淄博開發區紙業公司搬遷改造對地下水環境的影響預測

孟祥彬，韓建江，賈超

(1.山東大學齊魯醫院，山東 濟南　250014；2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南　250014；3.山東大學土建與水利學院，山東 濟南　250061)

淄博開發區紙業公司搬遷改造對地下水環境的影響預測

孟祥彬1，韓建江2，賈超3

(1.山東大學齊魯醫院，山東 濟南250014；2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南250014；3.山東大學土建與水利學院，山東 濟南250061)

地下水資源是人類賴以生存和發展的重要保證，但我國地下水環境的形勢不容樂觀，對新建項目進行地下水環境影響預測并提出科學有效的地下水污染防治措施十分重要。該文以淄博開發區紙業公司搬遷改造項目為例，概化建立了水文地質概念模型，利用地下水非穩定流數值模擬對模擬范圍內地下水時空分布規律進行研究。在此基礎上，建立地下水溶質運移數值模型，選取COD、氨氮為污染因子，重點預測了非正常工況和事故工況下新建項目影響地下水環境的范圍及程度。結果表明，非正常工況下該新建項目對地下水環境的影響程度更大，但采取嚴格保護措施后可防止污水泄漏進而污染地下水。

水文地質概念模型；數值模型；地下水環境影響；淄博

引文格式：孟祥彬，韓建江，賈超.淄博開發區紙業公司搬遷改造對地下水環境的影響預測[J].山東國土資源，2015,31(10)：44-51.MENG Xiang bin，HAN Jian jiang，JIA Chao. Predication Study on Groundwater Environment Impact of a Paper Company Relocation Project in Zibo Development Zone[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(10):44-51.

0　引言

水資源是社會經濟可持續發展中至關重要的基礎資源[1]。近年來，我國地下水環境質量的形勢不容樂觀。根據國土資源部公布的《2013年中國國土資源公報》[2]，在全國4778個地下水水質監測點中，水質呈較差級和極差級的共有2845個，占59.6%。同時，工業排放污染物集中、濃度高[3]，是地下水污染的重要來源。以濟南為例[4-5]，泉域巖溶水有機污染物檢出率高達93%，且與有機污染有關的污染源主要為部分大中型企業。泰安及黃河三角洲地區地下水環境也面臨同樣問題[6-7]。因此，預防工業污染對改善地下水環境質量具有重要意義。2011年，環保部發布了《環境影響評價技術導則地下水環境(HJ610-2011)》，對環境評價工作提出了更高的要求[8]。

隨著地下水運動和溶質運移模擬技術的成熟，數值法已成為預測建設項目對地下水環境影響的重要方法，國內外學者在地下水污染質運移數值模擬和參數的確定方面做了大量研究工作。加拿大Borden基地、美國CapeCod基地與Columbus基地開展的大型野外試驗，大大豐富了地下水溶質運移的理論和方法，取得了寶貴數據[9]。林學鈺1985年建立了地下水污染模型，并對地下水水量水質模型及管理程序進行了總結[10]。吳吉春、薛禹群等針對山西柳林泉域建立了地下水流數值模型，預測了柳林電廠水源地投入使用后對區域地下水流場和柳林泉的影響[11-12]。此外，陳崇希、邵景力等也在地下水污染物運移研究方面取得了豐碩成果[13-15]。

淄博紙業公司現有廠區已不符合當地發展規劃，因此將現有5萬t再生文化紙項目搬遷至淄博開發區果周路以北、豬龍河以東，并建設年產10萬t再生文化紙項目。該文針對該項目建立了水文地質概念模型和數學模型，利用地下水數值模擬系統(GMS)進行地下水三維非穩定流和污染質運移數值模擬，預測該區域地下水時空分布規律，分析該項目的地下水環境影響，并提出預防措施。研究成果對預防區域地下水污染，改善地下水環境質量有借鑒意義。

1　水文地質概念模型

1.1模擬范圍地面高程及邊界條件

根據附近區域水文地質資料，張店斷層以西地下水為第四系孔隙水，以東為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。斷層東部地下水沿巖層向西運動，遇張店斷層阻隔轉向北東方向運動，對北部第四系孔隙水產生頂托補給。因此孔隙水含水層水文地質概念模型的東部邊界為張店斷層，邊界條件類型為流量邊界。

