鄒潯, 張海豐, 李躍鵬

(1.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450003)

地下水資源是人們賴以生存和發(fā)展的重要自然資源[1],但隨著人類開發(fā)建設(shè)規(guī)模的迅速發(fā)展,一些區(qū)域的地下水環(huán)境受到不同程度的改變或破壞。為保護(hù)生態(tài)環(huán)境,從源頭上預(yù)防地下水環(huán)境污染,需對待開發(fā)地區(qū)進(jìn)行地下水環(huán)境影響評價(jià),對實(shí)施規(guī)劃可能造成的影響進(jìn)行分析、預(yù)測和評估,提出合理的預(yù)防和管理措施,進(jìn)而控制和減輕規(guī)劃實(shí)施對地區(qū)地下水環(huán)境的影響[2-3]。地下水污染預(yù)測常采用解析法和數(shù)值法。相比而言,數(shù)值法能更有效地刻畫污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程,而Visual MODFLOW軟件是國內(nèi)外學(xué)者常采用的數(shù)值模擬工具。盧丹美等[4]利用Visual MODFLOW軟件建立了廣西龍?zhí)赌彻I(yè)園區(qū)地下水水流模型和污染物運(yùn)移模型,預(yù)測和評價(jià)了污染物泄漏和遷移對地下水環(huán)境的影響;饒磊等[5]通過Visual MODFLOW軟件建立了重慶某工業(yè)園區(qū)地下水流概念模型,對污水處理站發(fā)生泄漏后進(jìn)入地下水中的主要污染物進(jìn)行了溶質(zhì)運(yùn)移模擬,結(jié)果顯示,第7 300天時(shí)污染物的影響范圍已超出園區(qū)并進(jìn)入長江;邢麗娜[6]利用Visual MODFLOW軟件建立了某生活垃圾填埋場的數(shù)值模型,預(yù)測了滲濾液發(fā)生泄漏20 a后特征污染物NH3-N在含水層中的運(yùn)移規(guī)律;SAGHRAVANI S R等[7]利用Visual MODFLOW軟件對承壓水含水層的特征污染物進(jìn)行了運(yùn)移模擬。

信陽市潢川經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)規(guī)劃東部和西部兩個(gè)園區(qū),含眾多規(guī)劃企業(yè),且部分企業(yè)是潛在污染源,會(huì)對地下水污染產(chǎn)生疊加效應(yīng)。為進(jìn)一步研究潛在污染源對地下水的影響,本文針對開發(fā)區(qū)的建設(shè)規(guī)劃方案,結(jié)合《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》(HJ 610—2016)的要求,利用Visual MODFLOW軟件建立研究區(qū)地下水污染數(shù)值模型,刻畫特征污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程,預(yù)測開發(fā)區(qū)建設(shè)對地下水環(huán)境的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于信陽市潢川縣城的南部,西起付店鎮(zhèn),東至傘陂鎮(zhèn),南部邊界位于滬陜高速以北約2 km處。潢川經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)分為東部和西部兩個(gè)園區(qū),其中東部園區(qū)規(guī)劃面積約14.5 km2,西部園區(qū)規(guī)劃面積約15.7 km2,東、西部園區(qū)之間以潢河相隔,兩園區(qū)相對獨(dú)立。地勢東南部稍高、西北部略低。研究區(qū)范圍如圖1所示。

圖1 研究區(qū)范圍示意圖

1.1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1.1 地下水類型

根據(jù)地下水賦存介質(zhì)、賦存介質(zhì)的孔隙性質(zhì)及巖性組合特征, 研究區(qū)內(nèi)的地下水含水巖組可劃分為3類:松散巖類孔隙水含水巖組、碎屑巖類裂隙孔隙水含水巖組和基巖裂隙水含水巖組。其中,松散巖類孔隙水含水巖組又依據(jù)埋藏條件劃分為淺層水含水巖組和深層水含水巖組。

1.1.2 地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄條件

1)松散巖類孔隙水的補(bǔ)給、徑流與排泄條件。研究區(qū)內(nèi)淺層地下水的補(bǔ)給來源主要有大氣降水入滲補(bǔ)給、地表水灌溉回滲補(bǔ)給、河流側(cè)向滲漏補(bǔ)給和地下徑流補(bǔ)給;深層地下水的補(bǔ)給來源主要有徑流和越流。研究區(qū)內(nèi)淺層地下水在潢川縣城區(qū)及近河道帶的徑流強(qiáng)烈,在剝蝕崗地及緩傾斜平原徑流較弱;研究區(qū)內(nèi)深層地下水徑流普遍較微弱,水力坡度較小,只有在潢河河谷平原區(qū)和潢川縣城區(qū)水力坡度較大,徑流相對較強(qiáng)。研究區(qū)內(nèi)淺層地下水的排泄方式主要有蒸發(fā)、人工開采、河流排泄、徑流排泄、越流排泄;深層地下水的排泄方式主要有人工開采和徑流排泄。

