東北某企業地下水中揮發酚運移模擬

翟 勇 黃 亮 甄占勝

(1.中國昆侖工程有限公司吉林分公司；2.中國石油天然氣股份有限公司遼河石化分公司)

0 引 言

化工工業水平是一個國家工業化程度的重要標志，作為東北地區的主導行業，其快速發展加快了東北經濟的發展。也因此造成了能源、生態、環境、資源等方面的危機[1-5]。酚類主要來自于煉油、煤氣洗滌、煉焦、造紙、合成氨、化工等過程[6]，揮發酚通常是指沸點在230℃以下的酚類物質，屬于一元酚。揮發酚是世界各國嚴格控制的飲用水有機污染物，長期飲用被該物質污染的水極有可能引起慢性中毒。關于地下水的污染，國家先后出臺了《水污染防治行動計劃》《全國地下水污染防治規劃(2011—2020)》等一系列法規，國內也有很多學者開始著手對地下水中揮發酚類物質進行調查、評估及評價等研究。本文以東北某化工企業場地地下水為例，研究其地下水中揮發酚類物質的溶質運移規律。

1 場地概況

該場地位于東北某化工企業廠區內，2013年完成了某項目的主體工程建設，并投產使用。在項目所涉及到的含酚廢水處理池周邊建設5眼地下水監測井，對地下水中的酚類、COD、氨氮等指標進行長期監測。對5眼井中的地下水進行檢測后發現，地下水中的酚類物質最高可達0.94 mg/L。

該場地位于松嫩平原，地形地貌主要受區域地質構造和新構造運動控制和影響，地勢由西北向東南緩緩降低，海拔一般145～155 m，最高點位于西北部高崗地，海拔161.2 m，最低點位于東南部河谷侵蝕基準面，海拔141.8 m。廠區內包氣帶為粉質黏土，上部黑褐色，下部褐黃色，分布連續，厚度6～8 m，滲透系數0.1～0.46 m/d。廠區內包氣帶巖性共有3層，即雜填土、黑褐色粉質黏土、褐黃色粉質黏土，其中雜填土厚度1.2～1.8 m，黑褐色黏土厚度2.05～5.5 m，褐黃色粉質黏土厚度2.0～3.5 m。

2 所用地下水數值模擬軟件簡介

地下水數值模擬采用GMS地下水數值模擬軟件。國際通用標準GMS有良好的使用界面，強大的前處理、后處理功能和優良的三維可視效果，是目前世界上應用最廣泛的地下水數值模擬軟件之一。

地下水數值模擬的步驟一般如下：①建立研究區域地下水系統的概念模型；②將概念模型轉化為數學模型；③模型校正；④通過預測結果與觀測結果進行模型的驗證；⑤使用驗證后準確模型進行預測。實體模型建立方法有網格法、概念模型法、鉆孔法(Solid法)。求解地下水模型的方法有解析法、數值法和物理模擬法。數值法是目前求解模型的主要方法。數值法包括有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)、有限分析法(FAM)和邊界單元法等，其中應用最廣泛的是有限差分法和有限單元法。

本次模擬采用鉆孔法(Solid法)，利用軟件中的Boreholes軟件包進行實體模型的建立。

3 概念模型的建立

3.1 工作區域

水文地質資料來自于水文地質鉆探，區內共布設鉆孔25個，并根據鉆孔繪制鉆孔綜合柱狀圖，工作區鉆孔點位布置情況如圖1所示。

圖1 鉆孔點位布置情況

3.2 含水層概化

根據地下水含水介質特征和賦存條件，地層情況大體分為沖積層，主要成分為粉質黏土，含石塊，礫石，磚頭；湖積層，主要由灰白—灰黃色含礫中粗砂、粉細砂組成，頂部分布有不連續的暗灰及暗綠色粉質黏土及灰黑色淤泥質粉質黏土；沖積湖積層，由灰、深灰、灰黑色及褐色含礫中砂、粗砂、含礫細砂組成，局部夾少量礫砂、圓礫、粉砂、細砂或粉土透鏡體；湖積層，灰、灰黑色粉質黏土，局部夾粉土或粉質黏土透鏡體；湖積層，主要分布灰綠色、黃綠色微膠結或半膠結的細砂、礫砂、圓礫，結構疏松。

由于地層中第一層沖積層厚度較小，且大部分為雜填土，因此將本區地層概化為四層，分別為湖積層、沖積湖積層、湖積層、湖積層四層。通過查看鉆孔柱狀圖可以得出各地層的頂底板標高，如表1所示。

通過鉆孔數據應用GMS軟件中的Boreholes軟件包得出三維水文地質概念模型，見圖2。

表1 鉆孔數據中的地層頂底板數據整理結果

圖2 三維水文地質概念模型

3.3 邊界條件

研究區東北方向為河流，與研究區存在補排關系，其他方向由于研究區較小，不存在獨立的水文地質單元，沒有天然的水頭邊界，研究采用了以地下水監測數據插值等值線為參考，建立邊界條件的方法。

