基于Visual Modflow的山區(qū)某再生銅地下水污染模擬

李 巍，盧玉東，盧陽春，郭 雯，梁少歡

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054；2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054)

0 引 言

我國人均水資源量很低，北方地區(qū)65%的生活用水都來自于地下水[1],但地下水污染問題卻愈發(fā)嚴(yán)重,造成的水資源短缺給我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了嚴(yán)重影響。銅工廠排放的廢水既會(huì)造成資源損失，也會(huì)污染水環(huán)境，污染物中的重金屬元素還會(huì)嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬎踩腿梭w健康[2]。因此探明地下水污染物遷移的規(guī)律，對(duì)地下水資源的保護(hù)、居民飲水質(zhì)量的保證有著非常重大的意義。Visual Modflow是專門用于孔隙介質(zhì)中的三維有限差分地下水流數(shù)值模擬軟件[3]，國內(nèi)外有很多人利用Visual Modflow對(duì)地下水溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行模擬[4]。馬志飛[5]模擬了六價(jià)鉻在某危險(xiǎn)廢物填埋場的特點(diǎn)，結(jié)果表明增加防滲墻和地表硬化能有效防止污染的擴(kuò)散；尉鵬翔[6]研究了北京某污染廠區(qū)的苯和萘長時(shí)間滲漏污染羽的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)污染物在遷移時(shí)其長軸與水流方向一致；馬從安等[7]對(duì)某露天礦進(jìn)行地下水質(zhì)點(diǎn)示蹤來判斷礦坑涌水的水源及通道。國外的Laura K. Lautz[8]模擬了交錯(cuò)帶地表水、地下水的匯流。山區(qū)地下水往往受地形地貌、巖性、地質(zhì)構(gòu)造條件等控制。表現(xiàn)為山嶺與山坡地帶主要為地下水補(bǔ)給徑流區(qū)，河谷地帶主要為排泄區(qū)，其特點(diǎn)為地下水位變化大，水流沿著溝道向下游流動(dòng)。本文以陜南某山區(qū)再生銅為例，通過Visual Modflow軟件建立地下水流模型、溶質(zhì)運(yùn)移模型，研究地下水溶質(zhì)運(yùn)移問題。模擬結(jié)果為地下水評(píng)價(jià)提供科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 基本情況

研究區(qū)位于陜西省南部地區(qū)，在洛南縣城西19 km處，屬低中山區(qū)，高程在1 000～1 500 m之間，溝谷切深200～500 m，山勢(shì)較低，斜坡在25°～40°之間，基巖大多被坡殘積土覆蓋，植被覆蓋率30%～60%。

研究區(qū)處屬暖溫帶半濕潤季節(jié)性氣候，年平均氣溫11.1 ℃，最熱月份(7月)平均氣溫23.1 ℃，最低月份(1月)平均氣溫-1.9 ℃，年平均降水量為754.8 mm左右，蒸發(fā)量為1 034 mm左右。

1.2 水文地質(zhì)

研究區(qū)丘陵山區(qū)是基巖(包括碳酸鹽巖)強(qiáng)風(fēng)化帶潛水，順地勢(shì)往溝谷排泄，強(qiáng)風(fēng)化帶潛水以下受相對(duì)隔水的泥巖或裂隙不發(fā)育的巖層阻隔，為基巖裂隙承壓水，徑流迅速；溝谷區(qū)地勢(shì)較為平坦，有薄層第四系分布，但厚度變化大，厚度小的地段僅下伏基巖強(qiáng)風(fēng)化帶賦存地下水，厚度較大的地段第四系松散層和下伏強(qiáng)風(fēng)化帶之間無穩(wěn)定隔水層存在，共同構(gòu)成具有雙層含水介質(zhì)的統(tǒng)一潛水含水巖組：

(1)松散巖類孔隙水。上部巖性為沖洪積物含碎石黏土含有少量碎石，透水性較強(qiáng)，不具備儲(chǔ)水條件，僅零星含水，厚度4.3～7.3 m。

下部巖性為碎石土，碎石主要由全風(fēng)化灰?guī)r組成，充填物為粉質(zhì)黏土和細(xì)砂，厚度4.2～6.1m。含水層富水性差，水量相對(duì)貧乏，且不穩(wěn)定。

