基于GMS的數值模擬在某化工園地下水環境影響評價中的應用

吳鵬飛, 彭 展, 陳小婷

(湖北省地質局 第三地質大隊,湖北 黃岡 438000)

基于GMS的數值模擬在某化工園地下水環境影響評價中的應用

吳鵬飛, 彭 展, 陳小婷

(湖北省地質局 第三地質大隊,湖北 黃岡 438000)

在建設項目地下水環境影響評價中,通過對場地進行水文地質調查分析,運用基于GMS的數值模擬分析建立三維數值模型,是評價地下水污染物運移規律、污染范圍確定及濃度分布的重要手段。通過數值模擬分析,研究事故條件和非正常狀況條件下,地下水特征污染因子運移規律,及在地下水環境中的濃度變化情況,對一定時間內地下水可能受到污染的情況進行分析和預測。

地下水環境影響評價;GMS;數值模擬;化工園

中國地下水資源地域分布不均,地下水資源量總體上呈東南向西北逐漸降低的規律[1]。隨著社會發展,造成地下水的過度開采和污染等問題日益突出,地下水資源保護越來越重要。其中,開展建設項目地下水環境影響評價是項目建設中對地下水資源保護的重要預防手段之一。

針對地下水環境影響一級評價,通常采用數值法進行分析。本文以某在建化工園區為例,在研究園區水文地質條件的基礎上,運用GMS中的MODFLOW模塊建立三維數值模型,進行地下水流場數值模擬。主要是分析事故條件和非正常狀況條件下,化工園區特征污染因子在地下水環境中的運移特征及濃度變化情況,從而預測地下水可能受到污染的情況,為地下水保護提出針對性的預防措施。隨著計算機和數字化技術的飛速發展,采用數值法對項目建設中的地下水污染進行分析評價、實施地下水資源保護已逐步成為常用的有效方法,值得推薦,并在實踐應用中不斷總結提高和完善。

1 項目概況

1.1 基本情況

該化工園東西跨度6.4 km,南北跨度2.5 km,規劃面積20.32 km2,建有工業水廠、污水處理廠、消防中隊、危化品專線、危化品貨場、危化品碼頭等專用設施,同時規劃有基礎化工區、精細化工區、發展備用區和商住配套區四大功能區,其中基礎化工區6 km2,精細化工區5 km2,商住及配套區5 km2,發展備用區4 km2。產業發展重點為液化天然氣、硫化工、80萬t乙烯配套項目、鈦化工、精細化工及醫藥化工等,目前建成投產、在建及待建各類企業50余家。本次模擬分析評價選取兩家代表企業作為模擬分析對象。

1.2 園區地質環境特征

1.2.1 地形地貌

園區所在地屬丘陵崗地地貌,地勢較為平坦開闊,大氣擴散條件較好,整個場地被第四紀沖積土覆蓋,呈黃色的亞粘土,土層地質特性良好,地下水位低。園區地勢為西北高、東南低,最高海拔高程95.7 m,最低22.1 m。

1.2.2 氣象水文

園區屬亞熱帶大陸性季風氣候,江淮小氣候區,四季分明。全年太陽輻射量106.49～113.31千卡/cm2,年均日照時數1 959.4 h,西北部日照高于東南部,全市日照率為43%～49%;年平均氣溫為15.7～17.1 ℃;最高氣溫38.1 ℃,最低氣溫-5.3 ℃,年平均相對濕度77%,年平均氣壓1 010.6 hPa。全年無霜期在237—278 d,年平均降雨量1 223～1 493 mm,年降水總量222.37億m3,降雨日數(≥0.1 mm/d)在115—147 d。常年主導風向N、頻率為19%,次主導風向SE、頻率為14%,常年平均風速1.8 m/s。

化工園區東側為巴河,與長江相連。園區距離長江約20 km。園區內地表水以水塘為主,較大部分為近年來人工開挖魚塘、藕塘,深度約1～3 m。

1.2.3 地層巖性

1.2.4 水文地質條件

區內地下水主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水兩種類型。

(1) 松散巖類孔隙水:主要賦存于第四系松散巖組的孔隙中,其賦水空間有限,一般受大氣降水及人工排水補給,水位水量隨季節而變化,水量較小。受地形、地貌控制,只有一定匯水面積的掌、杖形地及沖溝溝腦地帶有泉水出露。在地形切割較弱、海拔較高、降水量較大的地段,單泉流量0.1～1 L/s;地下水水化學類型屬HCO3—Ca·Mg型,礦化度0.5～1.0 g/L。該層地下水季節變化明顯,枯水期水量較小,雨季相對較大,但由于地表徑流排泄快,雨水滲透補給地下水的量有限,因此富水性較差,水量貧乏。

