地下水環境影響評價理論研究

王建琴　楊武成

摘要：介紹地下水環境污染的影響因素及地下水環境影響評價方法，在此基礎上建立地下水環境影響評價的數學模型及其求解原理，并模擬地下水流場與實際流場的擬合，通過設定污染源來預測污染物對地下水造成的污染情況，分析預測結果可為采取一定的防護措施提供科學的依據。

關鍵詞：地下水；環境影響評價；影響因素；數值模擬；相關參數

中圖分類號：X824 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）02-0053-03

近幾十年來，隨著我國經濟社會的快速發展和城市化進程的不斷加快，工業“三廢”的排放、農藥及化肥的大面積施用、生活垃圾和污水的大量排放導致大部分水體受到污染，由此造成的地下水環境污染問題日趨嚴重。保護地下水環境，首先要從環境影響評價工作做起。為貫徹《中華人民共和國環境保護法》《中華人民共和國水污染防治法》《中華人民共和國環境影響評價法》和《建設項目環境保護管理條例》，保護環境，防治污染，規范地下水環境影響評價工作，環保部于2011年2月11日發布了《環境影響評價技術導則 地下水環境》，揭開了我國保護地下水環境的新的一頁。由于進行地下水環境影響預測和評價需要大量的水文地質因素和參數，因此地下水的環境影響預測一級評價和二級評價主要是通過數值模擬來完成的。

《環境影響評價技術導則 地下水環境》的發布填補了中國現行環境影響評價技術標準對地下隱蔽環境進行影響分析評價的空白，標志著中國環境影響評價工作已從關注地表以上可見的（或可聽的）環境影響，逐漸向地下隱蔽的環境影響延伸，是中國構建環保全方位立體空間污染防范體系的又一新舉措。地下水環境影響評價的目的，就是預測和評價建設項目實施過程中對地下水環境可能造成的直接影響和間接危害（包括地下水污染、地下水流場或地下水位變化），并針對這種影響和危害提出防治對策，預防與控制環境惡化，保護地下水資源，為建設項目選址決策、工程設計和環境管理提供科學依據。

1 人類活動對地下水環境的影響

環境是人類社會生存和發展的基礎，開發建設是人類維持生存、爭取發展的手段，因此開發建設必然是人類影響環境的最重要、最經常的形式。從根本上來說，環境問題是隨著開發建設而產生的。地下水的大規模開發利用、礦山開采、工農業生產、水工建筑及其他工程項目對地下水環境具有很大影響。

1.1 建設項目大規模開采

大規模開采地下水導致水量減少、水源枯竭、區域性地下水水位下降，以至引起地面沉降、地下缺氧等，并會導致海水入侵、地下水質污染等公害。造成地下水水位下降的原因主要有：對開發區水文地質和水資源論證評價的認識不符合實際，地下水開采量長期超過補給量，人為原因造成水文地質條件的改變等。

長期開采利用地下水會導致水質發生變化。其原因主要有：不同成分水的混合；含水層水動力條件的改變對地下水水質的影響；飲水工程本身對水質的影響；包氣帶金屬礦物氧化產物的進入。

1.2 工業生產

工業生產對地下水的污染主要來自工業生產的廢物，包括工業廢水及固體廢棄物的滲漏、偶然事件的發生等。其中最嚴重的污染途徑是滲漏，這為廢水向包氣帶土壤及含水層中滲入提供了很好的機會。

1.3 農業活動

一是農業灌溉對地下水動態平衡的影響。灌溉使滲透補給增加，由于水文地質條件及灌溉工程的條件不同，排水好的地區將會增加含水層水頭變化幅度，排水條件差的地區會導致地下水位的上升，無排水條件的地區主要靠蒸發排水，因此會產生水化學動態變化而導致土壤鹽堿化。二是人類農業活動對地下水的污染。大量的廢棄物和地下水溶混在一起，使地下水的水質發生了變化。這與農田分布廣面積大、施肥灌溉及農藥的使用有著密切的關系，農藥中的殺蟲劑、除草劑、殺菌劑等都會造成地下水的污染。

