基于MODFLOW的渭東新城地下水重金屬模擬與預(yù)測分析

汪怡珂 徐艷 劉洋洋

摘 要：由于化工廠大量工業(yè)垃圾、生活垃圾和建筑垃圾的露天堆放，導(dǎo)致渭南市渭東新城土壤和地下水系統(tǒng)中砷、汞含量超標(biāo)。在收集整理研究區(qū)大量地下水監(jiān)測報(bào)告和研究報(bào)告基礎(chǔ)上，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)可視化軟件系統(tǒng)——Visual MODFLOW 建立數(shù)值模擬模型，利用Visual Modflow 軟件中的MT3DMS 模塊，以As、Hg為溶質(zhì)進(jìn)行污染物運(yùn)移模擬，定量模擬分析了地下水中污染物的運(yùn)移情況，并對未來20 a污染物As、Hg在地下水中的運(yùn)移趨勢進(jìn)行預(yù)測分析。預(yù)測結(jié)果表明，受地下水流場分布和地質(zhì)條件的影響，重金屬污染呈“羽狀”向下游遷移。源頭處污染面積最小，但濃度最高，下游2～4km范圍內(nèi)，濃度降低40%，4km之外，濃度下降60%，但仍超過農(nóng)田標(biāo)準(zhǔn)。重金屬在污染源頭表面濃度最高，隨著深度的加深，濃度逐漸降低，在18m處降低了10%，在達(dá)到60m深度處時(shí)，重金屬向下游遷移;重金屬遷移過程的模擬結(jié)果相較于實(shí)測值偏大，但實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果均能說明重金屬向化工廠北部遷移，且距離污染中心越近，土壤中的重金屬含量越高，本研為渭東新城整治工程開展的迫切性與重要意義，提供了理論和研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：地下水;重金屬;Visual MODFLOW;數(shù)值模擬;預(yù)測分析

中圖分類號：S-3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190730016

引言

“棕地”概念意譯自美國國會(huì)于20世紀(jì)80年代通過的《環(huán)境應(yīng)對、賠償和責(zé)任綜合法》，具有包括：建設(shè)用地開發(fā)利用土地、部分或全部場地遭到廢棄、閑置、可能遭受（工業(yè)）污染、開發(fā)再利用存在各種障礙等特征[1]。工業(yè)區(qū)衰退和城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整所導(dǎo)致的城市土地利用價(jià)值改變是棕地形成的主要原因[2]。隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，工業(yè)化進(jìn)程進(jìn)入中期階段，城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、工業(yè)區(qū)從城區(qū)外遷，舊城市工業(yè)區(qū)衰退并失去利用價(jià)值，工業(yè)區(qū)土地逐漸被廢棄、閑置或利用率很低，其原廠址成為棕地[3]。隨著雨水的沖刷和土壤水分的遷移運(yùn)動(dòng)，棕地中土壤地表淡水資源及淺層地下水資源污染日益嚴(yán)重[4]，地下水的主要污染源大致可以分為：垃圾填埋場的有害滲濾液，加油站的石油泄漏污染，工農(nóng)業(yè)和生活污水，海水入浸等[5]。地下水污染物的種類一般可以分為無機(jī)污染物和有機(jī)污染物2大類[6]，由于重金屬的高毒性、難檢測性和難去除性，因此重金屬的控制便成了當(dāng)前地下水污染控制的重中之重[7]。

渭東新城項(xiàng)目位于渭南市向東發(fā)展主要軸線上，東與華州區(qū)相鄰，西與渭南市區(qū)相接，總體規(guī)劃范圍約30km2，總投資100億元。項(xiàng)目核心規(guī)劃為“一城、五鎮(zhèn)、一路、一水系”。“一城”即新城社區(qū)，“五鎮(zhèn)”為沿新城社區(qū)至華州區(qū)沿線，分別規(guī)劃建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)風(fēng)情小鎮(zhèn)、風(fēng)土民俗風(fēng)情小鎮(zhèn)、老腔皮影文化小鎮(zhèn)、赤水小鎮(zhèn)、現(xiàn)新民小鎮(zhèn)5個(gè)特色小鎮(zhèn);“一路”即沿新城社區(qū)至華州區(qū)，串聯(lián)起5個(gè)特色小鎮(zhèn)修建一條長約20km、寬50m，雙向6車道的華州大道;“一水系”即沿華州大道修建一條排洪渠，做到水、路并通[8]。由于地勢南高北低，西高東低地形，并處于連霍高速與渭河之間狹長地帶，導(dǎo)致該區(qū)域長期以來處于城鄉(xiāng)結(jié)合部，土地問題敏感、土地利用效率低下。各種工業(yè)企業(yè)及污染企業(yè)集中，基礎(chǔ)配套設(shè)施缺乏，無排水管網(wǎng)鋪設(shè)，造成該區(qū)域環(huán)境臟、亂、差。排污管網(wǎng)由于地形條件直接匯入項(xiàng)目區(qū)南側(cè)，對土壤造成了一定污染，可能對項(xiàng)目的實(shí)施和長期維護(hù)產(chǎn)生不良影響，所以，針對該區(qū)域進(jìn)行研究調(diào)查尤為必要。

