李陽(yáng)　于茵　高程

摘要：指出了石油化工是高污染行業(yè)，由于污水的不合理排放以及在生產(chǎn)過(guò)程中的跑、冒、滴、漏等，大量有毒有害的污染物進(jìn)入地下水系統(tǒng)，對(duì)地下水環(huán)境造成影響，制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，危害人類(lèi)身體健康?；诖?，應(yīng)用Visual MODFLOW 軟件模擬了某化工廠運(yùn)營(yíng)期可能產(chǎn)生的污染物在地下水環(huán)境中的溶質(zhì)運(yùn)移情況，并據(jù)此提出了防控措施，以期為我國(guó)化工行業(yè)的地下水環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支持和借鑒。

關(guān)鍵詞：地下水環(huán)境；數(shù)值模擬；溶質(zhì)運(yùn)移

中圖分類(lèi)號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）18008806

1引言

近幾十年來(lái)，隨著經(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)藥和化肥的大面積施用、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)題也日趨嚴(yán)重＼[1＼]?；ば袠I(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)性戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，也是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，然而化工企業(yè)在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)期間會(huì)引起污水、工業(yè)廢棄物污漏液滲漏而進(jìn)入地下水，將對(duì)地下水系統(tǒng)造成不同程度的污染＼[2＼]，且石油及化工產(chǎn)品苯及其同系物、苯酚、高分子聚合物等有機(jī)物都是生物難以降解的，對(duì)人類(lèi)健康危害極大，甚至有許多是致癌物質(zhì)?？梢哉f(shuō)地下水中石化產(chǎn)品的廣泛存在，是構(gòu)成全球性腫瘤的一個(gè)重要因素＼[3＼]。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》和《中華人民共和國(guó)環(huán)境影響評(píng)價(jià)法》，規(guī)范和指導(dǎo)地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作，保護(hù)環(huán)境，防治地下水污染，環(huán)保部于2016年第1號(hào)文件發(fā)布了《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則—地下水環(huán)境》＼[4＼]，由此揭開(kāi)了我國(guó)保護(hù)地下水環(huán)境的新篇章。

近十余年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步更新?lián)Q代以及數(shù)值計(jì)算理論方法的深入研究，數(shù)值模擬逐漸取代傳統(tǒng)的地下水資源評(píng)價(jià)方法，成為地下水資源評(píng)價(jià)的主要手段＼[5＼]。當(dāng)今流行的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件有基于有限元原理的FEFLOW和基于有限差分原理的GMS以及Visual MODFLOW等＼[6＼]。

由于具有強(qiáng)大的可視化與模擬功能，Visual MODFLOW 成為目前國(guó)際上最盛行，且被各國(guó)同行一致認(rèn)可的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評(píng)價(jià)軟件＼[7＼]。本文首先對(duì)Visual MODFLOW基礎(chǔ)理論和軟件情況作簡(jiǎn)單介紹，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用Visual MODFLOW軟件，模擬某化工廠運(yùn)行期間地下水流場(chǎng)和溶質(zhì)運(yùn)移情況，為該項(xiàng)目地下水水質(zhì)預(yù)報(bào)及污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

2Visual MODFLOW軟件介紹

Visual MODFLOW 是由加拿大 Waterloo Hydrogeology 公司在 MODFLOW 的基礎(chǔ)上應(yīng)用現(xiàn)代可視化技術(shù)開(kāi)發(fā)研制的，主要通過(guò)其內(nèi)含的MODFLOW、MODPATH、MT3DMS、PEST、ZONEBUDGET等模塊，進(jìn)行三維水流、溶質(zhì)運(yùn)移、生物降解等模擬計(jì)算的可視化專(zhuān)業(yè)軟件系統(tǒng)。由于具有廣泛適用性、高可視化程度、快速求解等優(yōu)點(diǎn)＼[8～12＼]。自問(wèn)世以來(lái)，在全世界范圍內(nèi)的水資源利用、環(huán)境保護(hù)、城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃等許多行業(yè)和部門(mén)得到了廣泛的應(yīng)用＼[13，14＼]。

