某電廠(chǎng)項(xiàng)目地下水中污染物運(yùn)移的數(shù)值模擬及預(yù)測(cè)分析

王 鼐， 何隆祥， 李 智， 劉禮領(lǐng)

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢430000）

利用數(shù)值模型對(duì)地下水污染進(jìn)行預(yù)測(cè)是有效保護(hù)地下水的基礎(chǔ)，本文基于防滲膜破損5%的事故工況條件下，以可視化三維地下水流動(dòng)模擬軟件GMS，對(duì)污染物在地下水中的運(yùn)移特征進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)分析［1］，為進(jìn)一步制定相應(yīng)的防治措施提供可靠的理論數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長(zhǎng)江右岸二級(jí)階地，地貌為剝蝕丘陵地貌，地形有起伏。 研究區(qū)主要上覆地層為第四系上更新統(tǒng)沖洪積層和第四系殘積層，下伏為燕山早期花崗巖，基巖埋深為20 ～30 m。 上覆地層上部為第四系上更新統(tǒng)沖洪積層，主要由黏土和粉質(zhì)黏土組成，厚度為4～10 m，該地層富水性較弱，但具有一定的透水性，主要為潛水含水層上部的包氣帶。下部為第四系殘積層，巖性主要以砂質(zhì)黏性土為主，巖層下部為粉細(xì)砂與黏土互層，為該區(qū)的主要含水層。 下伏燕山早期花崗巖為不透水層。

2 地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬

2.1 模型概化

模型概化是污染物在地下水中運(yùn)移模擬預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，本文以潛水含水層為本次數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的目標(biāo)含水層。 研究區(qū)潛水含水層的補(bǔ)給方式以大氣降水補(bǔ)給為主，以上游地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給為輔。 排泄方式主要是蒸發(fā)作用、人工開(kāi)采和側(cè)向徑流排泄。潛水含水層與地表水體具有一定的水力聯(lián)系，表現(xiàn)為枯水期地下水向長(zhǎng)江、三郎堰河等地表水體排泄，汛期地表水體側(cè)滲補(bǔ)給附近地下水。

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件特征，將模擬區(qū)域內(nèi)的潛水含水層概化為一層厚為10 ～25 m 的潛水含水層，含水層巖性以砂質(zhì)黏性土和粉砂巖、細(xì)砂巖為主。 研究區(qū)地下水徑流方向?yàn)閺哪衔鞑浚ㄇ鹆陞^(qū)）向北東部（平原區(qū)）徑流，且以側(cè)向徑流的方式向長(zhǎng)江排泄，總體上徑流速度較緩慢。 綜上所述，根據(jù)研究區(qū)地下水特征可將其概化為均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定三維地下水流系統(tǒng)進(jìn)行模擬［2］。

2.2 預(yù)測(cè)模型

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件特征以及模型概化特征，選用地下水流模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。 綜合上述評(píng)價(jià)區(qū)地層巖性、地下水類(lèi)型、地下水補(bǔ)徑排特征、地下水動(dòng)態(tài)變化等水文地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)區(qū)水均衡分析等，在現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上，可將評(píng)價(jià)區(qū)地下水流系統(tǒng)概化成均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，用下列的數(shù)學(xué)模型表述［2－3］：

式中：Kxx，Kyy，Kzz分別表示x，y，z主方向上的滲透系數(shù)，m／ d；Ω為地下水滲流區(qū)域；H為地下水水頭，m；W為源匯項(xiàng)，包括降水入滲補(bǔ)給、河流入滲補(bǔ)給、井的抽水量等，m3／ d；S1為模型的第一類(lèi)邊界；S2為模型的第二類(lèi)邊界；μ為重力疏干給水度（無(wú)量綱）；h為潛水含水層厚度，m；H0（x，y，z） 為初始地下水水頭，m；H1（x，y，z）為第一類(lèi)邊界已知地下水水頭，m；q（x，y，z）為第二類(lèi)邊界單位面積流量函數(shù)，m3／ d；n為邊界S2上的外法線(xiàn)方向。

本次模擬預(yù)測(cè)過(guò)程中預(yù)測(cè)模型的空間離散圖采用可視化三維地下水流動(dòng)模擬軟件GMS 的自動(dòng)離散功能進(jìn)行模擬。 根據(jù)模擬區(qū)水文地質(zhì)鉆孔揭露的地層，從上往下潛水含水層厚度為10～30 m；模型中評(píng)價(jià)區(qū)南北長(zhǎng)10～11 km，東西寬4～5 km，采用水平方向正交網(wǎng)格剖分處理。 網(wǎng)格剖分時(shí)在電廠(chǎng)區(qū)域附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)細(xì)化，單個(gè)網(wǎng)格最小為10 m × 10 m，最大為100 m × 100 m（圖1）。

圖1 電廠(chǎng)評(píng)價(jià)區(qū)模型空間分布及離散結(jié)果

根據(jù)研究區(qū)含水層巖性、區(qū)域水文地質(zhì)條件、研究區(qū)抽水試驗(yàn)以及滲水試驗(yàn)等資料，將模擬計(jì)算得出的水位與研究區(qū)實(shí)際水位進(jìn)行擬合處理（圖2），并根據(jù)擬合模型變化規(guī)律反復(fù)調(diào)整計(jì)算參數(shù)，直至擬合曲線(xiàn)相近為止，最終獲得含水層的各項(xiàng)參數(shù)。