(2)灰?guī)r風(fēng)化帶孔隙裂隙水。灰?guī)r淺層風(fēng)化帶透水性強(qiáng)，厚度3.1～4.8 m，溝谷兩側(cè)含水層厚度大、滲透性能好，水量相對(duì)豐富。較大支溝含水層雖滲透性好，但由于含水層厚度薄，地下水賦存空間有限，地下水量相對(duì)較小，含水層富水性屬低—中等。

淺層風(fēng)化帶基巖與未風(fēng)化的深層基巖富水性有明顯差別。風(fēng)化帶下部的灰?guī)r，巖體完整性好，裂隙相對(duì)不太發(fā)育，且密閉性較好，富水性及導(dǎo)水性較差，構(gòu)成了含水層底板。區(qū)內(nèi)溝道無長年水流，降水以潛流形式補(bǔ)給第四系松散巖層地下水。地下潛水接受補(bǔ)給后，往溝谷下游排泄。

2 原理與方法

2.1 地下水流模型

研究區(qū)的含水層主要為第四系松散孔隙潛水、基巖裂隙水，整個(gè)研究區(qū)概化為單層潛水。將其概化為均質(zhì)、連續(xù)分布的含水層。將研究區(qū)概化成非均質(zhì)、各向異性、三維穩(wěn)定流的地下水系統(tǒng)概念模型[9]。其運(yùn)動(dòng)方程可描述為：

(1)

H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z)(x,y,z)∈Ω

(2)

H(x,y,z,t)(x,y,z)∈A1=H1(x,y,z,t)(x,y,z)∈A1t>0

(3)

(4)

式中：H為水頭；H0為含水層初始水頭；H1為第一類邊界水頭；q1為第二類邊界單位面積流量；Kxx、Kyy、Kzz分別為滲透系數(shù)在x、y、z上的分量；W為降水入滲補(bǔ)給強(qiáng)度；Ss為儲(chǔ)水系數(shù)；t為時(shí)間；Ω為研究區(qū)范圍；A1、A2分別為第一類、第二類邊界條件。

2.2 溶質(zhì)運(yùn)移模型

不考慮污染物在含水層中的吸附、交換、揮發(fā)、生物化學(xué)反應(yīng)，地下水中溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型可表示為：

(5)

(6)

式中：αijmn為含水層的彌散度；Vm，Vn為分別為m和n方向上的速度分量；|v|為速度模；C為模擬污染質(zhì)的濃度；ne為有效孔隙度；t為時(shí)間；W為源匯單位面積上的通量；Vi為滲流速度；C′為源匯的污染質(zhì)濃度。通過工程分析，本文主要研究重金屬污染物Pb2+、Cu2+地下水中的運(yùn)移。

2.3 模擬范圍及邊界條件概化

本次模擬范圍是洛南縣衛(wèi)東鎮(zhèn)香溝溝谷內(nèi)，面積約3.41 km2。廠區(qū)西、北、南以山為界，東南部約2 km處有一水庫，水庫東側(cè)為下游村莊。

廠區(qū)西、北、南以山為界，將邊界概化為山前側(cè)向補(bǔ)給邊界，東部以實(shí)測(cè)等水位線為界，將其概化為定水頭邊界。上邊界：主要接受大氣降水補(bǔ)給，概化為潛水面邊界。下邊界：等效定義為相對(duì)隔水邊界[10,11]。

2.4 模型的識(shí)別驗(yàn)證

模型識(shí)別與驗(yàn)正是建立正確反映實(shí)際水文地質(zhì)條件的數(shù)值模型的關(guān)鍵步驟之一，數(shù)值模擬工作的工作量主要集中在這一步驟。本次工作以第四系松散孔隙潛水、基巖裂隙水含水層的9觀測(cè)孔(1個(gè)水文鉆探孔和8個(gè)灌溉水井)的地下水動(dòng)態(tài)資料對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行識(shí)別調(diào)試。