1.4 礦山開采

露天礦床的開采大大地改變了地表的形態，含水層中弱透水層的滲透性能得到了提高。露天開采既要把礦藏上面的含水層打開，又要大幅度降低礦藏下面的含水層的水頭，這樣的開采方式改變了地下水的補給、徑流與排泄途徑。

地下固體礦藏的開采使地下水中化學成分的形成作用發生變化。地下水位的下降還會導致巖石變形斷裂及地面沉降，對地面建筑造成不可預測的破壞性。

1.5 其他活動

水工建筑物的建設和區域性調水也會對地下水造成一定的影響。水庫的建設改變了含水層之間的水力聯系和地下水補給、徑流與排泄的條件；一些工程的建設使地下水水質惡化，以致直接影響生活飲用水質量。

2 地下水環境影響評價方法

2.1 地下水水質評價方法

地下水水質評價方法可分為單項評價法和綜合評價法。1） 單項評價方法即單因子指數法，是對單個指標進行分析評價。該方法評價模式簡單，計算簡便，評價結果可以直觀地反映超標因子，且可以清晰判斷出主要污染因子和主要污染區域。2） 綜合評價法能全面、綜合地反映、評價水體的整體狀況，主要有綜合指數法、模糊綜合評判法、人工神經網絡模型、灰色聚類法及多種方法耦合的評價方法。

2.2 地下水環境影響預測模式

地下水環境影響評價的一般模式是分析造成影響的因素，如工程項目規模、工程建設的排污特征、主要污染組分及污染物的遷移轉化規律等。利用這些因素對地下水污染狀況進行預測和風險分析，并提出相關的地下水污染防治方案和措施。地下水環境的影響評價是涉及多目標、多因素的復雜工作，針對影響因素的預測就有多種方法，如較簡單的類比分析法、情景分析法，較復雜的環境數學模型法、水文地球化學方法，還有可持續發展能力評估、環境承載力分析等。

3 Visual MODFLOW在地下水環境影響評價中的應用

3.1 Visual MODFLOW的理論基礎

MODFLOW是一個三維有限差分地下水流動模型，其理論方程為：

Kxx

+Kyy

+Kzz

-W=SS （1）

式中：Kxx，Kyy，Kzz分別為沿x，y，z坐標軸方向的水力傳導率；h為水頭；W為在非平衡狀態下通過均質、各向同性土壤介質單位體積的流量，表示地下水的源和匯；Ss為多孔介質的貯水系數；t為時間。

對于三維穩定流動，MODPATH的質量平衡方程可用有效孔隙率和滲流流速表示：

++=W （2）

式中：Vx，Vy，Vz分別為線性流動流速矢量在x，y，z坐標軸方向的分量；n為含水層有效孔隙率，%；W為由含水層內部單位體積源和匯產生的水量。

污染物運移模型MT3D的基本方程為：

=Dij

-（ViC）+CS+∑Rk （3）

式中：C為溶于水中的地下水污染物濃度；t為時間；xi為沿坐標軸各方向的距離；Dij為水力擴散系數；Vi為地下水滲流速度；qi為源和匯的單位流量；Cs為源和匯的濃度；P為含水層孔隙率，%；∑Rk為化學反應項。

3.2 地下水流數值模型

3.2.1 區域剖分 對模型整個區域的網格間距進行剖分，計算模型區域有效單元的個數。

3.2.2 邊界條件的設定 每個模型要求有一個合適的邊界條件來表達系統與周圍環境的關系。地下水流模型邊界條件描述了模型與外部系統之間水流的交換，主要有水流邊界條件和運移邊界條件。1） 水流邊界條件包括定水頭、河流、河網、變水頭、排水溝、防滲墻、補給、蒸散等邊界條件。其中：定水頭邊界條件用來確定選中網格單元的水頭值，使之作為進入系統的無限水源或者離開系統的無限匯點。河流邊界條件用來模擬地表水體對地下水流的影響。河網邊界條件用來計算河網中的總流量，并模擬地表水體和地下水體的相互作用。2） 運移邊界條件包括定濃度、補給濃度、蒸發濃度、電源等邊界條件。其中：定濃度邊界條件可以概化為一個污染源，使已知濃度的污染物向研究區排放；在某些情況下，定濃度邊界條件也可概化為將溶質移出模擬區，由測定研究區邊界的溶質濃度值給出。補給濃度可表示為一定時期內排放到研究區的溶質濃度。蒸發蒸騰濃度邊界條件表明在溶質運移模型中指定的、伴隨著蒸發蒸騰作用的不同種類溶質的濃度。點源邊界條件表示考慮水流邊界條件影響下的不同種類溶質的濃度。