圖2 模型計(jì)算流場(chǎng)與觀測(cè)井實(shí)測(cè)水位擬合圖

在校核過(guò)程中每計(jì)算一個(gè)點(diǎn)，就會(huì)顯示一個(gè)中點(diǎn)作為觀測(cè)值，上端數(shù)值為觀測(cè)值與極差值之和，下端數(shù)值為二者之差。 若觀測(cè)值與極差值之差所代表的條形在校核范圍（置信范圍）內(nèi)，則條形以綠色為主，代表計(jì)算水位與實(shí)際水位之間的擬合效果良好；若條形超出校核范圍但小于校核范圍的200%時(shí)，條形以橙色為主，代表計(jì)算水位與實(shí)際水位之間的擬合效果一般；若條形超出校核范圍的200%，條形呈紅色，則說(shuō)明計(jì)算水位與實(shí)際水位之間的擬合效果較差。 由圖2 可知，本次對(duì)7 個(gè)觀測(cè)井進(jìn)行擬合，其中6 個(gè)條形顯示綠色，1 個(gè)觀測(cè)井條形顯示為橙色，表明模型水流計(jì)算總體上較為準(zhǔn)確，最終獲得校準(zhǔn)后的水文地質(zhì)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 模型校準(zhǔn)后的含水層水文地質(zhì)參數(shù)

4 地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬

4.1 事故工況模擬背景

事故工況是污染物在地下水中運(yùn)移模擬預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，因此本文選擇5%事故工況條件下，該電廠(chǎng)因設(shè)施故障等造成有毒或者有害物質(zhì)泄漏而進(jìn)入研究區(qū)地下水中對(duì)深部水資源產(chǎn)生污染。 本文為了定量評(píng)價(jià)污染物對(duì)地下水污染程度的影響，選擇具有代表性的場(chǎng)景進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。 本次選擇工業(yè)廢水處理站廢水儲(chǔ)存池池底發(fā)生破損的情景，選取氟化物作為預(yù)測(cè)因子。

4.2 泄漏源強(qiáng)

（1）泄露面積：項(xiàng)目擬建工業(yè)廢水處理站建有4個(gè)容積為10 m × 30 m × 3.5 m＝1 050 m3的廢水儲(chǔ)存池，存水量約為4 000 m3。 由于廢水儲(chǔ)存池受外界因素影響較大，容易遭到破壞，常使得儲(chǔ)存池底部破裂。 若儲(chǔ)存池底部破裂面積為總面積的5%，則可形成的滲漏面積為60 m2。

（2）泄漏量：垂直滲漏速率取值參照電廠(chǎng)內(nèi)的滲水試驗(yàn)，按照1.39 × 10－5cm／ s 計(jì)算，則滲漏量為0.72 m3／ d。

（3）泄露污染物初始濃度：在5%事故工況下，結(jié)合污染物濃度、毒性大小等因素，以氟化物（同等條件下氟化物污染范圍最大） 作為主要的預(yù)測(cè)因子。 污水處理站正常工況下氟化物上邊界的濃度通量取為50 mg ／ L。

在本文選用的模擬預(yù)測(cè)模型中，忽略了污染物質(zhì)在地下水中遷移過(guò)程中的吸收作用、化學(xué)反應(yīng)等影響因素［4］，因此，在5%事故工況下影響污染物在地下水中擴(kuò)散運(yùn)移的主要因素為污染物的初始濃度。

（4） 泄露時(shí)長(zhǎng)：假定泄露時(shí)長(zhǎng)為持續(xù)泄漏30年，利用GMS 軟件，聯(lián)合運(yùn)行水流模型，得到氟化物污染暈100 d、1 000 d、10 a、30 a 時(shí)在地下水中的運(yùn)移分布范圍，見(jiàn)表2。

表2 氟化物污染暈運(yùn)移預(yù)測(cè)結(jié)果信息

在預(yù)測(cè)結(jié)果圖（圖3） 中，紅色范圍表示地下水污染物超標(biāo)的濃度范圍，藍(lán)色范圍表示存在污染但污染不超標(biāo)的范圍，當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果小于檢出限值時(shí)則視同對(duì)地下水環(huán)境幾乎沒(méi)有影響。

圖3 工業(yè)廢水站廢水儲(chǔ)存池池底破損的情況下氟化物30年的運(yùn)移情況

由圖3 可知，紅色區(qū)域?yàn)槲廴疚锍瑯?biāo)范圍，藍(lán)色部分為檢出但未超標(biāo)范圍。 從預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，在廢水儲(chǔ)存池池底發(fā)生破損的情況下，地下水中氟化物在地下水的對(duì)流彌散作用下逐漸向下游遷移，影響范圍逐漸擴(kuò)大。 污染暈在30 年內(nèi)未能運(yùn)移出電廠(chǎng)范圍，不會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)下游分散的地下水敏感點(diǎn)造成影響，因此，在該預(yù)測(cè)情景下，氟化物不會(huì)對(duì)電廠(chǎng)外的地下水造成污染。

5 結(jié)論

在非正常工況下，根據(jù)以上假定情景的分析結(jié)果可知，在事故工況發(fā)生泄漏的情況下，不考慮包氣帶的滯留作用、包氣帶和飽和帶對(duì)污染物的消減作用、污染物的揮發(fā)作用、污染物的自然降解作用等，如果地面防滲層出現(xiàn)漏洞，則在事故工況下氟化物的污染暈在電廠(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行期的30 年內(nèi)不會(huì)超出電廠(chǎng)邊界，不會(huì)影響到東山鎮(zhèn)北部的分散地下水飲用水源地。