高孟寧，楊力偉，石 闖

（安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院,安徽 蚌埠 233000）

隨著人口的快速增長、經(jīng)濟(jì)及工業(yè)事業(yè)的高速發(fā)展,污染物的排放量日益增多,眾多工業(yè)園區(qū)出現(xiàn)地下水污染問題,園區(qū)地下水污染遷移對(duì)地下水使用功能和價(jià)值的影響及其引起的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和安全問題日益突出[1-3]。地下水污染的隱蔽性、長期性、廣泛性與不確定性,加之其環(huán)境系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)特征復(fù)雜性,使得地下水一旦受到污染,造成的生態(tài)破壞和環(huán)境安全問題往往難以恢復(fù)和逆轉(zhuǎn)。

我國對(duì)地下水污染問題的研究主要集中在大江大河的沖擊三角洲地區(qū),通過對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析得出污染物的時(shí)空演化趨勢。目前對(duì)地下水污染研究通常以行政區(qū)域?yàn)閱挝?針對(duì)工業(yè)園區(qū)地下水污染的時(shí)空分布研究較少。因此,研究工業(yè)園區(qū)地下水污染遷移特點(diǎn),掌握其污染的時(shí)空分布特征,對(duì)消減工業(yè)園區(qū)地下水污染危害、保障周圍生態(tài)環(huán)境安全具有重要的意義。

GMS 作為被廣泛認(rèn)可的地下水三維數(shù)值模擬軟件,具備強(qiáng)大的可視化與模擬功能[4]。本文選取安慶市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)某材料有限公司廠區(qū)為研究區(qū),通過GMS 軟件的MODFLOW 和MT3DMS 模塊模擬研究區(qū)的地下水流場和污染物時(shí)空分布特征,給出模擬污染因子COD 和氨氮在地下水中的運(yùn)移、擴(kuò)散和濃度變化,從而為研究區(qū)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省安慶高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)。屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候,多年平均氣溫16.6 ℃,多年平均降水量1363 mm。地處長江丘陵平原區(qū),總體地勢呈東高西底、北高南低的趨勢,最高點(diǎn)位于石門湖北側(cè),標(biāo)高為126 m,最低點(diǎn)位于石門湖東岸,標(biāo)高為10 m。

研究區(qū)在大地構(gòu)造的分區(qū)上屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅲ）下?lián)P子臺(tái)坳（Ⅲ2）沿江拱斷褶帶（Ⅲ22）安慶凹斷褶束（Ⅲ22-2）,其西北部發(fā)育有三組斷裂,研究區(qū)及地表出露地層新生屆第四系（Q4）和白堊系上統(tǒng)赤山組（K2c）。區(qū)內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水,水化學(xué)類型以HCO3-Ca 型、HCO3-Ca·Na 型和HCO3-Ca·Mg 型為主。大氣降水和季節(jié)性河水入滲是地下水的主要補(bǔ)給來源,由西北向東南徑流,最終匯入石門湖和楊湖。

2 地下水流與溶質(zhì)運(yùn)移耦合的數(shù)值模型

2.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)面積約為26.22 萬m2,地貌類型以低山丘陵為主,東南兩側(cè)緊鄰地表水體,地下水總徑流方向?yàn)樽晕鞅毕驏|南徑流。根據(jù)周邊地形條件劃定模型邊界,將西南側(cè)邊界概化為定水頭邊界,其余概化為隔水邊界。模擬滲漏區(qū)地下水類型為松散巖類孔隙水和“紅層”風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水,按含水層的滲透性可進(jìn)一步劃分為含水層組、一個(gè)弱透水層組和一個(gè)隔水層。

2.2 數(shù)值模型的建立

綜合研究區(qū)域的實(shí)際狀況,利用GMS 軟件的MODFLOW和MT3DMS 模塊對(duì)模擬預(yù)測因子進(jìn)行模擬分析。假定地下水運(yùn)動(dòng)是三維穩(wěn)定流,并且溶質(zhì)運(yùn)移主要是通過對(duì)流和水動(dòng)力彌散兩種作用實(shí)現(xiàn),從而建立水流模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型：

