基于Visual MODFLOW的某化工廠地下水環境預測研究

李陽　于茵　高程

摘要：指出了石油化工是高污染行業，由于污水的不合理排放以及在生產過程中的跑、冒、滴、漏等，大量有毒有害的污染物進入地下水系統，對地下水環境造成影響，制約著經濟社會的發展，危害人類身體健康。基于此，應用Visual MODFLOW 軟件模擬了某化工廠運營期可能產生的污染物在地下水環境中的溶質運移情況，并據此提出了防控措施，以期為我國化工行業的地下水環境保護提供技術支持和借鑒。

關鍵詞：地下水環境；數值模擬；溶質運移

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）18008806

1引言

近幾十年來，隨著經濟社會的快速發展和城市化進程的不斷加快，工業“三廢”的排放、農藥和化肥的大面積施用、生活垃圾和污水的大量排放導致大部分水體受到污染，由此造成的地下水環境污染問題也日趨嚴重＼[1＼]?；ば袠I是國民經濟基礎性戰略產業，也是我國的支柱產業之一，然而化工企業在生產運營期間會引起污水、工業廢棄物污漏液滲漏而進入地下水，將對地下水系統造成不同程度的污染＼[2＼]，且石油及化工產品苯及其同系物、苯酚、高分子聚合物等有機物都是生物難以降解的，對人類健康危害極大，甚至有許多是致癌物質?？梢哉f地下水中石化產品的廣泛存在，是構成全球性腫瘤的一個重要因素＼[3＼]。為貫徹《中華人民共和國環境保護法》、《中華人民共和國水污染防治法》和《中華人民共和國環境影響評價法》，規范和指導地下水環境影響評價工作，保護環境，防治地下水污染，環保部于2016年第1號文件發布了《環境影響評價技術導則—地下水環境》＼[4＼]，由此揭開了我國保護地下水環境的新篇章。

近十余年來，隨著計算機的進一步更新換代以及數值計算理論方法的深入研究，數值模擬逐漸取代傳統的地下水資源評價方法，成為地下水資源評價的主要手段＼[5＼]。當今流行的地下水數值模擬軟件有基于有限元原理的FEFLOW和基于有限差分原理的GMS以及Visual MODFLOW等＼[6＼]。

由于具有強大的可視化與模擬功能，Visual MODFLOW 成為目前國際上最盛行，且被各國同行一致認可的三維地下水流和溶質運移模擬評價軟件＼[7＼]。本文首先對Visual MODFLOW基礎理論和軟件情況作簡單介紹，在此基礎上應用Visual MODFLOW軟件，模擬某化工廠運行期間地下水流場和溶質運移情況，為該項目地下水水質預報及污染治理提供科學依據。

2Visual MODFLOW軟件介紹

Visual MODFLOW 是由加拿大 Waterloo Hydrogeology 公司在 MODFLOW 的基礎上應用現代可視化技術開發研制的，主要通過其內含的MODFLOW、MODPATH、MT3DMS、PEST、ZONEBUDGET等模塊，進行三維水流、溶質運移、生物降解等模擬計算的可視化專業軟件系統。由于具有廣泛適用性、高可視化程度、快速求解等優點＼[8～12＼]。自問世以來，在全世界范圍內的水資源利用、環境保護、城鄉發展規劃等許多行業和部門得到了廣泛的應用＼[13，14＼]。

MT3DMS是目前應用最為廣泛的三維地下水溶質運移模型。不但能模擬地下水中污染物的對流、彌散，而且能夠同時模擬多種污染物組分在地下水中的運移過程以及它們各自的變化反應過程（不包括各種組分之間的化學反應），包括平衡控制的等溫吸附過程、非平衡吸附過程、放射性衰變或簡單生物降解過程。地下水溶質運移數值模擬是在地下水流場模擬基礎上進行。如果不考慮污染物在含水層中的吸附、交換、揮發、生物化學反應，地下水中溶質運移的數學模型可以表示為：