(2) 基巖裂隙水:主要賦存于變質巖的風化、構造裂隙中,接受大氣降水及上層的孔隙水的滲入補給。區內下伏基巖局部節理裂隙較發育,但多被次生礦物充填,連通性較差,水量甚微,為富水性微弱的裂隙含水層,上覆土層透水性弱,其儲水空間有限,地下水水量較貧乏。

1.3 園區地下水利用現狀及污染源調查

化工園區內僅有少量分散式民井,居民飲用自來水,民井部分廢棄,少量作為生活用水,如洗衣、澆菜等。根據園區規劃,化工園建成后不設置居民區[3],現有村莊將按照規劃整體搬遷,現存民井將全部廢棄。總體來說,園區屬變質巖貧水區,地下水利用程度較低。

化工園地下水主要污染源有工業企業生產廢水和居民生活污水。工業企業生產廢水:整個園區現狀企業生產廢水排放量是83萬t/年,其中主要污染因子為COD、氨氮,COD為167.9 t/年;氨氮為12.9 t/年。生活污水:根據初步調查統計,園區現有居民生活污水排放量為530.64 t/年。

2 地下水流數值模擬和污染物溶質運移數值模擬

2.1 水文地質概念模型

水文地質概念模型是把含水層或含水系統實際的邊界性質、內部結構、滲透性能、水力特征和補給排泄等條件進行合理的概化,以便可以進行數學與物理模擬[4]。科學、準確地建立水文地質概念模型是地下水環境影響預測評價的關鍵。本次數值模擬分析的水文地質概念模型設置如下。

(1) 含水層概化:園區含水巖組主要為第四系松散巖類孔隙水和變質巖基巖裂隙水。

(2) 邊界條件:北部、東部邊界為給定水頭邊界;其他邊界為零通量邊界。上邊界為降水補給、蒸發,下邊界取中風化層底板,等效定義為零通量邊界(相對隔水邊界)。

(3) 源匯項設定:園區含水層主要接受大氣降雨補給,最終排泄至巴河。

(4) 初始條件確定:在模型中輸入收集的園區監測孔的長期觀測水位,可生成初始等水位線,確定園區地下水的初始流場。

2.2 滲流模型

2.2.1 數學方程與求解平臺

通過對水文地質概念模型的分析,依據滲流連續性方程和達西定律,建立模擬區地下水系統水文地質概念模型相對應的三維非穩定流數學模型:

上述數學控制方程的求解平臺采用DHI-WASY公司開發的基于有限單元法的FEFLOW(Finite Element subsurface FLOW system)軟件。

在眾多模擬軟件中,由德國水資源規劃與系統研究所(WASY)開發出來的地下水流動及物質遷移模擬軟件系統FEFLOW具有獨到的特點,它是迄今為止功能最為齊全的地下水模擬軟件包之一,可用于復雜三維非穩定水流和污染物運移的模擬。

2.2.2 初始網格與地質模型

基于FEFLOW平臺,輸入模擬區域矢量數據,利用Advancing Front剖分方法,將區域離散為不規則三角剖分網格,剖分過程嚴格遵循Delaunay法則,使三角網格內的三角形內角角度為銳角,三邊長度盡量相等,三角形網中任一三角形的外接圓范圍內不會有其他點存在,在散點集可能形成的三角剖分中,Delaunay三角剖分所形成的三角形的最小角最大。

在園區適當加密三角剖分單元,最終得到模擬區初始二維剖分結果如圖1所示,其中結點數5 190個,有限單元數10 033個。

根據水文地質概念模型,地質模型(含水系統)由潛水含水層構造,共分為三層(layer)四片(slice)。

三層:第一層為第四系素填土,第二層為粉質粘土,第三層為片麻巖層。

四片:地表高程、第四系素填土層底板、粉質粘土層底板、片麻巖層底板。

其中地表高程數據采用ASTER GDEM數據(數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心科學數據中心),利用ESRI公司的ArcGIS軟件處理以上數據,輸入FEFLOW后,即可建立模擬區三維地質模型,如圖2所示,其中結點數10 380個,有限單元數23 590個。

圖1 模擬區二維網格剖分Fig.1 Two dimensional grid dissection of simulation area

圖2 模擬區三維網格剖分Fig.2 3d grid profile of simulation area

2.2.3 水文地質參數

本次模擬工作所用到的初始水文地質參數主要依據園區布設的7個地下水監測點資料及試驗獲取的水文地質參數,同時根據模擬區水文地質概念模型,對其滲透系數進行了概化分區,水文地質初始參數取值如表1所示,第一層為第四系素填土,第二層為粉質粘土,第三層為片麻巖層。

表1 評價區水文地質初始參數取值表Table 1 Evaluation of the initial parameters of hydrogeological parameters

