（河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦皇島066001）

近幾十年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，部分地區(qū)地下水嚴(yán)重超采，導(dǎo)致地下水水位下降，地下水污染狀況也日趨嚴(yán)重，地下水環(huán)境問(wèn)題已成為影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾健康的重大問(wèn)題?？梢?jiàn)，全面、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)建設(shè)項(xiàng)目對(duì)地下水環(huán)境影響的意義重大。

2011年6月1日，國(guó)家環(huán)保部正式實(shí)施了《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》（HJ 610-2011）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)則），要求以地下水作為供水水源及對(duì)地下水環(huán)境可能產(chǎn)生影響的建設(shè)項(xiàng)目，必須進(jìn)行地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)[1]。地下水污染具有隱蔽性和滯后性，地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)是整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)中較薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)[2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)以其方便、靈活和高效的優(yōu)勢(shì)在水文地質(zhì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。按照《導(dǎo)則》要求，對(duì)于地下水環(huán)境影響一級(jí)評(píng)價(jià)的項(xiàng)目，必須采用數(shù)值法進(jìn)行影響預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，對(duì)于二級(jí)評(píng)價(jià)，可以采用數(shù)值法或解析法進(jìn)行影響預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)?？梢?jiàn)，數(shù)值法在地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的重要地位。筆者以秦皇島新興產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃環(huán)評(píng)為例，應(yīng)用Visual Modflow軟件，介紹了數(shù)值法在地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

1 VisualModflow軟件介紹

Visual Modflow是可視化模塊化三維有限差分地下水流動(dòng)模型[3]，由加拿大Waterloo Hydrogeology公司在原Modflow 軟件的基礎(chǔ)上應(yīng)用可視化技術(shù)開(kāi)發(fā)研制的。其獨(dú)特的可視化菜單結(jié)構(gòu)允許操作者簡(jiǎn)單快捷地定義模擬區(qū)范圍，選擇單位，方便地分配模型的屬性和邊界條件。這個(gè)軟件包主要包括Modflow（水流評(píng)價(jià)）、Modpath（平面和剖面流線(xiàn)示蹤分析）、MT3D（溶質(zhì)運(yùn)移評(píng)價(jià)）和Zone Budget（水量均衡計(jì)算）四大模塊[4]。本研究主要應(yīng)用Modflow和MT3D兩大模塊來(lái)進(jìn)行地下水流和污染溶質(zhì)運(yùn)移的模擬。

1.1 地下水三維水流模型[5]

其中：Kxx，Kyy和Kzz為滲透系數(shù)在x，y和z方向上的分量。在這里，假定滲透系數(shù)的主軸方向與坐標(biāo)軸方向一致，量綱為（LT-1）；h為水頭（L）；W為單位體積流量（T-1），用以代表流進(jìn)匯或來(lái)自源的水量；Ss為空隙介質(zhì)的貯水率（L-1）；t為時(shí)間（T）。

邊界條件

第1類(lèi)邊界（水頭邊界）：

第2類(lèi)邊界（流量邊界）：

第3類(lèi)邊界（混合邊界）：

式中：Γ1，Γ2，Γ3分別表示第1，2，3類(lèi)邊界。

1.2 污染質(zhì)運(yùn)移模型[6]

式中：n為有效孔隙度；C（x，y，z，t）為污染溶質(zhì)濃度；Ce為污染源濃度；D為彌散系數(shù)張量，用矩陣表示為：

矩陣中各個(gè)分量分別為：

Vx、Vy、Vz為V在x，y，z軸上的投影：

對(duì)于節(jié)點(diǎn)（I，j，k）使用隱式有限差分法，上式中以n代表濃度已知的上一時(shí)刻，n+1代表下一時(shí)刻,針對(duì)各對(duì)流項(xiàng)加權(quán)因子αxj+1/2，αyi+1/2，αzk+1/2，采用上游加權(quán)法，各加權(quán)因子定義為：