3Visual MODFLOW軟件的應用

3.1工程概況

本項目位于四川省某市，為一石化、化工行業中涂料、染料、顏料、油墨及其類似產品制造工程，根據《環境影響評價技術導則—地下水環境》（HJ610-2016）附錄A，屬I類項目。項目周邊均為園區工業企業及荒地，周邊1 km范圍內無住戶。園區已實現自來水集中供水，供水水源為地表水。評價區內居民飲用水及灌溉水均來自地表水體，且無與地下水相關的水源保護區和其他資源保護區，項目地下水環境敏感程度為不敏感。因此，確定本項目地下水環境影響評價工作等級為二級。

正常工況下，項目采取嚴格的防滲、防溢流、防泄漏、防腐蝕等措施，項目防滲措施完整，一般情況下物料或污水等不會滲漏和進入地下，對地下水不會造成污染。以上分析表明，因防滲層對污廢水的阻隔效果，項目場地在正常運行工況下，對地下水環境影響小，本次預測重點為事故條件下地下水環境影響預測與評價。

3.2水文地質條件

根據區域地質資料及現場勘察試驗，可知項目場地及周邊的地層主要為三疊系上統大菁組（T3dq）砂巖。地下水類型主要為碎屑巖類孔隙裂隙水，由于節理裂隙發育，總體富水性中等，為項目區主要含水層。該層具有比較穩定的地下潛水面，水位埋深1～6 m。pH值為7.34，區內地下水的水化學類型為SO4·Cl-Ca型水。地下水礦化度在642.5 mg/L，均<1 g/L，屬于弱礦化度水。

區內地下水主要接受大氣降雨入滲補給，僅在豐水期河流水位上漲速度高于地下水水位漲幅時存在河流補給地下水的情況，地下水接受補給后，在裂隙中賦存運移，并受當地水文地質條件控制自西向東運移，并最終以泄流方式排泄進入當地控制性水體，參與更高一級水循環。

3.3評價區水文地質概念模型

3.3.1水文地質模型概化

本項目無重質非水相污染物，污染物泄露后將會污染潛水含水層，因此本次地下水模型主要模擬評價區域內的潛水含水層。同時根據本次項目地下水系統的內部結構、外部結構、邊界條件、水文地質參數等進行分析研究，可概化為：非均質各向同性的三維地下水流場。由于受觀測資料的限值及研究區地下水多年動態變化較穩定（多年水位變化1～3 m），本次模擬將研究區地下水含水系統概化為穩定地下水流系統。endprint

3.3.2模擬流場及初始、邊界條件

以2016年3月地勘報告中的實測的地下水水位作為模擬流場。源匯項主要包括大氣降水、河溝排泄、蒸發排泄等，各項均按要求換算層相應區上的強度，分配到相應的單元格上。

研究區含水層系統側向邊界概化為：南部邊界和北部邊界為排水溝，設定為排水溝邊界；東部邊界為一條河流，設定為定水頭邊界；西部邊界局部為分水嶺設為零流量邊界，其余部分設置為通用水頭邊界，邊界流量利用達西定律確定。在垂向上，淺層含水層自由水面為系統的上邊界，通過該邊界，與系統外發生垂向交換。潛水含水層下部相對隔水層作為系統下邊界為零流量邊界。

3.3.3網格剖分

模擬區東西方向作為模型的x軸方向，長度3000 m，每30 m劃分一個網格；南北方向作為模型的y軸方向，寬3000 m，每30 m劃分一個網格；垂直于xy平面向上為模型的z軸正方向，模擬范圍900～1400 m，垂向上均分為3層。網格剖分結果如圖1所示?？臻g三維模型建立如圖2所示。

3.3.4模型參數賦值

由于項目區域鉆孔揭露的巖層分布較連續穩定，同時參照項目區水文地質圖，項目區屬同一含水層類型，因此本次模擬在水平方向上未對模擬區含水層滲透系數進行分區，在垂向方向上結合巖土層滲透性能的不同進行了分區；同時，含水層垂向滲透系數賦值一般取為水平滲透系數的十分之一。含水層滲透系數的賦值主要參照本項目工程地質勘察報告成果、1∶20萬區域水文地質報告及導則中的經驗值，具體參數見下表1。

