黨延旭

新疆城鄉(xiāng)勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 新疆 烏魯木齊 830000

近年來(lái)，隨著化工建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量的逐年增長(zhǎng)，環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告中地下水章節(jié)對(duì)項(xiàng)目選址及相關(guān)保護(hù)方案的建立有決定性因素。在環(huán)評(píng)工作中，數(shù)值法模擬計(jì)算對(duì)項(xiàng)目水文地質(zhì)勘察成果質(zhì)量及可信度密切相關(guān)。下面選取某化工項(xiàng)目對(duì)數(shù)值法進(jìn)行實(shí)例分析。

1 .項(xiàng)目概況

擬建項(xiàng)目屬于有可能對(duì)地下水造成污染的I類(lèi)建設(shè)項(xiàng)目。地下水主要為潛水及承壓水，按含水層巖性結(jié)構(gòu)劃分為第四系松散巖類(lèi)孔隙水、中新生界碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙水、古生界及前古生界基巖裂隙水，項(xiàng)目區(qū)下游存在分散式飲用水水源地及自流井，地下水環(huán)境敏感程度為較敏感。選取取水點(diǎn)作為主要保護(hù)目標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2 .建立模型

水文地質(zhì)概念模型是對(duì)地下水系統(tǒng)的科學(xué)概化，是為了適應(yīng)數(shù)學(xué)模型的要求而對(duì)復(fù)雜的實(shí)際系統(tǒng)的一種近似處理，把研究對(duì)象作為一個(gè)有機(jī)的整體，綜合各種信息，根據(jù)系統(tǒng)工程技術(shù)的要求概化而成。其核心為邊界條件、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地下水流態(tài)三大要素。

2.1 模擬范圍

模擬區(qū)邊界取項(xiàng)目區(qū)范圍并向周邊適當(dāng)擴(kuò)大，由于模擬區(qū)位于山前沖洪積扇區(qū)，主要含水層巖性較為復(fù)雜，綜合考慮數(shù)值模型構(gòu)建需要，將地下水含水層垂向概化為上部潛水含水層、中部弱透水層及下部承壓含水層三部分。取第1層卵石層作為包氣帶，第2層礫石層作為潛水含水層，第3層粉土亞黏土層作為中部弱透水層，第4層粗砂礫石層作為承壓水含水層。

模型下游邊界按區(qū)域內(nèi)等水位線(xiàn)設(shè)為排泄邊界，上游邊界按地下水等水位線(xiàn)設(shè)為補(bǔ)給邊界，兩側(cè)按流線(xiàn)取零通量處作為邊界。垂向上邊界為地下水潛水面，考慮降水補(bǔ)給、蒸發(fā)；下邊界為承壓水底板零通量邊界。

模擬區(qū)地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律，且地下水運(yùn)動(dòng)方式符合達(dá)西定律，因此將模擬區(qū)地下水含水系統(tǒng)概化為穩(wěn)定流。地下水系統(tǒng)參數(shù)與空間位置相關(guān)，但系統(tǒng)的輸入、輸出不隨時(shí)間變化，系統(tǒng)為非均質(zhì)性，沒(méi)有明顯的方向性，所以參數(shù)概化成各向同性。模擬區(qū)概化為非均質(zhì)各向同性、穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 地下水水流三維模型

對(duì)于非均質(zhì)、各向同性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，可用下列微分方程的定解問(wèn)題來(lái)描述：

2.2.2 地下水水質(zhì)三維模型

而一般情形下的溶質(zhì)運(yùn)移可通過(guò)如下數(shù)學(xué)模型刻畫(huà)：

聯(lián)合求解水流方程和溶質(zhì)運(yùn)移方程就可得到污染質(zhì)的運(yùn)移結(jié)果。需要注意的是，上述方程為通用方程，應(yīng)用時(shí)須根據(jù)實(shí)際情況做相應(yīng)的調(diào)整。

2.3 數(shù)值模型

本次模擬采用Visual MODFLOW 4.2軟件進(jìn)行模擬，軟件將MODFLOW、MODPATH和MT3D同圖形用戶(hù)界面結(jié)合在一起，可直觀(guān)的了解到地下水運(yùn)移狀況及污染物質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移情況。

在模擬區(qū)單元網(wǎng)格剖分時(shí)對(duì)項(xiàng)目區(qū)位置進(jìn)行了加密剖分：平面上網(wǎng)格間距為30～100m，每一層的平面上剖分了21120個(gè)單元；垂向上，對(duì)弱透水層采用2層單元格進(jìn)行概化，即在數(shù)值模型中，第1層為潛水含水層，第2、3層為弱透水層，第4層為承壓水層，因此垂向上共剖分了4層。

地下水流動(dòng)模型參數(shù)包括含水層介質(zhì)水平滲透系數(shù)、垂向滲透系數(shù)，給水度以及降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)系數(shù)。參數(shù)取值參考項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)工作中抽水試驗(yàn)成果及收集到的周邊水文地質(zhì)資料。

