基于GMS的某石化企業(yè)地下水污染模擬

摘要：選取山東省某石化企業(yè)為研究對象，運(yùn)用GMS構(gòu)建地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型，模擬石化企業(yè)典型污染物在正常滲漏和采取防滲阻隔2種情況下的污染分布。結(jié)果表明：正常滲漏情況下，污染羽在水平方向上順?biāo)鞣较驍U(kuò)散，擴(kuò)散范圍隨時間增大而擴(kuò)大，在模擬時間9 500 d時，最大遷移距離為26.15 m。污染羽在垂向上受土層滲透性影響遷移緩慢，在模擬時間9 500 d時，底部黏土層濃度最大為0.074 mg/L。在污染源下游采取防滲墻阻隔后，污染羽橫向遷移明顯受限，在模擬時間9 500 d時，最大遷移距離為23.65 m。相比于正常滲漏，污染羽縱向遷移增強(qiáng)，設(shè)置阻隔墻后底部黏土層濃度明顯增大，在第9 500 d時濃度達(dá)到最大，為0.152 mg/L。

關(guān)鍵詞：石化企業(yè)；地下水污染；GMS軟件；溶質(zhì)運(yùn)移模擬

中圖分類號：X131.2" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.12.006

引文格式：王浩，楊歡歡，殷東方，等.基于GMS的某石化企業(yè)地下水污染模擬［J］.山東國土資源，2024，40（12）：42-48.WANG Hao， YANG Huanhuan， YIN Dongfang， et al. Simulation of Groundwater Pollution in a Petrochemical Enterprise Based on GMS［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（12）：42-48.

0引言

地下水是我國的重要戰(zhàn)略資源，在保障城鄉(xiāng)居民用水、支撐社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、維持生態(tài)環(huán)境建設(shè)等方面發(fā)揮重要作用［12］。隨著我國過去幾十年石化企業(yè)的飛速發(fā)展，伴隨而來的地下水污染問題也逐漸受到關(guān)注［36］。地下水污染具有隱蔽性、滯后性、危害強(qiáng)、難治理的特點(diǎn)［78］，而模擬地下水的運(yùn)移規(guī)律，能夠提前掌握預(yù)測可能存在的地下水污染問題，為地下水污染源頭防控和污染治理提供參考，對地下水環(huán)境保護(hù)具有重要意義［9］。

GMS（Groundwater Modeling System）是目前被廣泛認(rèn)可的地下水模擬軟件，其具有強(qiáng)大的可視化和模擬效果。已有眾多學(xué)者采用GMS開展過地下水模擬研究，如王英剛等［10］運(yùn)用GMS建立了尾礦庫的地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型，預(yù)測了尾礦庫建設(shè)對地下水的污染范圍和濃度分布；齊歡等［11］采用GMS建立了白泉泉域地下水流模型，預(yù)測了公園建成后對白泉噴涌情況的影響；楊加明等［12］針對云南保山盆地，采用GMS模擬了氨氮的物理位置特征及遷移規(guī)律；王鵬［13］采用GMS研究某廢棄物處理場周邊控制措施對地下水內(nèi)污染物的影響，分別設(shè)置防滲墻、抽水井和防滲墻與抽水井共同布置3種工況進(jìn)行了對比研究；段毅等［14］以南方某市北部化工區(qū)為研究對象，通過構(gòu)建水文地質(zhì)模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型，對鉈污染物在地下水中的遷移過程進(jìn)行模擬預(yù)測。

本研究選取山東某石化企業(yè)為研究對象，通過構(gòu)建地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型，模擬了場區(qū)內(nèi)危廢堆場發(fā)生滲漏后污染物的運(yùn)移狀況，探討了防滲阻隔措施前后污染羽的變化差異，以期為石化企業(yè)地下水污染管控工作提供科學(xué)指導(dǎo)。

