梁斌

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

1 前言

在20世紀(jì)70年代地下水?dāng)?shù)值模擬就成為地下水研究的主要方法之一［1-3］。利用數(shù)值模擬軟件對地下水滲流場和溶質(zhì)運(yùn)移等問題進(jìn)行計(jì)算分析，是目前研究地下水資源、評價(jià)地下水環(huán)境的主要技術(shù)方法之一［4-7］。借助數(shù)值模擬技術(shù)定量評價(jià)地下水環(huán)境影響可以有效的預(yù)測地下水中污染物運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律，可為制定地下水保護(hù)方案提供重要的技術(shù)依據(jù)［8］。

研究區(qū)地處灤河河谷，由河谷灘地和緩坡組成，規(guī)劃區(qū)內(nèi)企業(yè)污水全部接入市政污水管網(wǎng)最終排入規(guī)劃區(qū)污水處理廠，規(guī)劃區(qū)污染地下水的主要是規(guī)劃區(qū)污水處理廠的污水。一般都是正常工況下的管道跑、冒、滴、漏和事故工況下的管道泄漏。運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)定量評價(jià)規(guī)劃區(qū)對地下水的環(huán)境的影響，對于地下水的保護(hù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和改善具有重要意義［9-10］。

2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)研究區(qū)含水層的地層巖性及孔隙發(fā)育的特征，將含水層劃分為3類含水巖組，即松散巖類孔隙水含水巖組、碎屑巖裂隙孔隙水含水巖組及基巖裂隙水含水巖組（包括構(gòu)造裂隙水、風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水）。

研究區(qū)水文地質(zhì)條件屬河谷地帶類型，坡洪積含水層、沖洪積含水層的第四系含水層的補(bǔ)給主要接受大氣降雨入滲補(bǔ)給和山區(qū)基巖裂隙水的徑流補(bǔ)給；研究區(qū)地下水的徑流主要受地形和地層巖性影響，研究區(qū)地下水徑流方向總體是沿著灤河徑流方向由北向南流動(dòng)，但局部受地形影響變化較大，地下水側(cè)向補(bǔ)給河流。地下水的排泄主要是蒸發(fā)排泄、人工開采、第四系含水層側(cè)向補(bǔ)給河流。

3 研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬

3.1 網(wǎng)格剖分

本研究利用FEFLOW數(shù)值模擬軟件對研究區(qū)面積220 km2建立三維水文地質(zhì)模型，模型網(wǎng)格按照TMESH法進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格剖分，在規(guī)劃區(qū)邊界、河流等處進(jìn)行適當(dāng)加密處理。垂向上共剖分兩層（layer）3 片（slice）， 自上而下分別為孔隙水含水層、基巖裂隙含水層。三維網(wǎng)絡(luò)共計(jì)剖分結(jié)點(diǎn)49688個(gè)，有限單元24307 個(gè)（圖 1）。

圖1 研究區(qū)網(wǎng)格剖分Fig.1 Mesh generation of study area

3.2 源匯項(xiàng)及邊界條件

研究區(qū)滲流模型邊界按照下述條件設(shè)定：

1）東、西、南、北部邊界：模擬區(qū)為一相對獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，模型邊界定為隔水邊界（圖 2）。

2）底部邊界：由鉆探及水文地質(zhì)試驗(yàn)可知，模擬區(qū)底部巖體新鮮完整，滲透性差，無底部越流，可視為零通量邊界。

3）頂部邊界：工作區(qū)頂部邊界的補(bǔ)給主要來自大氣降雨的入滲補(bǔ)給。

圖2 模擬區(qū)模型概化示意圖Fig.2 Schematic diagram of simulation area

3.3 初始條件

數(shù)值模型的初始條件包括滲流場初始水頭條件和污染物初始分布條件（圖3）。

圖3 評價(jià)區(qū)初始地下水流場圖Fig.3 Schematic field of initial groundwater level

1）滲流場初始水頭條件：根據(jù)本次水位調(diào)查成果確定，評價(jià)區(qū)豐、枯水期流場。

2）污染物初始分布條件：根據(jù)現(xiàn)狀監(jiān)測地下水中污染因子背景值確定。

3.4 模擬參數(shù)識(shí)別與驗(yàn)證

模型以現(xiàn)場抽水試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)并結(jié)合水文地質(zhì)資料為初始參數(shù)進(jìn)行參數(shù)擬合與驗(yàn)證。實(shí)測水位和模擬水位基本擬合在標(biāo)準(zhǔn)線附近，驗(yàn)證了模型的可靠性（圖4）。識(shí)別后的水文地質(zhì)參數(shù)見表1。實(shí)測水位和模擬水位地下水等水位線圖總體變化規(guī)律一致（圖5）。通過上述分析可知模型基本符合了研究區(qū)地下水流場特征，故利用該模型為基礎(chǔ)對規(guī)劃區(qū)地下水環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測和評價(jià)是合理可信的。