本次溶質運移模型中彌散度的確定主要依據是Geihar等(1992)對世界范圍內所收集的59個大區域彌散資料進行的整理分析。按照偏保守原則,最終確定的溶質運移模型參數見表2。

表2 溶質運移模型參數表Table 2 Parameter list of solute transport model

2.2.4 識別驗證

利用正演試錯法,將模擬區邊界條件、參數分區、參數取值等輸入模型,并執行正演模擬,反復調整需要識別的參數,直到模型結果與現狀調查中的水位觀測點擬合程度較好為止。

在參數識別基礎上,調整模型為非穩定流模式,設置時間為30年,觀察水位觀測點的動態特征,并記錄模型水均衡數據。對出現水動態異常、水均衡失穩等情況的識別結果,重新開展參數識別,直到識別結果能通過驗證工作的檢驗。

對調查評價區的地下水滲流場進行參數識別,經反復調整參數和均衡量,識別水文地質條件,確定模型結構、參數和均衡要素;當所取參數如表3時,模擬的地下水流場與實際地下水流場基本一致,識別的水文地質參數符合實際水文地質條件,基本反映了地下水系統的水力特征,可利用模型進行地下水位預報。

表3 模型擬合水文地質參數列表Table 3 List of hydrogeological parameters

依據識別后的參數,水位擬合情況如圖3所示,擬合數據與實測水位數據基本一致,模擬結果可靠。

圖3 初始流場水位擬合折線圖Fig.3 Fitting line drawing of initial flow field water level

2.2.5 初始條件

經參數識別驗證后,運用模擬所得水文地質參數,可得初始地下水流場圖如圖4所示。將其作為模擬的初始條件,使得其基本反映出實際地下水流場特征,可以此為基礎開展后續地下水環境影響預測評價工作。

圖4 初始流場圖Fig.4 Initial flow field diagram

2.3 模擬因子選擇和工況設定

根據擬建項目特點,施工期及服役期滿后污染極小,主要產污時段為運營期,故選取運營期作為總模擬時間,假定時長為30年。計算時間步長為自適應模式,記錄第100 d、1 000 d及每年的模擬預測結果,共計32個時間點的數據,為污染物遷移規律的分析工作提供數據支撐。

2.3.1 模擬預測因子

本項目針對7個地下水監測點采集7個樣品進行水質監測分析,通過收集前期的資料及地下水水質檢測報告得知,擬建項目生產過程中產生的廢水主要成分為COD、BOD5、SS、氨氮、重金屬等,結合本項目的工程特點,選定COD作為擬建項目地下水污染特征因子。

2.3.2 工況設定

工況1:非正常狀況下。

模擬情景:根據《環境影響評價技術導則——地下水》(HJ610—2016),非正常排放情況下,預測源強可考慮設施老化或腐蝕情況。對于本項目地下水污染非正常排放源強,模擬企業1、企業2兩家企業污染裝置、防滲裝置發生老化的情景,防滲等級降至10-5cm/s,污染物發生滲透。兩家企業的位置如圖5所示。

圖5 預測評價企業位置示意圖Fig.5 Position sketch of predictive evaluation enterprise

模擬污染物:COD。污染源概化:連續恒定排放,面源。泄漏點:企業1、企業2。泄漏面積:分別為235 m2、145 m2。泄漏時間:持續性泄露,共30年。泄漏濃度:COD初始濃度分別為500 mg/L、800 mg/L。

工況2:事故狀況下。

模擬情景:事故排放源強主要考慮企業1、企業2兩家企業污染物直接滲入地下含水層中情景。

模擬污染物:COD。污染源概化:瞬時排放,面源。泄漏點:污染裝置破裂導致泄漏。泄漏面積:分別為235 m2、145 m2。泄漏時間:泄漏10 d。泄漏濃度:COD初始濃度分別為500 mg/L、800 mg/L。

2.4 污染物濃度變化趨勢

2.4.1 非正常狀況評價結果

污染裝置發生老化后,污染物下滲進入地下水中,形成超標污染暈,其遷移方向主要受水動力場控制。本評價區域,污染物逐步向東南方向遷移擴散,污染范圍持續擴大,選取100 d、1 000 d、10 950 d三個時間段進行統計。

針對三個典型時間段,統計污染暈的運移距離、污染面積,見表4。

圖6展示了模型運行100 d、1 000 d、10 950 d天三個時段下地下水中污染物的遷移擴散情況。

圖6 非正常狀況下COD滲漏超標污染暈平面圖Fig.6 COD leakage exceeds the level of pollution in abnormal condition

2.4.2 事故狀況下評價結果

泄露事故發生后,污染物下滲進入地下水中,形成超標污染暈,遷移方向主要受水動力場控制,逐步向東南部擴散,污染暈逐步擴大,在地下水稀釋作用下,最高濃度逐步降低,在10 950 d(30年),超標污染暈最大、濃度最小。