1研究區(qū)概況

本研究區(qū)為山東某石化場地，建于19世紀(jì)60年代，主要從事石油煉化生產(chǎn)，占地面積約0.29 hm2。該區(qū)地處中緯度地帶，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬冷夏熱，全年60%的降水量集中在夏季。年平均氣溫在13～14 ℃之間，無霜期平均為190～210 d，年平均降水量為671.1 mm。研究區(qū)地形總體上是由南向北傾斜，基本地貌類型為山前沖積平原，地勢南高北低，海拔高度32～49 m。場地現(xiàn)有自然地形標(biāo)高33.50～36.70 m之間，地勢較平坦，地貌類型單一。

在水文地質(zhì)分區(qū)上，研究區(qū)屬山前傾斜平原水文地質(zhì)區(qū)。該區(qū)地下水以大氣降水補(bǔ)給為主，次為河流側(cè)滲補(bǔ)給，還接受北部、東部山區(qū)裂隙水或裂隙巖溶水的徑流補(bǔ)給。地下水徑流方向自東南到西北，并與地形坡度基本一致。勘察期間測得地下水水位標(biāo)高+26.63 m～+27.54 m，屬第四系孔隙潛水。

2模型的構(gòu)建

2.1水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際鉆探資料，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)分析，將研究區(qū)自上而下概化為5層，分別為①層雜填土，②層粉質(zhì)黏土，③層碎石土，④層粉質(zhì)黏土和⑤層黏土。各地層單元的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)如滲透系數(shù)、地層厚度等模型參數(shù)參照研究區(qū)地質(zhì)勘探資料與室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果。廠區(qū)包氣帶巖性主要為粉質(zhì)黏土和碎石土。第四層粉質(zhì)黏土層為潛水主要含水層，該層底部為連續(xù)分布黏土層，滲透性差，構(gòu)成了潛水良好的隔水底板，可概化為隔水層。

根據(jù)場地實(shí)際地下水流向，將平行于地下水等水位線的南北邊界設(shè)為定水頭邊界，將垂直于地下水等水位線的東西邊界設(shè)為零流量邊界。上邊界為研究區(qū)潛水面，接受降雨入滲補(bǔ)給。模擬區(qū)的補(bǔ)給來源主要有大氣降水補(bǔ)給和地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給；由于模擬區(qū)潛水地下水位較深且不存在人工開采情況，側(cè)向徑流為主要排泄方式，因此構(gòu)建為非均質(zhì)各向異性的潛水穩(wěn)定流三維模型。

2.2水文地質(zhì)參數(shù)

水文地質(zhì)參數(shù)的選取主要依據(jù)該項(xiàng)目水文地質(zhì)調(diào)查所開展的野外試驗(yàn)和室內(nèi)檢測結(jié)果。本研究區(qū)包氣帶粉質(zhì)黏土層垂直滲透系數(shù)為4.21×10-6 cm/s，潛水含水層垂直滲透系數(shù)為2.54×10-5 cm/s，黏土隔水層垂直滲透系數(shù)為4.21×10-7 cm/s。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，給水度取0.3［15］。由于尺度效應(yīng)的存在，水動力彌散系數(shù)難以真實(shí)獲取。根據(jù)保守性原則［16］，本次縱向彌散度取值為15 m，橫向與縱向比值為0.1，垂向與縱向比值為0.01。

2.3模型離散

本研究采用GMS軟件模擬求解，通過軟件MODFLOW模塊求解地下水流模型，通過MT3DMS模塊求解溶質(zhì)運(yùn)移模型，通過3D Grid模塊進(jìn)行離散化處理。本次離散處理為矩形網(wǎng)格剖分，東西和南北向各剖分網(wǎng)格100個，垂向剖分網(wǎng)格5層，共剖分網(wǎng)格50 000個，其中有效單元格27 400個。具體網(wǎng)格剖分如圖 1所示。

2.4模型校正與識別

模型的校正是地下水模擬中一個十分重要的環(huán)節(jié)，通過調(diào)節(jié)模型參數(shù)使模擬地下水流場與實(shí)際流場相吻合。

本次以場地實(shí)際水井觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，設(shè)置置信區(qū)間為±0.5。根據(jù)模型校驗(yàn)規(guī)則，當(dāng)誤差在置信區(qū)間內(nèi)時，校驗(yàn)結(jié)果呈綠色顯示。根據(jù)圖2、圖3和表1可以看出，模型校驗(yàn)誤差均不超過0.5，模型擬合效果較好，擬合后地下水流向?yàn)闁|南至西北，與實(shí)際地下水流向一致。

