劉 莉，邢立亭

（1.濟南天下第一泉風景區(qū)，山東 濟南 250000；2.濟南大學 水利與環(huán)境學院，山東 濟南 250022）

1 引言

地下水作為人類生產和生活重要的水源，其水質好壞直接關系到人民身體健康，一旦被污染很難阻止或逆轉［1］。巖溶水作為地下水的一個分支，其形成是地表水及地下水對可溶巖綜合作用的結果，巖溶的發(fā)育程度決定和控制區(qū)域水文地質條件的轉化，又因它和周圍巖石性質、地質構造、地下水運動、水化學等因素有密切關系，且諸因素相互影響，導致區(qū)域水文地質條件復雜化［2］。

項目區(qū)位于淄博南部巖溶區(qū)，大武水源地西側。大武水源地作為我國北方罕見的特大型巖溶-裂隙地下水水源地，多年來大規(guī)模開采，造成區(qū)域地下水位持續(xù)下降［3］。同時，眾多化工企業(yè)直接建設于水源地補給區(qū)之上，由于防滲不規(guī)范、排污的不合格、管理不到位等多重因素的影響，區(qū)域地下水中污染超標嚴重［4-6］，受其影響，北方最大巖溶水源地報廢。

本項目為新建化工項目，在生產環(huán)節(jié)和最終外排均存在污廢水。由于地下水具有相通性及很強的隱蔽性，地下水的污染很不容易及時發(fā)現，一旦發(fā)現，其后果也難以消除［8］。因此對項目開展地下水環(huán)境影響評價，論證建設選址的合理性和可行性，為保護和恢復大武水源地、保障用水安全具有十分重要的指導作用［9］。

圖1 項目區(qū)位置及地質簡圖（據徐道余［7］等）

2 水文地質條件

項目區(qū)位于淄博市張店區(qū)，氣候屬暖溫帶半濕潤季風區(qū)大陸性氣候，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，常年風向以南南西和南西為主。夏季多東南風，冬季多西北風，多年平均氣溫12.9℃。多年平均降水量為588.7mm，降水量年內分配極不平均，多集中在6～9 月份，占全年降水量的78.7%；多年平均陸地水面蒸發(fā)量為2077.3mm。地貌類型屬于低山丘陵，地形變化較大，整體地形南高北低，南北高差大于10m。

2.1 地下水賦存條件

區(qū)域主要分布三大含水巖組，分別為第四系松散巖類孔隙含水巖組、奧陶系碳酸鹽類巖溶～裂隙含水巖組和石炭二疊系碳酸鹽類裂隙含水巖組。

松散巖類孔隙含水巖組包括現代河床沖積孔隙含水巖組和上更新統沖積～洪積孔隙含水巖組，分布于項目區(qū)的東側淄河河漫灘及其兩側、淄河沖洪積扇首部和北部平原區(qū)，巖性為砂卵礫石層、粗砂卵礫石層等，富水性良好。

奧陶系碳酸鹽類巖溶～裂隙含水巖組在區(qū)內分布廣泛，除低山丘陵地帶巖性裸露外，均被第四系松散沉積物所覆蓋。含水層巖性為中奧陶系第三段至第六段的含泥質、白云質泥灰?guī)r、角礫狀泥灰?guī)r及厚層狀青灰色豹皮狀灰?guī)r組成。灰?guī)r裂隙巖溶極為發(fā)育，其發(fā)育深度在60 ～300m 之間。以南仇-安里-大武一帶富水性最強，單井涌水量大于6000m3/d；丘陵區(qū)，地勢高，水位埋深大，富水性最差，單井涌水量小于1000m3/d，其它地區(qū)單井涌水量在1000 ～5000m3/d 之間。

石炭二疊系碳酸鹽類裂隙含水巖組主要分布于湖田向斜兩翼和金嶺村南側，該含水層地下水位埋藏較淺，一般小于 5.0m，湖田向斜兩側富水性一般，單井涌水量在100 ～1000m3/d 之間，金嶺村南側富水性差，單井涌水量小于100m3/d。

圖2 區(qū)域水文地質圖

2.2 地下水補給、徑流、排泄

松散巖類孔隙水主要接受大氣降水、南部山區(qū)地下水徑流、淄河滲漏及灰?guī)r地下水通過第四系“天窗”等多種方式補給，排泄方式為蒸發(fā)、泉和溢出帶形式的地表徑流為主，地下水總體由南向北流動。近年來由于自然因素的變化及人類活動的影響（如淄河斷流等），地下水水位下降明顯，人工開采成為主要排泄方式。

碳酸鹽巖類巖溶～裂隙水補給來源主要為淄河河谷兩側至東、西地表分水嶺地區(qū)灰?guī)r地下水匯集于淄河斷裂帶后的徑流補給、大氣降水的入滲補給等，排泄方式主要為人工開采。

