王建琴　楊武成

摘要：介紹地下水環(huán)境污染的影響因素及地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法，在此基礎(chǔ)上建立地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型及其求解原理，并模擬地下水流場(chǎng)與實(shí)際流場(chǎng)的擬合，通過(guò)設(shè)定污染源來(lái)預(yù)測(cè)污染物對(duì)地下水造成的污染情況，分析預(yù)測(cè)結(jié)果可為采取一定的防護(hù)措施提供科學(xué)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地下水；環(huán)境影響評(píng)價(jià)；影響因素；數(shù)值模擬；相關(guān)參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：X824 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）02-0053-03

近幾十年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，工業(yè)“三廢”的排放、農(nóng)藥及化肥的大面積施用、生活垃圾和污水的大量排放導(dǎo)致大部分水體受到污染，由此造成的地下水環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。保護(hù)地下水環(huán)境，首先要從環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作做起。為貫徹《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》《中華人民共和國(guó)水污染防治法》《中華人民共和國(guó)環(huán)境影響評(píng)價(jià)法》和《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)管理?xiàng)l例》，保護(hù)環(huán)境，防治污染，規(guī)范地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作，環(huán)保部于2011年2月11日發(fā)布了《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》，揭開(kāi)了我國(guó)保護(hù)地下水環(huán)境的新的一頁(yè)。由于進(jìn)行地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)需要大量的水文地質(zhì)因素和參數(shù)，因此地下水的環(huán)境影響預(yù)測(cè)一級(jí)評(píng)價(jià)和二級(jí)評(píng)價(jià)主要是通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)完成的。

《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》的發(fā)布填補(bǔ)了中國(guó)現(xiàn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地下隱蔽環(huán)境進(jìn)行影響分析評(píng)價(jià)的空白，標(biāo)志著中國(guó)環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作已從關(guān)注地表以上可見(jiàn)的（或可聽(tīng)的）環(huán)境影響，逐漸向地下隱蔽的環(huán)境影響延伸，是中國(guó)構(gòu)建環(huán)保全方位立體空間污染防范體系的又一新舉措。地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)的目的，就是預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中對(duì)地下水環(huán)境可能造成的直接影響和間接危害（包括地下水污染、地下水流場(chǎng)或地下水位變化），并針對(duì)這種影響和危害提出防治對(duì)策，預(yù)防與控制環(huán)境惡化，保護(hù)地下水資源，為建設(shè)項(xiàng)目選址決策、工程設(shè)計(jì)和環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水環(huán)境的影響

環(huán)境是人類(lèi)社會(huì)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)建設(shè)是人類(lèi)維持生存、爭(zhēng)取發(fā)展的手段，因此開(kāi)發(fā)建設(shè)必然是人類(lèi)影響環(huán)境的最重要、最經(jīng)常的形式。從根本上來(lái)說(shuō)，環(huán)境問(wèn)題是隨著開(kāi)發(fā)建設(shè)而產(chǎn)生的。地下水的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用、礦山開(kāi)采、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水工建筑及其他工程項(xiàng)目對(duì)地下水環(huán)境具有很大影響。

1.1 建設(shè)項(xiàng)目大規(guī)模開(kāi)采

大規(guī)模開(kāi)采地下水導(dǎo)致水量減少、水源枯竭、區(qū)域性地下水水位下降，以至引起地面沉降、地下缺氧等，并會(huì)導(dǎo)致海水入侵、地下水質(zhì)污染等公害。造成地下水水位下降的原因主要有：對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)水文地質(zhì)和水資源論證評(píng)價(jià)的認(rèn)識(shí)不符合實(shí)際，地下水開(kāi)采量長(zhǎng)期超過(guò)補(bǔ)給量，人為原因造成水文地質(zhì)條件的改變等。

長(zhǎng)期開(kāi)采利用地下水會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)發(fā)生變化。其原因主要有：不同成分水的混合；含水層水動(dòng)力條件的改變對(duì)地下水水質(zhì)的影響；飲水工程本身對(duì)水質(zhì)的影響；包氣帶金屬礦物氧化產(chǎn)物的進(jìn)入。

1.2 工業(yè)生產(chǎn)