3.2.3 模型識別與驗證原則 受工作條件限制，模型不可能精確刻畫出研究區的地下水流系統，模型的識別與驗證主要遵循以下原則：1） 模擬的地下水流場基本一致，即要求地下水模擬等值線與實測等值線形狀相似；2） 識別的水文地質參數要符合客觀水文地質條件。

3.2.4 模擬識別與驗證 對計算區進行初步參數分區得到穩定流場后，對模型進行識別，以驗證該流場能否全面、客觀地表征評價區實際的水文地質條件。通過對模型進行反演擬合，優化調整后確定的水文地質參數較好地刻畫了地下水系統的水文地質特征；在最優反演參數的基礎上，將模擬水位值與研究區工程勘探孔及現狀調查實測水位值進行擬合分析，結果表明，模擬值與實際值擬合情況較好，水位擬合誤差較小，基本反映了地下水隨時間和空間的變化規律，達到了預期效果。

3.3 污染結果預測

采用Visual MODFLOW軟件建立水流模型，利用軟件中的MT3DMS模塊進一步模擬預測地下水中污染物的運移情況。根據污染情況，對溶質進行污染物運移模擬，在模型中將污染源概化為補給濃度邊界。

3.3.1 地下水溶質運移數學模型 地下水中溶質運移的數學模型公式為：

ne=nDij

-（nCVi）±C′W （4）

式中：Dij=αijmn，其中αijmn為含水層的彌散度，Vm和Vn分別為m和n方向上的速度分量，│V│為速度模；C為模擬污染質的濃度；ne為有效孔隙度；C′為模擬污染質的源匯濃度；W為源匯單位面積上的通量；Vi為滲流速度。

聯合求解水流方程和溶質運移方程就可得到污染質的空間分布。

在識別后的水流模型基礎上，根據現場彌散試驗，并結合模擬區巖性及網格剖分的大小，對污染質運移的彌散參數進行識別。根據化工風險分析的情景設計，確定主要污染源分布位置，選定優先控制污染物，按正常工況、非正常工況和事故風險3種情況，分別對地下水污染物在不同時段的擴散范圍、超標范圍的時間進行模擬預測。

3.3.2 污染源源強設定 考慮廠區可能出現的污染事故點對地下水造成污染的因素較復雜，在設計可能出現的事故情景時，重點考慮發生污染危險可能性較大的工況以及由不同污染物遷移對周圍地下水環境產生影響的排泄點。

3.3.3 模擬結果分析 地下水影響評價一般參照《地下水質量標準》（GB/T 14848—93）中的各類標的標準限值，在地下水環境影響預測結果圖中標識出地下水污染物超標的濃度范圍。為了體現出污染物對地下水存在污染但污染不超標，即對地下水產生了影響，一般參照污染物的檢出限值，在預測結果圖中標識出該范圍。當預測結果小于檢出限時，則視同對地下水環境幾乎沒有影響。

4 結論

由于人類活動的不合理性導致地下水環境惡化現象頻繁出現，含水層的點源和非點源污染問題越來越嚴重。地下水污染引發的一系列生態環境問題制約著人類社會、人與自然的和諧發展，因此，加強對地下水環境的研究與評價，是必要的、迫切的。數學模型是環評中間接影響評價的有效手段，將數學模型應用于地下水環評中可以有效地對地下水的環境影響進行分析預測，改進地下水環評的定量分析能力，提高地下水環評中多方案比選時的排序能力，有利于得出地下水環境保護的最優方案，為促進資源環境和經濟的綜合決策提供有力保障。

