火力發電廠地下水環境影響評價的工程實踐

王延輝，單 波，寇曉嵐

(中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710032)

隨著環境污染對水源水質的影響越來越重，保障和提高水質已成為關系到國計民生的大事，國家對地下水環境的保護力度也逐漸加大，火力發電廠項目對環境保護方面的要求越來越高，根據國家環保部2011年發布的《環境影響評價技術導則 地下水環境》(HJ 610－2016，2016年第一次修訂)，以地下水作為供水水源以及對地下水環境可能產生影響的建設項目必須進行地下水環境影響評價工作。電廠項目因為存在潛在污染源，也必須進行地下水環境影響評價。

地下水環境影響評價專題工作自2011年開始，初期因地下水環境導則的針對性比較寬泛，使其在各行業具體應用時也存在一些分歧，電力工程地下水環境勘測評價工作的開展也經歷了最初幾年的摸索，最終取得了一些行業共識，尤其是2015版導則發布又執行了一段時間之后，隨著電力工程專業技術人員技術水平的提升和實踐經驗的積累，火力發電廠地下水的環境影響評價工作日益成熟。中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司(以下簡稱西北院公司)已于2009年開展電廠的地下水環境勘察工作，2011年地下水導則發布之后，依托原有水文地質專業團隊，積極組織相關技術人員參加各類培訓，迅速掌握了地下水環境影響評價技術，至今已完成此類項目近40項。

本文以西北院公司2017年完成的一項火力發電廠的地下水環境影響評價實際工程為例，介紹了最新的火力發電廠地下水環境影響評價工程經驗，其中重點對地下水模擬評價部分進行了闡述，通過對該電廠廠址水文地質條件的概化，建立地下水水流模型，確定能夠真實刻畫研究區地下水水流特征的地下水水流模型，計算在不同情景下污染因子對研究區保護目標的地下水環境影響情況。

1 基本條件

1.1 評價等級及范圍

根據Ⅰ類建設項目地下水評價工作的等級指標，火電建設項目由于廠區污染物存貯建筑物在事故工況下發生少量污水泄漏將有可能造成周邊地下水水質污染。因此，根據《環境影響評價技術導則地下水環境》(HJ610－2016)的相關規定，本電廠工程屬于Ⅰ類建設項目。

按照地下水導則要求并結合本工程周邊的區域地質條件、水文地質條件、地形地貌特征和地下水保護目標，確定區域水文地質評價范圍：西側以天堂河為界，東側以小庵川為界，南側廟溝－西溝－西河一帶為界，調查范圍約51.5 km2；建設項目評價區范圍西側以天堂河為界，東側以天堂河和小庵川之間的分水嶺為界，南側以園子坪溝為界，評價范圍約10.4 km2。

根據本地區環境現狀調查分析，并結合本工程主要污染物特征，預計工程建設后可能對廠址區、灰場區潛水及其徑流下游的分散式飲用水水源井有影響。因此，本項目的地下水環境保護目標為廠址區和灰場區下游村莊分散式生活飲用水水源井。

1.2 水文地質條件

建設項目評價區內有少量飲用及灌溉用水井開采上層潛水，下部承壓水暫時沒有開采，承壓水與潛水之間存在大厚度泥巖隔水層，故評價區以上部潛水為目的含水層。評價區內上層潛水表現為三種類型。

(1)黃土梁區下部溢出泉水，評價區內泉水普遍流量較小，一般2～5 m3/d，屬極弱富水性區，泉水一般根據地形自上而下流入下游河谷或中途滲入地下補給下游第四系全新統沖洪積含水層。

(2)河谷川道區第四系全新統沖洪積層孔隙潛水，在評價區主要分布于天堂河、園子坪溝溝谷谷底及兩岸，呈帶狀分布，天堂河溝底沖、洪積堆積物結構松散，孔隙率大，透水性相對強，單井出水量一般介于100～500 m3/d，局部可達720 m3/d，屬水量中等富水性分區，園子坪溝溝底沖、洪積堆積以粉土為主，混少量砂卵石，受地層影響，其單井出水量一般小于100 m3/d，屬弱富水性分區。