MT3DMS是目前應(yīng)用最為廣泛的三維地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型。不但能模擬地下水中污染物的對(duì)流、彌散，而且能夠同時(shí)模擬多種污染物組分在地下水中的運(yùn)移過(guò)程以及它們各自的變化反應(yīng)過(guò)程（不包括各種組分之間的化學(xué)反應(yīng)），包括平衡控制的等溫吸附過(guò)程、非平衡吸附過(guò)程、放射性衰變或簡(jiǎn)單生物降解過(guò)程。地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬是在地下水流場(chǎng)模擬基礎(chǔ)上進(jìn)行。如果不考慮污染物在含水層中的吸附、交換、揮發(fā)、生物化學(xué)反應(yīng)，地下水中溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

3Visual MODFLOW軟件的應(yīng)用

3.1工程概況

本項(xiàng)目位于四川省某市，為一石化、化工行業(yè)中涂料、染料、顏料、油墨及其類(lèi)似產(chǎn)品制造工程，根據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則—地下水環(huán)境》（HJ610-2016）附錄A，屬I(mǎi)類(lèi)項(xiàng)目。項(xiàng)目周邊均為園區(qū)工業(yè)企業(yè)及荒地，周邊1 km范圍內(nèi)無(wú)住戶(hù)。園區(qū)已實(shí)現(xiàn)自來(lái)水集中供水，供水水源為地表水。評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)居民飲用水及灌溉水均來(lái)自地表水體，且無(wú)與地下水相關(guān)的水源保護(hù)區(qū)和其他資源保護(hù)區(qū)，項(xiàng)目地下水環(huán)境敏感程度為不敏感。因此，確定本項(xiàng)目地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作等級(jí)為二級(jí)。

正常工況下，項(xiàng)目采取嚴(yán)格的防滲、防溢流、防泄漏、防腐蝕等措施，項(xiàng)目防滲措施完整，一般情況下物料或污水等不會(huì)滲漏和進(jìn)入地下，對(duì)地下水不會(huì)造成污染。以上分析表明，因防滲層對(duì)污廢水的阻隔效果，項(xiàng)目場(chǎng)地在正常運(yùn)行工況下，對(duì)地下水環(huán)境影響小，本次預(yù)測(cè)重點(diǎn)為事故條件下地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。

3.2水文地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)勘察試驗(yàn)，可知項(xiàng)目場(chǎng)地及周邊的地層主要為三疊系上統(tǒng)大菁組（T3dq）砂巖。地下水類(lèi)型主要為碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水，由于節(jié)理裂隙發(fā)育，總體富水性中等，為項(xiàng)目區(qū)主要含水層。該層具有比較穩(wěn)定的地下潛水面，水位埋深1～6 m。pH值為7.34，區(qū)內(nèi)地下水的水化學(xué)類(lèi)型為SO4·Cl-Ca型水。地下水礦化度在642.5 mg/L，均<1 g/L，屬于弱礦化度水。

區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降雨入滲補(bǔ)給，僅在豐水期河流水位上漲速度高于地下水水位漲幅時(shí)存在河流補(bǔ)給地下水的情況，地下水接受補(bǔ)給后，在裂隙中賦存運(yùn)移，并受當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件控制自西向東運(yùn)移，并最終以泄流方式排泄進(jìn)入當(dāng)?shù)乜刂菩运w，參與更高一級(jí)水循環(huán)。

3.3評(píng)價(jià)區(qū)水文地質(zhì)概念模型

3.3.1水文地質(zhì)模型概化

本項(xiàng)目無(wú)重質(zhì)非水相污染物，污染物泄露后將會(huì)污染潛水含水層，因此本次地下水模型主要模擬評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)的潛水含水層。同時(shí)根據(jù)本次項(xiàng)目地下水系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部結(jié)構(gòu)、邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)等進(jìn)行分析研究，可概化為：非均質(zhì)各向同性的三維地下水流場(chǎng)。由于受觀測(cè)資料的限值及研究區(qū)地下水多年動(dòng)態(tài)變化較穩(wěn)定（多年水位變化1～3 m），本次模擬將研究區(qū)地下水含水系統(tǒng)概化為穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。endprint

3.3.2模擬流場(chǎng)及初始、邊界條件

以2016年3月地勘報(bào)告中的實(shí)測(cè)的地下水水位作為模擬流場(chǎng)。源匯項(xiàng)主要包括大氣降水、河溝排泄、蒸發(fā)排泄等，各項(xiàng)均按要求換算層相應(yīng)區(qū)上的強(qiáng)度，分配到相應(yīng)的單元格上。