通過對鉆孔的水位觀測，得出各鉆孔水位高程值如表2所示。

將各監測點的水位監測數據采用反距離權重插值法進行了數據插值，反距離權重法是進行散點插值比較常用的一種方法，它假定某一點的值受距離較近的已知點的值影響較大，相反受距離較遠的已知點的值影響較小，影響程度也就是權重點之間的距離平方的倒數。反距離權重法的計算公式為：

表2 研究區各鉆孔水位高程值 m

(1)

式中：zi(x，y)為已知點高程,m；di為某一個水位監測點距周圍不同監測點的距離,m。

通過反距離權重插值得到地下水流場圖，如圖3所示。

圖3 地下水流場模擬

根據地下水流場模擬圖可知，該區域地下水流向為由北西方向向下游河流補給。

沿地下水位等值線描繪模擬區域的邊界，如圖4所示，其中紫色為下游河流補給邊界，黃色為零流量邊界，藍色為定水頭邊界，構成閉合區域。

圖4 邊界條件的設定

3.4 地下水流模型

1)數學模型

根據HJ 610—2016《環境影響評價技術導則 地下水環境》，地下水滲流場的數學模型為：

(2)

(3)

式中：μs為貯水系數，1/m；h為水位，m；Kx，Ky，Kz為分別為x，y，z方向上的滲透系數，m/d；t為時間，d；W為水流的源和匯，1/d。

2)網格剖分

研究區地形垂向最大高程161.8 m，最小103.06 mm，相對高差58.2 m。根據項目區含水層結構特征及富水性，將項目區模型分為4層，每層以100 m×100 m的網格剖分，模擬區三維離散網格如圖5所示。

圖5 區內網格剖分

3)水文地質參數

模型的滲透系數主要根據項目區的抽水試驗結果確定，其他參數取值根據區域相關水文地質資料及文獻類比確定。根據不同地層、不同風化條件進行模型滲透系數分區，取值見表3。

表3 模型水文地質參數

4)流場模擬

將概念模型的各項參數導入地質模型中，使用 LPF(Layer Property Flow，分層屬性流體計算)模塊進行流場運算，形成研究區地下水流場如圖6所示。

圖6 地下水流場

4 地下水溶質運移模型

4.1 數學模型

4.1.1 控制方程(對流-彌散方程)

地下水中污染物的遷移機制主要包括對流和彌散，本文采用MT3DMS進行污染物在地下水中的運移模擬計算。彌散方程包含了對流、彌散、流體的匯/源、平衡吸附作用和一級不可逆速率化學反應，其一般式如下：

(4)

延遲因子的定義為：

(5)

本研究中以各取樣點中的揮發酚為主要溶質，其取樣點的位置與揮發酚的濃度如表4所示，通過GMS中的MT3DMS軟件包進行污染物分布三維插值，得到污染物分布結果如圖7所示。

表4 污染物位置與濃度

圖7 研究區酚污染物分布

4.1.2 定解條件

初始條件：在計算區域范圍內給出濃度的初始分布：

C(x,y,z,t)/t=0=C0(x,y,z)

(6)

式中：t=0為任意給定的初始時刻；C0為位置的已知函數。

邊界條件(即Dirichlet條件)，指定邊界濃度：

C(x,y,z,t)/Γ1=C1(x,y,z,t)
(x,y,z)∈Γ1,t>0

(7)

式中：等式右端依次為彌散項、對流項、源匯項和化學反應項。

4.2 參數的確定

本次污染物溶質運移采用GMS中的MT3DMS模塊進行模擬，溶質運移中主要模型參數如表5所示。

表5 溶質運移模型主要參數

4.3 污染物遷移預測

通過MT3DMS軟件包輸入溶質運移相關參數，并預測10 a后(3 650 d)的污染物運移情況，得出圖8不同時段的污染物分布情況。

圖8 不同時段污染物分布

通過對廠區內10 a的溶質運移模擬結果分析，可以判斷現階段的揮發酚主要集中在廠區廢水處理池區域及其西南臨近方向，最大濃度可達0.94 mg/L，其他區塊濃度較低，甚至低于檢出限。對比1，5，10 a后的濃度分布情況，可知該區域的揮發酚并不會影響到下游河流，并且通過10 a的模擬，揮發酚的濃度集中在0.002～0.1 mg/L，較現階段發生明顯的降解效應。

5 結 論

通過對東北某化工企業場區地下水進行調查，并分析其地下水中揮發酚類物質對環境的影響，主要得到以下結論：

該場地區域內地下水中污染物主要為揮發酚類物質，這與該化工企業的生產運行有關。

根據廠區內10 a的溶質運移模擬結果，可以判斷現階段的污染主要集中在廠區含酚廢水處理池區域及其西南臨近方向，最大濃度可達0.94 mg/L。

對比1，5，10 a后的揮發酚濃度分布情況，該區域的揮發酚并不會影響到下游河流。

通過10 a的模擬，揮發酚的濃度集中在0.002～0.1 mg/L，較現階段發生明顯的降解效應。

應對場區揮發酚高濃度中心地段采取削減或清除污染源的措施，降低揮發酚濃度。

應制定監測計劃，對場區及周邊地下水進行長期監測，監測揮發酚的長期變化趨勢，進行風險管控。