某工業園區地下水污染運移模擬

王東晟

摘? 要：針對河南省臺前縣某工業園區地下水污染情況進行模擬，為污染物在地下水中運移情況提供預測和防治指導。通過實地踏勘獲得地質參數，運用Visual Modflow軟件構建地下水流模型，對模型進行識別和驗證，得到較為耦合的地下水流模型，結合溶質運移模型，最終得到污染物運移規律：隨著時間的增加，污染物范圍逐漸擴大，污染物濃度逐漸減小;污染物主要隨著水流方向運移，對環境的影響范圍逐漸擴大，污染物濃度隨時間和距離逐漸減小。

關鍵詞：數值模擬;潛水;Visual Modflow;溶質運移

中圖分類號：X523;TP391.9? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）03-0065-04

Abstract：The groundwater pollution in an industrial park in Taiqian County of Henan Province was simulated to provide guidance for the prediction and prevention of pollutant movement in groundwater. Geological parameters obtained from field reconnaissance，and using the Visual Modflow software build groundwater flow model，the identification and validation of the model，is a coupling model of groundwater flow，combining with the solute transport model，the resulting contaminant migration rule： with the increase of time，gradually increasing range of pollutants and pollutant concentration decreases;the pollutant mainly moves with the direction of water flow，and its influence on the environment is gradually expanded. The pollutant concentration decreases with time and distance.

Keywords：numerical simulation;diving;Visual Modflow;solute transport

0? 引? 言

黃河灘區平原特殊的地理位置以及所承擔的防洪功能，是一個典型的生態系統脆弱區。由于該區域眾多的工業園區生產運行和污染排放，生態環境問題顯得日益嚴峻，因此工廠的污染廢水排放以及工業原料的非正常泄漏都嚴重地威脅著灘區的地下水生態環境和水體的質量。利用數值模擬構造地下水流場和溶質運移進行分析，是目前研究地下水流場特點以及水環境評價的主要手段之一[1]。本文基于校內《某環保科技有限公司生產殘液項目環境影響評價項目》的影響范圍及規律進行了研究，根據園區內水文地質結構和水文環境特征，利用Visual Modflow數值模擬軟件對黃河灘區平原工業園區地下水污染物遷移特征進行模擬。此次研究對于黃河灘區平原污染治理以及防治具有現實的指導意義和理論意義。

1? 研究區概況

模擬區水文地質剖面圖如圖1所示。

研究區位于黃河下游沖積平原，地形較平坦，海拔48.5 m～63.0 m，西南高，東北低，坡降為0.34‰。研究區屬溫帶大陸性季風氣候，春季多風，夏季炎熱，蒸發量較大，年降水量多集中在七、八、九月份，年均降水量608 mm。地下水類型為第四系松散巖類孔隙水，淺層含水層顆粒較粗，厚度較大，質地較純，以粉細、中細砂為主，局部可見中砂，富水性中等，深層含水層頂板為厚度4 m～12 m的亞黏土，分布較為穩定，隔水性能較好，與上覆淺層含水層組水力聯系微弱。

2? 概念模型和介紹

2.1? 概念模型

模擬區范圍為臺前縣西白嶺村匯流區域，面積約為22.56 km2。結合模擬區水文地質條件與地下水環境保護目標，確定主要含水層為第四系松散巖類孔隙含水層，本研究主要為模擬污染物在地下水中的遷移，對地下水本身的流動沒有影響，黃河與區域內地下水關系密切，無論是枯水期還是豐水期均補給地下水，概化為水頭邊界;北側流出模擬區部分概化為定水頭邊界;西側和東側由于補給排泄水量平衡，概化為零流量邊界。模擬區頂部邊界為潛水含水層的自由水面，整個含水層系統通過這個邊界可接受大氣降水入滲補給、蒸發排泄等，與外界進行垂向的水力聯系。模型的底部邊界是粘土及粉質粘土弱透水層，為零流量邊界。

2.2? 地下水流數學模型

區域內地下水運動符合達西定律，根據實際的水文地質邊界條件，地下水流場特征和不同滲透要素的改變，把此研究區域概化為非均質各向異性、二維、穩定的地下水流系統[2]。用下列數學模型進行表述：

對于二維、非均質、各向異性、穩定地下水流系統，可用如下偏微分方程的定解問題來描述：

式中：Ω為滲流區域;h為含水層水位標高（m）;Kxx為x方向滲透系數（m/d）;Kyy為y方向滲透系數（m/d）;Kn為邊界法向量的滲透系數（m/d）;w為源匯項（1/d）;h0（x，y）為含水層的初始水位分布（m）;Γ2為滲流區域的二類邊界;（x，y）為平面位置坐標;n為邊界面的法線方向;q（x，y，t）為二類邊界上已知流量函數。可用有限拆分法求解該滲流數學模型。有限差分是將時間和空間進行離散化。本次研究區劃分為矩形，南北向長度為2.0 km，分為50行;東西向長度為2.2 km，分為50列。