工業(yè)生產(chǎn)對(duì)地下水的污染主要來(lái)自工業(yè)生產(chǎn)的廢物，包括工業(yè)廢水及固體廢棄物的滲漏、偶然事件的發(fā)生等。其中最嚴(yán)重的污染途徑是滲漏，這為廢水向包氣帶土壤及含水層中滲入提供了很好的機(jī)會(huì)。

1.3 農(nóng)業(yè)活動(dòng)

一是農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)地下水動(dòng)態(tài)平衡的影響。灌溉使?jié)B透補(bǔ)給增加，由于水文地質(zhì)條件及灌溉工程的條件不同，排水好的地區(qū)將會(huì)增加含水層水頭變化幅度，排水條件差的地區(qū)會(huì)導(dǎo)致地下水位的上升，無(wú)排水條件的地區(qū)主要靠蒸發(fā)排水，因此會(huì)產(chǎn)生水化學(xué)動(dòng)態(tài)變化而導(dǎo)致土壤鹽堿化。二是人類(lèi)農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)地下水的污染。大量的廢棄物和地下水溶混在一起，使地下水的水質(zhì)發(fā)生了變化。這與農(nóng)田分布廣面積大、施肥灌溉及農(nóng)藥的使用有著密切的關(guān)系，農(nóng)藥中的殺蟲(chóng)劑、除草劑、殺菌劑等都會(huì)造成地下水的污染。

1.4 礦山開(kāi)采

露天礦床的開(kāi)采大大地改變了地表的形態(tài)，含水層中弱透水層的滲透性能得到了提高。露天開(kāi)采既要把礦藏上面的含水層打開(kāi)，又要大幅度降低礦藏下面的含水層的水頭，這樣的開(kāi)采方式改變了地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄途徑。

地下固體礦藏的開(kāi)采使地下水中化學(xué)成分的形成作用發(fā)生變化。地下水位的下降還會(huì)導(dǎo)致巖石變形斷裂及地面沉降，對(duì)地面建筑造成不可預(yù)測(cè)的破壞性。

1.5 其他活動(dòng)

水工建筑物的建設(shè)和區(qū)域性調(diào)水也會(huì)對(duì)地下水造成一定的影響。水庫(kù)的建設(shè)改變了含水層之間的水力聯(lián)系和地下水補(bǔ)給、徑流與排泄的條件；一些工程的建設(shè)使地下水水質(zhì)惡化，以致直接影響生活飲用水質(zhì)量。

2 地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法

2.1 地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法可分為單項(xiàng)評(píng)價(jià)法和綜合評(píng)價(jià)法。1） 單項(xiàng)評(píng)價(jià)方法即單因子指數(shù)法，是對(duì)單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。該方法評(píng)價(jià)模式簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，評(píng)價(jià)結(jié)果可以直觀地反映超標(biāo)因子，且可以清晰判斷出主要污染因子和主要污染區(qū)域。2） 綜合評(píng)價(jià)法能全面、綜合地反映、評(píng)價(jià)水體的整體狀況，主要有綜合指數(shù)法、模糊綜合評(píng)判法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、灰色聚類(lèi)法及多種方法耦合的評(píng)價(jià)方法。

2.2 地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)模式

地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)的一般模式是分析造成影響的因素，如工程項(xiàng)目規(guī)模、工程建設(shè)的排污特征、主要污染組分及污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律等。利用這些因素對(duì)地下水污染狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)分析，并提出相關(guān)的地下水污染防治方案和措施。地下水環(huán)境的影響評(píng)價(jià)是涉及多目標(biāo)、多因素的復(fù)雜工作，針對(duì)影響因素的預(yù)測(cè)就有多種方法，如較簡(jiǎn)單的類(lèi)比分析法、情景分析法，較復(fù)雜的環(huán)境數(shù)學(xué)模型法、水文地球化學(xué)方法，還有可持續(xù)發(fā)展能力評(píng)估、環(huán)境承載力分析等。

