阮巍，徐世光，2，郭婷婷 ，趙磊

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093；2.云南地礦工程勘察集團公司，昆明 650041)

地下水是水資源的一個重要組成部分，地下水污染問題越來越被世界各國所重視[1],并引起全球普遍關(guān)注，有關(guān)地下水環(huán)境的研究也得到各國學者的高度重視[2]。在石油煉化區(qū)，長期的石油煉化活動會造成石油類污染物進入淺層含水層，污染地下水水源，對當?shù)鼐用竦纳a(chǎn)、生活造成很大影響[3]。針對石油煉化項目對地下水產(chǎn)生的污染進行預(yù)測分析，評價石油煉化項目可能造成的地下水污染，建立地下水監(jiān)測與應(yīng)急防控體系，對污染源頭進行防治和管理[4]，有效的保護地下水環(huán)境。

建立地下水模型，進行地下水數(shù)值模擬是地下水資源環(huán)境分析的常用方法[5-7]。本研究應(yīng)用GMS軟件建立地下水水流模型和溶質(zhì)運移模型[8]，其中地下水溶質(zhì)運移模擬是找出污染物遷移規(guī)律、確定污染范圍及污染物濃度分布的重要手段[9-11]。在掌握污染物遷移規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立場地的監(jiān)測與應(yīng)急防控體系，并對防控體系進行論證。

1 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)位于滇中高原中部，滇池以西，總體地勢南高北低。多年平均降雨量為898.7mm，每年5～10月為雨季，占全年降水量的87.4%。研究區(qū)處于大地構(gòu)造單元屬揚子準地臺西部，普渡河-滇池斷裂從研究區(qū)東部邊緣通過。區(qū)域內(nèi)地層主要為第四系松散層、二疊系倒石頭組、寒武系漁戶村組、寒武系筇竹寺組、震旦系燈影組。二疊系倒石頭組巖性為鋁土巖，寒武系筇竹寺組巖性為砂巖、粉砂巖，富水性均較差。研究區(qū)主要含水層為第四系松散層、寒武系漁戶村組、震旦系燈影組，第四系含水層平均厚度30 m，巖性主要為河湖相、沖洪積物和殘坡積物，富水性較差；寒武系漁戶村組含水層巖性為白云巖、白云質(zhì)磷塊巖，基巖裂隙、溶隙弱發(fā)育，富水性中等；震旦系燈影組含水層巖性為硅質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，基巖溶隙、溶孔較發(fā)育，富水性較好。3套地層之間水力聯(lián)系較緊密，概化為統(tǒng)一的含水體系。松散層含水層主要接受大氣降雨補給，地下水徑流較快，以蒸發(fā)排泄為主；裂隙-巖溶含水層主要接受大氣降雨補給及松散層下滲補給，含水層呈單斜構(gòu)造，地下水徑流途徑較長，徑流方向從南至北，以泉點、民用井排泄為主。

2 模型建立

2.1 研究區(qū)概念模型

根據(jù)地層巖性及地下水的賦存條件、水力聯(lián)系和水動力特征，將研究區(qū)地下水含水層結(jié)構(gòu)概化為2層，分別對應(yīng)第四系松散巖類含水層和寒武系漁戶村組、震旦系燈影組裂隙-巖溶含水層，地下水類型為潛水。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，研究區(qū)北、西面由斷層構(gòu)造控制，東面至寒武系筇竹寺組砂巖、粉砂巖地層，北西東三面均概化為零流量邊界，南面概化為定流量邊界。研究區(qū)總面積約為50.9 km2，地下水流系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性三維穩(wěn)定流。

2.2 數(shù)學模型

通過對研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型的分析，建立研究區(qū)的數(shù)學模型：

三維潛水含水層地下水穩(wěn)定流運動方程[12]：

其中，Kx為x方向滲透系數(shù)主值，m/d；Ky為y方向滲透系數(shù)主值，m/d；Kz為z方向滲透系數(shù)主值，m/d；H為潛水含水層水頭，m。

第二類邊界(已知流量邊界):

其中，n為邊界Si的外法線方向;qi為已知函數(shù)，表示Si上單位面積的側(cè)向補給量。

三維對流-彌散方程:

其中,Dxx為縱向彌散系數(shù)主值；Dyy為橫向彌散系數(shù)主值；Dzz為垂向彌散系數(shù)主值；c為溶質(zhì)濃度，mol/l ；u為實際平均流速，m/s。