表4 非正常狀況下COD超標污染暈預測結果Table 4 The result of abnormal COD pollution in abnormal conditions

針對三個典型時間段,統計了污染暈的運移距離、污染面積,數據見表5。

表5 事故情景下COD超標污染暈預測結果Table 5 The result of the prediction of COD contamination in the accident situation

模型運行100 d、1 000 d、3 650 d三個時段下地下水中污染物的遷移擴散情況,如圖7。

圖7 事故情景下COD滲漏超標污染暈平面圖Fig.7 COD leakage exceeds the level of pollution in the accident situation

2.4.3 評價結論

本次評價采用三維非穩定流水文地質概念模型,對園區代表企業在非正常和風險事故情景下進行了預測分析,模擬結果顯示:非正常狀況下,污染物下滲進入地下水中,形成超標污染暈,其遷移方向主要受水動力場控制,逐步向東南部擴散,污染暈面積持續擴大,至第30年時,超標污染暈范圍最大;事故情景下,污染物下滲進入地下水中,形成超標污染暈,呈現面積逐漸擴大、濃度逐漸降低的特點,至第30年時,污染物濃度最低。

在非正常狀況及事故情景下,超標污染暈呈現逐步擴大的趨勢,運移出廠界,項目停止運行后,超標污染暈有可能繼續向東南擴散,建議在污染裝置下布設防滲膜等防滲措施,并在其下游布設監測井和應急抽水井,防止地下水污染物對廠區外地下水環境造成的影響。

3 結論與建議

運用GMS軟件,建立某化工園區水文地質概念模型,經過模型的識別驗證,模型模擬效果較好。預測結果表明:非正常狀況下,污染物下滲進入地下水中,形成超標污染暈,逐步向東南部擴散,遷移距離最大達752 m,污染暈面積持續擴大,至第30年時,超標污染暈范圍最大,污染面積達184 326 m2;事故情景下,污染物下滲進入地下水中,形成超標污染暈,呈現面積逐漸擴大、濃度逐漸降低的特點,至第30年時,污染物濃度最低,污染物遷移距離最大為487 m,污染面積達137 583 m2。在非正常狀況及事故情景下,超標污染暈呈現逐步擴大的趨勢,運移出廠界,項目停止運行后,超標污染暈有可能繼續向東南擴散。

建議在污染裝置下布設防滲措施,并在其下游布設監測井和應急抽水井,防止地下水污染物對園區外地下水環境造成的影響。針對項目可能發生的地下水污染情況,建議園區進行“可視化”處理,污水輸送管道盡可能地上敷設,減少埋地管道;擬建項目以水平防滲為主,防滲設計根據項目場地天然包氣帶防污性能、污染物控制難易程度和污染物特性,對擬建項目采取整體分區防滲。同時,按照規范要求做好地下水長期監測。

[1] 環境保護部.關于印發《全國地下水污染防治規劃(2011—2020年)》的通知:環發[2011]128號[A/OL].(2005-08-20)[2017-09-20].http://www.360doc.com/content/15/0820/19/17103623_493700722.shtml.

[2] 陸浩.軍用鉛酸動力電池建設項目水文地質勘查報告[R].武漢:武漢地質工程勘察院,2011.

[3] 肖威,黃瑞金,王銀國,等.黃岡化工園控制性詳細規劃[R].鄂州:鄂州市城市規劃勘測設計研究院,2013.

[4] 耿三方,徐月珍.何謂水文地質概念模型[J].水文地質工程地質,1985(4):38.

Based on the Numerical Simulation of GMS in a Chemical Industry GardenApplication of Water Environmental Impact Assessment

WU Pengfei, PENG Zhan, CHEN Xiaoting

(ThirdGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Huanggang,Hubei438000)

In groundwater environment impact assessment in construction project,by analyzing hydrogeology survey is carried out on the field,by using the numerical simulation analysis based on GMS three-dimensional numerical model,is the ranges of polluted groundwater pollutant migration rule,determine the evaluation and the concentration distribution of the important mean.Accident condition through numerical simulation analysis,research and under the condition of abnormal condition,the characteristics of groundwater pollutant migration rule,and its concentration in groundwater environmental change,for a certain time of inland water may be contaminated situation analysis and prediction.

the impact of groundwater environment; GMS; numerical simulation; chemical industry area

X523

A

1671-1211(2017)06-0728-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.06.012

2017-08-21;改回日期2017-09-20

吳鵬飛(1988-),男,工程師,水文與水資源工程專業,從事水工環及地質環境調查評價工作。E-mail:260221964@qq.com

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20171026.0845.034.html數字出版日期2017-10-26 08:45

于繼紅)