研究區(qū)含水層系統(tǒng)側(cè)向邊界概化為：南部邊界和北部邊界為排水溝，設(shè)定為排水溝邊界；東部邊界為一條河流，設(shè)定為定水頭邊界；西部邊界局部為分水嶺設(shè)為零流量邊界，其余部分設(shè)置為通用水頭邊界，邊界流量利用達(dá)西定律確定。在垂向上，淺層含水層自由水面為系統(tǒng)的上邊界，通過(guò)該邊界，與系統(tǒng)外發(fā)生垂向交換。潛水含水層下部相對(duì)隔水層作為系統(tǒng)下邊界為零流量邊界。

3.3.3網(wǎng)格剖分

模擬區(qū)東西方向作為模型的x軸方向，長(zhǎng)度3000 m，每30 m劃分一個(gè)網(wǎng)格；南北方向作為模型的y軸方向，寬3000 m，每30 m劃分一個(gè)網(wǎng)格；垂直于xy平面向上為模型的z軸正方向，模擬范圍900～1400 m，垂向上均分為3層。網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖1所示。空間三維模型建立如圖2所示。

3.3.4模型參數(shù)賦值

由于項(xiàng)目區(qū)域鉆孔揭露的巖層分布較連續(xù)穩(wěn)定，同時(shí)參照項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)圖，項(xiàng)目區(qū)屬同一含水層類(lèi)型，因此本次模擬在水平方向上未對(duì)模擬區(qū)含水層滲透系數(shù)進(jìn)行分區(qū)，在垂向方向上結(jié)合巖土層滲透性能的不同進(jìn)行了分區(qū)；同時(shí)，含水層垂向滲透系數(shù)賦值一般取為水平滲透系數(shù)的十分之一。含水層滲透系數(shù)的賦值主要參照本項(xiàng)目工程地質(zhì)勘察報(bào)告成果、1∶20萬(wàn)區(qū)域水文地質(zhì)報(bào)告及導(dǎo)則中的經(jīng)驗(yàn)值，具體參數(shù)見(jiàn)下表1。

3.4評(píng)價(jià)區(qū)地下水環(huán)境模擬與預(yù)測(cè)

3.4.1模擬結(jié)果分析

按照前述建立的數(shù)值模型、邊界條件和計(jì)算參數(shù)，以穩(wěn)定流模擬結(jié)果作為初始滲流場(chǎng)，見(jiàn)圖3。

3.4.2模型的驗(yàn)證識(shí)別

模型的識(shí)別和驗(yàn)證是整個(gè)模擬中極為重要的一步工作，通常要進(jìn)行反復(fù)地調(diào)整參數(shù)才能達(dá)到較為理想的擬合結(jié)果。模型識(shí)別和驗(yàn)證過(guò)程采用的方法也稱(chēng)試估-校正法，屬于反求參數(shù)的間接方法之一。

運(yùn)行計(jì)算程序，可得到在給定水文地質(zhì)參數(shù)和各均衡項(xiàng)條件下的模擬區(qū)地下水流場(chǎng)，通過(guò)擬合同時(shí)期的統(tǒng)測(cè)流場(chǎng)，識(shí)別水文地質(zhì)參數(shù)和其它均衡項(xiàng)，使建立的模型更加符合模擬區(qū)的水文地質(zhì)條件。

模型的識(shí)別和驗(yàn)證主要遵循以下原則：①模擬的地下水流場(chǎng)要與實(shí)際地下水流場(chǎng)基本一致；②從均衡的角度出發(fā)，模擬的地下水均衡變化與實(shí)際要基本相符；③模擬的水位動(dòng)態(tài)與統(tǒng)測(cè)的水位動(dòng)態(tài)一致；④識(shí)別的水文地質(zhì)條件要符合實(shí)際水文地質(zhì)條件。

本次地下水位分布基本和地形變化一致，水力坡度從山頂至金沙江水逐漸減少，流場(chǎng)基本合理。在平面上，模擬區(qū)潛水含水層觀測(cè)水位和計(jì)算水位擬合效果較好。本次模擬在項(xiàng)目場(chǎng)地東側(cè)廠界設(shè)置一處觀測(cè)孔，用以驗(yàn)證其模擬計(jì)算水位與實(shí)際工程地勘中的實(shí)際觀測(cè)水位之間的匹配性。根據(jù)預(yù)測(cè)，場(chǎng)地附近地下水水位高程約1198.82 m，這與廠區(qū)18個(gè)鉆孔中的平均水位（1198.20 m）基本相符。由上分析可知，穩(wěn)定流運(yùn)行結(jié)果可以作為本次模擬的初始滲流場(chǎng)（圖4）。

