某電廠項目地下水中污染物運移的數值模擬及預測分析

王 鼐， 何隆祥， 李 智， 劉禮領

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢430000）

利用數值模型對地下水污染進行預測是有效保護地下水的基礎，本文基于防滲膜破損5%的事故工況條件下，以可視化三維地下水流動模擬軟件GMS，對污染物在地下水中的運移特征進行了模擬預測分析［1］，為進一步制定相應的防治措施提供可靠的理論數據依據。

1 研究區概況

研究區位于長江右岸二級階地，地貌為剝蝕丘陵地貌，地形有起伏。 研究區主要上覆地層為第四系上更新統沖洪積層和第四系殘積層，下伏為燕山早期花崗巖，基巖埋深為20 ～30 m。 上覆地層上部為第四系上更新統沖洪積層，主要由黏土和粉質黏土組成，厚度為4～10 m，該地層富水性較弱，但具有一定的透水性，主要為潛水含水層上部的包氣帶。下部為第四系殘積層，巖性主要以砂質黏性土為主，巖層下部為粉細砂與黏土互層，為該區的主要含水層。 下伏燕山早期花崗巖為不透水層。

2 地下水溶質運移模擬

2.1 模型概化

模型概化是污染物在地下水中運移模擬預測的基礎，本文以潛水含水層為本次數值模擬預測的目標含水層。 研究區潛水含水層的補給方式以大氣降水補給為主，以上游地下水側向徑流補給為輔。 排泄方式主要是蒸發作用、人工開采和側向徑流排泄。潛水含水層與地表水體具有一定的水力聯系，表現為枯水期地下水向長江、三郎堰河等地表水體排泄，汛期地表水體側滲補給附近地下水。

根據研究區水文地質條件特征，將模擬區域內的潛水含水層概化為一層厚為10 ～25 m 的潛水含水層，含水層巖性以砂質黏性土和粉砂巖、細砂巖為主。 研究區地下水徑流方向為從南西部（丘陵區）向北東部（平原區）徑流，且以側向徑流的方式向長江排泄，總體上徑流速度較緩慢。 綜上所述，根據研究區地下水特征可將其概化為均質各向異性非穩定三維地下水流系統進行模擬［2］。

2.2 預測模型

根據研究區水文地質條件特征以及模型概化特征，選用地下水流模型進行預測。 綜合上述評價區地層巖性、地下水類型、地下水補徑排特征、地下水動態變化等水文地質條件及評價區水均衡分析等，在現有資料的基礎上，可將評價區地下水流系統概化成均質各向異性三維非穩定地下水流系統，用下列的數學模型表述［2－3］：

式中：Kxx，Kyy，Kzz分別表示x，y，z主方向上的滲透系數，m／ d；Ω為地下水滲流區域；H為地下水水頭，m；W為源匯項，包括降水入滲補給、河流入滲補給、井的抽水量等，m3／ d；S1為模型的第一類邊界；S2為模型的第二類邊界；μ為重力疏干給水度（無量綱）；h為潛水含水層厚度，m；H0（x，y，z） 為初始地下水水頭，m；H1（x，y，z）為第一類邊界已知地下水水頭，m；q（x，y，z）為第二類邊界單位面積流量函數，m3／ d；n為邊界S2上的外法線方向。

本次模擬預測過程中預測模型的空間離散圖采用可視化三維地下水流動模擬軟件GMS 的自動離散功能進行模擬。 根據模擬區水文地質鉆孔揭露的地層，從上往下潛水含水層厚度為10～30 m；模型中評價區南北長10～11 km，東西寬4～5 km，采用水平方向正交網格剖分處理。 網格剖分時在電廠區域附近對網格進行適當細化，單個網格最小為10 m × 10 m，最大為100 m × 100 m（圖1）。

圖1 電廠評價區模型空間分布及離散結果

根據研究區含水層巖性、區域水文地質條件、研究區抽水試驗以及滲水試驗等資料，將模擬計算得出的水位與研究區實際水位進行擬合處理（圖2），并根據擬合模型變化規律反復調整計算參數，直至擬合曲線相近為止，最終獲得含水層的各項參數。

