王延輝，單 波，寇曉嵐

(中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710032)

隨著環(huán)境污染對水源水質(zhì)的影響越來越重，保障和提高水質(zhì)已成為關(guān)系到國計(jì)民生的大事，國家對地下水環(huán)境的保護(hù)力度也逐漸加大，火力發(fā)電廠項(xiàng)目對環(huán)境保護(hù)方面的要求越來越高，根據(jù)國家環(huán)保部2011年發(fā)布的《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》(HJ 610－2016，2016年第一次修訂)，以地下水作為供水水源以及對地下水環(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)境影響評價(jià)工作。電廠項(xiàng)目因?yàn)榇嬖跐撛谖廴驹?，也必須進(jìn)行地下水環(huán)境影響評價(jià)。

地下水環(huán)境影響評價(jià)專題工作自2011年開始，初期因地下水環(huán)境導(dǎo)則的針對性比較寬泛，使其在各行業(yè)具體應(yīng)用時(shí)也存在一些分歧，電力工程地下水環(huán)境勘測評價(jià)工作的開展也經(jīng)歷了最初幾年的摸索，最終取得了一些行業(yè)共識(shí)，尤其是2015版導(dǎo)則發(fā)布又執(zhí)行了一段時(shí)間之后，隨著電力工程專業(yè)技術(shù)人員技術(shù)水平的提升和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，火力發(fā)電廠地下水的環(huán)境影響評價(jià)工作日益成熟。中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司(以下簡稱西北院公司)已于2009年開展電廠的地下水環(huán)境勘察工作，2011年地下水導(dǎo)則發(fā)布之后，依托原有水文地質(zhì)專業(yè)團(tuán)隊(duì)，積極組織相關(guān)技術(shù)人員參加各類培訓(xùn)，迅速掌握了地下水環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)，至今已完成此類項(xiàng)目近40項(xiàng)。

本文以西北院公司2017年完成的一項(xiàng)火力發(fā)電廠的地下水環(huán)境影響評價(jià)實(shí)際工程為例，介紹了最新的火力發(fā)電廠地下水環(huán)境影響評價(jià)工程經(jīng)驗(yàn)，其中重點(diǎn)對地下水模擬評價(jià)部分進(jìn)行了闡述，通過對該電廠廠址水文地質(zhì)條件的概化，建立地下水水流模型，確定能夠真實(shí)刻畫研究區(qū)地下水水流特征的地下水水流模型，計(jì)算在不同情景下污染因子對研究區(qū)保護(hù)目標(biāo)的地下水環(huán)境影響情況。

1 基本條件

1.1 評價(jià)等級(jí)及范圍

根據(jù)Ⅰ類建設(shè)項(xiàng)目地下水評價(jià)工作的等級(jí)指標(biāo)，火電建設(shè)項(xiàng)目由于廠區(qū)污染物存貯建筑物在事故工況下發(fā)生少量污水泄漏將有可能造成周邊地下水水質(zhì)污染。因此，根據(jù)《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》(HJ610－2016)的相關(guān)規(guī)定，本電廠工程屬于Ⅰ類建設(shè)項(xiàng)目。

按照地下水導(dǎo)則要求并結(jié)合本工程周邊的區(qū)域地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地形地貌特征和地下水保護(hù)目標(biāo)，確定區(qū)域水文地質(zhì)評價(jià)范圍：西側(cè)以天堂河為界，東側(cè)以小庵川為界，南側(cè)廟溝－西溝－西河一帶為界，調(diào)查范圍約51.5 km2；建設(shè)項(xiàng)目評價(jià)區(qū)范圍西側(cè)以天堂河為界，東側(cè)以天堂河和小庵川之間的分水嶺為界，南側(cè)以園子坪溝為界，評價(jià)范圍約10.4 km2。

根據(jù)本地區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查分析，并結(jié)合本工程主要污染物特征，預(yù)計(jì)工程建設(shè)后可能對廠址區(qū)、灰場區(qū)潛水及其徑流下游的分散式飲用水水源井有影響。因此，本項(xiàng)目的地下水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)為廠址區(qū)和灰場區(qū)下游村莊分散式生活飲用水水源井。