3 地下水環(huán)境影響評價方法

地下水環(huán)境影響評價的方法以解析法和數值模擬兩種方法為主。解析法主要用于水文地質條件相對簡單，污染較輕，精度要求不高的情況；數值模擬法以可視化分析研究地下水流和溶質運移問題，其方法直觀、可視、有效，越來越受到領域內學者的重視以及廣泛應用［10］。

本次采用數值模擬法對地下水環(huán)境影響進行評價分析，運用Visual MODFLOW 軟件，該系統無縫集成了MODFLOW-96、WinPEST、MT3D99、MODPATH、MT3D 等軟件［11］，建立了合理的Windows 菜單界面，具有可視化功能強大、求解方法簡單、適用范圍廣泛、數值模擬能力出色且三維建模簡單等特點［12］。

3.1 水文地質概念模型

結合區(qū)域地質水文地質條件，確定模型范圍為整個湖田水文地質單元，具體為：東邊界為金嶺斷裂，西邊界為炒米莊斷層，北邊界為湖田向斜軸，南邊界為地表水與地下水分水嶺，總面積約70km2。

（1）含水層結構概化。

區(qū)域地下水流以水平運動為主，地下水流速在x，y，z 三個方向都有分量，概化為三維流；各個水文地質參數隨空間變化，體現了非均質性；整個地下水系統的輸入和輸出量隨時間和空間變化，地下水流為非穩(wěn)定流。將研究區(qū)含水層概化為非均質、各向同性三維非穩(wěn)定流含水層。

圖3 模型剖分立體示意圖

（2）邊界條件概化。

項目所處的湖田水文地質單元是一個相對獨立的水文地質單元，本次研究的目的層為奧陶系碳酸鹽類巖溶～裂隙含水層，呈層狀展布，半開放型。南部丘陵裸露區(qū)為無壓區(qū)，節(jié)理、裂隙、巖溶較發(fā)育，為大氣降水的滲入提供了必要的賦存空間。近山前一帶隱伏區(qū)為承壓區(qū)，裂隙巖溶非常發(fā)育，使得從裸露區(qū)到覆蓋區(qū)含水層相互聯通，成為具統一地下水流場的連續(xù)介質。將含水層概化為單層結構，上邊界概化為承壓～半承壓層，下邊界為巖溶含水層底板，為隔水邊界。

根據區(qū)域地下水流場特征和地層結構特點，設定北部湖田向斜、西部炒米莊斷裂均為隔水邊界［2］；東部金嶺斷層為弱透水斷層［2］，受堠皋強排井控制，湖田與大武水文地質單元沒有流量交換，將金嶺斷層定義為隔水邊界；東部南側邊界與地下水等水頭線垂直，定為零流量邊界；南部邊界為地表水與分水嶺，為零流量邊界。

（3）網格剖分。

結合研究區(qū)的地形地貌特征、含水層特征、水文地質條件及模型邊界條件，采用統一的平面網格。網格劃分間距20 ～100m，平面上單層共劃分432448 個單元，其中有效單元345591 個。

3.2 數學模型

（1）地下水流模型。

根據研究區(qū)水文地質條件，可建立研究區(qū)地下水流模型如下：

式中： h(x，y，z，t)為含水層的水位分布（m）；kx，ky，kz為空間三個方向的滲透系數（m/d）； Ss為含水層的單位儲水系數（1/m）；P 為單位體積源匯項[m3/(m3·h) ]；h0(x，y，z)為地下水初始水位分布；h1(x，y，z，t) 為含水層的一類邊界條件；q 為含水層二類邊界單位面積流量[m3/(m2·h) ]； θx，θy，θz為二類邊界的外法線方向與x，y，z 軸的夾角；Ω 為滲流區(qū)域； г1為一類邊界； г2為二類邊界；г3為自由面。

（2）地下水溶質運移數學模型。

根據研究區(qū)的具體條件，采用下述的溶質運移模型：

式中： c 為溶解于水中的污染物濃度（M/L3）；Dij為水動力彌散系數張量（T/L2）； Xi為空間坐標（L）； V1為地下水滲透流速（L/T）； t 為時間（T）；n 為孔隙度，無量綱； F 為固相表面的溶質濃度（M/L3）； C0為源匯項的濃度（M/L3）； qW為源（正值）或匯（負值）的單位流量（L/T）； Ω 為研究區(qū)空間區(qū)域；（x，y，z） 為空間位置； г 為研究區(qū)的邊界。

3.3 模型參數選擇

模型采用的主要參數設定如表1。

表1 模型中各參數取值表

3.4 模型識別檢驗

模型識別與檢驗是數值模擬工作及模型建設過程中最為關鍵的一個環(huán)節(jié)。在模型識別與檢驗過程中，重新認識水文地質概念模型、分析水文地質條件、進一步提升對水文地質模型的認識。根據實測的水位及動態(tài)變化數據，對模型進行識別和調試。

（1）模型識別。

利用2007 年1 月1 日-2012 年7 月1 日的長測資料，進行數值模型的識別，從地下水位動態(tài)監(jiān)測井的動態(tài)資料的耦合對比分析，模擬的地下水動態(tài)符合實際，體現了地下水水位動態(tài)規(guī)律，見圖3。