3 Visual MODFLOW在地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

3.1 Visual MODFLOW的理論基礎(chǔ)

MODFLOW是一個(gè)三維有限差分地下水流動(dòng)模型，其理論方程為：

Kxx

+Kyy

+Kzz

-W=SS （1）

式中：Kxx，Kyy，Kzz分別為沿x，y，z坐標(biāo)軸方向的水力傳導(dǎo)率；h為水頭；W為在非平衡狀態(tài)下通過(guò)均質(zhì)、各向同性土壤介質(zhì)單位體積的流量，表示地下水的源和匯；Ss為多孔介質(zhì)的貯水系數(shù)；t為時(shí)間。

對(duì)于三維穩(wěn)定流動(dòng)，MODPATH的質(zhì)量平衡方程可用有效孔隙率和滲流流速表示：

++=W （2）

式中：Vx，Vy，Vz分別為線性流動(dòng)流速矢量在x，y，z坐標(biāo)軸方向的分量；n為含水層有效孔隙率，%；W為由含水層內(nèi)部單位體積源和匯產(chǎn)生的水量。

污染物運(yùn)移模型MT3D的基本方程為：

=Dij

-（ViC）+CS+∑Rk （3）

式中：C為溶于水中的地下水污染物濃度；t為時(shí)間；xi為沿坐標(biāo)軸各方向的距離；Dij為水力擴(kuò)散系數(shù)；Vi為地下水滲流速度；qi為源和匯的單位流量；Cs為源和匯的濃度；P為含水層孔隙率，%；∑Rk為化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)。

3.2 地下水流數(shù)值模型

3.2.1 區(qū)域剖分 對(duì)模型整個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格間距進(jìn)行剖分，計(jì)算模型區(qū)域有效單元的個(gè)數(shù)。

3.2.2 邊界條件的設(shè)定 每個(gè)模型要求有一個(gè)合適的邊界條件來(lái)表達(dá)系統(tǒng)與周?chē)h(huán)境的關(guān)系。地下水流模型邊界條件描述了模型與外部系統(tǒng)之間水流的交換，主要有水流邊界條件和運(yùn)移邊界條件。1） 水流邊界條件包括定水頭、河流、河網(wǎng)、變水頭、排水溝、防滲墻、補(bǔ)給、蒸散等邊界條件。其中：定水頭邊界條件用來(lái)確定選中網(wǎng)格單元的水頭值，使之作為進(jìn)入系統(tǒng)的無(wú)限水源或者離開(kāi)系統(tǒng)的無(wú)限匯點(diǎn)。河流邊界條件用來(lái)模擬地表水體對(duì)地下水流的影響。河網(wǎng)邊界條件用來(lái)計(jì)算河網(wǎng)中的總流量，并模擬地表水體和地下水體的相互作用。2） 運(yùn)移邊界條件包括定濃度、補(bǔ)給濃度、蒸發(fā)濃度、電源等邊界條件。其中：定濃度邊界條件可以概化為一個(gè)污染源，使已知濃度的污染物向研究區(qū)排放；在某些情況下，定濃度邊界條件也可概化為將溶質(zhì)移出模擬區(qū)，由測(cè)定研究區(qū)邊界的溶質(zhì)濃度值給出。補(bǔ)給濃度可表示為一定時(shí)期內(nèi)排放到研究區(qū)的溶質(zhì)濃度。蒸發(fā)蒸騰濃度邊界條件表明在溶質(zhì)運(yùn)移模型中指定的、伴隨著蒸發(fā)蒸騰作用的不同種類(lèi)溶質(zhì)的濃度。點(diǎn)源邊界條件表示考慮水流邊界條件影響下的不同種類(lèi)溶質(zhì)的濃度。

3.2.3 模型識(shí)別與驗(yàn)證原則 受工作條件限制，模型不可能精確刻畫(huà)出研究區(qū)的地下水流系統(tǒng)，模型的識(shí)別與驗(yàn)證主要遵循以下原則：1） 模擬的地下水流場(chǎng)基本一致，即要求地下水模擬等值線與實(shí)測(cè)等值線形狀相似；2） 識(shí)別的水文地質(zhì)參數(shù)要符合客觀水文地質(zhì)條件。

