基于GMS的湖口縣工業園擴區B區地下水環境影響預測

付檢根

(江西省核工業地質調查院,江西 南昌 330008)

1 項目概況

湖口縣工業園擴區B區主要布局新材料、精細化工、新型裝備制造等產業項目,同時保留現狀已有其他企業及相關配套服務設施。建設期及運營期地下水污染源主要是化工類企業運營期的生產廢水。

2 研究區地質背景

2.1 地形地貌

該工業園擴區B區屬侵蝕堆積壟崗地貌,主要由第四系上更新統柘磯組、新港粘土以及中更新統進賢組成,其次為志留系茅山組碎屑巖組成。壟崗頂部高程一般為20～90 m,相對高差一般8～15 m。坡度5°～15°。崗頂渾圓,壟崗多呈條帶狀、饅頭狀,剝蝕較強烈,小沖溝發育,溝谷開闊,植被稀疏。該擴區B區總體東、北東東較高,西、南西西較低。

2.2 地層巖性

該擴區B區出露地層為第四系新港粘土(Qp3x)、志留系茅山組(S3m)。第四系新港粘土分布于研究區絕大部分區域,巖性主要為褐黃、棕黃色鐵錳質膜發育的重粘土,其粘結性和可塑性好,透水性差。與下伏第四系進賢組呈漸變過渡關系。下伏進賢組未出露于地表,巖性下部為棕紅色礫質輕粘土,由粘粒、礫石及砂粒組成,蠕蟲狀或網格狀構造發育;上部為棕紅色網紋狀重粘土。志留系茅山組分布于東、北東東等小片區域,巖性主要為暗紫灰色、灰綠色中厚層狀細粒巖屑石英雜砂巖、細粒巖屑雜砂巖與中—薄層狀粉砂質泥巖、泥質粉砂巖呈不等厚互層。

2.3 地質構造

該擴區B區位于揚子陸塊下揚子地塊中部,區內大部分地區第四系覆蓋層較厚,為軸向北東的短袖狀隔檔式或隔槽式褶皺的核部、軸面。該擴區B區北側分布一般性斷裂F1,發育一組北東向的壓扭性斷裂,斷裂走向為北40°～50°,與水系走向一致,傾向北西,傾角70°左右,斷裂面較彎曲,走向延伸14 km,斷裂帶寬10余m,帶內巖石硅化破碎強烈,且節理、裂隙發育。

2.4 水文地質特征

該擴區B區以第四系松散巖類孔隙水為主,第四系新港粘土中地下水賦存量較少,富水性較差,透水性差,部分區域地下水為半承壓～承壓狀態。地下水主要賦存于下伏第四系進賢組的礫石、砂粒以及茅山組的風化殘坡積層碎石層之中。地下水的相對隔水底板為茅山組碎屑巖中風化層。地下水為大氣降水補給為主。地下水位埋深介于1.50～6.53 m,地下水位標高為13.95～34.37 m,地下水位年際變幅約為1～5 m。該擴區B區的第四系松散巖類孔隙水由東、北東東向西、南西方向徑流至西側黃茅潭之中。

3 地下水影響預測

3.1 水文地質模型

3.1.1 地下水數學模型

根據該擴區B區地下水類型,在不考慮水密度變化的前提下,建立下列多孔介質中潛水三維非穩定流水流問題的數學模型:

(1)

式中:Kxx,Kyy,Kzz為各滲透主方向的滲透系數,(LT-1);h為水頭(L);W為單位面積垂向流量,[LT-1],用以表示源匯項;μ為多孔介質的給水度(或飽和差);z為潛水含水層底板標高,[L];t為時間(T)。

方程加上相應的初始條件和邊界條件,就構成了描述地下水運動體系的數學模型。本次模擬的定解條件可表示為:

初始條件:H(x,y,z,0)=H0(x,y,z)

第一類邊界條件:H(x,y,z,t)|Γ1=H1(x,y,z,t)

式中:H0(x,y,z)為研究區各層初始水頭值,H1(x,y,z,t)為研究區各層第一類邊界上的實測水頭值,q(x,y,z,t)為研究區各層第二類邊界上的單位面積流量。

3.1.2 水文地質模型概化

水文地質概念模型是在準確認識研究區的地質構造、地形地貌、水文地質條件以及所建立起來的水文地質結構模型的基礎上,根據研究重點,確定以概化模擬區邊界條件及參數,針對研究區實際情況而建立起來的概念模型。水文地質概念模型的建立主要包括:研究區范圍、含水層類型及空間分布、邊界條件、源匯項以及地下水流態等[1-3]。

1)模擬范圍及邊界確定

根據地形地貌和含(隔)水層空間分布,模擬區域可劃分獨立的水文地質單元。如圖1、圖2所示,擴區B區模擬范圍總地勢為東、北東東較高,西、南西西較低,其中北部山脊線位置以及區域內部分山峰高程最高,能達到100～150 m,大部分區域海拔高程為-10～40 m,模擬區上邊界為潛水面,在垂向上水量接受大氣降水入滲等補給和側向徑流等補給、排泄,上部邊界概化為補給邊界,取海拔高程-50 m為模擬區域的下邊界,并將其概化為隔水邊界。模擬區西部與黃茅潭相接處取為定水頭邊界(Dirichlet邊界),其余邊界均根據地表山脊線等信息作為區域分水嶺(Neumann邊界)。模擬區域內包含多個水文地質勘探鉆孔可供模型進行參數識別和水位校準[4]。

