場地平整前后地下水流場變化對預測結果影響研究

場地平整前后地下水流場變化對預測結果影響研究

孟祥帥1，王茜2

(1.北京京誠嘉宇環境科技有限公司， 北京100053；

2.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心， 河北保定071051)

摘要：在地下水環境影響評價中，往往會忽略地形地貌改變導致的地下水流場變化，由此可能造成影響預測結果的偏差。以某新建石化項目為例，利用GMS軟件分別建立項目建設前、后所在水文地質單元的數值模型，對兩者的地下水源匯項及流場變化進行對比分析，并預測事故工況下污染物泄漏對地下水及環境敏感目標的影響變化情況。研究結果表明，項目場地地形地貌發生改變，會導致局部地下水流場特征發生一定程度的變化，產生不同的預測結果，從而影響后續的減緩措施及監測方案設計。

關鍵詞：地下水流場；源匯項；地形地貌；GMS軟件；污染物運移

收稿日期：2014-06-23

作者簡介：孟祥帥(1986—)，男，山東濰坊人，工程師，碩士，主要從事環境影響評價工作，E-mail：mengxiangshuai@ceri.com.cn祥帥(1986—)，男，山東濰坊人，工程師，碩士，主要從事環境影響評價工作，E-mail：mengxiangshuai@ceri.com.cn

中圖分類號：X824

收稿日期：2015-06-08

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項( 2012ZX07104-003)；重慶市自然科學

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.017

地下水是非常寶貴的自然資源，與人類生存密切相關。目前，我國有2/3的城市供水依賴地下水[1]。石油污染物具有致畸、致癌、致突變的“三致”作用，對周圍的生態環境會產生一系列威脅和危害[2]。隨著石油的大規模勘探開采、石油化工業的發展及其產品的廣泛應用，石油及石油化工產品的泄漏對地下水的污染已成為不容忽視的問題[3]。

項目建成后，由于采取場地平整、地面硬化等措施，導致地形地貌發生改變，進而導致其地下水源匯項及含水層厚度等發生變化，從而引起地下水流場(包括流速、流向等)的改變。溶質運移與地下水動力場聯系密切，流場發生改變后，滲漏的污染物遷移特征隨之改變，造成的環境影響也可能不同。此外，在實際工作中，一般是先發現地下水受到污染，然后才逐漸發現地下水污染源[4]。地下水監測系統是環保措施中的重要一環，不準確的環境影響預測結果可能導致整個監測計劃失效。

本文以某化工工業園區的精對苯二甲酸生產項目為例，利用GMS軟件分別建立地形地貌變化前后的地下水數值模型，分析項目場地平整前后地形地貌、源匯項、地下水資源量及流場的變化，基于不同流場預測事故工況下地下水環境影響的范圍及程度，為場地平整規模較大的建設項目(或園區)在地下水環評中的精確環境影響預測提供借鑒。

1水文地質條件

該項目位于四川盆地東部嘉陵江中游地區，占地面積為2.1 km2。該區域總體地勢北高南低，地貌形態按成因類型主要分為河流侵蝕堆積階地與構造剝蝕丘陵。根據地下水的賦存介質及水動力特征，區域內地下水類型可分為第四系松散巖類孔隙水和基巖風化孔隙裂隙水兩類，其中前者主要賦存于全新統及上更新統的砂卵石層中，單井出水量為500～1 000 m3/d，地下水位埋深為3～5 m，含水層厚度一般為5～13 m；后者為項目所在區域的主要含水層類型，賦存于侏羅系上統遂寧組中的溶蝕孔洞和風化網狀裂隙，風化裂隙、溶蝕孔隙較發育，發育深度一般為25～30 m，地下水富水性差異較大，單井出水量為1.5～35 m3/d。

項目所在區域地下水在地形限定的范圍內就地補給，并以垂向補給為主，補給來源主要是大氣降水、塘堰水等。區內地下水徑流受地形坡度、巖性特征及裂隙、溶孔、溶隙展布方向的控制，通常以溝谷為中心，以各自的地表分水嶺為界，由坡上向坡下匯流，溝谷則由上游向下游方向匯流。其地下水排泄具有就近排泄的特點，排泄方式主要包括水平徑流排泄、垂向蒸發排泄、人工開采排泄，徑流排泄以向嘉陵江及羊口溪為主。項目所在區域地下水流場初始形態如圖1所示。

圖1　項目建設前所在模擬區地下水流場 Fig.1　Groundwater contour map before site leveling

項目所在區域地下水動態類型主要為滲入-徑流型。年內低水位一般出現在1—4月間，高水位一般出現在7—8月降雨量較大期間或滯后。從變化特征上看，具有與降雨量規律一致的趨勢。年內地下水水位變幅在0.3～2.8 m，總體變化幅度不大。

