Visual MODFLOW在地下水模擬中的應(yīng)用分析

李強(qiáng)+于維坤+李騰飛+李偉華

【摘要】：采用Visual MODFLOW預(yù)測(cè)諸暨某廠區(qū)建成投產(chǎn)后流場(chǎng)的變化，建立地下水?dāng)?shù)值模型。在此基礎(chǔ)上，利用Visual MODFLOW軟件中的MT3DMS 模塊，選取CODCr為溶質(zhì)進(jìn)行污染物運(yùn)移模擬，預(yù)測(cè)地下水中污染物的運(yùn)移情況。結(jié)果表明：擬建項(xiàng)目正常運(yùn)行情況下，生產(chǎn)污水對(duì)地下水水質(zhì)的影響很小；在非正常工況下，廢水泄漏進(jìn)入地下水，地下水中CODCr濃度達(dá)到最大值為16mg/L，最大遷移距離為180m。

【關(guān)鍵詞】：地下水；數(shù)值模擬；Visual MODFLOW；CODCr

1、當(dāng)前地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移的研究中，常用的方法有解析法、數(shù)值法和實(shí)驗(yàn)法。水文地質(zhì)領(lǐng)域的數(shù)值模擬方法主要有有限差分法、有限元法、邊界單元法和有限分析法。地下水模擬在地下水研究中發(fā)揮著越來越重要的作用，目前流行的地下水模擬軟件主要有GMS、Visual MODFLOW、FEFLOW、TOUGH2等。筆者采用Visual MODFLOW軟件模擬研究諸暨某擬建廠區(qū)投產(chǎn)后廢水泄漏對(duì)地下水的影響。

1.1 模擬范圍

綜合考慮擬建項(xiàng)目周圍的區(qū)域地形地貌特征、水文特征、地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和周圍的地下水環(huán)境敏感目標(biāo)等因素，結(jié)合本次實(shí)地勘探和水質(zhì)分析結(jié)果，模擬計(jì)算范圍約為1.8km2。根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料，研究區(qū)地面高程范圍為15～20m，淺層含水層大多集中在-3～-1m，其下為相對(duì)隔水層。該區(qū)域面積較小，水文地質(zhì)條件差異性不大，可視為單一性質(zhì)含水層。該區(qū)域含水層主要巖性為粉質(zhì)黏土，滲透性能較差，含水層滲透系數(shù)為0.5m/d。

1.2 網(wǎng)格剖分

考慮到模擬精度尤其是溶質(zhì)遷移模型精度的要求，根據(jù)模擬區(qū)水文地質(zhì)條件，在垂向上將模擬區(qū)劃為一層；各層南北長(zhǎng)1.0km，東西長(zhǎng)1.7km，在水平方向上用正交網(wǎng)格進(jìn)行剖分，網(wǎng)格數(shù)目為100×200，單個(gè)網(wǎng)格大小為10m×8.5m。

1.3 邊界條件

利用觀測(cè)水位資料，確定研究區(qū)中部渠道為河流邊界，并確定西部和南部定水頭邊界。將研究區(qū)概化為具有穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，地下水位連續(xù)三維非均值各向同性的非穩(wěn)定流概念模型。

1.4 地下水?dāng)?shù)值模型

式中，μs表示儲(chǔ)水率（1/m）； h表示含水層水位高程（m）；t表示模擬時(shí)間段內(nèi)的時(shí)間（d）； K表示滲透系數(shù)（m/d）；W表示源匯項(xiàng)（m3/d）； h（x，y，z，t）表示邊界上的已知水位函數(shù)（m）；q（x，y，z，t）為第二類邊界流量函數(shù)（m3/d·m）； k表示三維空間上的滲透系數(shù)張量；Γ1為一類邊界；Γ2為二類邊界；n為邊界Γ2的外法線方向。