選擇2017年9月觀測(cè)水位代入模型，通過對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)的分區(qū)、數(shù)值進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，選取觀測(cè)孔實(shí)際值與計(jì)算值擬合最好的情況，計(jì)算出模擬區(qū)地下水流場，再通過2017年12月觀測(cè)水位進(jìn)行了驗(yàn)證比較。調(diào)參后計(jì)算流場與實(shí)測(cè)流場吻合較好，等水位線基本一致，地下水動(dòng)態(tài)過程曲線與實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線基本相似。其實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)井的水位與計(jì)算流場水位對(duì)比如表1、圖1所示。

表1 監(jiān)測(cè)井的水位觀測(cè)值和計(jì)算值比較 m

圖1 模擬區(qū)含水層參數(shù)分區(qū)

其最大水位差值最大不超過2 m，一般在1 m左右結(jié)果表明地下水動(dòng)態(tài)擬合情況較好。說明含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件的概化、水文地質(zhì)參數(shù)的選取是合理的，能夠反映研究區(qū)水文地質(zhì)條件的實(shí)際情況，可用來對(duì)未來地下水流場及溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)資料，溶質(zhì)運(yùn)移的縱向彌散度取10 m，降雨入滲系數(shù)取0.2，潛水蒸發(fā)系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值0.15。通過模型的識(shí)別驗(yàn)證，最終得到模擬區(qū)模型的滲透系數(shù)的分區(qū)見表2、圖2。

表2 滲透系數(shù)分區(qū)及取值

圖2 模擬區(qū)含水層參數(shù)分區(qū)

3 結(jié)果與分析

通過工程分析，確定該工廠主要污染物為Pb2+、 Cu2+，Pb2+的最高濃度為1.5 mg/L，Cu2+的最高濃度為3 mg/L，位于工廠內(nèi)初期雨水池處。由于初期雨水池對(duì)初期雨水進(jìn)行收集處理，降雨、存水不連續(xù)，根據(jù)工程特點(diǎn)，地下水影響預(yù)測(cè)采用示蹤劑短時(shí)注入模式，注入時(shí)間為30 d。

本項(xiàng)目初期雨水池尺寸為20 m×8 m×2 m，浸潤面積為160(底面面積)+112×80%(側(cè)面積的80%，蓄水設(shè)計(jì)高度為1.6 m)=249.6 m2。根據(jù)《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》四級(jí)防水工程標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)收時(shí)平均滲漏量2 L/(m2·d)為工程質(zhì)量合格，則初期雨水池滲水量為499.2 L/d。由于下游敏感點(diǎn)距離污染源2 km，因此只對(duì)非正常工況下的滲漏進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。非正常工況下，滲水量按正常工況下初期雨水池的10倍計(jì)算，滲水量為4 992 L/d，其中Pb2+、 Cu2+滲漏量見表3。根據(jù)己建立的地下水流及溶質(zhì)運(yùn)移模型，對(duì)此工廠的主要污染物Pb2+、Cu2+進(jìn)行30 d、100 d、1 000 d的滲漏預(yù)測(cè)。

表3 非正常工況下Pb2+、Cu2+的滲漏量

根據(jù)初期雨水池的功能特點(diǎn)及下游設(shè)置的檢漏井監(jiān)測(cè)頻率，超標(biāo)范圍為《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，影響范圍為Pb2+、Cu2+污染因子的最低檢出限值，對(duì)Pb2+、Cu2+進(jìn)行不同時(shí)限滲漏情況的預(yù)測(cè)。

初期雨水池滲漏Pb2+對(duì)地下水的污染預(yù)測(cè)結(jié)果見表4及圖3、4。

圖3 Pb2+滲漏30 d后

圖4 Pb2+滲漏40 d后

根據(jù)Pb2+的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，滲漏30 d時(shí)，影響范圍為下游112 m，超標(biāo)面積為3 192 m2，下游的檢漏井監(jiān)測(cè)到污染物超標(biāo)，清理初期雨水池，檢查并修復(fù)可能的裂縫，此后僅已經(jīng)滲入地下水體中的污染物繼續(xù)擴(kuò)散，滲漏40 d時(shí)，影響范圍為下游62 m，超標(biāo)面積為1 327 m2；按照污染物濃度不超過《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值要求，按照短時(shí)注入模式，可見污染暈沿著水流方向運(yùn)移，濃度降低并不斷減小，在58 d時(shí)運(yùn)移至距水池30 m處，污染物呈點(diǎn)狀，58 d以后未檢出。