Kxx

+Kyy

+Kzz

-W=SS （1）

式中：Kxx，Kyy，Kzz分別為沿x，y，z坐標軸方向的水力傳導率；h為水頭；W為在非平衡狀態下通過均質、各向同性土壤介質單位體積的流量，表示地下水的源和匯；Ss為多孔介質的貯水系數；t為時間。

對于三維穩定流動，MODPATH的質量平衡方程可用有效孔隙率和滲流流速表示：

++=W （2）

式中：Vx，Vy，Vz分別為線性流動流速矢量在x，y，z坐標軸方向的分量；n為含水層有效孔隙率，%；W為由含水層內部單位體積源和匯產生的水量。

污染物運移模型MT3D的基本方程為：

=Dij

-（ViC）+CS+∑Rk （3）

式中：C為溶于水中的地下水污染物濃度；t為時間；xi為沿坐標軸各方向的距離；Dij為水力擴散系數；Vi為地下水滲流速度；qi為源和匯的單位流量；Cs為源和匯的濃度；P為含水層孔隙率，%；∑Rk為化學反應項。

3.2 地下水流數值模型

3.2.1 區域剖分 對模型整個區域的網格間距進行剖分，計算模型區域有效單元的個數。

3.2.2 邊界條件的設定 每個模型要求有一個合適的邊界條件來表達系統與周圍環境的關系。地下水流模型邊界條件描述了模型與外部系統之間水流的交換，主要有水流邊界條件和運移邊界條件。1） 水流邊界條件包括定水頭、河流、河網、變水頭、排水溝、防滲墻、補給、蒸散等邊界條件。其中：定水頭邊界條件用來確定選中網格單元的水頭值，使之作為進入系統的無限水源或者離開系統的無限匯點。河流邊界條件用來模擬地表水體對地下水流的影響。河網邊界條件用來計算河網中的總流量，并模擬地表水體和地下水體的相互作用。2） 運移邊界條件包括定濃度、補給濃度、蒸發濃度、電源等邊界條件。其中：定濃度邊界條件可以概化為一個污染源，使已知濃度的污染物向研究區排放；在某些情況下，定濃度邊界條件也可概化為將溶質移出模擬區，由測定研究區邊界的溶質濃度值給出。補給濃度可表示為一定時期內排放到研究區的溶質濃度。蒸發蒸騰濃度邊界條件表明在溶質運移模型中指定的、伴隨著蒸發蒸騰作用的不同種類溶質的濃度。點源邊界條件表示考慮水流邊界條件影響下的不同種類溶質的濃度。

3.2.3 模型識別與驗證原則 受工作條件限制，模型不可能精確刻畫出研究區的地下水流系統，模型的識別與驗證主要遵循以下原則：1） 模擬的地下水流場基本一致，即要求地下水模擬等值線與實測等值線形狀相似；2） 識別的水文地質參數要符合客觀水文地質條件。

3.2.4 模擬識別與驗證 對計算區進行初步參數分區得到穩定流場后，對模型進行識別，以驗證該流場能否全面、客觀地表征評價區實際的水文地質條件。通過對模型進行反演擬合，優化調整后確定的水文地質參數較好地刻畫了地下水系統的水文地質特征；在最優反演參數的基礎上，將模擬水位值與研究區工程勘探孔及現狀調查實測水位值進行擬合分析，結果表明，模擬值與實際值擬合情況較好，水位擬合誤差較小，基本反映了地下水隨時間和空間的變化規律，達到了預期效果。

3.3 污染結果預測

采用Visual MODFLOW軟件建立水流模型，利用軟件中的MT3DMS模塊進一步模擬預測地下水中污染物的運移情況。根據污染情況，對溶質進行污染物運移模擬，在模型中將污染源概化為補給濃度邊界。

3.3.1 地下水溶質運移數學模型 地下水中溶質運移的數學模型公式為：

ne=nDij

-（nCVi）±C′W （4）

式中：Dij=αijmn，其中αijmn為含水層的彌散度，Vm和Vn分別為m和n方向上的速度分量，│V│為速度模；C為模擬污染質的濃度；ne為有效孔隙度；C′為模擬污染質的源匯濃度；W為源匯單位面積上的通量；Vi為滲流速度。