模型模擬可以系統(tǒng)地分析、整理已有的地下水流動(dòng)和污染物運(yùn)移[9];通過可視化手段，以動(dòng)畫與數(shù)字化生動(dòng)的表達(dá)地下水運(yùn)動(dòng)、污染物擴(kuò)散范圍等，實(shí)時(shí)監(jiān)控地下水資源及環(huán)境污染;對于地下水及污染場地的污染物質(zhì)變化進(jìn)行預(yù)測[10]。目前地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法主要包括有限差分法（ FDM） 、有限單元法（ FEM） 、邊界元法（ BEM） 和有限分析法（ FAM） 等[11]。當(dāng)前應(yīng)用于地下水模擬領(lǐng)域內(nèi)的常用軟件有：由美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)有限差分程序Modflow、加拿大 Waterloo Hydrogeologic Inc.在MODFLOW 軟件基礎(chǔ)上研制的Visual modflow及由德國水資源規(guī)劃系統(tǒng)研究所（WASY）研究開發(fā)的地下水和溶質(zhì)遷移模型軟件FEFLOW等[12]。MODFLOW已經(jīng)被廣泛的使用，并作為了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計(jì)，其幾乎占地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件總應(yīng)用次數(shù)的50%;而對污染物的遷移數(shù)值模擬來說，MT3DMS 的應(yīng)用則最為廣泛[13]。本研究采用MODFLOW模型與MT3DMS聯(lián)用，模擬研究渭東新城地區(qū)化工場地滲漏的重金屬對地下水造成的影響。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

渭東新城地處陜西省渭河盆地東部，地勢南高北低呈階梯狀降落，依次表現(xiàn)為黃土臺(tái)塬和渭河沖積平原，城區(qū)南側(cè)黃土臺(tái)塬下為秦嶺基巖山地。地層結(jié)構(gòu)主要分為渭河河床及漫灘、渭河一級階地、渭河二級階地和渭河三級階地4種類型，區(qū)內(nèi)主要河流為渭河，自西而東縱貫全區(qū)，南岸支流有零河、沋河、赤水河等數(shù)條，大都呈南北向平行分布。

1.1 地下水含水巖組

區(qū)內(nèi)潛水遍布各個(gè)地貌單元，含水層由第四系全新統(tǒng)沖積細(xì)砂、中砂及中粗砂組成。河漫灘地層隔水底板埋深一般42～52m，巖性為粉質(zhì)粘土，分布穩(wěn)定，一般厚度2～4m，局部達(dá)7.0m，隔水性良好，一級階地區(qū)隔水底板深度在41～65m。潛水位隨地勢升高而變深，潛水面與地形起伏基本一致。河漫灘、沖洪積扇含水層厚、巖性較粗、滲透較快，富水性較好，滲透系數(shù)介于13.8～98.1m/d之間;渭河階地的部分地區(qū)粉質(zhì)粘土含量增大，含水層滲透性差，富水性明顯變?nèi)酰瑵B透系數(shù)3.7～8.48m/d[14]。

1.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，其次為灌溉回歸入滲和地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，另外，渭河漫灘區(qū)還接受渭河側(cè)滲補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)潛水的整體徑流方向與地形基本一致，受水位勢能控制由渭河兩側(cè)階地流向渭河漫灘，至漫灘地帶轉(zhuǎn)向東部流向渭河下游。潛水有4種排泄方式：農(nóng)田和城市供水開采;局部河流有利地段補(bǔ)給河水;越流下滲補(bǔ)給承壓水;在渭河漫灘及赤水河與渭河交匯地帶等處，局部水位埋深小于2～3m，日照蒸發(fā)排泄較強(qiáng)。

2 地下水污染數(shù)值模擬

2.1 邊界條件

由于模擬范圍不是一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元，區(qū)內(nèi)的淺層孔隙含水巖組在水平方向上與區(qū)外含水層存在密切水力聯(lián)系，因此將模型四周處理成通用水頭邊界。在垂向上，由于渭東新城地處渭河階地上，淺層含水層自由水面為系統(tǒng)的上邊界，通過該邊界，與系統(tǒng)外發(fā)生垂向交換，如大氣降水入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄等。淺層含水層為渭河第一階地，隔水底板深度在41～65m。因此，下邊界概化為標(biāo)高41～65m，視為隔水邊界。