圖1 地下水模擬評價范圍

2)三維水文地質模型與時空離散

三維實體模型主要通過DEM數據插值得到,首先根據區域邊界將模擬區域劃分成三角網格,根據地表高程數據插值得到地面,再將地形面擠壓至海拔高度-50 m的平面生成三維實體模型。模擬范圍內總地勢為東高西低。根據三維實體模型將模型離散化成有限差分網格,網格劃分結果以及網格巖性分區如圖3、圖4所示。在水平方向上,模型網格尺寸為100 m×100 m。研究區域內鉆孔揭示的主要地層巖性,因此數值模型中將含水層在垂向上剖分為4層。在模擬時段上,由于資料和數據有限,區域水流僅考慮穩定流模擬。溶質運移模擬過程中按照預測時間進行非穩定流模擬。

圖3 三維地形面

3)源匯項概化和初始地下水流場

研究區氣候溫和、雨量充沛、日照充足、四季分明、無霜期長、嚴冬期短。根據近十年(2008-2018年)研究區氣象資料,3-7月降雨量917.58 mm,占全年降雨量的64%,月平均降雨量183.52 mm,為豐水期;12至翌年1年降雨量107.27 mm,占全年降雨量的7.5%,月平均降雨量53.64 mm,為枯水期;2、8、9、10、11降雨量407.51 mm,占全年降雨量的28.5%,月平均降雨量81.5 mm,為平水期。如圖5所示,將區域分別劃分成6個和7個降雨分區,各個分區賦予獨立的入滲補給強度值。

圖5 模擬區域降雨入滲強度分區

根據模型區域內的調查點的勘測水位數據,通過三角網格TIN差值的方法可以近似得出模擬區域內的初始水位分布,具體模型的水位分布后續還需通過模型參數反演得出,鉆孔水位插值結果如圖6所示。從圖中可以看出,模擬區域內地下水位分布大致為由東向西流動,地下水位在15～32 m之間。

3.2 污染運移預測模擬

3.2.1 預測情景設計

本次評價以2021年作為評價基準年,將地下水環境影響預測時段定為10 a。結合園區環境特征,預測污染發生100 d、365 d、1 000 d和3 650 d時污染物遷移情況,地下水風險源為湖口縣化工企業的廢水調節池,預測因子為CODcr和氟化物。預測情景設計為:非正常狀況下,廢水調節池防滲系統破裂情況下廢水泄漏。

3.2.2 預測源強概化

非正常工況下,預測源強因工藝設備或地下水環境保護措施因系統老化或腐蝕,設定為正常狀況的100倍。廢水調節池在非正常工況下污染物泄漏對地下水產生污染的風險較大,廢水產生源強中CODcr的最大產生濃度為1 000 mg/L、氟化物最大產生濃度為50 mg/L,泄露量按照非正常工況下0.2 m3/d計算。

3.2.3 地下水污染運移參數選取

含水層有效孔隙度取為0.25～0.39,本次評價取小值作為污染運移模型參數。彌散度根據經驗取值為18 m,橫向彌散度和垂向彌散度按照比例選取,其中橫向彌散度/縱向彌散度=0.31,垂向彌散度/縱向彌散度為0.03。因模型缺乏其他相關參數如等溫吸附系數和反應參數,因此按照最不利風險預測原則,不考慮污染物的吸附和降解。

3.2.4 地下水污染運移預測結果

模擬期考慮污染源持續泄露3 650 d,不同預測因子分別在100 d、365 d、1 000 d和3 650 d超標范圍如圖7、圖8所示。在第100 d、365 d、1 000 d和3 650 d的時刻,超標范圍呈現逐漸增大的趨勢,且污染區域中心濃度逐漸降低。由于區域地下水滲流場水流梯度較大,地下水流動速度較快,兩種污染物在第100 d、365 d、1 000 d和3 650 d的時刻運移距離大概為21.5 m、62.5 m、172.1 m及616.3 m,如表1所示。據源強概化假設為面源污染,圖中顯示隨著時間增加污染羽沿著地下水流方向持續擴大。污染物超標范圍呈現橢圓污染羽向四周擴散,CODcr泄露濃度較大,因此污染羽中心的濃度也比氟化物污染物大一些。

表1 污染物沿地下水方向運移最大距離統計 m

圖7 CODcr在不同預測時間的污染羽分布圖

圖8 氟化物在不同預測時間的污染羽分布圖

4 結語

(1)本研究區與黃茅潭相鄰,污染物一旦發生滲漏,長時間后可能會對黃茅潭水、其他地表水以及地下水環境造成影響。根據前期地下水調查結果顯示,研究區潛水埋深1.5～4.1 m,潛水含水層有易污的特征,污染風險較大。此外,湖口縣化工企業的廢水調節池泄漏后對項目周邊植被生態和環境也有較大影響。本項目結合數值模擬方法對廢水調節池在非正常工況下進行了預測。選擇廢水調節池中濃度較高的CODcr和氟化物作為預測因子,污染物的最大運移距離達到616.3 m,距離黃茅潭尚有一段距離。CODcr污染物的釋放濃度大于氟化物污染物,在同一時間,其污染范圍及濃度要稍大于氟化物。總體而言,污染物短時泄露工況下危害風險較小;對于長時泄露工況,在十年以后污染超標范圍較大。

(2)考慮到研究區包氣帶厚度很小,污染物一旦泄露將直接污染到潛水含水層,因此應采取嚴格的源頭控制和防治措施,對工業園內企業的工藝、管道、設備、滲濾液收集和儲存采取相應措施,將污染物泄漏的環境風險事故降到最低程度。同時在不同企業的污水處理設施正下游設立跟蹤型污染監測點位,并建立應急響應機制,預防污染物持續泄露。