2)碎屑巖類裂隙孔隙水和基巖裂隙水的補(bǔ)給、徑流與排泄條件。研究區(qū)內(nèi)碎屑巖類裂隙孔隙水主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給,并沿裂隙或孔隙向下游方向徑流,以徑流方式排泄到松散巖類含水巖組?；鶐r裂隙水主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給,并沿裂隙向下游徑流,最終向深層水含水巖組徑流排泄。

1.1.3 地下水化學(xué)特征

在研究區(qū)內(nèi)采集了17組水樣進(jìn)行常規(guī)指標(biāo)現(xiàn)狀監(jiān)測,其中5組進(jìn)行常規(guī)指標(biāo)與環(huán)境敏感指標(biāo)相結(jié)合的現(xiàn)狀監(jiān)測。根據(jù)水樣檢測結(jié)果,對其余12組水樣繪制了地下水Piper三線圖,如圖2所示。

1.2 地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀

通過對監(jiān)測結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)指數(shù)的分析可知,監(jiān)測范圍內(nèi)地下水的pH值為6.59～7.65,溶解性總固體的含量均小于1 000 mg/L,屬于淡水。

研究區(qū)及其周邊的地下水水質(zhì)指標(biāo)除西部園區(qū)的HCSY-13和HCSY-14處的硝酸鹽含量超標(biāo)外,其他水樣檢測指標(biāo)均滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

2 研究方法及模型建立

本文采用數(shù)值模擬法[8-14]來評價(jià)建設(shè)規(guī)劃對地下水環(huán)境的影響,運(yùn)用Visual MODFLOW 軟件建立水文地質(zhì)概念模型,并在其基礎(chǔ)上建立地下水流動(dòng)和地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬模型,利用數(shù)值模型預(yù)測和分析建設(shè)規(guī)劃對地下水環(huán)境的影響。

2.1 水文地質(zhì)概念模型的建立

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地下水的賦存條件及運(yùn)動(dòng)特征可知,建設(shè)規(guī)劃對地下水的影響范圍西起付店鎮(zhèn)—隆古鄉(xiāng)一線,東至傘陂鎮(zhèn),北起隆古鄉(xiāng)—潢川縣城北,南至滬陜高速以北約2 km,總面積約為220.0 km2。

1)含水層結(jié)構(gòu)概化。地下水?dāng)?shù)值模擬模型將研究區(qū)的地下含水巖層概化為3層,上部為第一含水巖組,中間為一弱透水層,下部為第二含水巖組。

2)邊界條件。根據(jù)現(xiàn)狀條件下的地下水流場圖將垂直于地下水等水位線方向的邊界作為隔水邊界來處理,其他邊界概化為通用水頭邊界。

3)區(qū)域剖分。對整個(gè)區(qū)域模型采用等距矩形網(wǎng)格剖分,剖分為3層134行250列,共剖分矩形網(wǎng)格單元100 500個(gè),其中有效單元94 749個(gè),無效單元5 751個(gè)。模擬區(qū)網(wǎng)格剖分如圖3所示,模型結(jié)構(gòu)的剖面示意圖如圖4所示。

圖3 模擬區(qū)網(wǎng)格剖分圖

圖4 模型結(jié)構(gòu)剖面示意圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 地下水流數(shù)學(xué)模型

結(jié)合研究區(qū)的水文地質(zhì)條件,將模擬區(qū)含水層概化為非均質(zhì)、各向異性的三維穩(wěn)定地下水流系統(tǒng),其水流運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型為:

(1)

式中:Kxx、Kyy、Kzz分別為滲透系數(shù)K在x、y、z方向上的分量,m/d,文中假定滲透系數(shù)的主軸方向與坐標(biāo)軸的方向一致;h為水位(水頭)標(biāo)高,m;ε為源匯項(xiàng),ε<0表示流出地下水系統(tǒng),ε>0表示流入地下水系統(tǒng);Ω為滲流區(qū)域;Kn為邊界面外法線方向n上的滲透系數(shù);Γ2為流量邊界;q(x,y,z)為邊界流量,m3/d,流入為正;C為水力傳導(dǎo)系數(shù),m2/d;hb為外部水源的水頭,m。

2.2.2 地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型

地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(2)