式中：Ω 為滲流區(qū)域；h 為含水體的水位標(biāo)高,m；t 為時(shí)間,d；Kx、Ky、Kz分別為x、y、z 方向的滲透系數(shù),m/d；Kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù),m/d； 為重力給水度；ε為源匯項(xiàng),1/d；h0為初始水位,m；Γ1為一類邊界；Γ2為二類邊界；n 為邊界面的法線方向；φ（x,y, z）為一類邊界水頭,m；q（x,y,z）為二類邊界的單寬流量,m3/（d·m）,流入為正流出為負(fù),隔水邊界為零。

式中：右端前三項(xiàng)為彌散項(xiàng)；后三項(xiàng)為對(duì)流項(xiàng)；Dxx、Dyy、Dzz為x、y、z 三個(gè)主方向的彌散系數(shù)；ux、uy、uz為x、y、z 方向的實(shí)際水流速度；c 為溶質(zhì)濃度；c0為初始濃度；φ為邊界溶質(zhì)通量。

2.3 模型的概化及網(wǎng)格劃分

本次模擬采用GMS 軟件的3D grid 模塊對(duì)研究區(qū)進(jìn)行離散化處理,并利用矩形網(wǎng)格進(jìn)行剖分,在污染源強(qiáng)位置進(jìn)行網(wǎng)格加密,最小網(wǎng)格間距為2 m×2 m,最大為15 m×15 m。本模擬根據(jù)鉆探資料將含水層概化為兩層,見圖1。

圖1 研究區(qū)網(wǎng)格劃分圖

2.4 水文地質(zhì)參數(shù)的確定

考慮到研究區(qū)的地層巖性情況,本模型將第一含水層劃分為兩個(gè)參數(shù)分區(qū),并根據(jù)本次野外抽水試驗(yàn)、試坑滲水試驗(yàn)、土壤測試及以往經(jīng)驗(yàn)值等獲得各層水文地質(zhì)參數(shù),見表1。

表1 模型采用的主要參數(shù)

3 污染泄露對(duì)地下水環(huán)境影響的模擬觀測分析

3.1 污染泄露預(yù)測情景及源強(qiáng)

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀及污染源的分布與類型,選取對(duì)地下水環(huán)境質(zhì)量影響符合較大的COD、氨氮作為預(yù)測因子。參考《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》（HJ 610-2016）對(duì)研究區(qū)開展正常與非正常工況兩種情景下模擬預(yù)測因子的運(yùn)移進(jìn)行預(yù)測分析,設(shè)定廠區(qū)內(nèi)污水處理設(shè)施為模擬泄露點(diǎn)。

根據(jù)《給排水水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50268-2008）中表5.1.3 條規(guī)定, 鋼筋混凝土水池滲水量不得超過2 L/（m2·d）, 初期雨水池防滲面積484.35 m2, 泄漏量為968.7 L/d,非正常工況下污染物泄漏量以允許泄漏量的10 倍計(jì),其泄漏量為9687 L/d。結(jié)合項(xiàng)目工程分析,確定研究區(qū)模擬滲漏點(diǎn)中COD 濃度為856 mg/L,氨氮濃度為25 mg/L。

3.2 地下水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測評(píng)價(jià)

根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目的過程特點(diǎn)及可能出現(xiàn)的污染事故,對(duì)正常工況、非正常工況條件下地下集水池污染物泄露100 天、1000 天、7300 天污染物的運(yùn)移進(jìn)行模擬預(yù)測。由于污染物在地下水系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程十分復(fù)雜,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)及生物化學(xué)反應(yīng)的影響。

研究區(qū)包氣帶厚度較薄,計(jì)算中不考慮包氣帶的截留和自凈作用,計(jì)算得出污染水進(jìn)入地下水的時(shí)間為31 天～218 天。COD 和氨氮標(biāo)準(zhǔn)值參考《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-2017）中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值,最大運(yùn)移距離的污染暈外圍以檢出限計(jì)。COD 污染物標(biāo)準(zhǔn)限值為3.0 mg/L,檢出限為0.5 mg/L；氨氮污染物標(biāo)準(zhǔn)限值0.5 mg/L,檢出限為0.02 mg/L。

3.2.1 正常工況下COD 和氨氮遷移模擬

正常工況下,在初期雨水池下游設(shè)置觀測井,觀測井內(nèi)監(jiān)測到的COD 濃度超過3.0 mg/L 或氨氮濃度超過0.5 mg/L立即采取措施,防治污染物泄露。正常工況下,COD 和氨氮的濃度變化及遷移距離見表2。