2.3 邊界條件與源匯項

水流模型邊界包括給定流量和零流量邊界，給定流量大小采用達西公式結(jié)合實測流場及含水層特征計算確定。區(qū)域地下水主要接受降水補給，據(jù)統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)年平均降水量為898.7 mm/a，當?shù)亟邓霛B系數(shù)為0.24，由此可計算出降水補給地下水的量為0.000 590 926 m/d。本區(qū)地下水排泄方式主要為泉排泄及井抽水兩種方式，該單元內(nèi)抽水井主要包括天井山、邵九村、白土村、小石橋、青龍哨等巖溶取水井。

2.4 參數(shù)分區(qū)與取值

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件及勘察資料，結(jié)合地形、地貌、野外抽水試驗的結(jié)果，對模擬區(qū)含水層進行分區(qū)，研究區(qū)主要含水層組為寒武系漁戶村組、震旦系燈影組，參數(shù)分區(qū)主要針對第二層。通過對研究區(qū)內(nèi)的地表裂隙測量，發(fā)現(xiàn)裂隙滲透張量各主值之間也存在明顯的線性關(guān)系，水平面長軸和短軸的線性關(guān)系為方程Ky=0.692 5Kx，長軸和垂直方向軸之間具有線性關(guān)系方程Kz=0.403 9Kx。經(jīng)過模型擬合與檢驗后，各區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)取值見表1。

表1 研究區(qū)含水層水文地質(zhì)參數(shù)

彌散度室內(nèi)測定值不宜用于大尺度污染物彌散遷移數(shù)值模擬[13]，因此縱向彌散度的確定參考前人研究成果[14]，根據(jù)縱向彌散度與觀測尺度的統(tǒng)計關(guān)系計算，并按照偏保守評價原則取值，確定本次縱向彌散度值為85 m。 水平橫向彌散度的取值比縱向彌散度小一個數(shù)量級，垂直橫向彌散度取值比縱向彌散度小兩個數(shù)量級[15]。

2.5 模型擬合與檢驗

運用觀測水位資料對模擬區(qū)的初始水位進行擬合，能較準確地反映實際地下水流場特征。依據(jù)已有水井的水位觀測資料，水井觀測水位擬合情況良好，小石橋水井觀測水位1875.2 m，誤差為0.118 m；白土村水井觀測水位1 878.5 m，誤差為0.350 m；邵九村水井觀測水位1 874.0 m，誤差為0.57 m；YJ01水井觀測水位1 892.1 m，誤差為0.2 m；YJ02水井觀測水位1891.5 m，誤差為0.64m；YJ03水井觀測水位1 891.2 m，誤差為0.781 m。模擬所得流場如圖1，清晰的反映了研究區(qū)內(nèi)地下水分布規(guī)律，與實際觀測值誤差較小，模型較為合理。由模型可以看出該流域地下水整體由南向北流動。

圖1 地下水流模型

3 污染物遷移與控制模擬

3.1 泄漏情景與源強設(shè)定

由于地下水污染具有隱蔽性、埋藏分布較復(fù)雜，國內(nèi)外學者通過建立數(shù)學模型對污染物在地下水中的運移過程進行數(shù)值模擬，找出其遷移規(guī)律、污染范圍及濃度分布，并將其應(yīng)用于實際工程問題中[16-20]。

研究區(qū)內(nèi)回填土厚10～13 m，地面進行了防滲處理，石油類污染物由地表泄漏至地下水中的概率較低。而污水處理池屬于半埋藏式結(jié)構(gòu)，污染物可能通過砂、礫石透鏡體直接泄漏至裂隙-巖溶含水層，且泄漏不易察覺，是本次研究的重點分析區(qū)域。由于區(qū)內(nèi)以裂隙-巖溶含水層組為主，下游居民生活用水以抽取裂隙-巖溶水為主，考慮到最大風險，模型采用注水井把污染物直接加注至裂隙-巖溶含水層，污染物濃度為500 mg/l。分析此情景下石油類污染物在地下水中的遷移規(guī)律，預(yù)測評價其對地下水環(huán)境的影響。