3.4評價區地下水環境模擬與預測

3.4.1模擬結果分析

按照前述建立的數值模型、邊界條件和計算參數，以穩定流模擬結果作為初始滲流場，見圖3。

3.4.2模型的驗證識別

模型的識別和驗證是整個模擬中極為重要的一步工作，通常要進行反復地調整參數才能達到較為理想的擬合結果。模型識別和驗證過程采用的方法也稱試估-校正法，屬于反求參數的間接方法之一。

運行計算程序，可得到在給定水文地質參數和各均衡項條件下的模擬區地下水流場，通過擬合同時期的統測流場，識別水文地質參數和其它均衡項，使建立的模型更加符合模擬區的水文地質條件。

模型的識別和驗證主要遵循以下原則：①模擬的地下水流場要與實際地下水流場基本一致；②從均衡的角度出發，模擬的地下水均衡變化與實際要基本相符；③模擬的水位動態與統測的水位動態一致；④識別的水文地質條件要符合實際水文地質條件。

本次地下水位分布基本和地形變化一致，水力坡度從山頂至金沙江水逐漸減少，流場基本合理。在平面上，模擬區潛水含水層觀測水位和計算水位擬合效果較好。本次模擬在項目場地東側廠界設置一處觀測孔，用以驗證其模擬計算水位與實際工程地勘中的實際觀測水位之間的匹配性。根據預測，場地附近地下水水位高程約1198.82 m，這與廠區18個鉆孔中的平均水位（1198.20 m）基本相符。由上分析可知，穩定流運行結果可以作為本次模擬的初始滲流場（圖4）。

3.5地下水溶質運移預測模型

3.5.1參數的確定

通常，空隙介質中的彌散度隨著溶質運移距離的增加而加大，這種現象稱之為水動力彌散尺度效應。水動力彌散效應的存在為模擬和預測地下水中溶質在介質中的運移規律帶來了困難。其具體表現為：野外彌散試驗所求出的彌散度遠遠大于在實驗室所測出的值，相差可達2～4個數量級。即使是同一含水層，溶質運移距離越大，所計算出的彌散度也越大。橫向彌散度的取值依據美國環保署（EPA）提出的經驗數據：橫/縱向彌散度比一般為0.1。本次溶質運移模型中介質彌散度的確定結合了Gelhar，L.W在“A critical review of data on field-scale dispersion in aquifers”以及李國敏，陳崇希在“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”進行估算，同時根據攀枝花以往的彌散試驗進行修訂。最終確定的溶質運移模型參數為：縱向彌散度為10 m；橫向彌散度為1.0 m。

本次模擬區自然條件相對穩定，降水量、蒸發量等值年際變化不大，模擬區地下水未來開采量可近似等于現狀開采量。因此，可認為模擬區地下水系統的源匯項基本不變，對污染物在地下水中的遷移的預測，可基于前面已建的地下水流模型的源匯項條件和含水層參數特征進行。

模擬期為20年。

3.5.2預測情景及污染物源強

本項目將運行期間的非正常狀況定義為：廢水收集池受地質災害等因素的影響，池體構筑物及防滲系統出現裂縫，廢水沿此裂縫下滲，裂縫面積占總池體底面積10%；項目場地罐區儲罐發生泄漏且底部圍堰防滲系統出現裂縫，廢水沿此裂縫下滲，裂縫面積占總池體底面積10%。

甲苯、柴油及污水泄漏（泄漏時間按1 d考慮，監測井中污染離子濃度異常升高，廠區暫停運行）后進入地下，首先在包氣帶中垂直向下遷移，并進入到含水層中。污染物進入地下水后，以對流作用和彌散作用為主。另外，污染物在含水層中的遷移行為還包括吸附解析、揮發和生物降解。根據本項目污染物的理化特征，出于保守性考慮，本次地下水污染模擬過程中未考慮污染物在含水層中的揮發、吸附解析和生物化學反應。污染物的排放形式可概化為點源，排放規律甲苯泄漏（泄漏時間持續1d）可簡化為瞬時點源排放，廢水池泄漏（泄漏時間持續300d）簡化為連續恒定排放。本次模擬預測事故工況下污染物在地下水中遷移過程，進一步分析污染物影響范圍、超標范圍和污染羽濃度變化。