3地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬

3.1溶質(zhì)運(yùn)移模型

危險廢棄物堆填區(qū)為石化企業(yè)潛在污染源之一，在使用一定年限后可能會發(fā)生滲漏破壞，對區(qū)域地下水造成污染。本場地存在一危險廢物堆填區(qū)，主要污染物為苯，假定發(fā)生滲漏，可將其概化為定濃度點(diǎn)狀污染源，濃度根據(jù)實(shí)測結(jié)果確定為4.16 mg/L。

為控制污染物的進(jìn)一步遷移，通常采用防滲墻進(jìn)行阻隔［1718］，根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《地下水污染源防滲技術(shù)指南（試行）》，防滲墻的滲透系數(shù)設(shè)定為1.0×10-7cm/s。本次阻隔墻布設(shè)在地下水下游方向，垂直地下水流方向布設(shè)，距滲漏點(diǎn)直線距離12 m，阻隔墻布設(shè)深度至含水層底部。布設(shè)位置示意見圖 4。

本次模擬時長為9 500 d，時間步長為30 d，分別模擬正常滲漏和采取防滲阻隔后第100 d、1 000 d、5 000 d、9 500 d的污染遷移情況?！兜叵滤|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）中規(guī)定苯的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)值為0.12 mg/L，本次以0.12 mg/L為界圈定污染范圍。

3.2正常滲漏模擬結(jié)果分析

3.2.1水平遷移結(jié)果分析

由圖 5可以看出，正常滲漏情況下苯的濃度從滲漏點(diǎn)向外逐步擴(kuò)散減小，通過對比發(fā)現(xiàn)第100 d和1 000 d污染羽的形態(tài)大小整體差異不大。第5 000 d時污染羽的形態(tài)順地下水流方向擴(kuò)大，最大遷移距離為23.60 m，污染羽超標(biāo)面積為1 457.09 m2。第9 500 d時擴(kuò)散持續(xù)增大，最大遷移距離為26.15 m，污染羽超標(biāo)面積增大至1 584.66 m2。整體來看，污染羽呈順地下水流方向擴(kuò)散，但擴(kuò)散較緩慢，分析發(fā)現(xiàn)，主要原因可能是：①場區(qū)整體水力梯度I較小，計(jì)算數(shù)值小于1‰；②場區(qū)含水層為粉黏層，滲透系數(shù)k較低。結(jié)合達(dá)西公式可知，2個因子綜合作用，導(dǎo)致地下水流速較低，污染物對流遷移緩慢。

3.2.2垂直遷移結(jié)果分析

分析圖 6發(fā)現(xiàn)，苯在模擬時段內(nèi)垂向遷移緩慢，第100 d和9 500 d污染羽超標(biāo)范圍整體變化不大，僅在第一層含水層橫向上略微擴(kuò)散。在模擬滲漏點(diǎn)下部黏土層設(shè)置觀測點(diǎn)，觀測苯濃度在該層位隨時間的變化情況（圖 7），可以看出，隨著時間增長，苯在該點(diǎn)位濃度逐漸變大，在9 500 d時濃度最大，為0.074 mg/L，下部黏土層未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)情況，污染羽超標(biāo)范圍主要存在第一層含水層內(nèi)。說明污染物存在向黏土層擴(kuò)散情況，但由于黏土層滲透系數(shù)較低，擴(kuò)散過程緩慢，在模擬時段內(nèi)濃度未超過Ⅳ類水限值。

3.3防滲阻隔模擬結(jié)果分析

3.3.1水平遷移結(jié)果分析

由圖8可以看出，在布設(shè)防滲墻阻隔后，污染羽在地下水流方向遷移明顯變?nèi)?，?00 d和5 000 d污染羽超標(biāo)范圍幾乎未發(fā)生變化，第9 500 d污染羽超標(biāo)范圍向地下水流側(cè)向（未設(shè)置阻隔墻方向）遷移，最大遷移距離為23.65 m，相較第100 d，超標(biāo)范圍增大約32 m2，相較于正常滲漏情況，最大遷移距離減少2.5 m。總體來看，防滲墻阻隔效果較好，可有效阻隔污染羽向下游擴(kuò)散。