2.3? 模型識別

模型的識別和驗證是整個模擬中極為重要的一步工作，需要反復地調整參數才能達到較為理想的擬合效果。模型識別和驗證采用的方法也稱為試估-校正法[3]。在給定的水文地質參數和各項均衡條件下的模擬地下水流場，通過擬合時期的統測流場，識別水文地質參數和其他均衡項，使建立的模型更加符合模擬區的水文地質條件[4]。

根據以上原則，以2016年6月流場作為初始流場，得出地下水初始流場圖，如圖2所示。識別時間為2016年7月到2017年1月，驗證期為2017年2月到2017年6月，地下水擬合效果如圖3所示，誤差都在95%置信區間之內，符合模擬的基本要求精度。

3? 溶質運移模型

此次地下水污染模擬不考慮污染物在含水層的吸附、揮發以及生物化學反應，應用Visual Modflow中的MT3D模塊對污染物運移進行模擬[5]。

3.1? 地下水中溶質運移的數學模型

地下水中溶質運移的數學模型可表示為：

式中：Dij為含水層的彌散度;C為模擬污染質的濃度（mg/L）;t為時間（d）;nε為有效孔隙度;n為介質孔隙度;W為源匯單位面積上的通量;Vi為滲流速度（m/d）;C′為源匯的污染質濃度（mg/L）。

初始條件為：

3.2? 污染物模擬情形設定

根據廠區平面設計，結合工程項目相關資料，確定地下水污染源主要是苯存儲罐，模擬非正常狀態下防滲不正常情景。廠區具有完備的污染物泄漏預警系統，因此設置不正常狀態為100 d，根據入滲系數、多年平均降水量以及其他參數，計算出兩種情況下苯污染物的源強大小，如表1所示。

綜合考慮地下水流向、廠區周圍敏感點的分布有針對性地開展模擬計算。模擬結果以淺色范圍表示地下水污染物超標的濃度范圍，深色范圍表示存在污染但污染不超標的濃度范圍，限值為檢測指標的檢出限，當預測結果小于檢出限時則視為對地下水環境幾乎沒有影響。苯標準值參照《地下水質量標準》（GB/T 14848-2017）Ⅲ類標準值。

3.3? 預測結果

在非正常狀態下發生泄漏，苯污染物的影響范圍如圖4所示、超標范圍及最大運移距離如表2所示。從預測結果看出苯發生泄漏在地下水100 d后影響范圍為3 160 m2，超標范圍659 m2，最大運移距離為51 m。泄漏發生1 000 d后影響范圍為5 345m2，超標范圍324 m2，最大運移距離為128 m。泄漏發生3 650 d后影響范圍為7 695 m2，超標范圍65 km2，最大運移距離為163 m。泄漏發生7 300 d后影響范圍為14 300 m2，超標范圍0 m2，最大運移距離為210 m。

隨著地下水的流動，苯污染物的影響范圍越來越大，但超標濃度越來越小，由此可以看出，在實施完善的防滲措施以及應急措施后，可以有效地降低污染物影響范圍，使污染物影響范圍降低到環境可以接受的范圍之內。

4? 結? 論

本研究以黃河灘區某工業園為研究區，結合當地的水文地質和地形地貌特點，利用有限差分法數學思想結合地下水數值模擬軟件Visual Modflow建立地下水流場模型，并根據監測資料對模型進行參數調整和校正。在模擬精度達到要求之后，模擬苯污染物在非正常條件下泄漏到潛水含水層以后的污染物運移情況，將地下水流數值模擬與溶質運移模擬相結合，分析苯污染物在設計情形中的地下水受污染狀況。

模擬結果顯示，污染物首先向四周擴散，而后主要沿著地下水水流方向進行擴散，7 300 d最大影響范圍達到14 300 m2，最大運移距離為210 m。隨著時間的推移，污染的影響范圍越來越大，但由于巖土的吸附和生成難溶化物而滯留于土壤中，污染濃度隨之減少。

地下水環境復雜，污染物的泄漏不易被察覺，而且隨著時間的推移，污染范圍也在不斷擴大，而且地下水污染難以修復，治理更加困難，因此建立良好的污染事故預警系統以及定時監測地下水污染狀況是行之有效的方法。

參考文獻：

[1] 武強，董東林，武鋼，等.水資源評價的可視化專業軟件（Visual Modflow）與應用潛力 [J].水文地質工程地質，1999（5）：23-25.

[2] 李平，盧文喜，馬洪云，等.Visual MODFLOW在地下水數值模擬中的應用——以公主嶺市黃龍工業園水源地為例 [J].工程勘察，2006（3）：24-27+36.

[3] 郭曉東，田輝，張梅桂，等.我國地下水數值模擬軟件應用進展 [J]. 地下水，2010，32（4）：5-7.

[4] 尉鵬翔. Visual Modflow在地下水污染物運移模擬中的應用 [J].水資源保護，2011，27（4）：19-21+41.

[5] 馮潔.可視化地下水數值模擬軟件（VISUAL MODFLOW）在國內的應用 [J].地下水，2013，35（4）：34-36.