3.2.4 模擬識(shí)別與驗(yàn)證 對(duì)計(jì)算區(qū)進(jìn)行初步參數(shù)分區(qū)得到穩(wěn)定流場(chǎng)后，對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別，以驗(yàn)證該流場(chǎng)能否全面、客觀地表征評(píng)價(jià)區(qū)實(shí)際的水文地質(zhì)條件。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行反演擬合，優(yōu)化調(diào)整后確定的水文地質(zhì)參數(shù)較好地刻畫(huà)了地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)特征；在最優(yōu)反演參數(shù)的基礎(chǔ)上，將模擬水位值與研究區(qū)工程勘探孔及現(xiàn)狀調(diào)查實(shí)測(cè)水位值進(jìn)行擬合分析，結(jié)果表明，模擬值與實(shí)際值擬合情況較好，水位擬合誤差較小，基本反映了地下水隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，達(dá)到了預(yù)期效果。

3.3 污染結(jié)果預(yù)測(cè)

采用Visual MODFLOW軟件建立水流模型，利用軟件中的MT3DMS模塊進(jìn)一步模擬預(yù)測(cè)地下水中污染物的運(yùn)移情況。根據(jù)污染情況，對(duì)溶質(zhì)進(jìn)行污染物運(yùn)移模擬，在模型中將污染源概化為補(bǔ)給濃度邊界。

3.3.1 地下水溶質(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)模型公式為：

ne=nDij

-（nCVi）±C′W （4）

式中：Dij=αijmn，其中αijmn為含水層的彌散度，Vm和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。

聯(lián)合求解水流方程和溶質(zhì)運(yùn)移方程就可得到污染質(zhì)的空間分布。

在識(shí)別后的水流模型基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)彌散試驗(yàn)，并結(jié)合模擬區(qū)巖性及網(wǎng)格剖分的大小，對(duì)污染質(zhì)運(yùn)移的彌散參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)化工風(fēng)險(xiǎn)分析的情景設(shè)計(jì)，確定主要污染源分布位置，選定優(yōu)先控制污染物，按正常工況、非正常工況和事故風(fēng)險(xiǎn)3種情況，分別對(duì)地下水污染物在不同時(shí)段的擴(kuò)散范圍、超標(biāo)范圍的時(shí)間進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

3.3.2 污染源源強(qiáng)設(shè)定 考慮廠區(qū)可能出現(xiàn)的污染事故點(diǎn)對(duì)地下水造成污染的因素較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)可能出現(xiàn)的事故情景時(shí)，重點(diǎn)考慮發(fā)生污染危險(xiǎn)可能性較大的工況以及由不同污染物遷移對(duì)周?chē)叵滤h(huán)境產(chǎn)生影響的排泄點(diǎn)。

3.3.3 模擬結(jié)果分析 地下水影響評(píng)價(jià)一般參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—93）中的各類(lèi)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值，在地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)結(jié)果圖中標(biāo)識(shí)出地下水污染物超標(biāo)的濃度范圍。為了體現(xiàn)出污染物對(duì)地下水存在污染但污染不超標(biāo)，即對(duì)地下水產(chǎn)生了影響，一般參照污染物的檢出限值，在預(yù)測(cè)結(jié)果圖中標(biāo)識(shí)出該范圍。當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果小于檢出限時(shí)，則視同對(duì)地下水環(huán)境幾乎沒(méi)有影響。

4 結(jié)論

由于人類(lèi)活動(dòng)的不合理性導(dǎo)致地下水環(huán)境惡化現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，含水層的點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。地下水污染引發(fā)的一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題制約著人類(lèi)社會(huì)、人與自然的和諧發(fā)展，因此，加強(qiáng)對(duì)地下水環(huán)境的研究與評(píng)價(jià)，是必要的、迫切的。數(shù)學(xué)模型是環(huán)評(píng)中間接影響評(píng)價(jià)的有效手段，將數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于地下水環(huán)評(píng)中可以有效地對(duì)地下水的環(huán)境影響進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，改進(jìn)地下水環(huán)評(píng)的定量分析能力，提高地下水環(huán)評(píng)中多方案比選時(shí)的排序能力，有利于得出地下水環(huán)境保護(hù)的最優(yōu)方案，為促進(jìn)資源環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的綜合決策提供有力保障。