地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型參數(shù)主要包括彌散系數(shù)、有效孔隙度和巖土密度。有效孔隙度根據(jù)勘察的實(shí)測(cè)的孔隙率數(shù)據(jù)確定，巖土密度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定。彌散系數(shù)取值較為復(fù)雜，其值受滲透系數(shù)空間變化影響，考慮到彌散系數(shù)的尺度效應(yīng)問(wèn)題，參考孔隙介質(zhì)解析模型LogαLLogLS，結(jié)合本次評(píng)價(jià)的模型研究尺度大小，綜合確定彌散度的取值應(yīng)介于1～10之間，按照偏保守的評(píng)價(jià)原則，彌散度取10。

模型賦值后需進(jìn)行識(shí)別與校正。運(yùn)行模擬程序后，可得到概化后的水文地質(zhì)概念模型在給定水文地質(zhì)參數(shù)和各均衡項(xiàng)條件下的地下水流場(chǎng)空間分布，通過(guò)擬合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的地下水流場(chǎng)，校正結(jié)果為模型地下水等水位線(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相近，且模型水文地質(zhì)參數(shù)也符合實(shí)際水文地質(zhì)條件。

3 .污染物預(yù)測(cè)模擬

通常情況下，污染物由地表堆積逐漸向包氣帶滲漏，最終進(jìn)入潛水含水層中。為考慮最不利風(fēng)險(xiǎn)情況，假設(shè)污染物由泄漏通量大、濃度最大的裝置區(qū)發(fā)生爆炸等突發(fā)事件，石油類(lèi)污染物泄漏后，由廠(chǎng)區(qū)內(nèi)的井孔或未知裂隙等優(yōu)勢(shì)通道而未過(guò)包氣帶遷移迅速進(jìn)入地下水。

本情景下裝置區(qū)污水排放量為159m3/h，其中石油類(lèi)物質(zhì)的濃度含量1000mg/L。假定泄漏持續(xù)發(fā)生48小時(shí)后進(jìn)行了妥善處理，裝置區(qū)的污水泄漏量按流通量或貯存量的20%直接進(jìn)入含水層中，即直接進(jìn)入含水層中的石油類(lèi)污染物質(zhì)量共計(jì)1526kg。

在此情景下得到石油類(lèi)污染物運(yùn)移的預(yù)測(cè)結(jié)果，污染物進(jìn)入了潛水含水層、浸潤(rùn)了弱透水層但未進(jìn)入承壓含水層，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果分別給出了污染物開(kāi)始進(jìn)入潛水含水層后的100天、1000天和30年的石油類(lèi)污染物的運(yùn)移范圍（石油類(lèi)污染物的限值為0.05mg/L），具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)下表。

表1 石油類(lèi)污染物在含水層中運(yùn)移結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由預(yù)測(cè)結(jié)果可知，污染物直接進(jìn)入含水層時(shí)， 0-48小時(shí)內(nèi)持續(xù)注入污廢水。48小時(shí)后濃度降為0mg/L，因此污染暈中心區(qū)域濃度降低速度較快，100天后污染暈中心濃度已降為12.6mg/L,污染暈面積為0.15km2；1000天后，污染暈中心濃度變?yōu)?.53mg/L，污染暈面積變?yōu)?.58km2；至30年后，污染暈中心濃度已下降至0.49mg/L，面積增大至1.25km2；模擬運(yùn)算至135年后，污染暈中心濃度在地下水稀釋自?xún)糇饔孟乱呀抵?.05mg/L以下，可不考慮對(duì)環(huán)境造成的影響，在此期間污染暈最大遷移距離為8898m，污染暈最大面積為1.32km2。

圖1 裝置區(qū)污廢水泄漏后30年至120年期間造成的污染暈圖

在模擬期內(nèi)，污廢水對(duì)項(xiàng)目區(qū)及周邊潛水含水層中的地下水產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的影響，在平面上主要向北東方向運(yùn)移，始終未對(duì)下游的集中供水井或泉點(diǎn)以及承壓含水層造成影響。

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，建議對(duì)區(qū)域內(nèi)可能影響到的取水點(diǎn)進(jìn)行遷移，避免污染物對(duì)居民日常生活的危害，在污染物運(yùn)移路線(xiàn)下游布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的輕微滲漏，同時(shí)可針對(duì)性的提前布設(shè)應(yīng)急抽水井點(diǎn)，事故工況下，在污染物未擴(kuò)散前就排出含水層，有效避免對(duì)自然環(huán)境的破壞。

4 .結(jié)論

通過(guò)數(shù)值法運(yùn)算，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)情況進(jìn)行模擬分析，提前準(zhǔn)備應(yīng)急預(yù)案，并且對(duì)發(fā)生事故工況下?lián)p害情況提前做出評(píng)估，有助于盡快控制現(xiàn)場(chǎng)情況。同時(shí)可直觀(guān)的了解到建設(shè)項(xiàng)目可能對(duì)環(huán)境造成的影響，對(duì)項(xiàng)目建設(shè)的選址及周邊環(huán)境的防護(hù)工作也具指導(dǎo)意義。