2地下水水流模型

2.1　地下水概念模型

第四系松散堆積層孔隙水與基巖風化裂隙水無隔水層，二者具有統一的水力聯系，因此將兩含水層概化為統一的潛水含水層。

地下水均衡計算的均衡區最好是一個具有隔水邊界的完整水文地質單元[5]。該項目位于丘陵地帶，北部、東部邊界均以地表分水嶺為邊界，設置為隔水邊界，西部、南部主要以地表水體為邊界，設置為水頭邊界。模擬區的各邊界組成完整的水文地質單元。

2.2　地下水數值模型2.2.1　數學模型

本次模擬利用MODFLOW模塊對微分方程(1)的定解問題求解，根據對水文地質條件的分析，結合地形地貌、地下水流場特征等，對該項目建設前模擬區地下水系統進行了識別和驗證。通過反復調整參數，識別了水文地質條件，確定了模型結構、參數和均衡要素。各源匯項在模型中選用的子程序包如表1所示。識別后的地下水流場及均衡計算結果分別如圖1、表2所示。

表1　各源匯項對應的子程序包

2.2.2　影響因素分析

項目場地平整引起地下水流場改變的影響因素主要包括以下兩個方面：

(1)含水層厚度及滲透系數發生改變。項目場地平整后，溝谷地帶進行填方，丘陵地帶進行挖方，原有含水層結構往往遭受破壞，含水層的頂底板標高發生改變。具體表現為：溝谷填方導致含水層厚度增加；松散堆積物導致含水層滲透系數發生改變；丘陵高地等挖方導致地形標高變化，含水層可能遭受局部甚至全部剝離，從而導致含水層厚度變小或尖滅。

(2)源匯項發生改變。場地由農業用地轉變為工業用地后，由于地面硬化等措施，造成降雨入滲量、潛水蒸發量、地下水與地表水間的補排量均有不同程度減少，而灌溉回水量、人工開采量等歸零。

2.2.3　項目建成后流場預測

項目建成后，由于地形地貌改變，場地內的含水層厚度及各源匯項均發生變化，對已進行識別驗證的地下水水流模型中的子程序包調整如下：

(1)根據項目總平面布置圖標高，調整模型中場地地形標高數據并重新進行插值計算；

(2)由于采取地面硬化等措施，場地內的降雨入滲量及蒸發量可忽略不計，根據總圖布置情況，模型中關閉場地內除綠化帶以外區域的降雨入滲(Recharge rate)及蒸發(Evaporation)選項；

(3)場地內的開采井、地表溪流、渠塘等不再存在，分別關閉模型中的地下水開采(Well)、河流泄流(Drain)及渠塘補給(River)選項。

將調整后的子程序及數據包導入數值模型進行計算，預測得到項目建成后的穩定地下水流場，如圖2所示。建成后項目所在水文地質單元的水均衡，如表2所示。

圖2　項目建設后所在模擬區地下水流場 Fig.2　Groundwater contour map after site leveling

源匯項項目建成前項目建成后變化量(Δ后-Δ前)補給項降雨入滲量16.211.5-4.7地表渠塘補給量4.93.6-1.3合計21.115.1-6.0排泄項泄流排泄量11.27.4-3.8人工開采量8.46.5-1.9蒸發量1.51.2-0.3合計21.115.1-6.0

2.3　地下水流場及均衡對比分析

對項目建設前后的地下水流場分析可知，建成后場地內地下水流場較為平緩，流向發生一定程度的改變。這主要是由于建設前地下水流場受地形控制明顯，平整后的場地含水層厚度發生變化，地下水向溪流溝渠的排泄等不再存在。此外，建設后場地內地下水水位有一定程度的下降，這是由于場地內降雨入滲補給量大幅減小，補給項的減小量大于排泄項的減小量造成的。從整個模擬區來看，由于項目建設導致地下水補給量減少，整個水文地質單元地下水資源損失量為6.0×104m3/a，約占項目建設前補給資源量的28.4%。

3地下水溶質運移模型

3.1　模塊及彌散度選取

MT3D用一種混合的Euler-Largrangian法來求解對流-彌散方程，最適用于水平流動系統的溶質運移問題[6]。模擬區地下水動態主要為滲入-水平徑流型，且潛水含水層厚度小，通過GMS中的MT3D模塊能夠有效預測該模型污染物的運移特征。由于水動力彌散尺度效應的存在，難以通過野外或室內彌散試驗獲得真實的彌散度。參考前人研究成果[7]，本次模擬縱向彌散度參數值取10 m，橫向彌散度參數值取1 m。