Kxx

+Kyy

+Kzz

-W=SS （1）

式中：Kxx，Kyy，Kzz分別為沿x，y，z坐標(biāo)軸方向的水力傳導(dǎo)率；h為水頭；W為在非平衡狀態(tài)下通過(guò)均質(zhì)、各向同性土壤介質(zhì)單位體積的流量，表示地下水的源和匯；Ss為多孔介質(zhì)的貯水系數(shù)；t為時(shí)間。

對(duì)于三維穩(wěn)定流動(dòng)，MODPATH的質(zhì)量平衡方程可用有效孔隙率和滲流流速表示：

++=W （2）

式中：Vx，Vy，Vz分別為線性流動(dòng)流速矢量在x，y，z坐標(biāo)軸方向的分量；n為含水層有效孔隙率，%；W為由含水層內(nèi)部單位體積源和匯產(chǎn)生的水量。

污染物運(yùn)移模型MT3D的基本方程為：

=Dij

-（ViC）+CS+∑Rk （3）

式中：C為溶于水中的地下水污染物濃度；t為時(shí)間；xi為沿坐標(biāo)軸各方向的距離；Dij為水力擴(kuò)散系數(shù)；Vi為地下水滲流速度；qi為源和匯的單位流量；Cs為源和匯的濃度；P為含水層孔隙率，%；∑Rk為化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)。

3.2 地下水流數(shù)值模型

3.2.1 區(qū)域剖分 對(duì)模型整個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格間距進(jìn)行剖分，計(jì)算模型區(qū)域有效單元的個(gè)數(shù)。

3.2.2 邊界條件的設(shè)定 每個(gè)模型要求有一個(gè)合適的邊界條件來(lái)表達(dá)系統(tǒng)與周?chē)h(huán)境的關(guān)系。地下水流模型邊界條件描述了模型與外部系統(tǒng)之間水流的交換，主要有水流邊界條件和運(yùn)移邊界條件。1） 水流邊界條件包括定水頭、河流、河網(wǎng)、變水頭、排水溝、防滲墻、補(bǔ)給、蒸散等邊界條件。其中：定水頭邊界條件用來(lái)確定選中網(wǎng)格單元的水頭值，使之作為進(jìn)入系統(tǒng)的無(wú)限水源或者離開(kāi)系統(tǒng)的無(wú)限匯點(diǎn)。河流邊界條件用來(lái)模擬地表水體對(duì)地下水流的影響。河網(wǎng)邊界條件用來(lái)計(jì)算河網(wǎng)中的總流量，并模擬地表水體和地下水體的相互作用。2） 運(yùn)移邊界條件包括定濃度、補(bǔ)給濃度、蒸發(fā)濃度、電源等邊界條件。其中：定濃度邊界條件可以概化為一個(gè)污染源，使已知濃度的污染物向研究區(qū)排放；在某些情況下，定濃度邊界條件也可概化為將溶質(zhì)移出模擬區(qū)，由測(cè)定研究區(qū)邊界的溶質(zhì)濃度值給出。補(bǔ)給濃度可表示為一定時(shí)期內(nèi)排放到研究區(qū)的溶質(zhì)濃度。蒸發(fā)蒸騰濃度邊界條件表明在溶質(zhì)運(yùn)移模型中指定的、伴隨著蒸發(fā)蒸騰作用的不同種類(lèi)溶質(zhì)的濃度。點(diǎn)源邊界條件表示考慮水流邊界條件影響下的不同種類(lèi)溶質(zhì)的濃度。

3.2.3 模型識(shí)別與驗(yàn)證原則 受工作條件限制，模型不可能精確刻畫(huà)出研究區(qū)的地下水流系統(tǒng)，模型的識(shí)別與驗(yàn)證主要遵循以下原則：1） 模擬的地下水流場(chǎng)基本一致，即要求地下水模擬等值線與實(shí)測(cè)等值線形狀相似；2） 識(shí)別的水文地質(zhì)參數(shù)要符合客觀水文地質(zhì)條件。