1.2 水文地質(zhì)條件

建設(shè)項(xiàng)目評價(jià)區(qū)內(nèi)有少量飲用及灌溉用水井開采上層潛水，下部承壓水暫時(shí)沒有開采，承壓水與潛水之間存在大厚度泥巖隔水層，故評價(jià)區(qū)以上部潛水為目的含水層。評價(jià)區(qū)內(nèi)上層潛水表現(xiàn)為三種類型。

(1)黃土梁區(qū)下部溢出泉水，評價(jià)區(qū)內(nèi)泉水普遍流量較小，一般2～5 m3/d，屬極弱富水性區(qū)，泉水一般根據(jù)地形自上而下流入下游河谷或中途滲入地下補(bǔ)給下游第四系全新統(tǒng)沖洪積含水層。

(2)河谷川道區(qū)第四系全新統(tǒng)沖洪積層孔隙潛水，在評價(jià)區(qū)主要分布于天堂河、園子坪溝溝谷谷底及兩岸，呈帶狀分布，天堂河溝底沖、洪積堆積物結(jié)構(gòu)松散，孔隙率大，透水性相對強(qiáng)，單井出水量一般介于100～500 m3/d，局部可達(dá)720 m3/d，屬水量中等富水性分區(qū)，園子坪溝溝底沖、洪積堆積以粉土為主，混少量砂卵石，受地層影響，其單井出水量一般小于100 m3/d，屬弱富水性分區(qū)。

(3)黃土下伏紅粘土及第四系下伏基巖中的孔隙裂隙水，黃土層及沖積層與下伏紅粘土及基巖風(fēng)化帶之間無隔水層存在，水力聯(lián)系密切，紅粘土因夾多層姜石層故有一定含水性，評價(jià)區(qū)下伏基巖以泥巖為主夾多層砂巖、砂質(zhì)泥巖等，基巖裂隙發(fā)育程度弱，紅粘土及基巖裂隙透水性能較弱，地下水流通條件、賦存條件極差，富水性極弱，且基巖風(fēng)化帶孔隙裂隙水分布不連續(xù)，該層水單井出水量不均勻，一般小于100 m3/d，屬弱富水性分區(qū)。

2 地下水流及溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模型

2.1 模擬軟件選擇

地下水評價(jià)評價(jià)選取Visual Mod flow軟件，該軟件是目前國際上最流行且被各國一致認(rèn)可的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)。軟件包由水流評價(jià)(Mod flow)、平面和剖面流線示蹤分析(Modpath)和溶質(zhì)運(yùn)移評價(jià)(MT 3D)三大部分組成，并且具有強(qiáng)大的圖形可視界面功能。設(shè)計(jì)新穎的菜單結(jié)構(gòu)允許用戶非常容易地在計(jì)算機(jī)上直接圈定模型區(qū)域和剖分計(jì)算單元，并可方便地為各剖分單元和邊界條件直接在機(jī)上賦值，做到真正的人機(jī)對話。該軟件合理的菜單結(jié)構(gòu)、友好的界面和功能強(qiáng)大的可視化特征和極好的軟件支撐使之成為許多地下水模擬專業(yè)人員選擇的對象。其已經(jīng)普遍應(yīng)用于我公司承擔(dān)的所有地下水環(huán)境影響評價(jià)項(xiàng)目，工程實(shí)踐證明，其運(yùn)行可靠，模擬結(jié)果較符合實(shí)際情況，應(yīng)用效果良好。

2.2 水文地質(zhì)概念模型

結(jié)合廠址周邊地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地形地貌特征、地下水保護(hù)目標(biāo)和污染物可能的遷移路徑確定模擬范圍面積約5.8 km2，范圍內(nèi)有河谷川道區(qū)和黃土梁區(qū)兩種地貌單元。評價(jià)區(qū)內(nèi)潛水含水層地下水埋深較淺，巖性為砂卵石和粉土，空間分布連續(xù)穩(wěn)定，將潛水含水層劃分成一層，靠近河流的河谷川道區(qū)地下含水層巖性為砂卵石，厚度平均6.5 m，黃土梁區(qū)地下含水層巖性為第四系粉土，平均厚度30 m。模型的邊界均為流量邊界，通過通用水頭邊界刻畫。

