以某化學肥料制造項目為例淺析FeFlow在地下水環境影響評價中的應用

李 芳，顧正聰，姜言欣

(云南湖柏環?？萍加邢薰?，云南 昆明 650228)

0 引言

以某化工企業化學肥料生產項目為例，采用FeFlow軟件對污染物進入地下水后造成的影響進行預測，對污染物在地下水中的運移規律和遷移特征進行分析，對區域地下水影響程度的分析有著重要意義，同時也為項目地下水污染防滲措施提供相關依據。

1 研究項目區概況

1.1 項目概況

研究項目在現有廠區內建設，產品為化學肥料，原輔材料涉及磷酸，暫存于裝置區內磷酸儲槽。擬建廠址位于劃定的工業園區，下游約3.18km有集中式飲用水供水井。

1.2 項目區水文地質概況

1.2.1 項目區底層巖性

1.2.2 項目區水文地質條件

根據區域水文地質資料，項目區及周邊內的地下水類型可分為孔隙水、裂隙水和巖溶水。

項目區西側巖溶水主要接受大氣降水補給，總體上由西南向東北徑流，在草鋪鎮與青龍哨之間形成Ⅱ28青龍哨富水塊段，屬于斷塊溶蝕潛流坡地型富水塊段，多為第四系沖積層所覆蓋，富水性較強。

青龍哨富水塊段地下水類型以巖溶水為主，裂隙水賦存量少，含水層巖性主要為寒武系漁戶村組(C1y4-5)、震旦系燈影組(Zbdn)白云質硅質灰巖、硅質灰質白云巖，為巖溶化中山。排泄區為強巖溶發育區，補給、徑流區為中等巖溶發育區；碎屑巖分布區為侵蝕中山地貌。其補給徑流區巖溶裂隙中等發育，且較均一，地表以溶溝、溶槽為主，地下以溶隙為主，地表徑流差，補給條件中等。地下水賦存于呈網狀交織的溶隙中，循環交替緩慢，泉水流量為4～43L/s。

青龍哨富水塊段內(Ⅱ28)巖溶水主要接受西側巖溶水的側向補給和第四系松散層孔隙水的垂向補給，地下水總體上由東南向西北徑流排泄，主要向青龍哨集中供水井和青龍哨龍潭徑流排泄。

2 數值模型建立

2.1 水文地質概念模型

研究區模擬計算范圍主要為青龍哨水文地質單元內碳酸鹽巖含水層出露及埋藏區。模擬計算區域西側和西南側以地下水分水嶺為界，北側以祿脿-溫泉-宗魯箐斷裂(F1)為界，東側以擬建項目廠界外約2km為界，南側以廠界外約1.3km為界。

根據確定的模擬區范圍，模擬區西側和西南側、北側、東側概化為隔水邊界，南側概化為定流量邊界。模擬計算區域內2號水井、下游集中供水井、龍潭是模擬范圍內主要的地下水排泄點，概化為井邊界。模擬區水文地質概念模型圖見圖1。

2.2 數學模型和軟件選擇

2.2.1 地下水流數學模型

假定評價區為非均質各向異性，則三維地下水流非穩定運動的數學模型可表示為：

式中：Ω為滲流區域；h為含水層的水位標高(m)；Kx、Ky、Kz分別為x、y、z方向的滲透系數(m/d)；μ為潛水含水層中潛水面上的重力給水度；ε為含水層的源匯項(1/d)；h0為含水層的初始水位分布(m)；Γ1為滲流區域的二類邊界，包括承壓含水層底部隔水邊界和滲流區域的側向流量或隔水邊界；n為邊界面的法向方向；Kn為邊界面法向方向的滲透系數(m/d)；q(x,y,z,t)為定義為二類邊界的單位面積流量(m/d)，流入為正、流出為負、隔水邊界為0；Γ1為定流量邊界。

2.2.2 污染物運移數學模型

溶質在地下水中的運移符合Fick定律，評價區的潛水污染數學模型由地下水水流模型和溶質運移模型通過運動方程耦合而成，即

式中：Dx、Dy、Dz為x、y、z方向的彌散系數；ux、uy、uz分別為x,y,z方向的流速分量；C為溶質濃度；I為溶質源匯項。方程右端前三項表示擴散效應引起的溶質運動，中間三項為水流引起的運動。

2.2.3 模擬軟件選取

采用FeFlow(Finite Element Subsurface Flow System)軟件模擬污染物在潛水含水層的遷移情況，為污染源的防滲措施提供相關依據。FeFlow軟件是德國WASY水資源規劃和系統研究所于20世紀70年代末開發的數值模擬軟件，是迄今為止功能最為齊全的地下水模擬軟件包之一，具有快速精確數值法、先進的圖形可視化技術等特點。