3.2.4 模擬識(shí)別與驗(yàn)證 對(duì)計(jì)算區(qū)進(jìn)行初步參數(shù)分區(qū)得到穩(wěn)定流場(chǎng)后，對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別，以驗(yàn)證該流場(chǎng)能否全面、客觀地表征評(píng)價(jià)區(qū)實(shí)際的水文地質(zhì)條件。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行反演擬合，優(yōu)化調(diào)整后確定的水文地質(zhì)參數(shù)較好地刻畫(huà)了地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)特征；在最優(yōu)反演參數(shù)的基礎(chǔ)上，將模擬水位值與研究區(qū)工程勘探孔及現(xiàn)狀調(diào)查實(shí)測(cè)水位值進(jìn)行擬合分析，結(jié)果表明，模擬值與實(shí)際值擬合情況較好，水位擬合誤差較小，基本反映了地下水隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，達(dá)到了預(yù)期效果。

3.3 污染結(jié)果預(yù)測(cè)

采用Visual MODFLOW軟件建立水流模型，利用軟件中的MT3DMS模塊進(jìn)一步模擬預(yù)測(cè)地下水中污染物的運(yùn)移情況。根據(jù)污染情況，對(duì)溶質(zhì)進(jìn)行污染物運(yùn)移模擬，在模型中將污染源概化為補(bǔ)給濃度邊界。

3.3.1 地下水溶質(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)模型公式為：

ne=nDij

-（nCVi）±C′W （4）

式中：Dij=αijmn，其中αijmn為含水層的彌散度，Vm和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。

聯(lián)合求解水流方程和溶質(zhì)運(yùn)移方程就可得到污染質(zhì)的空間分布。

在識(shí)別后的水流模型基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)彌散試驗(yàn)，并結(jié)合模擬區(qū)巖性及網(wǎng)格剖分的大小，對(duì)污染質(zhì)運(yùn)移的彌散參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)化工風(fēng)險(xiǎn)分析的情景設(shè)計(jì)，確定主要污染源分布位置，選定優(yōu)先控制污染物，按正常工況、非正常工況和事故風(fēng)險(xiǎn)3種情況，分別對(duì)地下水污染物在不同時(shí)段的擴(kuò)散范圍、超標(biāo)范圍的時(shí)間進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

3.3.2 污染源源強(qiáng)設(shè)定 考慮廠區(qū)可能出現(xiàn)的污染事故點(diǎn)對(duì)地下水造成污染的因素較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)可能出現(xiàn)的事故情景時(shí)，重點(diǎn)考慮發(fā)生污染危險(xiǎn)可能性較大的工況以及由不同污染物遷移對(duì)周?chē)叵滤h(huán)境產(chǎn)生影響的排泄點(diǎn)。

3.3.3 模擬結(jié)果分析 地下水影響評(píng)價(jià)一般參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—93）中的各類(lèi)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值，在地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)結(jié)果圖中標(biāo)識(shí)出地下水污染物超標(biāo)的濃度范圍。為了體現(xiàn)出污染物對(duì)地下水存在污染但污染不超標(biāo)，即對(duì)地下水產(chǎn)生了影響，一般參照污染物的檢出限值，在預(yù)測(cè)結(jié)果圖中標(biāo)識(shí)出該范圍。當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果小于檢出限時(shí)，則視同對(duì)地下水環(huán)境幾乎沒(méi)有影響。

4 結(jié)論

由于人類(lèi)活動(dòng)的不合理性導(dǎo)致地下水環(huán)境惡化現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，含水層的點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。地下水污染引發(fā)的一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題制約著人類(lèi)社會(huì)、人與自然的和諧發(fā)展，因此，加強(qiáng)對(duì)地下水環(huán)境的研究與評(píng)價(jià)，是必要的、迫切的。數(shù)學(xué)模型是環(huán)評(píng)中間接影響評(píng)價(jià)的有效手段，將數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于地下水環(huán)評(píng)中可以有效地對(duì)地下水的環(huán)境影響進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，改進(jìn)地下水環(huán)評(píng)的定量分析能力，提高地下水環(huán)評(píng)中多方案比選時(shí)的排序能力，有利于得出地下水環(huán)境保護(hù)的最優(yōu)方案，為促進(jìn)資源環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的綜合決策提供有力保障。