張店斷層以西的孔隙水水文地質單元在附近區域并無明顯的北、西、南邊界，因此根據淄博市開發區地下水等水位線圖(1∶50000)，概念模型的南、北邊界平行于地下水等水位線，西邊界垂直于地下水等水位線，北、西、南邊界均作為流量邊界。

評價范圍內地勢總體西南高，東北低，自然坡降(1～3)×10-3。淄博開發區內最高點高程61.41m，最低點高程41.00m。

1.2含水層組概化及水文地質參數選取

根據評價區域水文地質資料及水文地質剖面圖，評價區內普遍存在淺層潛水、微承壓水和深層承壓水。根據含水層巖性不同概化為3層，分別為粘質砂土潛水含水層、砂質粘土弱透水層、粗砂承壓含水層。

根據中國地質調查局主編的《地下水流數值模擬技術要求》和《水文地質手冊》，為3層各含水層及弱透水層選取參數經驗值作為模型識別、參數擬合的初值。水文地質模型參數初值如表1所示。

表1　水文地質概念模型參數取值

1.3源匯項概化

1.3.1大氣降水

根據淄博市水文局提供的降雨量資料，評價區內降水高度集中在6—10月份，約占全年降雨量的78.7%，雨季降水足以構成對地下水的入滲補給。模擬范圍內2011—2012年每月降雨量如圖1所示。

圖1　模擬范圍2011年--2012年月降雨量統計圖

參考中國地質調查局為“全國地下水資源及其環境問題調查評價”項目制定的《水文地質參數獲取方法技術要求》，根據不同非飽和帶巖性條件下，降水入滲補給系數與地下水埋深的相互關系，降雨入滲補給系數取值定為0.17。

1.3.2蒸發

根據《淄博國家高新技術產業開發區水資源綜合規劃》，評價區域內多年平均蒸發量為1252.9mm。

GMS中地下水蒸發模塊計算方法如下：

(1)

式中：R—地下水蒸發速率(LT-1)；Rmax—地下水最大蒸發速率(LT-1)；h—地下水水位(L)；h1—蒸發界面(L)；h2—蒸發終止界面(L)。

地下水水位達到或高于h1時，以Rmax速率蒸發，根據《水文地質手冊》，潛水蒸發系數取0.032[16]，并設定h1為地面高程以下2m。地下水水位達到或低于h2時，蒸發作用停止，設定h2為地面高程以下4m。

2　地下水流場時空分布規律模擬預測

根據水文地質概念模型中模擬范圍、邊界條件概化、含水層概化等條件，建立地下水非穩定流數學模型，并利用GMS系統的MAP模塊，使用MODFLOW概念建模法，建立地下水數值模型。根據現有的氣象水文和水位監測資料，將2011年1—12月作為數值模型識別期，選取2012年1—12月為數值模型檢驗期，通過參數擬合、模型檢驗考察評價區域內流場分布的變化情況，并作為地下水環境影響預測的基礎。

2.1地下水非穩定流數學模型

根據上述水文地質模型，可建立地下水非穩定流數學模型。

(2)

式中：Kxx，Kyy，Kzz為含水層組在各方向的滲透系數，μs為貯水率，H0(x,y,z)為模型初始條件，q1(x,y,z,t)為模型流量邊界條件。

2.2地下水非穩定流數值模型初始條件

由模擬區域地下水等水位線圖確定數值模型，初始流場如圖2所示。

圖2　數值模型初始流場等水位線圖

2.3地下水非穩定流數值模型識別

除邊界條件、初始條件以外，參數也是地下水流場的動態演變過程的重要控制因素，因此數值模型識別與參數反演是模擬建設中極為重要的部分。模擬范圍內有7個地下水水位監測點，可監測潛水層和承壓含水層水位，水位監測點分布如圖3所示。

圖3　地下水水位監測點位置分布圖

將2011年1—12月地下水水位監測結果作為數值模型識別資料，利用GMS的PEST參數反演模塊，得到粘質砂土潛水含水層和粗砂層壓含水層的滲透系數反演結果(圖4、圖5)。

圖4　粘質砂土潛水含水層滲透系數反演參數場

圖5　粗砂承壓含水層滲透系數反演參數場

2.4地下水非穩定流數值模型模擬結果及檢驗

根據水文地質概念模型及滲透系數反演結果，應用地下水非穩定流數值模擬方法，可得到模擬區域檢驗期(2012年1—12月)內地下水流場的時空分布規律。粘質砂土潛水含水層和粗砂承壓含水層枯水期和豐水期的流場等水位線圖見圖6、圖7。

