000天后COD運(yùn)移分圖

圖14～16為事故工況下污水處理廠前置反硝化生物濾池、曝氣生物濾池運(yùn)行100天、1000天和10000天后氨氮運(yùn)移平面分布圖。污水處理廠運(yùn)行100天后地下水中氨氮濃度最大值為14.39mg/L，水平最大遷移距離為24.52m，污染范圍較小，僅限于廠附近。隨著時(shí)間持續(xù)，污染范圍逐漸擴(kuò)大，但氨氮污染僅僅限于廠區(qū)附近，距離周邊的村莊等地下水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)仍然較遠(yuǎn)。

圖14 事故工況下污水處理廠運(yùn)行100天后氨氮運(yùn)移分布圖 圖15 事故工況下污水處理廠運(yùn)行1000天后氨氮運(yùn)移分布圖 圖16 事故工況下污水處理廠運(yùn)行10000天后氨氮運(yùn)移分布圖

由模擬結(jié)果可以看出，事故工況污水直接進(jìn)入地下水，污染物擴(kuò)散的范圍比正常工況下要大，隨著時(shí)間推移，污染暈主要從西北向東南方向擴(kuò)散。此外，事故工況下預(yù)測期內(nèi)廠區(qū)邊界處各特征因子濃度隨時(shí)間推移不斷增大。

圖17 事故工況下廠區(qū)邊界處COD濃度隨時(shí)間變化曲線線 圖18 事故工況下廠區(qū)邊界處氨氮濃度隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)模型預(yù)測結(jié)果，事故工況下10000天內(nèi)污水處理廠粗格柵池、前置反硝化生物濾池、曝氣生物濾池的泄露對地下水環(huán)境影響范圍比正常工況要大。事故工況下污染物濃度與時(shí)間的關(guān)系曲線斜率明顯大于正常工況下，因此可以看出及時(shí)采取的補(bǔ)救措施對污染物遷移起到至關(guān)重要的作用，污染影響范圍僅限于廠區(qū)附近，距離周邊的村莊等地下水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)仍然較遠(yuǎn)。但若沒有及時(shí)查出泄漏點(diǎn)、進(jìn)一步采取有效阻斷措施，隨著污染物泄漏時(shí)間增大，最終會(huì)對周邊地下水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)構(gòu)成威脅。因此，為了避免污水處理廠運(yùn)行對地下水產(chǎn)生污染危害，應(yīng)采取相應(yīng)的防滲及檢漏措施，及時(shí)排查泄漏點(diǎn)和實(shí)施相應(yīng)補(bǔ)救措施。

表2 正常和事故工況下不同污染物運(yùn)移特征表

注：“/”前后的值分別表示正常工況和事故工況下的計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié)論

(1)污染物遷移方向主要是由西北向東南，和水流方向一致，污水處理區(qū)的污染物的滲漏/泄漏對地下水影響范圍較小，僅影響到污水處理廠周邊較小范圍地下水水質(zhì)而不會(huì)影響到區(qū)域地下水水質(zhì)，不會(huì)影響到周邊的村莊等地下水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)。

(2)在本次預(yù)測評價(jià)方案條件下，無論是污染物最大運(yùn)移距離，還是超標(biāo)范圍，事故工況均較正常工況下的結(jié)果大。在污染防滲措施有效情況下(正常工況下)，污水處理區(qū)對區(qū)域地下水質(zhì)影響較??；在事故情況(事故工況)下，會(huì)在廠區(qū)及周邊一定范圍內(nèi)污染地下水。污染防滲措施對溶質(zhì)運(yùn)移結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較明顯的影響。

(3)污染物濃度隨時(shí)間變化過程顯示：無論是正常工況還是事故工況下，污染物運(yùn)移速度總體很慢，污染物運(yùn)移范圍不大。技改工程運(yùn)行10000天后，污染物最大運(yùn)移距離是76.35m(COD)和101.81m(氨氮)。污染物運(yùn)移范圍主要是場地水文地質(zhì)條件決定的，場地含水層水力坡度和滲透性都較小，地下水徑流緩慢，污染物運(yùn)移擴(kuò)散的范圍有限。

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