2.2 網(wǎng)格剖分

水流模型和As、Hg運(yùn)移模型采用相同的有限差分網(wǎng)格， 在水平方向上按300 行300 列將研究區(qū)剖分成90000個(gè)網(wǎng)格， 每個(gè)網(wǎng)格大小約為100m小約為有限差面積10000m2。模擬時(shí)間為2018—2038年，共20a。

2.3 源匯項(xiàng)

此外，計(jì)算區(qū)大部分位于城鎮(zhèn)內(nèi)部，城區(qū)自來水管道供給人畜生活用水，農(nóng)田面積較小，人畜生活和農(nóng)業(yè)灌溉開采淺層孔隙水量很小。因此，該模型未考慮淺層孔隙水的開采量，以及河水入滲和農(nóng)田灌溉回滲補(bǔ)給量，僅考慮降雨入滲補(bǔ)給，通過獲取過去20a中降雨的平均值，模擬上方來水，且由于渭東新城已開始建設(shè)，工廠停工，抽水井停用，因此，本文選擇忽略抽水井的影響。

2.4 模型選擇

先輸入水流模型的各項(xiàng)， 運(yùn)行校正后， 再輸入溶質(zhì)模型的各項(xiàng)， 并運(yùn)行校正。本次校正均采用手動(dòng)校正。水流模型的解法選擇收斂更快、解更穩(wěn)定的WHS解法， 運(yùn)行Modflow模型。溶質(zhì)模型的解法， 對流項(xiàng)選擇隱式GCG解法， 彌散項(xiàng)選擇改進(jìn)的MOC法， 并選擇MT3DMS模型運(yùn)行。

3 模擬結(jié)果

模擬計(jì)算時(shí)，污染源位于廢棄化工廠處，目前該項(xiàng)目化工廠內(nèi)土壤As，Hg含量分別為8.97mg/kg和0.14mg/kg，《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（試行）（GB15618-2018）規(guī)定了耕地（水田、水澆地、旱地），園地（果園和茶園），草地（天然和人工牧草地）等農(nóng)業(yè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值，如表1所示。

《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB36600-2018）規(guī)定了居住用地及工業(yè)用地等兩類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值。如表2所示。

土壤環(huán)境質(zhì)量《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618-2018）規(guī)定了農(nóng)用地土壤土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值，以及監(jiān)測、實(shí)施與監(jiān)督要求。如表3所示。

其中，化工廠及工業(yè)園區(qū)Hg、As含量均為未超過篩選值，本文以8.97mg/kg和0.14mg/kg為As、Hg的環(huán)境背景值，進(jìn)行模擬，觀測是否會(huì)對廠區(qū)周邊農(nóng)田產(chǎn)生影響，廠區(qū)土壤標(biāo)準(zhǔn)采用《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB36600-2018），周邊農(nóng)田采用《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618-2018）。通過Visual Modflow軟件進(jìn)行。

在設(shè)定等水頭邊界的情況下，土壤水頭及等水頭線如圖1（a）所示，圖中以上為北部，以下為南部，該地區(qū)土壤水頭呈現(xiàn)南高北低情況，水分自南部向北部運(yùn)動(dòng)，南部為階地，中部為平原，北部為農(nóng)田+部分階地，化工廠位于整個(gè)模擬場中部，在水分運(yùn)移的情況下，重金屬隨著水分的流動(dòng)而向北部農(nóng)田地區(qū)流動(dòng)，可以從圖1d）中看出以污染化工廠為污染源，污染羽運(yùn)移至農(nóng)田表面潛水區(qū)，設(shè)定污染源處化工廠污染物濃度為測定最高的濃度，As濃度為132.3mg/kg，Hg濃度為8.74mg/kg，在污染羽中，可以看出在污染源未清除的情況下，水分不斷攜帶重金屬向農(nóng)田區(qū)域遷移，由于外界環(huán)境不變，遷移速率及污染羽影響范圍不變，20d、5a、20a情況相同，污染羽中重金屬濃度不隨時(shí)間改變，對于污染羽進(jìn)行然染色處理，如圖2所示。