2.3 水流運(yùn)動(dòng)與溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

模擬區(qū)地下水流系統(tǒng)可用下列的數(shù)學(xué)模型表述：

式中：Ω為地下水滲流區(qū)域；H為地下水水頭(m)；h為含水層含水厚度(m)；S1為模型的第一類邊界；S2為模型的第二類邊界；q2為邊界流量 (m3/d)；kxx，kyy，kzz為分別為x，y，z主方向的滲透系數(shù)(m/d)；μ為給水度；w為源匯項(xiàng)，單位時(shí)間在垂向上單位面積含水層中

補(bǔ)給(排泄)的水量(m/d)。

本次建立的地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型是在三維水流影響下的三維彌散問題。溶質(zhì)運(yùn)移的三維水動(dòng)力彌散方程的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：C為地下水中組分的溶解相濃度(ML－3)；θ為含水介質(zhì)的孔隙度，無量綱；t為時(shí)間(T)；xi為沿直角坐標(biāo)系軸向的距離，L；Dij為水動(dòng)力彌散系數(shù)張量(L2T－1)；Vi為孔隙水平均實(shí)際流速(LT－1)；qs為含水層內(nèi)源/匯的體積流量(T－1)；Cs為源或匯水流中組分的濃度(ML－3)；

在模擬污染物擴(kuò)散時(shí)，不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)等因素，重點(diǎn)考慮對流、彌散作用。

初始濃度定為0 mg/L，具體表述為：

地下水模擬將含水層各個(gè)邊界均看做二類邊界條件(Neumann邊界)，且穿越邊界的彌散通量為0，具體可表述為：

式中：Γ2為Neumann邊界。

2.4 地下水水流模型建立

本文利用數(shù)值軟件Visual MODFLOW建立本工程廠址區(qū)的地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型，經(jīng)校正后對廠址區(qū)地下水環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測及評價(jià)。

在平面上為提高模型的精度，將全區(qū)概化為潛水含水層，含水層剖分為1層，共剖分有效單元約92800個(gè)。最大單元格為15 m×15 m，最小單元格為5 m×5 m。針對廠址與灰場泄漏點(diǎn)附近及其下游區(qū)域單元格進(jìn)行了加密。

進(jìn)行模擬預(yù)測前，必須對數(shù)值模型進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，結(jié)合評價(jià)區(qū)水文地質(zhì)條件以及現(xiàn)場抽水試驗(yàn)的結(jié)果，并通過模型計(jì)算水位和實(shí)測水位擬合分析，反復(fù)調(diào)整參數(shù)，最終得到了含水層參數(shù)。將模型穩(wěn)定流水位模擬結(jié)果與實(shí)測流場進(jìn)行對比，得到流場擬合效果見圖1。

圖1 廠址區(qū)模擬水位擬合圖

3 預(yù)測情形及結(jié)果

3.1 風(fēng)險(xiǎn)事故情景設(shè)計(jì)

針對風(fēng)險(xiǎn)事故情景設(shè)計(jì)，主要考慮到擬建本期工程在建設(shè)階段、生產(chǎn)運(yùn)行階段的正常工況及服務(wù)期滿后的階段時(shí)對地下水環(huán)境基本沒有影響或影響很弱，不會(huì)對地下水造成污染；因此，本次預(yù)測主要針對的是擬建本期工程生產(chǎn)運(yùn)行階段的事故工況，并重點(diǎn)考慮可能出現(xiàn)的、由地下水污染物遷移對地下水環(huán)境產(chǎn)生影響的事故泄漏點(diǎn)設(shè)有防滲措施，最終確定三種預(yù)測情景：防滲出現(xiàn)破損情況下，即生活污水池、脫硫廢水池和灰場發(fā)生污染物泄漏。

預(yù)測時(shí)假設(shè)在廠址區(qū)防滲破損5%的情況下，計(jì)算模擬各泄漏點(diǎn)處的污染因子的運(yùn)移情況。防滲破損按5%考慮是因?yàn)楦鶕?jù)對大量垃圾填埋場防滲土工膜的滲漏破損總結(jié)，垃圾填埋場在后期運(yùn)營階段破損的概率統(tǒng)計(jì)為2%～3%，工程對比分析，且考慮到火力發(fā)電廠工程的重要性，防滲破損率在預(yù)測時(shí)考慮最不利因素，故一般按5%考慮。根據(jù)電廠工程廢污水排放情況最終選擇氨氮、Cl－、SO42－和F－污染物作為泄漏點(diǎn)的污染因子。預(yù)測時(shí)在泄漏點(diǎn)下游30 m處設(shè)置濃度觀測井。