3.5地下水溶質(zhì)運(yùn)移預(yù)測(cè)模型

3.5.1參數(shù)的確定

通常，空隙介質(zhì)中的彌散度隨著溶質(zhì)運(yùn)移距離的增加而加大，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為水動(dòng)力彌散尺度效應(yīng)。水動(dòng)力彌散效應(yīng)的存在為模擬和預(yù)測(cè)地下水中溶質(zhì)在介質(zhì)中的運(yùn)移規(guī)律帶來(lái)了困難。其具體表現(xiàn)為：野外彌散試驗(yàn)所求出的彌散度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在實(shí)驗(yàn)室所測(cè)出的值，相差可達(dá)2～4個(gè)數(shù)量級(jí)。即使是同一含水層，溶質(zhì)運(yùn)移距離越大，所計(jì)算出的彌散度也越大。橫向彌散度的取值依據(jù)美國(guó)環(huán)保署（EPA）提出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：橫/縱向彌散度比一般為0.1。本次溶質(zhì)運(yùn)移模型中介質(zhì)彌散度的確定結(jié)合了Gelhar，L.W在“A critical review of data on field-scale dispersion in aquifers”以及李國(guó)敏，陳崇希在“空隙介質(zhì)水動(dòng)力彌散尺度效應(yīng)的分形特征及彌散度初步估計(jì)”進(jìn)行估算，同時(shí)根據(jù)攀枝花以往的彌散試驗(yàn)進(jìn)行修訂。最終確定的溶質(zhì)運(yùn)移模型參數(shù)為：縱向彌散度為10 m；橫向彌散度為1.0 m。

本次模擬區(qū)自然條件相對(duì)穩(wěn)定，降水量、蒸發(fā)量等值年際變化不大，模擬區(qū)地下水未來(lái)開(kāi)采量可近似等于現(xiàn)狀開(kāi)采量。因此，可認(rèn)為模擬區(qū)地下水系統(tǒng)的源匯項(xiàng)基本不變，對(duì)污染物在地下水中的遷移的預(yù)測(cè)，可基于前面已建的地下水流模型的源匯項(xiàng)條件和含水層參數(shù)特征進(jìn)行。

模擬期為20年。

3.5.2預(yù)測(cè)情景及污染物源強(qiáng)

本項(xiàng)目將運(yùn)行期間的非正常狀況定義為：廢水收集池受地質(zhì)災(zāi)害等因素的影響，池體構(gòu)筑物及防滲系統(tǒng)出現(xiàn)裂縫，廢水沿此裂縫下滲，裂縫面積占總池體底面積10%；項(xiàng)目場(chǎng)地罐區(qū)儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏且底部圍堰防滲系統(tǒng)出現(xiàn)裂縫，廢水沿此裂縫下滲，裂縫面積占總池體底面積10%。

甲苯、柴油及污水泄漏（泄漏時(shí)間按1 d考慮，監(jiān)測(cè)井中污染離子濃度異常升高，廠區(qū)暫停運(yùn)行）后進(jìn)入地下，首先在包氣帶中垂直向下遷移，并進(jìn)入到含水層中。污染物進(jìn)入地下水后，以對(duì)流作用和彌散作用為主。另外，污染物在含水層中的遷移行為還包括吸附解析、揮發(fā)和生物降解。根據(jù)本項(xiàng)目污染物的理化特征，出于保守性考慮，本次地下水污染模擬過(guò)程中未考慮污染物在含水層中的揮發(fā)、吸附解析和生物化學(xué)反應(yīng)。污染物的排放形式可概化為點(diǎn)源，排放規(guī)律甲苯泄漏（泄漏時(shí)間持續(xù)1d）可簡(jiǎn)化為瞬時(shí)點(diǎn)源排放，廢水池泄漏（泄漏時(shí)間持續(xù)300d）簡(jiǎn)化為連續(xù)恒定排放。本次模擬預(yù)測(cè)事故工況下污染物在地下水中遷移過(guò)程，進(jìn)一步分析污染物影響范圍、超標(biāo)范圍和污染羽濃度變化。