表4 初期雨水池預(yù)測(cè)因子Pb2+滲漏對(duì)地下水影響范圍

初期雨水池滲漏Cu2+對(duì)地下水的污染預(yù)測(cè)結(jié)果見表5及圖5-7。

表5 初期雨水池預(yù)測(cè)因子Cu2+滲漏對(duì)地下水影響范圍

圖5 Cu2+滲漏30 d后

圖6 Cu2+滲漏100 d后

圖7 Cu2+滲漏200 d后

根據(jù)Cu2+的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，滲漏30 d時(shí)，影響范圍為下游88 m，兩側(cè)47 m，超標(biāo)面積為0 m2；滲漏100 d時(shí)，影響范圍為下游168 m，兩側(cè)51 m，超標(biāo)面積為0；滲漏200 d時(shí)，下游影響距離為87 m，兩側(cè)40 m，超標(biāo)范圍為0；污染物未超標(biāo)。按照污染物濃度不超過《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值要求， Cu2+污染物在切斷污染源后影響范圍繼續(xù)擴(kuò)大，污染暈沿著水流向下游移動(dòng)，但濃度降低，污染暈遷移在282天時(shí)運(yùn)移至距水池76 m處，污染物呈點(diǎn)狀，282 d以后未檢出。

Pb2+和Cu2+類污染物由于其濃度不同，檢出、超標(biāo)限值不同，在時(shí)間上表現(xiàn)出了污染程度的不同。Pb2+在切斷污染源后，在100 d時(shí)已經(jīng)未檢出；Cu2+在切斷污染源后，影響范圍擴(kuò)大，濃度降低，在1 000 d時(shí)未檢出。

4 結(jié) 論

本文通過Visual Modflow對(duì)地形復(fù)雜的山區(qū)進(jìn)行地質(zhì)建模，且污染模式采用更符合實(shí)際情況的30 d短期注入模式對(duì)地下水污染進(jìn)行模擬，有如下結(jié)論：

(1)利用Visual Modflow對(duì)陜南某山區(qū)建立水文地質(zhì)模型，溶質(zhì)運(yùn)移模型。通過觀測(cè)水位及參數(shù)校正，使地下水流模型擬合的較好。通過溶質(zhì)運(yùn)移模型來研究污染物的遷移規(guī)律，為該區(qū)域地下水資源評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

(2)污染物泄露后，其運(yùn)移軌跡沿著地下水流西北—東南方向，由于模擬區(qū)處于溝谷內(nèi)，水力坡度較大，西北方向的擴(kuò)散范圍遠(yuǎn)小東南方向。且污染暈的形狀在時(shí)間上由一開始的圓形逐漸變化為羽狀直至消失。

(3)Pb2+污染物在地下水而遷移中，30 d短時(shí)注入時(shí)，超標(biāo)污染暈逐漸增大，在切斷污染源后，污染暈沿著水流方向運(yùn)移并逐漸消失；Cu2+污染物由于超標(biāo)限值較大，檢出限值較低，在切斷污染源后，其影響范圍還會(huì)繼續(xù)增大并且向下游運(yùn)移，方向基本與水流方向一致，濃度會(huì)隨著時(shí)間而減小，直至消失。

(4)由于場區(qū)距離下游水庫1.87 km，距下游水井2.32～2.94 km，按Pb2+污染物短時(shí)注入30 d進(jìn)行計(jì)算，污染暈超標(biāo)范圍距離水庫為1.75 km，距離下游水井2.20～2.82 km，故預(yù)測(cè)時(shí)段內(nèi)，污染物質(zhì)不會(huì)對(duì)下游水庫、水井產(chǎn)生影響。

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