假設池體中廢水下滲進入地下水系統符合達西定律，滲濾液下滲量可按下式計算：

Q=K×i×A

式中：Q為下滲量（m3/d）；K為滲透系數（m/d）；i為水力坡度（無量綱）；A為面積（m2）。endprint

根據項目可研報告，可獲取各圍堰、池體設計尺寸及面積，并根據各構筑物的防滲設計，可以計算出各工況下的水力坡度，再根據有關資料對防滲層的滲透系數進行取值后，便可計算出各工況下各構筑物污水下滲量（各構筑物下滲量結算結果見表2）。

3.5.3地下水環境影響預測分析

綜合考慮地下水流向、周圍敏感點的分布有針對性的開展模擬計算。標準限值參照《地下水質量標準》（GB/T14848-93）Ⅲ類標準；甲苯標準限值參照《地表水環境質量標準GB3838-2002》，檢出下限參照《地下水環境檢測技術規范（HJ/T164-2004）》（表3和表4）。當預測結果小于檢出限時則視同對地下水環境幾乎沒有影響。

用模擬結果可以看出，甲苯罐泄漏、圍堰池底破裂致使甲苯下滲對潛水含水層造成影響，并存在超標現象，但是隨著污染物的擴散，超標面積逐漸縮小至零。廠界東側50 m距離的監測點JC01在80 d左右會檢出甲苯，此時未存在超標現象；監測點JC01在120 d左右會檢測出超標現象。在2290 d左右區域甲苯超標現象會消失，4120 d左右污染物對潛水含水層的影響將消失（表5）。

（2）非正常狀況下，COD運移模擬情況如圖6。

用模擬結果可以看出，廢水池底破裂致使廢水下滲對潛水含水層造成影響，并存在超標現象，但是隨著污染物的擴散，超標面積逐漸縮小至零。廠界東側監測點JC01在60 d左右會檢出COD，此時未存在超標現象；監測點JC01在90 d左右會檢測出超標現象。在1710 d左右COD超標現象會消失，4480 d左右污染物對潛水含水層的影響將消失（表6）。

根據本工程建設對地下水的環境影響特點，建議本項目地下水污染防治措施按照“源頭控制、分區防治、污染監控、應急響應”相結合的原則，從污染物的產生、入滲、擴散、應急響應進行控制。

（1）參照《石油化工工程防滲技術規范》（GB/T50934-2013），根據項目區各生產、生活功能單元可能產生污染的地區，做好分區防滲工作。

（2）設置場地下游地下水環境監測井設置，作好例行監測和數據管理工作，提交跟蹤監測報告，并對建設項目特征因子的監測值進行公開發布。

（3）作好風險事故應急響應機制。

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Prediction of Groundwater Environment of a Chemical Plant Based on Visual MODFLOW

Li Yang1，Yu Yin2，Gao Cheng2

（1. Sichuan Environmental & Engineering Appraisal Center， Chengdu 610041，China；

2. Sichuan Research Institute of Environmental Protection，Chengdu 610041， China）

Abstract： The chemical industry is a high contaminative business. Because of the unreasonable discharging sewage and the running， dripping， leaking in production process， a large amount of poisonous and harmful organic pollution enters the groundwater system， which has an impact on the groundwater environment even restricts the development of economy and society and further endanger human health. Solute transport situation uses Visual MODFLOW software to simulate a chemical plant of pollutants in the groundwater environment. Prevention and control measures are put forward thus providing technical support and reference for groundwater environmental protection of Chinas chemical industry.

Key words： groundwater environment； numerical simulation； solute transportendprint