3.2　源強及影響途徑假定

假定2個對二甲苯儲罐的地下管線因腐蝕均出現多個漏點，單個滲漏點孔徑按1 mm計，每條地下管線按5個滲漏點計。假設污水在包氣帶中已達到飽和狀態，其滲漏后完全進入潛水含水層。其泄漏速率計算公式選用《建設項目環境風險評價導則》(HJ/T 169—2004)中的A.2.1。根據儲罐的相關設計參數計算對二甲苯的滲入量為5.8 kg/d。

3.3　影響預測結果對比分析

基于項目建設前后的地下水流場模擬分析，在儲罐泄漏位置處通過MT3D模塊進行賦值，30年服務期滿后，污染物泄漏對潛水含水層的影響預測結果如圖3、圖4所示。根據預測結果可知，如果不考慮場地平整對地下水流場的影響，污染物泄漏后在地下水中主要向西運移，其潛在的主要環境影響目標為羊口溪；考慮場地平整條件后，局部流場的改變使污染物主要向西南運移，其潛在的主要環境影響目標為嘉陵江河段。

圖3　不考慮場地平整條件下對二甲苯滲漏的污染范圍 Fig.3　PTA pollution scope regardless of site formation

圖4　考慮場地平整后對二甲苯滲漏的污染范圍 Fig.4　PTA pollution scope under the condition of considering site formation

項目建成后，污染物泄漏的潛在污染水體由羊口溪變為嘉陵江河段。雖然污染物泄漏后在服務期內均不會對相關地表水體造成影響，但項目所處位置的嘉陵江河段為Ⅲ類地表水體，環境敏感程度較季節性溪流羊口溪高，因此其地下水潛在環境風險明顯提高。

此外，由于地下水流不同方向上滲透系數及水力梯度存在差異，項目建設后污染物的影響面積及運移距離較建設前分別增加50%、17%。項目建設前后污染物的具體運移特征如表3所示。若在環境影響預測中未對項目區域內地下水流場特征的變化予以考慮，預測的影響對象、影響范圍與程度均有較大的差異，預測結果將會錯誤地指導后續污染防治措施設置及監測方案設計。

表3　項目建設前、后污染物泄漏預測結果統計表

4結論

利用GMS軟件建立地下水流場數值模型進行識

別驗證后，根據項目場地地形地貌的變化情況，通過設置對應的含水層標高及子程序包相關參數，能夠精確預測地下水流場的變化情況，解決了地下水環境影響評價中由于忽略流場變化而導致污染影響預測出現偏差的問題。

項目場地原有溝谷進行填方平整后，由于填方土石料的巖性及分選程度等與原含水層不同，該地區平整后含水層的水文地質參數發生改變。但由于項目場地尚未平整施工，填方料的各項參數難于獲得，本次預測未進行考慮。

參考文獻(References)：

[1]王愛平, 楊建青, 楊桂蓮, 等. 我國地下水監測現狀分析與展望[J]. 水文, 2010, 30(6): 53-56.

[2]Zhang Xiaodong, Huang Guohe. Assessment of BTEX-induced health risk under multiple uncertainties at a petroleum-contaminated site: An integrated fuzzy stochastic approach[J]. Water Resources Research, 2011, 47(12): 54-76.

[3]熊中浩, 莊旭. 石油石化企業地下水污染防治探析[J]. 中國石油與化工經濟分析, 2012(2): 59-62.

[4]高慶然. 齊魯石化公司地下水石油污染現狀及污染模擬研究[D]. 蘇州:蘇州大學, 2007.

[5]王大純, 張人權, 史毅虹, 等. 水文地質學基礎[M]. 北京: 地質出版社, 1995.

[6]張樹深. 大連石化周邊地區地下水石油污染數值模擬[D]. 大連: 大連理工大學, 2012.

[7]李國敏, 陳崇希. 空隙介質水動力彌散尺度效應的分形特征及彌散度初步估計[J]. 地球科學(中國地質大學學報), 1995, 20(4): 405-409.

Study on Prediction about Groundwater Flow Field and Pollutants

Migration Characteristics Caused by Topography Changes

MENG Xiang-shuai1, WANG Xi2

(1.CERI eco Technology Co.,Ltd., Beijing 100053, China;

2.Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey, China Geological Survey, Baoding 071051, China)

Abstract:In the process of groundwater environment impact assessment of project, the change of groundwater flow field which caused by topography change used to be ignored and the impact prediction deviation would also appear as a result. A new petrochemical project was taken as an example and GMS software was used as a tool to set up a numerical model of the hydrogeological unit in which the project site located. Variations of the source and sink item of groundwater and the flow field before and after site formation were compared and analyzed. The different influence on groundwater sensitive targets under accident conditions was also predicted and evaluated. The results indicate that groundwater flow field characteristics will change in a certain degree due to the change of site topography, and pollutant migration and the environmental impact will show different characteristic and extent.

Key words: groundwater flow field; source and sink; topography; GMS software; pollutant migration