數值模擬在地下水環境影響評價中的應用
——以某焦化項目為例

李艷兵，趙豐昌

（中材地質工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

【其 他】

數值模擬在地下水環境影響評價中的應用
——以某焦化項目為例

李艷兵，趙豐昌

（中材地質工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

HJ610-2011《環境影響評價技術導則—地下水環境》的實施對環評工作者提出了更高的要求，加大了地下水環境影響評價工作的難度。本文以某焦化項目為例，運用國際上通用的GMS軟件對地下水中污染物運移進行數值模擬預測，并根據預測結果提出相應的地下水環境保護措施，以供廣大環評工作者在地下水環評工作中參考。

環境影響評；地下水數值模擬；GMS

1 研究背景

隨著我國工業進程的不斷加快，一些地區工業廢污水、生活垃圾以及化肥農藥等的滲漏，造成地下水環境質量惡化，給人們生活帶來嚴重影響。HJ610-2011《環境影響評價技術導則—地下水環境》[1](文中簡稱《導則》)的頒布完善了我國現行環境影響評價的內容，為地下水預測分析和污染防治提供了技術支撐，對地下水污染防治具有重要的現實意義。地下水環評工作主要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影響，并提出針對性的防治對策。《導則》中重點強調了數值模擬在地下水環評中的應用[2]，鑒于數值模擬在地下水環評過程中仍存在許多疑問和難點，本文以具體工程為實例，依據《導則》對數值模擬工作的相關要求，采用GMS軟件對工業廢水的滲漏進行預測分析，并提出相應的防護措施，為類似工程的地下水環境影響評價提供參考。

2 項目區概況

2.1 自然地理條件

項目區屬于暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，冬季寒冷干燥，春季少雨多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽多連陰雨。多年平均氣溫l2.6℃，一月份最冷，月均-4.5℃；七月份最熱，月均26.4℃；極端最高氣溫40.6℃；極端最低氣溫-22℃。據多年降雨觀測資料，多年平均降雨量495.9mm，年內降雨分配極為不均，全年降雨集中在7、8、9三個月，多年平均蒸發量為1 573.1mm。

2.2 地層巖性

根據本次鉆孔資料，項目廠區揭露100m以淺地層主要為第四系上更新統(Q3al_pl)和中更新統(Q2al)地層，由上至下分述如下：

淺黃—黃褐色粉土，大孔隙，含小的鈣質結核，可見白色菌絲，稍密至中密，稍濕，該層全廠區分布，厚度2.9～13.0m之間。

(2) 中更新統(Q2al)。

據本次廠區鉆孔資料(揭露深度100m)，中更新統地層以淺黃—黃褐色粉質粘土為主，可塑，具小孔隙，土質均勻，上部含古植物根系，可見蝸牛化石碎

片、鐵銹紅色氧化鐵薄膜和黑色錳質斑點，頂板埋深2.9～13.0m之間。間夾1～4層黃褐—褐黃色砂層，分別有粉砂、細砂、中砂和粗砂，成分以石英、長石為主，厚度1.7～15.3m，局部地段夾粉土，層厚介于0.8～14.4m之間。

2.3 地下水類型及含水層結構

評價區地下水類型主要為松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。松散巖類孔隙水從含水層結構上來看具有雙層結構，其上部為淺層水，具潛水—微承壓水特征；其下部中層水，具承壓水特征。淺層水主要賦存在中更新統上部的多層粉細砂夾層中，水位埋深一般5～35m，夾有粉砂、粗砂透鏡體，厚度一般0～7.0m，層數0～2層，且有由東向西逐漸變薄、層數變少的規律。100m以上中層水的水位埋深一般在14～38m，含水層巖性為粗砂、細砂，西部含水層數2層，含水層厚度8.3m。

3 地下水環境影響預測與評價

3.1 含水層概化

本次地下水模擬區域上部為淺層潛水—微承壓含水層，中部為連續、穩定分布的相對隔水層，主要以中更新統粉質粘土為主，厚度15～60m不等，下部為中層承壓含水層。根據本次對地下水動態的掌握，針對地下水系統的內部結構、外部環境、邊界條件、水文地質參數等進行分析研究，可概化為：非均質各向異性、三層結構的擬三維穩定的地下水流系統。

3.2 水流數學模型

非均質各向異性三維穩定地下水流模型，其數學表達式如下：

式中：h為水位(m)；Kx，Ky，Kz分別為沿x，y，z方向上的滲透系數(m/d)；t為時間(d)；ε為源匯項；Ω為模型模擬區；Γ2為第二類邊界；n為邊界面的外法線方向；h0(x，y，z)為地下水初始水位函數；q(x，y，z，t)為第二類邊界上已知流量函數。

3.3 模擬流場

本次模擬以2011年3月評價區的地下水水位作為模擬的流場。源匯項主要包括降雨入滲補給、灌溉入滲補給、側向流入、側向流出、人工開采等。

3.4 模擬軟件及模擬區網格剖分

本次模擬采用美國環境保護局(USA EPA)開發的GMS6.0。GMS是地下水模擬系統(Groundwater Modeling System)的簡稱，是目前國際上最先進的綜合性的地下水模擬軟件包，由MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、Borehole Data、Solid、GEO-STATISTICS等多個模塊組成的可視化三維地下水模擬軟件包。

根據評價區水文地質條件與地下水流場特征，模擬區在垂直方向上剖分為3層，水平方向共剖分9 817個有效網格單元剖分。本次模擬在廠區焦化項目場地對剖分的網格進行了加密，網格的長、寬在40～60m之間，整個模擬區的網格長、寬在40～120m之間。網格剖分見圖1～圖3。