圖6　粘質砂土潛水含水層地下水枯水期、豐水期水位等水位分布圖

圖7　粗砂承壓含水層地下水枯水期、豐水期水位等水位分布圖

由圖6、圖7可知，粘質砂土潛水含水層與粗砂承壓含水層地下水流場分布規律相近，水位相差較小。同時，相對于粗砂承壓含水層，粘質砂土潛水含水層地下水受降雨、蒸發影響較大，地下水水位隨季節變化較大。

選取1001，1003兩地下水水位監測點監測資料與非穩定流數值模型計算結果進行動態檢驗，檢驗結果如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知，地下水水位觀測值與數值模型計算值變化規律一致，相差較小，動態檢驗效果較好。

圖8　1001監測點地下水水位計算值與監測值擬合圖

圖9　1003監測點地下水水位計算值與監測值擬合圖

檢驗期數值模型地下水均衡量檢驗結果如圖10所示，地下水流出與流入差值為67m3，符合地下水均衡的原則。

圖10　數值模型地下水均衡量檢驗圖

3　地下水環境影響模擬預測

3.1污染物運移數值模型建立

3.1.1污水產生情況及污染因子濃度

該紙業公司搬遷改造項目共有3期工程，廠區內設有污水處理站，對生產污水進行初步處理后與生活污水一同排入光大水務(淄博)三分廠。該項目污水產生及回用情況如表2所示。根據項目污水水質狀況，選取COD、氨氮作為模擬預測污染因子，兩污染因子在廠區污水處理站出水中的濃度分別為415mg/L，6mg/L。

3.1.2模擬工況設置

該文選擇正常工況、非正常工況、事故工況3種情景模式，預測該搬遷改造項目在20年內各污染因子的運移和分布狀況。

表2　項目污水產生及回用情況

(1)正常工況。正常工況是指廠區內污水處理站及污水管線各部分運行正常并采取了正確的防滲保護措施，污水不發生滲漏、泄漏，因此建設項目不會對地下水環境產生不良影響。

(2)非正常工況。非正常工況是指生產設備、污水處理設備或管線由于連接處開裂或腐蝕磨損等原因，發生污水滲漏，污水滲漏量較小但一直持續。該文非正常工況下污水滲漏點位于污水處理站出水管線處。污水滲漏強度通過下式計算。

(3)

式中：Q—污水滲漏強度(m3/d)；A—滲漏面積(m2)；K—包氣帶垂向滲透系數(m/d)；i—污水垂向滲透梯度。

假定管道出現長1m、寬3cm的裂縫，垂向滲透系數i近似取為1，根據滲透系數反演結果取K=0.08m/d，則污水滲漏強度為0.0024m3/d。污染源類型為連續污染源。

(3)事故工況。事故工況是指污水處理設施出現不可預見的突發事故，發生大量污水泄漏。滲漏修復時間定為1d。該文事故工況下污水泄漏點位于污水處理站出水管線處。3種模擬工況定義及污染源強度總結如表3所示。

表3　模擬工況定義及污染源強度

3.1.3彌散度取值

根據擬建項目勘探資料及彌散系數經驗值，彌散度取值為0.5m。

3.1.4污染因子標準限及最低檢出限

根據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)及《地下水質量標準》(GB14848-93)，COD最低檢出限及Ⅲ類地下水下的標準限分別為10mg/L，20mg/L；氨氮最低檢出限及Ⅲ類地下水的標準限分別為0.04mg/L，0.2mg/L。

3.2污染物運移數值模擬及結果分析

3.2.1正常工況

根據正常運行工況的定義，正常運行工況下廠區的各部分運行正常并采取了正確的防滲保護措施，建設項目不會對地下水水質產生影響，因此不需要模擬正常運行工況下建設項目對地下水水質的影響。

3.2.2非正常工況

為了查明非正常工況下各污染因子濃度分布隨時間的變化規律，展示事故發生后100d，300d，1000d，3000d，7200d 5個時間點的模擬結果。COD、氨氮在各時間點的濃度分布模擬結果如圖11、圖12所示。COD、氨氮的最大污染濃度隨時間變化曲線如圖13、圖14所示(污染濃度最大處位于污水滲漏處)。