聯合求解水流方程和溶質運移方程就可得到污染質的空間分布。

在識別后的水流模型基礎上，根據現場彌散試驗，并結合模擬區巖性及網格剖分的大小，對污染質運移的彌散參數進行識別。根據化工風險分析的情景設計，確定主要污染源分布位置，選定優先控制污染物，按正常工況、非正常工況和事故風險3種情況，分別對地下水污染物在不同時段的擴散范圍、超標范圍的時間進行模擬預測。

3.3.2 污染源源強設定 考慮廠區可能出現的污染事故點對地下水造成污染的因素較復雜，在設計可能出現的事故情景時，重點考慮發生污染危險可能性較大的工況以及由不同污染物遷移對周圍地下水環境產生影響的排泄點。

3.3.3 模擬結果分析 地下水影響評價一般參照《地下水質量標準》（GB/T 14848—93）中的各類標的標準限值，在地下水環境影響預測結果圖中標識出地下水污染物超標的濃度范圍。為了體現出污染物對地下水存在污染但污染不超標，即對地下水產生了影響，一般參照污染物的檢出限值，在預測結果圖中標識出該范圍。當預測結果小于檢出限時，則視同對地下水環境幾乎沒有影響。

4 結論

由于人類活動的不合理性導致地下水環境惡化現象頻繁出現，含水層的點源和非點源污染問題越來越嚴重。地下水污染引發的一系列生態環境問題制約著人類社會、人與自然的和諧發展，因此，加強對地下水環境的研究與評價，是必要的、迫切的。數學模型是環評中間接影響評價的有效手段，將數學模型應用于地下水環評中可以有效地對地下水的環境影響進行分析預測，改進地下水環評的定量分析能力，提高地下水環評中多方案比選時的排序能力，有利于得出地下水環境保護的最優方案，為促進資源環境和經濟的綜合決策提供有力保障。

Kxx

+Kyy

+Kzz

-W=SS （1）

式中：Kxx，Kyy，Kzz分別為沿x，y，z坐標軸方向的水力傳導率；h為水頭；W為在非平衡狀態下通過均質、各向同性土壤介質單位體積的流量，表示地下水的源和匯；Ss為多孔介質的貯水系數；t為時間。

對于三維穩定流動，MODPATH的質量平衡方程可用有效孔隙率和滲流流速表示：

++=W （2）

式中：Vx，Vy，Vz分別為線性流動流速矢量在x，y，z坐標軸方向的分量；n為含水層有效孔隙率，%；W為由含水層內部單位體積源和匯產生的水量。

污染物運移模型MT3D的基本方程為：

=Dij

-（ViC）+CS+∑Rk （3）

式中：C為溶于水中的地下水污染物濃度；t為時間；xi為沿坐標軸各方向的距離；Dij為水力擴散系數；Vi為地下水滲流速度；qi為源和匯的單位流量；Cs為源和匯的濃度；P為含水層孔隙率，%；∑Rk為化學反應項。

3.2 地下水流數值模型

3.2.1 區域剖分 對模型整個區域的網格間距進行剖分，計算模型區域有效單元的個數。

3.2.2 邊界條件的設定 每個模型要求有一個合適的邊界條件來表達系統與周圍環境的關系。地下水流模型邊界條件描述了模型與外部系統之間水流的交換，主要有水流邊界條件和運移邊界條件。1） 水流邊界條件包括定水頭、河流、河網、變水頭、排水溝、防滲墻、補給、蒸散等邊界條件。其中：定水頭邊界條件用來確定選中網格單元的水頭值，使之作為進入系統的無限水源或者離開系統的無限匯點。河流邊界條件用來模擬地表水體對地下水流的影響。河網邊界條件用來計算河網中的總流量，并模擬地表水體和地下水體的相互作用。2） 運移邊界條件包括定濃度、補給濃度、蒸發濃度、電源等邊界條件。其中：定濃度邊界條件可以概化為一個污染源，使已知濃度的污染物向研究區排放；在某些情況下，定濃度邊界條件也可概化為將溶質移出模擬區，由測定研究區邊界的溶質濃度值給出。補給濃度可表示為一定時期內排放到研究區的溶質濃度。蒸發蒸騰濃度邊界條件表明在溶質運移模型中指定的、伴隨著蒸發蒸騰作用的不同種類溶質的濃度。點源邊界條件表示考慮水流邊界條件影響下的不同種類溶質的濃度。