圖1 模擬區網格剖分

圖2 模擬區東西剖面

圖3 模擬區南北剖面

3.5 地下水水流模型識別

(1) 水文地質參數識別。

根據前述地質、水文地質條件的分析，結合地形地貌、地下水流場特征及野外抽水試驗的計算結果，對模擬區含水層水平滲透系數進行分區，結果分別見圖4、圖5。

(2) 地下水水位擬合。

模擬后潛水—微承壓水和承壓水的地下水流場擬合見圖6、圖7。

圖4 潛水—微承壓含水層滲透系數分區

圖5 承壓含水層滲透系數分區

圖6 模擬區潛水—微承壓水流場擬合

圖7 模擬區承壓水流場擬合

(3) 地下水系統均衡分析。

通過模型識別，得出模型的地下水水量均衡結果(見表1)。由表1可以看出，模擬區的地下水水量補排基本平衡。

表1 模擬區地下水均衡表

3.6 地下水溶質運移模型

地下水溶質運移可通過以下方程進行描述。

式中：αijmn為含水層的彌散度；Vm，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(mg/L)；ne為有效孔隙度；W為源匯通量；Vi為滲流速度(m/d)；Cˊ為源匯的污染質濃度(mg/L)。

根據目前填埋場的實測資料顯示，填埋場一期工程已經填滿，二期工程也進入填埋周期。根據測繪，填埋場目前剩余庫容2.023×106m3，預計總填埋量為4.08×106t，到2023年填埋場將填滿。

初始條件為：c(x，y，o)=c0(x，y) (x，y)∈Ω，t =0式中：c0(x，y)為已知濃度分布；Ω為模型模擬區。

式中：Γ2為通量邊界；Dgradc為濃度梯度。

應用GMS 6.0中的MT3D模塊可以對以上數學模型進行數值模擬。

3.7 運營期地下水環境影響預測與評價

通過對焦化廠項目建設內容的分析，應預測正常工況下污染物跑冒滴漏和事故工況下污染物滲漏水可能對地下水產生的影響。本工程擬建設一座酚氰廢水生化站，面積為8 680m2，設計處理規模為125m3/h，本文僅預測在事故工況下，選取氰化物這一因子進行預測說明。假定由于腐蝕或地質作用，池底出現大面積的滲漏現象，滲漏面積為總面積的5‰，總面積為生化集水池(厭氧池、缺氧池、好氧池)總有效面積2 764m2，生化集水池處含水層滲透系數為1.8m/d。假定污染物在包氣帶中已達到飽和狀態，其滲漏后完全進入潛水—微承壓含水層。則氰化物滲漏進入潛水—微承壓含水層中的滲漏量為：

20mg/L×2764m2×1.8m/d×0.005=0.5kg/d

3.8 地下水環境保護措施

事故污水池的防滲，混凝土強度等級不宜＜C30，鋼筋混凝土水池的抗滲等級應≥P10，且水池內表面應涂刷水泥基結晶型、噴涂聚脲等防水涂料(滲透系數≤1.0×10-12cm/s)。結構厚度應≥300mm，最大裂

縫寬度應≤0.20mm，并不得貫通，鋼筋的混凝土保護層厚度應根據結構的耐久性和環境類別選用，迎水面鋼筋的混凝土保護層厚度應≥50mm。

圖8 氰化物滲漏100天后對潛水—微承壓含水層的影響范圍

圖9 氰化物滲漏1 000天后對潛水—微承壓含水層的影響范圍

圖10 氰化物滲漏15年后對潛水—微承壓含水層的影響范圍

圖11 氰化物滲漏30年后對潛水—微承壓含水層的影響范圍

圖12 焦化廠區邊界點氰化物濃度變化

表2 氰化物滲漏對潛水—微承壓含水層的影響范圍

為了及時準確掌握廠區及下游地區地下水環境質量狀況，應建立覆蓋全廠的地下水長期監控系統，包括科學、合理地設置地下水污染監控井，建立完善的監測制度，如發現異常或發生事故，應加密監測頻次，并分析污染原因，及時采取相應措施。

4 結論

數值模擬通過對含水層的概化和水文地質參數的反復調整[3]，模擬結果精準、合理，更加符合實際情況，且在地下水環境影響中可以直觀說明保護目標受到的影響程度，利于制定合理可行的環境保護措施，可以為類似工程的地下水環境影響評價提供參考。

[1]環境保護部環境工程評估中心.HJ610-2011環境影響評價技術導則地下水環境[S].北京：中國環境科學出版社，2011.

[2]簡武，沈玲玲.淺議地下水模型在環評中的應用[J].海峽科學，2009，26(2)：13-16.

[3]譚文清，孫春，胡婧敏，等.GMS在地下水污染質運移數值模擬預測中的應用[J].東北水利水電，2008，26(5)：54-55，59.

Application of Numerical Simulation in Groundwater Environmental Impact Assessment--Taking A Certain Coking Project as An Example

LI Yan-bing, ZHAO Feng-chang
(Sinoma Geological Engineering Exploration Academy Co., Ltd., BeiJing 100102, China)

Since the implementation of the environmental impact assessment technical guideline of groundwater environment, it puts forward the higher request to the EIA workers, and increases the difficulty of the groundwater environment impact prediction analysis. Based on a coking project as an example, this paper use which has been widely applied on the international GMS software, to simulate the migration of pollutants in the groundwater, and set environmental protection measures according to the results of the prediction ,for the EIA workers in the work for reference.

environmental impact assessment; numerical simulation of groundwater; GMS

X523；X820.3

A

1007-9386(2015)02-0050-04

2015-03-09