Kxx

+Kyy

+Kzz

-W=SS （1）

式中：Kxx，Kyy，Kzz分別為沿x，y，z坐標(biāo)軸方向的水力傳導(dǎo)率；h為水頭；W為在非平衡狀態(tài)下通過(guò)均質(zhì)、各向同性土壤介質(zhì)單位體積的流量，表示地下水的源和匯；Ss為多孔介質(zhì)的貯水系數(shù)；t為時(shí)間。

對(duì)于三維穩(wěn)定流動(dòng)，MODPATH的質(zhì)量平衡方程可用有效孔隙率和滲流流速表示：

++=W （2）

式中：Vx，Vy，Vz分別為線性流動(dòng)流速矢量在x，y，z坐標(biāo)軸方向的分量；n為含水層有效孔隙率，%；W為由含水層內(nèi)部單位體積源和匯產(chǎn)生的水量。

污染物運(yùn)移模型MT3D的基本方程為：

=Dij

-（ViC）+CS+∑Rk （3）

式中：C為溶于水中的地下水污染物濃度；t為時(shí)間；xi為沿坐標(biāo)軸各方向的距離；Dij為水力擴(kuò)散系數(shù)；Vi為地下水滲流速度；qi為源和匯的單位流量；Cs為源和匯的濃度；P為含水層孔隙率，%；∑Rk為化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)。

3.2 地下水流數(shù)值模型

3.2.1 區(qū)域剖分 對(duì)模型整個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格間距進(jìn)行剖分，計(jì)算模型區(qū)域有效單元的個(gè)數(shù)。

3.2.2 邊界條件的設(shè)定 每個(gè)模型要求有一個(gè)合適的邊界條件來(lái)表達(dá)系統(tǒng)與周?chē)h(huán)境的關(guān)系。地下水流模型邊界條件描述了模型與外部系統(tǒng)之間水流的交換，主要有水流邊界條件和運(yùn)移邊界條件。1） 水流邊界條件包括定水頭、河流、河網(wǎng)、變水頭、排水溝、防滲墻、補(bǔ)給、蒸散等邊界條件。其中：定水頭邊界條件用來(lái)確定選中網(wǎng)格單元的水頭值，使之作為進(jìn)入系統(tǒng)的無(wú)限水源或者離開(kāi)系統(tǒng)的無(wú)限匯點(diǎn)。河流邊界條件用來(lái)模擬地表水體對(duì)地下水流的影響。河網(wǎng)邊界條件用來(lái)計(jì)算河網(wǎng)中的總流量，并模擬地表水體和地下水體的相互作用。2） 運(yùn)移邊界條件包括定濃度、補(bǔ)給濃度、蒸發(fā)濃度、電源等邊界條件。其中：定濃度邊界條件可以概化為一個(gè)污染源，使已知濃度的污染物向研究區(qū)排放；在某些情況下，定濃度邊界條件也可概化為將溶質(zhì)移出模擬區(qū)，由測(cè)定研究區(qū)邊界的溶質(zhì)濃度值給出。補(bǔ)給濃度可表示為一定時(shí)期內(nèi)排放到研究區(qū)的溶質(zhì)濃度。蒸發(fā)蒸騰濃度邊界條件表明在溶質(zhì)運(yùn)移模型中指定的、伴隨著蒸發(fā)蒸騰作用的不同種類(lèi)溶質(zhì)的濃度。點(diǎn)源邊界條件表示考慮水流邊界條件影響下的不同種類(lèi)溶質(zhì)的濃度。

3.2.3 模型識(shí)別與驗(yàn)證原則 受工作條件限制，模型不可能精確刻畫(huà)出研究區(qū)的地下水流系統(tǒng)，模型的識(shí)別與驗(yàn)證主要遵循以下原則：1） 模擬的地下水流場(chǎng)基本一致，即要求地下水模擬等值線與實(shí)測(cè)等值線形狀相似；2） 識(shí)別的水文地質(zhì)參數(shù)要符合客觀水文地質(zhì)條件。