在COD污染羽分布云圖中，污染羽邊界的濃度為1mg/L。在污水持續滲漏300d時，COD的分布呈現各向異性的趨勢，主方向為南北方向。7200d后，以1mg/L為界，COD最大運移為1012m，到達北部徐斜村，以10mg/L，20mg/L為界，COD最大運移距離分別為449m，200m。

在氨氮污染羽分布云圖中，污染羽邊界的濃度為0.01mg/L。在污水持續滲漏300d時，氨氮的分布呈現各向異性的趨勢，主方向為南北方向；7200d后，以0.01mg/L為界，氨氮最大運移為1047m，到達北部徐斜村，以0.04mg/L，0.2mg/L為界，氨氮最大運移距離為分別為873m，339m。

圖11　非正常工況下COD各時間點污染羽分布云圖

圖12　非正常工況下氨氮各時間點污染羽分布云圖

圖13　COD最大污染濃度隨時間變化曲線

圖14　氨氮最大污染濃度隨時間變化曲線

分析COD、氨氮最大污染濃度隨時間變化曲線可知，COD最大污染濃度在污水持續滲漏600d，3000d后超過最低檢出限和標準限，氨氮最大污染濃度在70d，1400d后超過最低檢出限和標準限。7200d時，COD和氨氮的最大污染濃度分別達到38.4mg/L和0.55mg/L，且均呈上述趨勢，說明非正常工況下污水持續滲漏對地下水的影響將7200d后繼續擴大。

3.2.3事故工況

為了查明事故工況下各污染因子濃度分布隨時間的變化規律，選擇污水入滲量占滲漏量20%的情況，展示事故發生后10d，100d，300d，1000d，7200d- 5個時間點的模擬結果。COD、氨氮在各時間點的濃度分布模擬結果如圖15、圖16所示。COD、氨氮在事故發生處的污染濃度隨時間變化曲線如圖17、圖18所示。

在圖15、圖16中，COD、氨氮在事故發生10d，

圖15　事故工況下COD各時間點污染羽分布云圖

圖16　事故工況下氨氮各時間點污染羽分布云圖

圖17　COD在事故發生處的污染濃度隨時間變化曲線

圖18　氨氮在事故發生處的污染濃度隨時間變化曲線

100d，300d，1000d時的污染羽分布云圖邊界濃度分別為1mg/L，0.01mg/L，在7200d時的云圖邊界濃度分別為0.1mg/L，0.005mg/L。分析模擬結果可知，事故工況下，兩污染因子的污染羽分布云圖中心隨污染物運移向北運動，在7200d時達到北部徐斜村。與此同時，污染羽分布面積逐漸擴大，污染物濃度逐漸降低，COD、氨氮的最大污染濃度(不在污水泄漏處)分別在100d，300d時低于Ⅲ類地下水標準限，在300d，2700d時低于檢出限。由于污染羽中心北移，泄漏事故發生處地下水中的COD和氨氮分布濃度隨時間迅速下降。

4　結論

(1)針對淄博市紙業公司搬遷改造項目，分析了附近區域水文地質、工程地質資料，劃定模擬范圍，概化含水層分布、源匯項等條件，建立水文地質概念模型，進而建立地下水非穩定流數學模型和數值模型，反演得到了粘質砂土潛水含水層和粗砂承壓含水層的滲透系數反演場。兩含水層的地下水流場模擬結果反映了該區域地下水時空分布的實際狀態。

(2)在建立污染物運移數值模型的基礎上，重點預測非正常工況、事故工況下新建項目對地下水環境的影響。計算結果表明，非正常工況下COD、氨氮的最大污染濃度(污水滲漏處)在7200d時分別達到38.4mg/L和0.55mg/L，均超過Ⅲ類地下水標準限且呈上升趨勢。以標準限為界兩污染因子的最大運移距離分別達到200m，339m，新建項目對地下水環境有一定影響，需采取嚴格的防滲措施；事故工況下COD、氨氮污染羽分布云圖中心隨污染物運移向北運動，在7200d時達到北部徐斜村，雖然污染范圍略有擴大，但COD、氨氮的最大污染濃度(不在污水泄漏處)分別在100d，300d時低于Ⅲ類地下水標準限，新建項目對地下水環境影響不大。

(3)根據模擬結果分析，非正常工況下的污水持續泄漏將對附近區域的地下水環境產生一定影響，因此需在廠區加強工業污水、生活污水處理設施、輸送設施管理，防治發生污水持續滲漏或泄漏事故，同時建立地下水水質監測系統，加強水質監測，做到地下水污染快速發現、迅速處理。在采取嚴格的保護和監測措施后，該建設項目可行。

[1]張壽全.中國水環境與水資源可持續利用若干問題[J].工程地質學報，1999,7(3)：250-256.