圖2 模型計算流場與觀測井實測水位擬合圖

在校核過程中每計算一個點，就會顯示一個中點作為觀測值，上端數值為觀測值與極差值之和，下端數值為二者之差。 若觀測值與極差值之差所代表的條形在校核范圍（置信范圍）內，則條形以綠色為主，代表計算水位與實際水位之間的擬合效果良好；若條形超出校核范圍但小于校核范圍的200%時，條形以橙色為主，代表計算水位與實際水位之間的擬合效果一般；若條形超出校核范圍的200%，條形呈紅色，則說明計算水位與實際水位之間的擬合效果較差。 由圖2 可知，本次對7 個觀測井進行擬合，其中6 個條形顯示綠色，1 個觀測井條形顯示為橙色，表明模型水流計算總體上較為準確，最終獲得校準后的水文地質參數，見表1。

表1 模型校準后的含水層水文地質參數

4 地下水溶質運移模擬

4.1 事故工況模擬背景

事故工況是污染物在地下水中運移模擬預測的基礎，因此本文選擇5%事故工況條件下，該電廠因設施故障等造成有毒或者有害物質泄漏而進入研究區地下水中對深部水資源產生污染。 本文為了定量評價污染物對地下水污染程度的影響，選擇具有代表性的場景進行模擬預測。 本次選擇工業廢水處理站廢水儲存池池底發生破損的情景，選取氟化物作為預測因子。

4.2 泄漏源強

（1）泄露面積：項目擬建工業廢水處理站建有4個容積為10 m × 30 m × 3.5 m＝1 050 m3的廢水儲存池，存水量約為4 000 m3。 由于廢水儲存池受外界因素影響較大，容易遭到破壞，常使得儲存池底部破裂。 若儲存池底部破裂面積為總面積的5%，則可形成的滲漏面積為60 m2。

（2）泄漏量：垂直滲漏速率取值參照電廠內的滲水試驗，按照1.39 × 10－5cm／ s 計算，則滲漏量為0.72 m3／ d。

（3）泄露污染物初始濃度：在5%事故工況下，結合污染物濃度、毒性大小等因素，以氟化物（同等條件下氟化物污染范圍最大） 作為主要的預測因子。 污水處理站正常工況下氟化物上邊界的濃度通量取為50 mg ／ L。

在本文選用的模擬預測模型中，忽略了污染物質在地下水中遷移過程中的吸收作用、化學反應等影響因素［4］，因此，在5%事故工況下影響污染物在地下水中擴散運移的主要因素為污染物的初始濃度。

（4） 泄露時長：假定泄露時長為持續泄漏30年，利用GMS 軟件，聯合運行水流模型，得到氟化物污染暈100 d、1 000 d、10 a、30 a 時在地下水中的運移分布范圍，見表2。

表2 氟化物污染暈運移預測結果信息

在預測結果圖（圖3） 中，紅色范圍表示地下水污染物超標的濃度范圍，藍色范圍表示存在污染但污染不超標的范圍，當預測結果小于檢出限值時則視同對地下水環境幾乎沒有影響。

圖3 工業廢水站廢水儲存池池底破損的情況下氟化物30年的運移情況

由圖3 可知，紅色區域為污染物超標范圍，藍色部分為檢出但未超標范圍。 從預測結果可以看出，在廢水儲存池池底發生破損的情況下，地下水中氟化物在地下水的對流彌散作用下逐漸向下游遷移，影響范圍逐漸擴大。 污染暈在30 年內未能運移出電廠范圍，不會對評價區下游分散的地下水敏感點造成影響，因此，在該預測情景下，氟化物不會對電廠外的地下水造成污染。

5 結論

在非正常工況下，根據以上假定情景的分析結果可知，在事故工況發生泄漏的情況下，不考慮包氣帶的滯留作用、包氣帶和飽和帶對污染物的消減作用、污染物的揮發作用、污染物的自然降解作用等，如果地面防滲層出現漏洞，則在事故工況下氟化物的污染暈在電廠生產運行期的30 年內不會超出電廠邊界，不會影響到東山鎮北部的分散地下水飲用水源地。