3.2.4 模擬識(shí)別與驗(yàn)證 對(duì)計(jì)算區(qū)進(jìn)行初步參數(shù)分區(qū)得到穩(wěn)定流場(chǎng)后，對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別，以驗(yàn)證該流場(chǎng)能否全面、客觀地表征評(píng)價(jià)區(qū)實(shí)際的水文地質(zhì)條件。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行反演擬合，優(yōu)化調(diào)整后確定的水文地質(zhì)參數(shù)較好地刻畫(huà)了地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)特征；在最優(yōu)反演參數(shù)的基礎(chǔ)上，將模擬水位值與研究區(qū)工程勘探孔及現(xiàn)狀調(diào)查實(shí)測(cè)水位值進(jìn)行擬合分析，結(jié)果表明，模擬值與實(shí)際值擬合情況較好，水位擬合誤差較小，基本反映了地下水隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，達(dá)到了預(yù)期效果。

3.3 污染結(jié)果預(yù)測(cè)

采用Visual MODFLOW軟件建立水流模型，利用軟件中的MT3DMS模塊進(jìn)一步模擬預(yù)測(cè)地下水中污染物的運(yùn)移情況。根據(jù)污染情況，對(duì)溶質(zhì)進(jìn)行污染物運(yùn)移模擬，在模型中將污染源概化為補(bǔ)給濃度邊界。

3.3.1 地下水溶質(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)模型公式為：

ne=nDij

-（nCVi）±C′W （4）

式中：Dij=αijmn，其中αijmn為含水層的彌散度，Vm和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。

聯(lián)合求解水流方程和溶質(zhì)運(yùn)移方程就可得到污染質(zhì)的空間分布。

在識(shí)別后的水流模型基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)彌散試驗(yàn)，并結(jié)合模擬區(qū)巖性及網(wǎng)格剖分的大小，對(duì)污染質(zhì)運(yùn)移的彌散參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)化工風(fēng)險(xiǎn)分析的情景設(shè)計(jì)，確定主要污染源分布位置，選定優(yōu)先控制污染物，按正常工況、非正常工況和事故風(fēng)險(xiǎn)3種情況，分別對(duì)地下水污染物在不同時(shí)段的擴(kuò)散范圍、超標(biāo)范圍的時(shí)間進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

3.3.2 污染源源強(qiáng)設(shè)定 考慮廠區(qū)可能出現(xiàn)的污染事故點(diǎn)對(duì)地下水造成污染的因素較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)可能出現(xiàn)的事故情景時(shí)，重點(diǎn)考慮發(fā)生污染危險(xiǎn)可能性較大的工況以及由不同污染物遷移對(duì)周?chē)叵滤h(huán)境產(chǎn)生影響的排泄點(diǎn)。

3.3.3 模擬結(jié)果分析 地下水影響評(píng)價(jià)一般參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—93）中的各類(lèi)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值，在地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)結(jié)果圖中標(biāo)識(shí)出地下水污染物超標(biāo)的濃度范圍。為了體現(xiàn)出污染物對(duì)地下水存在污染但污染不超標(biāo)，即對(duì)地下水產(chǎn)生了影響，一般參照污染物的檢出限值，在預(yù)測(cè)結(jié)果圖中標(biāo)識(shí)出該范圍。當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果小于檢出限時(shí)，則視同對(duì)地下水環(huán)境幾乎沒(méi)有影響。

4 結(jié)論

由于人類(lèi)活動(dòng)的不合理性導(dǎo)致地下水環(huán)境惡化現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，含水層的點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。地下水污染引發(fā)的一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題制約著人類(lèi)社會(huì)、人與自然的和諧發(fā)展，因此，加強(qiáng)對(duì)地下水環(huán)境的研究與評(píng)價(jià)，是必要的、迫切的。數(shù)學(xué)模型是環(huán)評(píng)中間接影響評(píng)價(jià)的有效手段，將數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于地下水環(huán)評(píng)中可以有效地對(duì)地下水的環(huán)境影響進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，改進(jìn)地下水環(huán)評(píng)的定量分析能力，提高地下水環(huán)評(píng)中多方案比選時(shí)的排序能力，有利于得出地下水環(huán)境保護(hù)的最優(yōu)方案，為促進(jìn)資源環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的綜合決策提供有力保障。