[2]中國國土資源部.2013年中國國土資源公報[2014-04-22].[EB/OL].http://www.mlr.gov.cn/xwdt/jrxw/201404/t20140422_1313354.htm.

[3]文冬光，林良俊，孫繼朝，等.中國東部主要平原地下水質量與污染評價[J].地球科學——中國地質大學學報，2012,37(2)：220-228.

[4]徐建國，朱恒華，徐華，等.濟南泉域巖溶地下水有機污染特征研究[J].中國巖溶，2009,28(3)：249-254.

[5]高殿琪.濟南市環境水文地質現狀及保泉問題[J].山東地質，1988，4(2)：90-98.

[6]馬振民，石冰，高宗軍.泰安市地下水污染現狀與成因分析[J].山東地質，2002，18(2)：24-28.

[7]張波，劉桂儀，范立芹,等.黃河三角洲南部地下水環境問題與對策[J].山東國土資源，2004，20(5)：51-54.

[8]龔星，陳植華，孫璐.地下水環境影響評價若干關鍵問題探討[J].安全與環境工程，2013，20(2)：95-99.

[9]薛禹群.中國地下水數值模擬現狀與展望[J].高校地質學報，2010，16(1)：1-6.

[10]林學鈺，侯印偉，鄒立芝，等.地下水水量水質模型及管理程序集[M].長春：吉林科學技術出版社，1985.

[11]吳吉春，薛禹群，黃海，等.山西柳林泉域地下水數值模擬[J].水文地質工程地質，2001，(2)：18-20.

[12]吳吉春，薛禹群，黃海,等.山西柳林泉裂隙發育區溶質運移三維數值模擬[J].南京大學學報(自然科學版)，2000，36(6)：728-734.

[13]陳崇希，林敏，朱偉武，等.運城市地下水咸化趨勢預測——準三維數值模擬方法[J].地球科學——中國地質大學學報，1993，18(1)：49-58.

[14]李國敏，陳崇希.空隙介質水動力彌散尺度效應的分形特征及彌散度初步估計[J].地球科學——中國地質大學學報，1995，20(4)：405-409.

[15]呂曉立，邵景力，劉景濤，等.某石油化工廠污染場地下水中揮發有機物污染特征及成因分析[J].水文地質工程地質，2012，39(6)：97-102.

[16]中國地質調查局.水文地質手冊(第二版)[M].北京：地質出版社，2012.

Predication Study on Groundwater Environment Impact of a Paper Company Relocation Project in Zibo Development Zone

MENG Xiang bin1，HAN Jian jiang2，JIA Chao3

(1.Qilu Hospital of Shandong University，Shandong Jinan 250061，China；2. Shandong Geo-engineering Exploration Institute，Shandong Jinan 250014，China；3. Civil and Hydraulic Engineering School of Shandong University，Shandong Jinan 250061，China)

Groundwater environment is the important guarantee for human survival and social development. But the situation of groundwater environment is not optimistic in our country. It is essential to predicate the impact of a new built project and put forward scientific and effective groundwater pollution prevention and control measures. Aiming at a relocation project of a paper company in Zibo city, the concept model of hydrogeology has been set up and the temporal and spatial distribution of groundwater has been studied by building transient groundwater numerical simulation model. On this basis, numerical simulation of contaminants migration has been built. Choosing COD and NH3-N as the pollution factors, the influence of the new building project in abnormal and accidental condition has been predicated. It is showed that persistent leakage of sewage will have more negative influence to the groundwater environment. The project is feasible after taking strict protection measurements and preventing leakage of waste water.

Concept model of hydrogeology；numerical simulation model；groundwater environment impact; Zibo city

2014-12-08；

2015-01-22；編輯：王敏

孟祥彬(1975—)，男，山東成武人，工程師，主要從事水工環地質工作；E-mail：sdwshch@163.com

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