(3)黃土下伏紅粘土及第四系下伏基巖中的孔隙裂隙水，黃土層及沖積層與下伏紅粘土及基巖風化帶之間無隔水層存在，水力聯系密切，紅粘土因夾多層姜石層故有一定含水性，評價區下伏基巖以泥巖為主夾多層砂巖、砂質泥巖等，基巖裂隙發育程度弱，紅粘土及基巖裂隙透水性能較弱，地下水流通條件、賦存條件極差，富水性極弱，且基巖風化帶孔隙裂隙水分布不連續，該層水單井出水量不均勻，一般小于100 m3/d，屬弱富水性分區。

2 地下水流及溶質運移數值模型

2.1 模擬軟件選擇

地下水評價評價選取Visual Mod flow軟件，該軟件是目前國際上最流行且被各國一致認可的三維地下水流和溶質運移模擬評價的標準可視化專業軟件系統。軟件包由水流評價(Mod flow)、平面和剖面流線示蹤分析(Modpath)和溶質運移評價(MT 3D)三大部分組成，并且具有強大的圖形可視界面功能。設計新穎的菜單結構允許用戶非常容易地在計算機上直接圈定模型區域和剖分計算單元，并可方便地為各剖分單元和邊界條件直接在機上賦值，做到真正的人機對話。該軟件合理的菜單結構、友好的界面和功能強大的可視化特征和極好的軟件支撐使之成為許多地下水模擬專業人員選擇的對象。其已經普遍應用于我公司承擔的所有地下水環境影響評價項目，工程實踐證明，其運行可靠，模擬結果較符合實際情況，應用效果良好。

2.2 水文地質概念模型

結合廠址周邊地質條件、水文地質條件、地形地貌特征、地下水保護目標和污染物可能的遷移路徑確定模擬范圍面積約5.8 km2，范圍內有河谷川道區和黃土梁區兩種地貌單元。評價區內潛水含水層地下水埋深較淺，巖性為砂卵石和粉土，空間分布連續穩定，將潛水含水層劃分成一層，靠近河流的河谷川道區地下含水層巖性為砂卵石，厚度平均6.5 m，黃土梁區地下含水層巖性為第四系粉土，平均厚度30 m。模型的邊界均為流量邊界，通過通用水頭邊界刻畫。

2.3 水流運動與溶質運移數學模型

模擬區地下水流系統可用下列的數學模型表述：

式中：Ω為地下水滲流區域；H為地下水水頭(m)；h為含水層含水厚度(m)；S1為模型的第一類邊界；S2為模型的第二類邊界；q2為邊界流量 (m3/d)；kxx，kyy，kzz為分別為x，y，z主方向的滲透系數(m/d)；μ為給水度；w為源匯項，單位時間在垂向上單位面積含水層中

補給(排泄)的水量(m/d)。

本次建立的地下水溶質運移模型是在三維水流影響下的三維彌散問題。溶質運移的三維水動力彌散方程的數學模型如下：

式中：C為地下水中組分的溶解相濃度(ML－3)；θ為含水介質的孔隙度，無量綱；t為時間(T)；xi為沿直角坐標系軸向的距離，L；Dij為水動力彌散系數張量(L2T－1)；Vi為孔隙水平均實際流速(LT－1)；qs為含水層內源/匯的體積流量(T－1)；Cs為源或匯水流中組分的濃度(ML－3)；

在模擬污染物擴散時，不考慮吸附作用、化學反應等因素，重點考慮對流、彌散作用。

初始濃度定為0 mg/L，具體表述為：

地下水模擬將含水層各個邊界均看做二類邊界條件(Neumann邊界)，且穿越邊界的彌散通量為0，具體可表述為：

式中：Γ2為Neumann邊界。

2.4 地下水水流模型建立

本文利用數值軟件Visual MODFLOW建立本工程廠址區的地下水流和溶質運移模型，經校正后對廠址區地下水環境影響進行預測及評價。

在平面上為提高模型的精度，將全區概化為潛水含水層，含水層剖分為1層，共剖分有效單元約92800個。最大單元格為15 m×15 m，最小單元格為5 m×5 m。針對廠址與灰場泄漏點附近及其下游區域單元格進行了加密。

進行模擬預測前，必須對數值模型進行參數識別，結合評價區水文地質條件以及現場抽水試驗的結果，并通過模型計算水位和實測水位擬合分析，反復調整參數，最終得到了含水層參數。將模型穩定流水位模擬結果與實測流場進行對比，得到流場擬合效果見圖1。