假設(shè)池體中廢水下滲進(jìn)入地下水系統(tǒng)符合達(dá)西定律，滲濾液下滲量可按下式計(jì)算：

Q=K×i×A

式中：Q為下滲量（m3/d）；K為滲透系數(shù)（m/d）；i為水力坡度（無(wú)量綱）；A為面積（m2）。endprint

根據(jù)項(xiàng)目可研報(bào)告，可獲取各圍堰、池體設(shè)計(jì)尺寸及面積，并根據(jù)各構(gòu)筑物的防滲設(shè)計(jì)，可以計(jì)算出各工況下的水力坡度，再根據(jù)有關(guān)資料對(duì)防滲層的滲透系數(shù)進(jìn)行取值后，便可計(jì)算出各工況下各構(gòu)筑物污水下滲量（各構(gòu)筑物下滲量結(jié)算結(jié)果見(jiàn)表2）。

3.5.3地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)分析

綜合考慮地下水流向、周?chē)舾悬c(diǎn)的分布有針對(duì)性的開(kāi)展模擬計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)限值參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-93）Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；甲苯標(biāo)準(zhǔn)限值參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002》，檢出下限參照《地下水環(huán)境檢測(cè)技術(shù)規(guī)范（HJ/T164-2004）》（表3和表4）。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。

用模擬結(jié)果可以看出，甲苯罐泄漏、圍堰池底破裂致使甲苯下滲對(duì)潛水含水層造成影響，并存在超標(biāo)現(xiàn)象，但是隨著污染物的擴(kuò)散，超標(biāo)面積逐漸縮小至零。廠界東側(cè)50 m距離的監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01在80 d左右會(huì)檢出甲苯，此時(shí)未存在超標(biāo)現(xiàn)象；監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01在120 d左右會(huì)檢測(cè)出超標(biāo)現(xiàn)象。在2290 d左右區(qū)域甲苯超標(biāo)現(xiàn)象會(huì)消失，4120 d左右污染物對(duì)潛水含水層的影響將消失（表5）。

（2）非正常狀況下，COD運(yùn)移模擬情況如圖6。

用模擬結(jié)果可以看出，廢水池底破裂致使廢水下滲對(duì)潛水含水層造成影響，并存在超標(biāo)現(xiàn)象，但是隨著污染物的擴(kuò)散，超標(biāo)面積逐漸縮小至零。廠界東側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01在60 d左右會(huì)檢出COD，此時(shí)未存在超標(biāo)現(xiàn)象；監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01在90 d左右會(huì)檢測(cè)出超標(biāo)現(xiàn)象。在1710 d左右COD超標(biāo)現(xiàn)象會(huì)消失，4480 d左右污染物對(duì)潛水含水層的影響將消失（表6）。

根據(jù)本工程建設(shè)對(duì)地下水的環(huán)境影響特點(diǎn)，建議本項(xiàng)目地下水污染防治措施按照“源頭控制、分區(qū)防治、污染監(jiān)控、應(yīng)急響應(yīng)”相結(jié)合的原則，從污染物的產(chǎn)生、入滲、擴(kuò)散、應(yīng)急響應(yīng)進(jìn)行控制。

（1）參照《石油化工工程防滲技術(shù)規(guī)范》（GB/T50934-2013），根據(jù)項(xiàng)目區(qū)各生產(chǎn)、生活功能單元可能產(chǎn)生污染的地區(qū)，做好分區(qū)防滲工作。

（2）設(shè)置場(chǎng)地下游地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井設(shè)置，作好例行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)管理工作，提交跟蹤監(jiān)測(cè)報(bào)告，并對(duì)建設(shè)項(xiàng)目特征因子的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行公開(kāi)發(fā)布。

（3）作好風(fēng)險(xiǎn)事故應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。

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Prediction of Groundwater Environment of a Chemical Plant Based on Visual MODFLOW

Li Yang1，Yu Yin2，Gao Cheng2

（1. Sichuan Environmental & Engineering Appraisal Center， Chengdu 610041，China；

2. Sichuan Research Institute of Environmental Protection，Chengdu 610041， China）

Abstract： The chemical industry is a high contaminative business. Because of the unreasonable discharging sewage and the running， dripping， leaking in production process， a large amount of poisonous and harmful organic pollution enters the groundwater system， which has an impact on the groundwater environment even restricts the development of economy and society and further endanger human health. Solute transport situation uses Visual MODFLOW software to simulate a chemical plant of pollutants in the groundwater environment. Prevention and control measures are put forward thus providing technical support and reference for groundwater environmental protection of Chinas chemical industry.

Key words： groundwater environment； numerical simulation； solute transportendprint