2.2.4 模型參數取值

(1)滲透系數

引用項目周邊區域鉆孔的注水和抽水試驗結果，灰巖層的滲透系數為0.15～2.6m/d。

(2)降雨量

年平均降雨量數據來自項目區氣象站多年的常規氣象觀測資料統計結果，為898.7mm。

(3)彌散度

成建梅收集了大量國內外在不同試驗尺度下和實驗條件下分別運用解析方法和數值方法所得的縱向彌散度資料[2]。Zech等系統研究分析了最近50年全世界各地不同試驗含水層和場地試驗中彌散度和尺度、相關長度及非均質特征之間的關系并重新評估了彌散度與尺度關系，如圖2所示[3]。從圖中可以看出彌散度在千米尺度范圍漸近于10m。因此，結合本次模擬范圍，東西長約7.2km，南北長約6.6km，面積約43.86km2，對照圖3所屬的尺度范圍，縱向彌散度取10m，橫向彌散度取1m。

3 初始邊界條件及模型識別與檢驗

3.1 區域離散

計算區域以項目所在地中心位置為坐標原點，正北方向為y軸正向，正東方向為x軸正向，垂直向上為z軸正向，垂向上考慮5大層，將模擬區域離散為個386574節點，643630個單元，區域剖分圖見圖3。

3.2 邊界條件

邊界條件：模擬區在自然條件下西側和西南側、北側、東側概化為隔水邊界；南側概化為定水頭邊界；公司2號水井、青龍哨集中供水井、青龍哨龍潭概化為井邊界；頂部接受降水量的補給。

3.3 模型識別與檢驗

采用周邊地下水1、2、3號監測井，1、2、3、4號水井，集中供水井，龍潭的水位作為初始水位，獲得初始的地下水等水頭線分布圖(圖4)。項目區地下水1號監測井、2號水井的水位作為模型識別和檢驗水位，水位觀測值和計算值對比分析詳見表1。

表1 地下水1號監測井、2號水井水位觀測值和計算值對比分析情況表 (m)

從圖4和表1可看出巖溶水流場總體擬合情況較好，總體模擬流場特征和實際觀測流場接近，所建模型能整體反應區域的水文地質特征，可用于溶質或污染物遷移的預測評價。

4 地下水污染物模擬預測

4.1 模擬預測情景設置

研究項目裝置區內設置有磷酸儲槽，廢水收集槽，根據對照分析，模擬預測情景設置為原料磷酸儲槽防滲層發生破裂，持續向地下水中排放磷酸。磷酸中污染物氟化物的濃度相對較高，將氟化物作為預測因子，預測源強約為34400mg/L。

4.2 模擬條件概化

根據項目區污染源分布情況和污染物性質，考慮到磷酸儲槽為地下槽，防滲層發生破裂后不易被發現，將污染源視為持續釋放的點源，對污染物進行正向推算，分別預測計算1a、5a、10a、20a后污染物的最大遷移擴散距離和遷移擴散范圍。

4.3 預測結果及評價

將污染源強排放數據導入軟件，以《GB/T 14848-2017地下水質量標準》中氟化物III類標準1.0mg/L為包絡線，預測磷酸儲槽泄漏導致磷酸持續進入含水層中，運移1a、5a、10a、20a后，磷酸中的氟化物在地下水中的最大運移距離和擴散面積見圖5～圖8，表2。

表2 各預測時段氟化物運移情況

根據圖5～圖8及表2預測結果分析，當磷酸發生滲漏進入地下水中持續滲漏入含水層，運移1a、5a、10a、20a后，地下水環境受氟化物影響的最大距離分別約為79.2m、185.1m、296.6m、546.9m，最大擴散范圍分別約為784.31m2、3137.25m2、13333.33m2、25098.04m2、62745.10m2。

項目距下游集中供水井約3.18km，根據預測結果，磷酸向地下水中持續滲漏20a，氟化物最大影響距離為546m，基本不會對下游集中供水井造成不利影響。

5 結論

本文以某化工企業化學肥料制造項目為例，采用FeFlow軟件進行數值模擬的方法，預測項目磷酸儲槽防滲層發生破裂，磷酸持續向地下水中滲漏的情景下，磷酸中氟化物在地下水中的運移規律和濃度分布情況。根據預測結果，以《GB/T 14848-2017地下水質量標準》中氟化物III類標準1.0mg/L為包絡線，當磷酸儲槽發生泄漏磷酸持續向地下水中滲漏20a后，氟化物最大超標距離為546.9m，基本不會對項目區下游3.18km處的集中供水井產生不利影響。

綜上，采用FeFlow軟件進行地下水數值模擬計算，可以客觀的分析污染物在地下水中的運移規律及影響程度，也可以為項目地下水環境影響評價提供技術支持。