在模擬污染因子在地下水中的運(yùn)移情況時(shí)，本次溶質(zhì)模型不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)等因素影響，重點(diǎn)考慮對流、彌散的作用。結(jié)合前人所做的研究與評價(jià)區(qū)具體的水文地質(zhì)條件并出于安全的角度考慮，本次評價(jià)區(qū)域粉土與粉細(xì)砂的縱向彌散度參數(shù)值分別取5 m、10 m，水平橫向與縱向彌散度的比值為0.1，垂向與縱向彌散度比值為0.01。

3.2 結(jié)果分析

本次本期研究區(qū)污染因子重點(diǎn)模擬四種有代表性污染因子，本文僅以氨氮為例，計(jì)算得出其不同時(shí)間的氨氮的遷移范圍圖，氨氮污染物運(yùn)移的預(yù)測代表性結(jié)果見圖2、圖3?！兜叵滤|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848－2017)中氨氮Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)臨界值為0.2 mg/L。圖中污染范圍的外邊界為0.02 mg/L。對于廠址區(qū)其他污染因子的模擬計(jì)算結(jié)果，以表格的形式呈現(xiàn)，見表1。

圖2 氨氮泄漏100天后平面濃度分布圖

表1 模擬期內(nèi)廠址區(qū)各情形下特征污染因子的遷移特征統(tǒng)計(jì)

圖3 氨氮污染物泄漏1 000天后平面濃度分布圖

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，在防滲混凝土破損5%的情況下，氨氮污染物在水平方向上主要向西北遷移擴(kuò)散。與背景值疊加后，在100天時(shí)污染物最大濃度0.42 mg/L，超標(biāo)范圍270 m2，超標(biāo)范圍在廠址內(nèi)，距離下游廠址邊界15 m。在150天時(shí)污染暈中心點(diǎn)最大值為0.027。遠(yuǎn)低于地下水III類標(biāo)準(zhǔn)值0.2 mg/L，以0.02 mg/L等濃度線為外邊界的污染物遷移距離為120 m，影響范圍6 785 m2，無超標(biāo)區(qū)域?？梢娫谀M期內(nèi)一段時(shí)間污染物泄漏超標(biāo)，但超標(biāo)范圍在廠界內(nèi)，并且超標(biāo)范圍迅速消失，所以在非正常工況下，防滲措施有效，對下游保護(hù)目標(biāo)沒有影響。

采用混凝土防滲，正常情況下泄漏點(diǎn)下游30 m處監(jiān)測井中氨氮污染物濃度最大值為0.0204 mg/L，遠(yuǎn)低于地下水III類標(biāo)準(zhǔn)值0.2 mg/L。可見在防滲混凝土完好工況下，微量污染物的泄漏不會(huì)對地下水水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。

采用混凝土防滲，正常狀況下河流處監(jiān)測井中氨氮污染物濃度最大值為0.0201 mg/L，非正常狀況下河流處監(jiān)測井中氨氮污染物濃度最大值為0.17 mg/L。這兩種情況下，污染物濃度都低于地下水III類標(biāo)準(zhǔn)值0.2 mg/L，低于地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)值0.5 mg/L，可見在正常和非正常工況下污染物的泄漏不會(huì)造成天堂河水質(zhì)超標(biāo)的情況，也不會(huì)對泄漏點(diǎn)下游含水層和保護(hù)目標(biāo)造成影響。

4 結(jié)論

地下水環(huán)評影響評價(jià)等級(jí)判定、評價(jià)范圍確定及水文地質(zhì)條件是評價(jià)的基礎(chǔ)，必須根據(jù)工程建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域環(huán)境條件及相關(guān)規(guī)范綜合確定，詳細(xì)查明水文地質(zhì)條件才能為影響評價(jià)的可靠性提供保證。根據(jù)地下水流及溶質(zhì)數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果地下水影響程度，設(shè)計(jì)事故工況情景，預(yù)測事故工況或持續(xù)泄漏情況下對地下水及保護(hù)目標(biāo)的影響，為電廠運(yùn)行期間可能出現(xiàn)的地下水環(huán)境問題提供技術(shù)支撐。

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