圖1 廠址區模擬水位擬合圖

3 預測情形及結果

3.1 風險事故情景設計

針對風險事故情景設計，主要考慮到擬建本期工程在建設階段、生產運行階段的正常工況及服務期滿后的階段時對地下水環境基本沒有影響或影響很弱，不會對地下水造成污染；因此，本次預測主要針對的是擬建本期工程生產運行階段的事故工況，并重點考慮可能出現的、由地下水污染物遷移對地下水環境產生影響的事故泄漏點設有防滲措施，最終確定三種預測情景：防滲出現破損情況下，即生活污水池、脫硫廢水池和灰場發生污染物泄漏。

預測時假設在廠址區防滲破損5%的情況下，計算模擬各泄漏點處的污染因子的運移情況。防滲破損按5%考慮是因為根據對大量垃圾填埋場防滲土工膜的滲漏破損總結，垃圾填埋場在后期運營階段破損的概率統計為2%～3%，工程對比分析，且考慮到火力發電廠工程的重要性，防滲破損率在預測時考慮最不利因素，故一般按5%考慮。根據電廠工程廢污水排放情況最終選擇氨氮、Cl－、SO42－和F－污染物作為泄漏點的污染因子。預測時在泄漏點下游30 m處設置濃度觀測井。

在模擬污染因子在地下水中的運移情況時，本次溶質模型不考慮吸附作用、化學反應等因素影響，重點考慮對流、彌散的作用。結合前人所做的研究與評價區具體的水文地質條件并出于安全的角度考慮，本次評價區域粉土與粉細砂的縱向彌散度參數值分別取5 m、10 m，水平橫向與縱向彌散度的比值為0.1，垂向與縱向彌散度比值為0.01。

3.2 結果分析

本次本期研究區污染因子重點模擬四種有代表性污染因子，本文僅以氨氮為例，計算得出其不同時間的氨氮的遷移范圍圖，氨氮污染物運移的預測代表性結果見圖2、圖3。《地下水質量標準》(GB/T14848－2017)中氨氮Ⅲ類標準臨界值為0.2 mg/L。圖中污染范圍的外邊界為0.02 mg/L。對于廠址區其他污染因子的模擬計算結果，以表格的形式呈現，見表1。

圖2 氨氮泄漏100天后平面濃度分布圖

表1 模擬期內廠址區各情形下特征污染因子的遷移特征統計

圖3 氨氮污染物泄漏1 000天后平面濃度分布圖

根據預測結果，在防滲混凝土破損5%的情況下，氨氮污染物在水平方向上主要向西北遷移擴散。與背景值疊加后，在100天時污染物最大濃度0.42 mg/L，超標范圍270 m2，超標范圍在廠址內，距離下游廠址邊界15 m。在150天時污染暈中心點最大值為0.027。遠低于地下水III類標準值0.2 mg/L，以0.02 mg/L等濃度線為外邊界的污染物遷移距離為120 m，影響范圍6 785 m2，無超標區域?？梢娫谀M期內一段時間污染物泄漏超標，但超標范圍在廠界內，并且超標范圍迅速消失，所以在非正常工況下，防滲措施有效，對下游保護目標沒有影響。

采用混凝土防滲，正常情況下泄漏點下游30 m處監測井中氨氮污染物濃度最大值為0.0204 mg/L，遠低于地下水III類標準值0.2 mg/L?？梢娫诜罎B混凝土完好工況下，微量污染物的泄漏不會對地下水水質產生不利影響。

采用混凝土防滲，正常狀況下河流處監測井中氨氮污染物濃度最大值為0.0201 mg/L，非正常狀況下河流處監測井中氨氮污染物濃度最大值為0.17 mg/L。這兩種情況下，污染物濃度都低于地下水III類標準值0.2 mg/L，低于地表水Ⅱ類標準值0.5 mg/L，可見在正常和非正常工況下污染物的泄漏不會造成天堂河水質超標的情況，也不會對泄漏點下游含水層和保護目標造成影響。

4 結論

地下水環評影響評價等級判定、評價范圍確定及水文地質條件是評價的基礎，必須根據工程建設項目區域環境條件及相關規范綜合確定，詳細查明水文地質條件才能為影響評價的可靠性提供保證。根據地下水流及溶質數值模擬預測結果地下水影響程度，設計事故工況情景，預測事故工況或持續泄漏情況下對地下水及保護目標的影響，為電廠運行期間可能出現的地下水環境問題提供技術支撐。

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