3.3.2垂直遷移結(jié)果分析

對比圖6和圖9發(fā)現(xiàn)，在第100 d時，布設(shè)阻隔墻前后污染羽形態(tài)差異不大；在第9 500 d時，垂向上，布設(shè)阻隔墻前后污染羽遷移差異不大，但橫向上，相比于正常滲漏情況，設(shè)置阻隔墻后污染羽遷移明顯變?nèi)?。同樣的，在滲漏點(diǎn)下部黏土層設(shè)置觀測點(diǎn)，觀測布設(shè)阻隔墻后苯濃度在該層位隨時間的變化情況，并與正常滲漏情況對比分析，從圖 10可以看出，布設(shè)阻隔墻前后，苯在該點(diǎn)位濃度均隨時間增長而增大。但相比于正常滲漏，布設(shè)阻隔墻后濃度增幅明顯，在第7 000 d時，污染羽濃度接近Ⅳ類水限值，在第9 500 d時，濃度達(dá)到最大，為0.152 mg/L，已超Ⅳ類水限值0.12 mg/L。

綜合分析可以看出，防滲墻在防止污染羽橫向擴(kuò)散方面效果顯著，但由于防滲墻較下部黏土層滲透系數(shù)更低，會迫使污染物向更利于遷移的底部擴(kuò)散，造成底部濃度增大，甚至超標(biāo)。

4結(jié)論

本文采用GMS軟件建立了山東某石化場地的地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型，模型經(jīng)過識別校驗(yàn)，能較好地反應(yīng)場地的地下水流特征，在此基礎(chǔ)上模擬了常規(guī)滲漏和設(shè)置防滲阻隔后的溶質(zhì)運(yùn)移情況，得出主要結(jié)論如下：

（1）正常滲漏情況下，污染羽在水平方向沿地下水流方向擴(kuò)散，污染范圍隨時間增大而擴(kuò)大。污染羽在垂向上遷移受土層滲透性影響，本次在模擬時間9 500 d內(nèi)，下部黏土層中污染遷移較慢，濃度未超過Ⅳ類水限值。

（2）防滲阻隔可有效阻止污染物進(jìn)一步遷移擴(kuò)散，本次在模擬防滲阻隔情況下，污染羽在橫向上遷移明顯變?nèi)?，但由于阻隔墻和下部黏土層滲透性存在差異，會迫使污染物更易于縱向遷移，造成下部層位濃度增大甚至超標(biāo)。建議在實(shí)施防滲墻阻隔時，綜合考慮下部隔水層厚度和土層滲透系數(shù)差異等特征，避免造成橫向上污染范圍受限，但縱向上污染進(jìn)一步擴(kuò)大的情況。

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Abstract：A petrochemical enterprise in Shandong province has been selected as the research object. A model of groundwater flow and solute transport has been constructed by using GMS to simulate the pollution distribution of typical pollutants in petrochemical enterprises under normal seepage and seepage prevention. It is showed that the contaminated plume diffuses horizontally along with the flow direction under normal seepage condition. The diffusion range will expand with the increase of time， and the maximum migration distance is 26.15 m when the simulated time is 9500d. The contaminated plume migrates slowly in vertical direction due to the influence of soil permeability. The maximum concentration in the bottom clay layer is 0.074mg/L when the simulation time is 9500d. The transverse migration of pollution plume is obviously limited， but the vertical migration will increase when cut-off wall is adopted in the downstream of pollution source. The maximum migration distance is 23.65m when the simulation time is 9500d. Comparing with normal seepage， the longitudinal migration of the pollution plume will enhance. The concentration of the clay layer at the bottom will increases obviously after the barrier wall is set up. The concentration can "reach 0.152mg/L， which is the maximum at 9500d.

Key words：Petrochemical enterprise; groundwater pollution; GMS software; solute transport simulation

收稿日期：20240604；修訂日期：20240624；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

作者簡介：王浩（1993—），男，山東滕州人，工程師，主要從事土壤地下水環(huán)境相關(guān)研究；Email：wallhao3@163.com