3.2.3 模型識別與驗證原則 受工作條件限制，模型不可能精確刻畫出研究區的地下水流系統，模型的識別與驗證主要遵循以下原則：1） 模擬的地下水流場基本一致，即要求地下水模擬等值線與實測等值線形狀相似；2） 識別的水文地質參數要符合客觀水文地質條件。

3.2.4 模擬識別與驗證 對計算區進行初步參數分區得到穩定流場后，對模型進行識別，以驗證該流場能否全面、客觀地表征評價區實際的水文地質條件。通過對模型進行反演擬合，優化調整后確定的水文地質參數較好地刻畫了地下水系統的水文地質特征；在最優反演參數的基礎上，將模擬水位值與研究區工程勘探孔及現狀調查實測水位值進行擬合分析，結果表明，模擬值與實際值擬合情況較好，水位擬合誤差較小，基本反映了地下水隨時間和空間的變化規律，達到了預期效果。

3.3 污染結果預測

采用Visual MODFLOW軟件建立水流模型，利用軟件中的MT3DMS模塊進一步模擬預測地下水中污染物的運移情況。根據污染情況，對溶質進行污染物運移模擬，在模型中將污染源概化為補給濃度邊界。

3.3.1 地下水溶質運移數學模型 地下水中溶質運移的數學模型公式為：

ne=nDij

-（nCVi）±C′W （4）

式中：Dij=αijmn，其中αijmn為含水層的彌散度，Vm和Vn分別為m和n方向上的速度分量，│V│為速度模；C為模擬污染質的濃度；ne為有效孔隙度；C′為模擬污染質的源匯濃度；W為源匯單位面積上的通量；Vi為滲流速度。

聯合求解水流方程和溶質運移方程就可得到污染質的空間分布。

在識別后的水流模型基礎上，根據現場彌散試驗，并結合模擬區巖性及網格剖分的大小，對污染質運移的彌散參數進行識別。根據化工風險分析的情景設計，確定主要污染源分布位置，選定優先控制污染物，按正常工況、非正常工況和事故風險3種情況，分別對地下水污染物在不同時段的擴散范圍、超標范圍的時間進行模擬預測。

3.3.2 污染源源強設定 考慮廠區可能出現的污染事故點對地下水造成污染的因素較復雜，在設計可能出現的事故情景時，重點考慮發生污染危險可能性較大的工況以及由不同污染物遷移對周圍地下水環境產生影響的排泄點。

3.3.3 模擬結果分析 地下水影響評價一般參照《地下水質量標準》（GB/T 14848—93）中的各類標的標準限值，在地下水環境影響預測結果圖中標識出地下水污染物超標的濃度范圍。為了體現出污染物對地下水存在污染但污染不超標，即對地下水產生了影響，一般參照污染物的檢出限值，在預測結果圖中標識出該范圍。當預測結果小于檢出限時，則視同對地下水環境幾乎沒有影響。

4 結論

由于人類活動的不合理性導致地下水環境惡化現象頻繁出現，含水層的點源和非點源污染問題越來越嚴重。地下水污染引發的一系列生態環境問題制約著人類社會、人與自然的和諧發展，因此，加強對地下水環境的研究與評價，是必要的、迫切的。數學模型是環評中間接影響評價的有效手段，將數學模型應用于地下水環評中可以有效地對地下水的環境影響進行分析預測，改進地下水環評的定量分析能力，提高地下水環評中多方案比選時的排序能力，有利于得出地下水環境保護的最優方案，為促進資源環境和經濟的綜合決策提供有力保障。