圖4 模型識別期鉆孔水位擬合曲線圖

（2）模型驗證。

為了檢驗識別后模型的可靠性，利用2012 年7 月1 日-2017 年7 月1 日期間的數據進行模型驗證，將實測水位資料與計算水位資料進行擬合對比，見圖5，對模型識別期間求取的水文地質參數進行校正，反復調試水文地質參數、各均衡項，識別水文地質條件，最終確定了各水文地質參數及均衡項。經過識別、驗證后的模型基本能夠刻劃地下水系統的滲流特征，反映出水位動態(tài)變化對源、匯項的響應關系，可以進行預測分析。

圖5 模型驗證期鉆孔水位擬合曲線圖

4 地下水環(huán)境影響分析

項目設計考慮了雨污分流、清污分流、污污分治，將罐區(qū)、裝卸車區(qū)等雨水收集系統單獨設計，初期雨水與后期清凈雨水采用溢流式自動切換裝置，將初期雨水收集起來匯入收集池，用污水提升泵限量送至污水處理站進行處理，后期雨水進入廠區(qū)雨水管網收集至雨水監(jiān)控池，由企業(yè)雨水管網外排。生活污水、生產廢水、地面沖洗水、機泵冷卻水經企業(yè)污水處理站處理后排入水質凈化廠進行處理。項目廢水最終經處理達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A 標準要求，排入河流。

4.1 預測因子與標準

根據企業(yè)污水中各組分含量，選取COD 作為污染物的代表性因子進行預測。將預測濃度超過《地下水質量標準》（GB/T14848-2017）III 類標準限值定義為超標濃度，將指標的檢出限作為污染影響判定標準。則COD 超標濃度為3.0mg/L，影響濃度為0.05mg/L。

4.2 地下水環(huán)境影響預測

（1）正常工況下地下水環(huán)境影響預測。

正常工況下，項目嚴格按照設計要求落實好環(huán)保、防滲措施和管理措施，廢水收集、存放、排放系統密閉，不產生無組織排放。但由于污水收集池防滲層的滲透系數為10-7cm/s，會有極少量的污水滲入地下。經模擬預測，項目及附近地下水中COD 含量均未出現超標，也未出現影響范圍。

（2）事故工況下地下水環(huán)境影響預測。

“跑、冒、滴、漏”工況：用于儲存和處理污水的收集池池底防滲層出現“跑、冒、滴、漏”等無組織排放，污水泄露量按企業(yè)廢水產生量的1%計。經模型預測，滲入地下的污水在地下水流和堠皋強排井的雙重作用下向東北方向擴散。圖6 為事故發(fā)生后5 年和10 年COD 濃度分布圖。項目區(qū)及周邊地下水中COD 含量出現明顯超標現象，COD濃度最高達到200mg/L。事故發(fā)生5 年后，地下水中COD 影響范圍達到6.35×105m2，最大影響距離為1410m，此時COD 超標范圍達到1.75×105m2，最大超標距離為710m。事故發(fā)生10 年后COD的影響范圍達到9.35×105m2，最大影響距離為2680m，此時超標范圍達到2.95×105m2，最大超標距離為1270m。

圖6 “跑、冒、滴、漏”工況不同時段COD 濃度分布圖

圖7 突發(fā)事故工況不同時段COD 濃度分布圖

突發(fā)事故工況：假定事故工況下，廢水收集池池底防滲層出現20m2的破損，事故連續(xù)10 天。預測結果見圖7。經模擬預測，事故發(fā)生后1 天地下水中COD 含量就開始超過3mg/L，之后超范圍不斷增大，到577 天超標范圍達到最大，最大超標面積約1.5×105m2，此時影響面積為6.55×105m2，最遠影響距離為1410m。之后污染緩慢消退，超標范圍同步減小，但影響范圍和影響距離不斷增大。持續(xù)到第850 天后污染超標范圍消失，地下水中COD 含量小于3mg/L，滿足地下水水質Ⅲ類標準。事故發(fā)生1000 天后影響范圍達到最大，為1.13×106m2，最大影響距離為2550m。事故發(fā)生1700 天后，影響范圍消失，此次污染事故對地下水環(huán)境影響消失。

4 結論

（1）模型預測結果表明，在嚴格落實地面防滲措施的條件下，項目周邊地下水中COD 含量未出現超標，項目對地下水環(huán)境影響較小?！芭?、冒、滴、漏”和突發(fā)事故狀態(tài)下，最遠影響距離超過2km，滲漏污水對項目周邊及下游地下水環(huán)境將構成明顯威脅。

（2）由于區(qū)域巖溶地下水埋藏較深，一旦污染，很難修復。項目日常管理過程中應建立污水巡查制度和地下水監(jiān)測系統，如發(fā)現問題及時處理，最大限度保護區(qū)域地下水資源。

（3）鑒于巖溶水系統的復雜性，造成數值模擬的不確定性，從長遠考慮建議另選廠址。