1.5 污染運(yùn)移模擬

1.5.1 潛在污染源分析

項(xiàng)目的廢水主要為染整廢水（包括前處理、染色）、地面沖洗水、設(shè)備冷卻水、蒸汽冷凝水和員工生活污水。各股廢水可劃分為高濃度生產(chǎn)廢水、低濃度生產(chǎn)廢水及生活污水三種。項(xiàng)目產(chǎn)生的廢水按分質(zhì)收集后，分別經(jīng)現(xiàn)有廢水處理設(shè)施預(yù)處理，其中高濃度生產(chǎn)廢水經(jīng)預(yù)處理達(dá)標(biāo)后納管；低濃度生產(chǎn)廢水部分經(jīng)深度處理后通過供水系統(tǒng)回用；生活污水經(jīng)化糞池、隔油池預(yù)處理后與生產(chǎn)廢水一道納管。

1.5.2 污染物遷移情景設(shè)置

正常狀況下，廢水經(jīng)過現(xiàn)有廢水處理設(shè)施處理后，納入諸暨市污水處理廠集中處理。擬建項(xiàng)目對(duì)地下水環(huán)境可能產(chǎn)生的影響，主要為非正常狀況。本次模擬設(shè)置模擬情景為非正常狀況生產(chǎn)發(fā)生泄漏進(jìn)入地下水含水層，預(yù)測(cè)廢水中污染物在含水層中的濃度變化、影響范圍和超標(biāo)情況。

廠區(qū)污水處理站人工防滲層局部發(fā)生泄漏，污染物以200L/d的泄漏速度進(jìn)入地下水含水層。泄漏污水中主要污染物濃度為CODCr2500mg/L。持續(xù)泄露7d，后經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)破裂后修補(bǔ)，污水不再滲入地下水。模擬總時(shí)長(zhǎng)為5000d。

1.5.3 污染物運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)地下水流實(shí)際情況和污染物運(yùn)移的一般規(guī)律，可建立以下數(shù)學(xué)模型來表示污染物進(jìn)入評(píng)價(jià)區(qū)含水層后在地下水中的遷移過程：

式中：R遲滯系數(shù)為1； 為土壤人孔隙率； 為組分濃度（mg/L）； 為彌散系數(shù)（m2/d）； 為地下水速度張量；W為水流的源匯項(xiàng)。

聯(lián)立地下水流方程和污染物運(yùn)移方程求解即可獲得污染物在含水層中的濃度分布數(shù)據(jù)。本次采用數(shù)值模擬方法對(duì)聯(lián)立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。污染物運(yùn)移過程的模擬，將在Visual Modflow軟件建立的水流數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，疊加該軟件中的MT3D模塊進(jìn)行。

1.5.4 模擬預(yù)測(cè)

模擬非正常狀況下，0-7d內(nèi)，污染物持續(xù)進(jìn)入地下水中，7d時(shí)，泄漏停止，此時(shí)泄漏中心點(diǎn)污染物濃度達(dá)到最大濃度為16mg/L。隨著時(shí)間的推移和水流運(yùn)動(dòng)，污染暈以泄漏點(diǎn)為中心，向四周擴(kuò)散。100d時(shí)，污染暈最大濃度為4mg/L。500d時(shí)，污染暈最大濃度為0.9mg/L。1000d時(shí)，污染暈最大濃度為0.6mg/L，5000d時(shí)，污染暈最大濃度為0.06mg/L。該區(qū)域水力坡度較大，地下水流交互作用強(qiáng)度一般，污染暈沿著水流方向最大遷移距離約180m。

1.5.5 污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分析

在非正常狀況下，高濃度生產(chǎn)廢水防滲層出現(xiàn)破裂，廢水中的CODCr泄露排放進(jìn)入地下水，不考慮包氣帶的滯留作用、包氣帶和飽和帶對(duì)污染物的消減作用、污染物的自然降解作用等。該地區(qū)滲透性能較差，水力坡度較大，地下水流交互作用一般。5000d模擬期內(nèi)地下水中CODCr濃度達(dá)到最大值為16mg/L，最大遷移距離約180m。污染暈范圍較小，易于控制，采取垂直防滲墻和原位異位修復(fù)能有效控制和削減地下水中的濃度。

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