水文地質勘察中數值法在地下水環境影響評價的實例應用

黨延旭

新疆城鄉勘察設計研究院有限責任公司 新疆 烏魯木齊 830000

近年來，隨著化工建設項目數量的逐年增長，環境影響評價報告中地下水章節對項目選址及相關保護方案的建立有決定性因素。在環評工作中，數值法模擬計算對項目水文地質勘察成果質量及可信度密切相關。下面選取某化工項目對數值法進行實例分析。

1 .項目概況

擬建項目屬于有可能對地下水造成污染的I類建設項目。地下水主要為潛水及承壓水，按含水層巖性結構劃分為第四系松散巖類孔隙水、中新生界碎屑巖類裂隙孔隙水、古生界及前古生界基巖裂隙水，項目區下游存在分散式飲用水水源地及自流井，地下水環境敏感程度為較敏感。選取取水點作為主要保護目標進行分析評價。

2 .建立模型

水文地質概念模型是對地下水系統的科學概化，是為了適應數學模型的要求而對復雜的實際系統的一種近似處理，把研究對象作為一個有機的整體，綜合各種信息，根據系統工程技術的要求概化而成。其核心為邊界條件、內部結構、地下水流態三大要素。

2.1 模擬范圍

模擬區邊界取項目區范圍并向周邊適當擴大，由于模擬區位于山前沖洪積扇區，主要含水層巖性較為復雜，綜合考慮數值模型構建需要，將地下水含水層垂向概化為上部潛水含水層、中部弱透水層及下部承壓含水層三部分。取第1層卵石層作為包氣帶，第2層礫石層作為潛水含水層，第3層粉土亞黏土層作為中部弱透水層，第4層粗砂礫石層作為承壓水含水層。

模型下游邊界按區域內等水位線設為排泄邊界，上游邊界按地下水等水位線設為補給邊界，兩側按流線取零通量處作為邊界。垂向上邊界為地下水潛水面，考慮降水補給、蒸發；下邊界為承壓水底板零通量邊界。

模擬區地下水系統符合質量守恒定律，且地下水運動方式符合達西定律，因此將模擬區地下水含水系統概化為穩定流。地下水系統參數與空間位置相關，但系統的輸入、輸出不隨時間變化，系統為非均質性，沒有明顯的方向性，所以參數概化成各向同性。模擬區概化為非均質各向同性、穩定地下水流系統。

2.2 數學模型

2.2.1 地下水水流三維模型

對于非均質、各向同性、空間三維結構、非穩定地下水流系統，可用下列微分方程的定解問題來描述：

2.2.2 地下水水質三維模型

而一般情形下的溶質運移可通過如下數學模型刻畫：

聯合求解水流方程和溶質運移方程就可得到污染質的運移結果。需要注意的是，上述方程為通用方程，應用時須根據實際情況做相應的調整。

2.3 數值模型

本次模擬采用Visual MODFLOW 4.2軟件進行模擬，軟件將MODFLOW、MODPATH和MT3D同圖形用戶界面結合在一起，可直觀的了解到地下水運移狀況及污染物質點運移情況。

在模擬區單元網格剖分時對項目區位置進行了加密剖分：平面上網格間距為30～100m，每一層的平面上剖分了21120個單元；垂向上，對弱透水層采用2層單元格進行概化，即在數值模型中，第1層為潛水含水層，第2、3層為弱透水層，第4層為承壓水層，因此垂向上共剖分了4層。

地下水流動模型參數包括含水層介質水平滲透系數、垂向滲透系數，給水度以及降雨入滲補給系數和潛水蒸發系數。參數取值參考項目現場工作中抽水試驗成果及收集到的周邊水文地質資料。

地下水溶質運移模型參數主要包括彌散系數、有效孔隙度和巖土密度。有效孔隙度根據勘察的實測的孔隙率數據確定，巖土密度根據現場工作的實測數據確定。彌散系數取值較為復雜，其值受滲透系數空間變化影響，考慮到彌散系數的尺度效應問題，參考孔隙介質解析模型LogαLLogLS，結合本次評價的模型研究尺度大小，綜合確定彌散度的取值應介于1～10之間，按照偏保守的評價原則，彌散度取10。

模型賦值后需進行識別與校正。運行模擬程序后，可得到概化后的水文地質概念模型在給定水文地質參數和各均衡項條件下的地下水流場空間分布，通過擬合現場測定的地下水流場，校正結果為模型地下水等水位線與現場實測結果相近，且模型水文地質參數也符合實際水文地質條件。

3 .污染物預測模擬

通常情況下，污染物由地表堆積逐漸向包氣帶滲漏，最終進入潛水含水層中。為考慮最不利風險情況，假設污染物由泄漏通量大、濃度最大的裝置區發生爆炸等突發事件，石油類污染物泄漏后，由廠區內的井孔或未知裂隙等優勢通道而未過包氣帶遷移迅速進入地下水。

本情景下裝置區污水排放量為159m3/h，其中石油類物質的濃度含量1000mg/L。假定泄漏持續發生48小時后進行了妥善處理，裝置區的污水泄漏量按流通量或貯存量的20%直接進入含水層中，即直接進入含水層中的石油類污染物質量共計1526kg。

在此情景下得到石油類污染物運移的預測結果，污染物進入了潛水含水層、浸潤了弱透水層但未進入承壓含水層，根據預測結果分別給出了污染物開始進入潛水含水層后的100天、1000天和30年的石油類污染物的運移范圍（石油類污染物的限值為0.05mg/L），具體統計結果見下表。

表1 石油類污染物在含水層中運移結果統計表

由預測結果可知，污染物直接進入含水層時， 0-48小時內持續注入污廢水。48小時后濃度降為0mg/L，因此污染暈中心區域濃度降低速度較快，100天后污染暈中心濃度已降為12.6mg/L,污染暈面積為0.15km2；1000天后，污染暈中心濃度變為4.53mg/L，污染暈面積變為0.58km2；至30年后，污染暈中心濃度已下降至0.49mg/L，面積增大至1.25km2；模擬運算至135年后，污染暈中心濃度在地下水稀釋自凈作用下已降至0.05mg/L以下，可不考慮對環境造成的影響，在此期間污染暈最大遷移距離為8898m，污染暈最大面積為1.32km2。

圖1 裝置區污廢水泄漏后30年至120年期間造成的污染暈圖

在模擬期內，污廢水對項目區及周邊潛水含水層中的地下水產生長時間的影響，在平面上主要向北東方向運移，始終未對下游的集中供水井或泉點以及承壓含水層造成影響。

根據預測結果，建議對區域內可能影響到的取水點進行遷移，避免污染物對居民日常生活的危害，在污染物運移路線下游布設水質監測點，及時發現可能出現的輕微滲漏，同時可針對性的提前布設應急抽水井點，事故工況下，在污染物未擴散前就排出含水層，有效避免對自然環境的破壞。

4 .結論

通過數值法運算，可對現場水文地質情況進行模擬分析，提前準備應急預案，并且對發生事故工況下損害情況提前做出評估，有助于盡快控制現場情況。同時可直觀的了解到建設項目可能對環境造成的影響，對項目建設的選址及周邊環境的防護工作也具指導意義。