2 實(shí)例分析

2.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為秦皇島新興產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃項(xiàng)目，根據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》（HJ 610-2011），將本項(xiàng)目劃為Ⅰ類(lèi)建設(shè)項(xiàng)目。由于建設(shè)項(xiàng)目場(chǎng)地的包氣帶防污性能弱，含水層易污染，地下水環(huán)境敏感，污水排放量大，污水水質(zhì)復(fù)雜等，將本項(xiàng)目評(píng)價(jià)等級(jí)定為一級(jí)評(píng)價(jià)。為了保護(hù)地下水環(huán)境，本項(xiàng)目建設(shè)過(guò)場(chǎng)中對(duì)地面進(jìn)行硬化處理，對(duì)生產(chǎn)車(chē)間、清洗車(chē)間、固體廢物堆放、儲(chǔ)存場(chǎng)地、污水處理設(shè)施等重點(diǎn)污染區(qū)采取防滲措施，并設(shè)置專(zhuān)門(mén)的事故池，以處置事故發(fā)生時(shí)的污染物。綜合考慮評(píng)價(jià)范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件，通過(guò)對(duì)地下水環(huán)境影響因子的分析，選取氨氮作為典型預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)因子。

2.2 評(píng)價(jià)區(qū)水文地質(zhì)條件

評(píng)價(jià)區(qū)地處戴河水系中游，地勢(shì)北東高、西南低，區(qū)內(nèi)地下水的形成、分布、賦存與運(yùn)移規(guī)律嚴(yán)格受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及氣象水文諸因素的制約。按其賦存條件、水理性質(zhì)及水力特征，可劃分為：松散巖類(lèi)孔隙水、基巖裂隙水。大氣降水、地表水、地下水存在著密切的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，雨季（7～9月份）地表水補(bǔ)給第四系孔隙水，大氣降水匯集各河流，首先充滿(mǎn)河床內(nèi)第四系卵礫石層，隨水位抬高，補(bǔ)給河床兩側(cè)第四系潛水。枯水期（10月～翌年6月）地表水則主要或者全部由地下水補(bǔ)給而來(lái)。

2.3 評(píng)價(jià)區(qū)水文地質(zhì)概念模型

模擬區(qū)東西長(zhǎng)15 km，南北寬9 km，含水層系統(tǒng)為潛水含水層，在垂直方向上，上層為1～2 m的粉質(zhì)粘土，向下巖性主要為中砂、粗砂、礫卵石，其厚度2～5 m，這兩層是第四紀(jì)沉積物。向下5～10 m為風(fēng)化不同程度的花崗巖，構(gòu)成潛水含水層的底板。含水層為非均值各向同性，同一參數(shù)分區(qū)內(nèi)可視為均質(zhì)，水流服從達(dá)西定律。模擬區(qū)南部近海邊界概化為定水頭邊界。補(bǔ)給以側(cè)向補(bǔ)給、降水補(bǔ)給為主。排泄以側(cè)向流出、河流排泄和潛水蒸發(fā)為主。

2.4 模型的建立及識(shí)別驗(yàn)證

2.4.1 網(wǎng)格劃分

采用Visual Modflow軟件，用有限分法迭代求解。平面上，將模擬區(qū)平面剖分為150行、90列，垂向分為3層，共剖分40 500個(gè)單元格，剖分結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。圖中白色網(wǎng)格為有效單元格，陰影部分網(wǎng)格為無(wú)效單元格。

2.4.2 模型參數(shù)的確定

圖1 平面網(wǎng)格剖分

圖2 垂直網(wǎng)格剖分

根據(jù)《水文地質(zhì)手冊(cè)》，參考《河北省秦皇島市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)報(bào)告》（2005—2010），用Visual Modflow對(duì)參數(shù)進(jìn)行新的率定、分區(qū)，最終確定滲透系數(shù)、給水度和彌散度參數(shù)，分區(qū)如圖3及表1。

圖3 模擬區(qū)參數(shù)分區(qū)

表1 模擬區(qū)參數(shù)分區(qū)

2.4.3 邊界條件

模擬區(qū)南部近海，故可視作定水頭邊界，在整個(gè)模擬期間，水頭不發(fā)生變化，因此該邊界也設(shè)定為定水頭邊界；模型北部為丘陵地帶，地勢(shì)較高，可設(shè)定為流量邊界，其流量取多年平均值；下覆基巖為隔水底板；設(shè)定戴河、深河為河流排泄邊界。