3.2 結(jié)果與分析

本次數(shù)值模擬預(yù)測只考慮地下水中污染物的對流彌散作用。石油類污染物的評價標準參照執(zhí)行《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749-2006)，當石油類的濃度大于0.3 mg/l時視為超標。在未啟動地下水配套的監(jiān)測與應(yīng)急體系時，污染物泄漏不易察覺，在持續(xù)泄漏60 d后監(jiān)測井濃度超過限值0.3 mg/l；360 d后污染物遷移范圍為1.65 km2，污染物向下游遷移1 078.8 m，污染源中心濃度上升至4.5 mg/l；1 000 d后污染物遷移2 736.7 m，中心濃度上升至5.7 mg/l。從圖2的預(yù)測結(jié)果可以看出，在未啟動監(jiān)測與應(yīng)急防控體系的情況下，石油類污染物持續(xù)泄漏，污染源濃度持續(xù)上升，污染物隨地下水的徑流向下游遷移，對區(qū)域地下水環(huán)境影響較大。

考慮到污染物泄漏會對地下水環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，本次研究在地下水下游布設(shè)了監(jiān)測井、應(yīng)急井，形成了一整套的監(jiān)測與應(yīng)急防控體系。運用GMS軟件對整個監(jiān)測、應(yīng)急過程進行模擬，在污染物泄漏60 d天后監(jiān)測井濃度超過限值0.3 mg/l，地下水在線監(jiān)測設(shè)備檢測到污染物，立即啟動應(yīng)急防控體系，對YJ01、YJ02、YJ03進行抽水，根據(jù)地下水管理最優(yōu)化原則，以最小的抽水量達到最有效的控制效果。通過對模型多次調(diào)試后，確定當YJ01、YJ02、YJ03分別以1 000 m3/d、1 800 m3/d、1 800 m3/d的流量抽水時，形成的降落漏斗效果最佳，能有效控制污染物向下游運移，同時能快速的降低地下水中污染物的濃度，達到修復(fù)地下水的目標(圖3)。

由抽水試驗得出應(yīng)急井均能保證以該恒定流量進行抽排水，當應(yīng)急井抽水60 d時，監(jiān)測井污染物濃度由峰值0.39 mg/l下降至0.3 mg/l以下，抽水110 d狀態(tài)下，污染源濃度由峰值1.45 mg/l下降至0.3 mg/l,此時污染物基本處理完畢，可停止抽水。通過模擬發(fā)現(xiàn)應(yīng)急井抽水量較小，局部形成降落漏斗，控制效果顯著， 持續(xù)時間較短，對區(qū)域地下水影響較小，發(fā)生地面沉降、巖溶塌陷的可能性較小。從預(yù)測結(jié)果看，啟動監(jiān)測應(yīng)急防控體系的情況下，污染物持續(xù)泄漏60 d后被發(fā)現(xiàn)，立即截斷污染源，在啟動應(yīng)急井抽水110 d后污染物基本處理干凈。對比上一種情況，啟動監(jiān)測應(yīng)急防控體系對控制地下水污染物、修復(fù)地下水的作用較明顯，能有效保障地下水環(huán)境。

圖2 污染物遷移模型

圖3 抽水條件下地下水中污染物處理效果

4 結(jié)論

(1) 利用GMS軟件建立地下水流場模型和溶質(zhì)運移模型，對區(qū)域地下水和污染物進行了數(shù)值模擬。所建立的模型是合理的，符合當?shù)氐膶嶋H情況，能反映研究區(qū)地下水的流場以及污染物溶質(zhì)運移和濃度變化規(guī)律，判斷出了污染源分布及污染羽擴展范圍，利用溶質(zhì)運移模型，建立了監(jiān)測與應(yīng)急防控體系。

(2) 通過GMS軟件模擬了監(jiān)測與應(yīng)急反應(yīng)過程，結(jié)合現(xiàn)場試驗確定了應(yīng)急井的最小抽水流量，驗證了防控體系的有效性。在未啟動防控體系的情況下，污染物泄漏不易被發(fā)現(xiàn)，污染物隨地下水的徑流向下游遷移，嚴重影響區(qū)域地下水環(huán)境；在啟動監(jiān)測應(yīng)急防控體系的情況下，污染物泄漏60 d即可被發(fā)現(xiàn)，切斷污染源并啟動應(yīng)急井以恒定流量抽水，保證形成降落漏斗以控制污染物的運移。在抽水110 d后，地下水中污染物的濃度迅速降低。通過本次研究發(fā)現(xiàn)，運用地下水環(huán)境監(jiān)測與應(yīng)急防控體系對地下水污染進行監(jiān)測、控制與修復(fù)是有效的。

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