表2 不同時(shí)間COD 和氨氮的最大影響范圍及遷移距離

由模擬預(yù)測結(jié)果表2 可知：模擬情景下,初期雨水池（模擬泄漏點(diǎn)）泄漏7300 天（20 年）后COD 在第一含水層的污染暈沿地下水流方向上的最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為122.6 m,最大影響范圍8055.1 m2,最大超標(biāo)范圍1472.3 m2；在第一弱透水層運(yùn)移方向上最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為100.1 m,最大影響范圍6943.8 m2,最大超標(biāo)范圍0 m2；20 年后氨氮在第一含水層的污染暈沿地下水流方向上的最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為71.3 m,最大影響范圍2820.1 m2,最大超標(biāo)范圍124.3 m2；在第一弱透水層運(yùn)移方向上最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為54.3 m,最大影響范圍769.1 m2,最大超標(biāo)范圍0 m2。結(jié)果表明：正常工況下,20 年后COD 和氨氮在第一含水層和第一弱透水層中最遠(yuǎn)運(yùn)移距離均小于污染源與下游方向最敏感點(diǎn)石門湖相距的最短距離（685.9 m）；最大影響范圍和超標(biāo)范圍均未超出該園區(qū)范圍內(nèi)。因此,模擬泄漏點(diǎn)（初期雨水池）泄露在得到及時(shí)處理后,對(duì)附近敏感點(diǎn)處的地下水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)較低。

3.2.2 非正常工況下COD 和氨氮遷移模擬

非正常工況下,在初期雨水池及廠內(nèi)各廢水池下游設(shè)置觀測井,觀測井內(nèi)約100 天監(jiān)測到COD 濃度超過3.0 mg/L 或氨氮濃度超過0.5 mg/L,應(yīng)立即采取措施,終止污染物泄露。非正常工況下,COD 和氨氮的濃度變化及遷移范圍見表2。

由模擬預(yù)測結(jié)果表2 可知：模擬情景下,初期雨水池泄漏20 年后COD 在第一含水層的污染暈沿地下水流方向上的最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為194.3 m,最大影響范圍20449.2 m2,最大超標(biāo)范圍10932.9 m2；在第一弱透水層運(yùn)移方向上最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為179.7 m,最大影響范圍19757.9 m2,最大超標(biāo)范圍17762.1 m2；20 年后氨氮在第一含水層的污染暈沿地下水流方向上的最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為159.8 m,最大影響范圍13446.4 m2,最大超標(biāo)范圍722.3 m2；在第一弱透水層運(yùn)移方向上最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為146.1 m,最大影響范圍12767.1 m2,最大超標(biāo)范圍0 m2。結(jié)果表明：非正常工況下,20 年后COD 和氨氮在第一含水層和第一弱透水層中最遠(yuǎn)運(yùn)移距離均小于污染源與下游方向最敏感點(diǎn)石門湖之間最短距離；影響范圍雖然有所擴(kuò)展,但是最大影響范圍和超標(biāo)范圍均未超出該園區(qū)范圍內(nèi)。

4 結(jié)果與討論

在概化水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,利用GMS 軟件建立了地下水滲流和溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型,對(duì)模擬滲漏點(diǎn)中污染因子COD 和氨氮對(duì)第一含水層和第一弱透水層的污染情況進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)測,結(jié)果表明：1）污染物遷移的方向與地下水流方向一致。2）正常工況下,20 年后COD 和氨氮在第一含水層最大遷移距離分別為122.6 m 和71.3 m,在第一弱透水層最大遷移距離分別為100.1 m 和54.3 m,均小于污染源與下游方向最敏感點(diǎn)石門湖之間最短距離；3）非正常工況下,20 年后COD和氨氮在第一含水層最大遷移距離分別為194.3 m 和159.8 m,在第一弱透水層最大遷移距離分別為179.7 m 和146.1 m,均小于污染源與下游方向最敏感點(diǎn)石門湖之間最短距離。總體而言,模擬情景下預(yù)測20 年時(shí),雖然污染影響范圍有所擴(kuò)展,但是最大影響范圍和超標(biāo)范圍均未超出該園區(qū)范圍內(nèi),仍限于有效防護(hù)距離內(nèi)。因此,在污染源泄露得到及時(shí)的處理后,對(duì)敏感點(diǎn)處地下水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)低,為該區(qū)域?qū)ο滤乃|(zhì)提供了保障。