式中:θ為介質(zhì)孔隙度,無量綱;C為組分的濃度,mg/L;t為時(shí)間,d;xi、xj為在直角坐標(biāo)中沿i、j方向上的距離,m;Dij為水動(dòng)力彌散系數(shù)張量,m2/d;vi為地下水滲流速度張量,m/d;W為源匯單位面積上的通量;C′為源匯的污染質(zhì)濃度,mg/L。

根據(jù)環(huán)境影響要素識(shí)別結(jié)果,結(jié)合潢川經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)綜合發(fā)展規(guī)劃中擬引進(jìn)或新建項(xiàng)目的特點(diǎn),通過對規(guī)劃布局產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目的工程特征、排污種類、排污去向及周邊地區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量狀況的分析,設(shè)定本次地下水環(huán)境影響預(yù)測與評價(jià)的特征污染因子為氨氮。

本次地下水污染模擬過程未考慮污染物在含水層中的吸附、揮發(fā)、生物化學(xué)反應(yīng),模型中各項(xiàng)參數(shù)予以保守性考慮。

2.3 模型識(shí)別

根據(jù)《河南省潢川縣地下水資源開發(fā)區(qū)域規(guī)劃報(bào)告》(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)廳第三水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì),1995)以及本次開展的現(xiàn)場抽水試驗(yàn)成果,將含水層劃分為5個(gè)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)(圖5),并給出參數(shù)初始值,作為模型調(diào)試的依據(jù)。

圖5 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖

文中,給水度經(jīng)驗(yàn)值Sy的取值范圍為0.01～0.20;含水層彈性釋水率Ss的取值范圍為1×10-5～5×10-4m-1;含水層水平方向上滲透系數(shù)的取值范圍為0.1～10.0 m/d,垂直方向上的滲透系數(shù)取值范圍為水平方向滲透系數(shù)的0.1倍;含水層有效孔隙度和總孔隙度取模型默認(rèn)值。

根據(jù)世界范圍內(nèi)百余個(gè)水質(zhì)模型中所使用的縱向彌散度αL與基準(zhǔn)尺度Ls的對數(shù)關(guān)系曲線(圖6)可以看出,整體上縱向彌散度隨著基準(zhǔn)尺度的增加而增大。根據(jù)環(huán)境影響評價(jià)導(dǎo)則中的評價(jià)范圍經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果可知,污染物向下游遷移的距離L小于1 000 m,結(jié)合圖6可知,其對應(yīng)的縱向彌散度小于10。因此,從保守角度考慮,本次的模擬彌散度取為10。

圖6 孔隙介質(zhì)數(shù)值模型的lgαL-lgLs關(guān)系

第一、二含水巖組地下水位等值線的擬合效果如圖7所示。由圖7可知,預(yù)測流場與實(shí)測流場基本一致。經(jīng)過模型識(shí)別后,主要的水文地質(zhì)參數(shù)見表1。模型參數(shù)符合實(shí)際水文地質(zhì)條件。

圖7 第一、二含水巖組地下水位等值線擬合效果圖

表1 水文地質(zhì)參數(shù)

3 地下水污染模擬預(yù)測

3.1 地下水污染預(yù)測情景設(shè)定

現(xiàn)狀情景主要考慮潢川經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)已有企業(yè)對地下水質(zhì)量的影響，即根據(jù)各個(gè)企業(yè)的污水存儲(chǔ)、處理設(shè)施等情況來計(jì)算污水產(chǎn)生量。

潢川經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)西部園區(qū)(原潢川產(chǎn)業(yè)集聚區(qū))內(nèi)主要企業(yè)有華英禽業(yè)集團(tuán)、寶樹水產(chǎn)、康緣食品、圣光集團(tuán)等;東部園區(qū)(原潢川經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和原潢川經(jīng)濟(jì)技術(shù)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū))內(nèi)主要企業(yè)有黃國糧業(yè)、潢繡、金星啤酒、中央儲(chǔ)備糧潢川直屬庫、中國石化銷售有限公司河南信陽潢川儲(chǔ)運(yùn)經(jīng)銷處、中國石油天然氣股份有限公司河南銷售分公司等。根據(jù)《給水排水構(gòu)筑物工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50141—2008)中的規(guī)定，現(xiàn)狀年(2017年)污水排放量計(jì)算時(shí)各企業(yè)的污水池滲水強(qiáng)度取為2 L/(m2·d)。