由圖2可以，濃度中心為深紅色，越往下游，濃度越低。Hg濃度中心濃度為8.74mg/kg，污染羽向外擴(kuò)散過程中，污染羽影響范圍為東西寬度400m，自污染源向下游影響范圍為8km，而在下游2～4km范圍內(nèi)，濃度下降40%，從8.74mg/kg下降至5.24mg/kg，因此處仍屬建設(shè)用地范圍內(nèi)，因此采用《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB36600-2018），此處模擬結(jié)果低于建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的第一類用地篩選值，土壤對于Hg的凈化作用明顯，而在4～8km處，濃度下降60%，下降至3.50mg/kg，自4km后，污染羽進(jìn)入農(nóng)田區(qū)域，通過63個(gè)樣次檢測，渭南市土壤為堿性土壤，因此采用《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618-2018）中PH≥7.5的標(biāo)準(zhǔn)，此處模擬結(jié)果高于標(biāo)準(zhǔn)值3.40mg/kg，由于農(nóng)作物的富集作用，該地區(qū)的作物重金屬含量受影響程度極大，對于此處居住人群產(chǎn)生較大的影響，與環(huán)境背景值0.35相比，增大了約10倍。在模擬的過程中，對于污染源及下游剖面進(jìn)行觀察，如圖3所示。

圖3左側(cè)為項(xiàng)目區(qū)域南部，坐標(biāo)200處為化工廠所在區(qū)域，可以看到濃度在縱向區(qū)域的變化，濃度最高的區(qū)域位于土層表面分布，分布區(qū)域位于表層8m左右，且相對于水平方向的遷移，重金屬在縱向的遷移距離較短，在18m深度重金屬含量降低10%，而在60m深度處，重金屬停止向下遷移，反而沿著土層向下游遷移，可能是由于在此區(qū)域存在渭河第一階地的不透水層，水分向下遷移困難，因此重金屬遷移從向下遷移變?yōu)橄蛳掠芜w移。

通過實(shí)地調(diào)查，分別于2018年3月及2018年10月對項(xiàng)目區(qū)13個(gè)潛在污染區(qū)進(jìn)行了實(shí)地踏勘，在化工廠排污口及距離排污口北側(cè)25m處，50m處進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表4所示。

由采樣結(jié)果分析，在2018年3月份到8月份，在排污口區(qū)域，土壤的汞、砷變化并不明顯，甚至隨著時(shí)間的增長，有增大的趨勢，3月排污口處，汞、砷的含量分別為8.74mg/kg與123.3mg/kg，而在8月份，增長至13.8與123.6mg/kg，同樣在25m處和50m處也有較大的增長，說明實(shí)際的檢測過程依然滿足土壤中重金屬向北側(cè)遷移的過程。與實(shí)際檢測結(jié)果相，模擬結(jié)果200天情況下，土壤中重金屬的遷移狀況為：在中心區(qū)域濃度不變，自南向北羽狀擴(kuò)散，在2km范圍內(nèi)，土壤中Hg含量約為20.55mg/kg，相較實(shí)際測試結(jié)果更大，可能由于土壤中存在的腐殖酸等物質(zhì)，可對土壤中的重金屬進(jìn)行了吸附，導(dǎo)致排污口處下游模擬結(jié)果偏大。

3 結(jié)論

通過分析收集的渭南市地質(zhì)數(shù)據(jù)，建立渭南渭東新城地下水流和重金屬運(yùn)移模型，利用詳細(xì)的水位和重金屬觀測資料預(yù)測了未來20a內(nèi)水位和重金屬濃度的變化，通過與實(shí)際測量結(jié)果對比，結(jié)果顯示如下。

如果不采取措施， 渭東新城化工廠下游重金屬濃度將進(jìn)一步升高，且污染持續(xù)存在，因此， 采取的措施首先是控制污染源排放，尤其是面狀污染源;其次是選擇污染嚴(yán)重場地進(jìn)行污染修復(fù)。

重金屬污染呈“羽狀”向下游遷移。源頭處污染面積最小，但濃度最高，下游2～4km范圍內(nèi)，濃度降低40%，4km之外，濃度下降60%，但仍超過農(nóng)田標(biāo)準(zhǔn)。重金屬在污染源頭表面濃度最高，隨著深度的加深，濃度逐漸降低，在18m處降低了10%，在達(dá)到60m深度處時(shí)，重金屬向下游遷移。

重金屬遷移過程的模擬結(jié)果相較于實(shí)測值偏大，可能由于土壤對于重金屬的吸附作用，實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果均能說明重金屬向化工廠北部遷移，且距離污染中心越近，土壤中的重金屬含量越高。

本研究預(yù)測化工廠處的重金屬遷移會(huì)對北部農(nóng)田種植生產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)面的影響，為渭東新城整治工程開展的迫切性與重要意義，提供了理論和研究基礎(chǔ)。

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