圖4 模擬區(qū)實(shí)測水頭和模擬水頭擬合圖Fig.4 Fitting diagram of measured and simulated groundwater head in simulated area

4 模擬結(jié)果分析

圖5 模擬流場與實(shí)測流場對比圖Fig.5 Comparison between simulated and measured flow field

規(guī)劃區(qū)設(shè)計(jì)服務(wù)期限為14 a（2016～2030年），本研究選取服務(wù)期滿14 a預(yù)測結(jié)果，兩種工況（正常工況和事故工況）、3種因子（氨氮、氰化物、COD）的地下水位等值線圖進(jìn)行對比（圖6～8，左圖均為正常工況，右圖為事故工況）。超標(biāo)范圍參照 《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848—1993）中Ⅲ類水的要求，根據(jù)模型預(yù)測結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

1）研究區(qū)地下水總體流向?yàn)橛杀毕蚰狭鲃?dòng)，與地表水流向相同；局部受河谷兩側(cè)地形影響，地下水污染物遷移受到地形和水動(dòng)力條件影響較大。研究區(qū)地下水水力梯度較大，河谷區(qū)含水層為砂及卵礫石層，滲透性較好，污染物遷移較快。

2）正常工況下，服務(wù)期滿后污染物COD最大運(yùn)移距離為756 m，影響范圍為68900 m2；在事故工況下，服務(wù)期滿后污染物COD最大運(yùn)移距離為767 m，影響范圍為70410 m2，比正常工況天然防滲情景下遷移距離增加12 m，影響面積增加1510 m2。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)取值Table 1 Hydrogeological parameters values

正常工況下，服務(wù)期滿后氰化物最大運(yùn)移距離為744 m，影響范圍為62279 m2；事故工況下氰化物最大運(yùn)移距離為752 m，影響范圍為64105 m2，比正常工況天然防滲情景下遷移距離增加8 m，影響面積增加1826 m2。

正常工況下，服務(wù)期滿后氨氮最大運(yùn)移距離為788 m，影響范圍為86289 m2。事故工況下氨氮最大運(yùn)移距離為796 m，影響范圍為88560 m2，比正常工況天然防滲情景下遷移距離增加8 m，影響面積增加2271 m2。

3）由此可知，污水處理廠在事故工況下對地下水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大，規(guī)劃區(qū)應(yīng)制定相應(yīng)的地下水風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案并采取嚴(yán)格的防滲措施，減小對地下水的影響；規(guī)劃區(qū)外排廢水需經(jīng)污水管線排入規(guī)劃區(qū)污水處理廠，排污管線需采取防滲防漏防腐蝕措施。

圖6 COD濃度分布圖Fig.6 Distribution map of COD concentration under two conditions

圖7 氰化物濃度分布圖Fig.7 Distribution map of cyanide concentration under two conditions

圖8 氨氮濃度分布圖Fig.8 Distribution map of ammonia-nitrogen concentration under two conditions

4）不論是正常工況還是事故工況，對規(guī)劃區(qū)內(nèi)飲用水源地等敏感目標(biāo)影響均較小，但對西南營村、酒店村、東園子村等村莊目標(biāo)有一定影響。

5 結(jié)語

本次研究運(yùn)用FEFLOW數(shù)值模擬軟件預(yù)測和評價(jià)規(guī)劃區(qū)地下水環(huán)境影響，結(jié)論如下：

1）模型能夠真實(shí)反映研究區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)條件，預(yù)測兩種工況下的氨氮、氰化物和COD進(jìn)行溶質(zhì)運(yùn)移變化規(guī)律，可以作為地下水環(huán)境影響評價(jià)的依據(jù)。

2） 根據(jù)污染物的擴(kuò)散情況提出相應(yīng)的對策：規(guī)劃區(qū)應(yīng)制定相應(yīng)地下水風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案，采取嚴(yán)格的防滲措施，減小對規(guī)劃區(qū)內(nèi)飲用水源地、西南營村、酒店村、東園子村的地下水環(huán)境質(zhì)量的影響。