規(guī)劃情景是利用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和工業(yè)用地面積估算未來污水產(chǎn)生量。規(guī)劃情景下，西部園區(qū)擬建綜合產(chǎn)業(yè)片區(qū)、醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)片區(qū)和食品產(chǎn)業(yè)片區(qū)；東部園區(qū)擬建食品產(chǎn)業(yè)片區(qū)、現(xiàn)代倉儲(chǔ)物流片區(qū)和綜合商貿(mào)服務(wù)片區(qū)。根據(jù)潢川經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)2035年(目標(biāo))的經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)和工業(yè)用地情況,同時(shí)考慮到節(jié)水技術(shù)水平的提高會(huì)降低萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量和污水排放量的特點(diǎn),假定2025年污水排放量為現(xiàn)狀年(2017年)的2倍,2035年污水排放量是現(xiàn)狀年(2017年)的4倍。污染物的濃度參考經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)現(xiàn)有企業(yè)的污水濃度。規(guī)劃情景下不同產(chǎn)業(yè)片區(qū)的污水量和污染物濃度見表2。

表2 規(guī)劃情景下不同產(chǎn)業(yè)片區(qū)的污水量和污染物濃度

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 現(xiàn)狀情景

根據(jù)現(xiàn)狀情景下的污染源位置、源強(qiáng)大小和持續(xù)時(shí)間,對第1、10、30年的污染范圍進(jìn)行模擬預(yù)測,限于篇幅，文中僅列出第30年的預(yù)測結(jié)果(如圖8和圖9所示)。由第1、10年的預(yù)測結(jié)果及圖8和圖9可知:①隨著模擬時(shí)間的增加,第一含水巖組地下水中的氨氮濃度逐漸升高,超標(biāo)范圍逐漸擴(kuò)大;第1、10、30年時(shí)地下水中氨氮濃度的最高值分別為2.5、12.0、14.0 mg/L。②第一含水巖組地下水中氨氮超標(biāo)范圍均較小,且對第二含水巖組地下水基本無影響。③第30年時(shí)第二含水巖組中氨氮濃度的最高值僅為0.016 mg/L，根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)，該濃度低于Ⅰ類水濃度限值。

圖8 現(xiàn)狀情景下第30年第一含水巖組地下水中氨氮濃度超標(biāo)范圍

圖9 現(xiàn)狀情景下第30年時(shí)第二含水巖組地下水中氨氮污染羽

3.2.2 規(guī)劃情景

根據(jù)規(guī)劃情景下的污染源位置、源強(qiáng)大小和持續(xù)時(shí)間,對第1、10、30年的污染范圍進(jìn)行模擬預(yù)測,限于篇幅，文中僅列出第30年的預(yù)測結(jié)果(如圖10和圖11所示)。由第1、10年的預(yù)測結(jié)果及圖10和圖11可知:①隨著時(shí)間增加,第一含水巖組地下水中的氨氮濃度逐漸升高,第1、10、30年時(shí)地下水中氨氮最高濃度分別為2.5、12.0、18.0 mg/L。②第一含水巖組中氨氮的影響范圍較大，但超標(biāo)范圍較小,且對第二含水巖組地下水基本無影響。③第30年時(shí)第二含水巖組地下水中的氨氮濃度最高值為0.025 mg/L，根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017),該值低于Ⅱ類水濃度限值。④相比于現(xiàn)狀情景，規(guī)劃情景下地下水中氨氮濃度增加。

圖10 規(guī)劃情景下第30年第一含水巖組地下水中氨氮濃度超標(biāo)范圍

圖11 規(guī)劃情景下第30年時(shí)第二含水巖組地下水中氨氮污染羽

4 結(jié)語

本文采用數(shù)值模擬法,利用Visual MODFLOW軟件建立了研究區(qū)地下水流動(dòng)模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型,分別預(yù)測了現(xiàn)狀情景和規(guī)劃情景下地下水特征污染因子的運(yùn)移變化規(guī)律。結(jié)果表明：

1)現(xiàn)狀條件下,第一含水巖組的地下水中氨氮濃度的超標(biāo)范圍較小,且對第二含水巖組地下水中的氨氮濃度基本無影響；規(guī)劃情景下,第一含水巖組的地下水中氨氮濃度的影響范圍相對較大,但超標(biāo)范圍較小,且對第二含水巖組地下水基本無影響。

2)特征污染因子氨氮在現(xiàn)狀情景和規(guī)劃情景條件下的污染擴(kuò)散范圍和超標(biāo)區(qū)域均未影響到付店鎮(zhèn)和傘坡鎮(zhèn)兩處地下水集中供水水源地,同時(shí)對研究區(qū)下游的談店水源地未造成任何影響。

地下水污染具有不易發(fā)現(xiàn)和一旦污染很難治理的特點(diǎn)。因此,防治地下水污染應(yīng)遵循源頭控制,防止跑、冒、滴、漏污染跟蹤監(jiān)測及污染事故應(yīng)急處置等主動(dòng)及被動(dòng)措施相結(jié)合的原則,嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定統(tǒng)籌策劃地下水污染防治工作。