各邊界因所處地形和地層的差異，根據(jù)實(shí)際情況作適當(dāng)調(diào)整，以求模擬結(jié)果和現(xiàn)實(shí)最大可能的擬合。

2.4.4 初始條件

以2012年4月地下水實(shí)測(cè)流場(chǎng)為預(yù)測(cè)初始流場(chǎng)，采用本研究的人為邊界處理方法滾動(dòng)預(yù)測(cè)邊界條件，其他源匯項(xiàng)以多年平均值代入模型。運(yùn)行模型得到區(qū)域上滾動(dòng)預(yù)測(cè)的研究區(qū)水位和地下水均衡量。

2.4.5 效果擬合

本次模擬選取區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)觀(guān)井2011年北8、北22、北23觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行效果擬合，結(jié)果如圖4。

圖4 擬合效果圖

如圖可知，模擬數(shù)據(jù)和觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本相同，且殘差在95%以?xún)?nèi)，表明各觀(guān)測(cè)點(diǎn)的觀(guān)測(cè)值與計(jì)算值相差較小，精度較高。

2.5 評(píng)價(jià)區(qū)地下水環(huán)境模擬與預(yù)測(cè)

2.5.1 水位模擬

圖5 模擬地下水位等值線(xiàn)圖

通過(guò)現(xiàn)有條件模擬地下水位，如圖5，模擬流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)基本一致。

2.5.2 水質(zhì)污染預(yù)測(cè)以區(qū)內(nèi)氨氮污染因子正常工況為例，其水量為1.18萬(wàn)t/d，考慮到污水處理池有防滲設(shè)計(jì)，假定滲漏污水量為1.18×10-3t/d，設(shè)定源強(qiáng)為83.3 mg/L，根據(jù)本次氨氮污染因子的檢出標(biāo)準(zhǔn)（0.02 mg/L）判斷，正常排放5 a后，含水層影響范圍0.037 km2，最大運(yùn)移距離為0.35 km；10 a后氨氮的影響范圍為0.055 km2，最大運(yùn)移距離為0.41 km；20 a后氨氮影響范圍為0.064 km2，最大運(yùn)移距離為0.53 km。

3 結(jié)論

（1）應(yīng)用Visual Modflow模擬軟件建立地下水環(huán)評(píng)水文地質(zhì)模型可行，該軟件可有效地將地下水流場(chǎng)和污染質(zhì)運(yùn)移范圍可視化，以直觀(guān)反映出地下水水位降深，地下水污染等環(huán)境問(wèn)題，顯著地改進(jìn)了地下水環(huán)評(píng)的定量分析能力，為區(qū)域地下水資源的合理開(kāi)發(fā)利用提供了科學(xué)依據(jù)。

（2）從模擬的結(jié)果來(lái)看，秦皇島新興產(chǎn)業(yè)園區(qū)氨氮污染因子正常排放5 a后，含水層影響范圍0.037 km2，最大運(yùn)移距離為0.35 km；10 a后氨氮的影響范圍為0.055 km2，最大運(yùn)移距離為0.41 km；20 a后氨氮影響范圍為0.064 km2，最大運(yùn)移距離為0.53 km。其影響范圍不大，對(duì)地下水影響較小。

[1]環(huán)境保護(hù)部.HJ 610-2011環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

[2]任改娟，胡春雷，齊海云，等.礦區(qū)地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)的關(guān)鍵問(wèn)題探討[J].中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，24（5）：33-35.

[3]李云禎，葉宏，趙希錦，等.基于Visual Modflow的地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究[C]//中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2013：2597-2602.

[4]胡春雷，王陶然，楊立順.基于Visual Modflow的秦皇島市海水入侵剖面[J].中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，25（1）：43-46.

[5]李俊亭.地下水流數(shù)值模擬[M].北京：地質(zhì)出版社，1989.

[6]薛禹群，謝春紅.地下水?dāng)?shù)值模擬[M].北京：科學(xué)出版社，2007.