地下水環(huán)境影響數(shù)值的模擬及預(yù)測(cè)

陳正國(guó),胡紅巖,郭祥旭

(黑龍江省生態(tài)地質(zhì)調(diào)查研究院,哈爾濱 150030)

0 引言

地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)是定量評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)地下水水質(zhì)及水量的重要方法[1]。采用數(shù)值模擬軟件(Visual ModFlow)建立項(xiàng)目區(qū)及周邊地下水流模型,并對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證,按設(shè)計(jì)開采量對(duì)不同開采年限的地下水水位進(jìn)行了預(yù)測(cè),并對(duì)事故狀況引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

某新建糧食加工項(xiàng)目,遠(yuǎn)期為新建地表水水源,近期擬采用當(dāng)?shù)販\層地下水,經(jīng)供水站提升后通過管路輸送至廠區(qū),供給各裝置生產(chǎn)用水,生產(chǎn)與生活用水量約為5 000 m3/d,項(xiàng)目污廢水排放量為2 500 m3/d,污染因子主要為COD,污廢水進(jìn)入企業(yè)污水處理站,處理達(dá)標(biāo)后排放或用于循環(huán)水。

項(xiàng)目區(qū)位于河漫灘,地下水含水層包括第四系松散巖類孔隙水與古近系碎屑巖類孔隙承壓水,取水目的層為第四系松散巖類孔隙水,與下部的古近系碎屑巖類孔隙承壓水間存在穩(wěn)定隔水層,水力聯(lián)系較弱。

第四系松散巖類孔隙潛水主要分布于河谷平原區(qū),上覆薄層粉質(zhì)黏土,具微承壓性質(zhì)。巖性為全新統(tǒng)與上更新統(tǒng)含礫中粗砂、砂礫石及含泥質(zhì)砂礫石,含水層厚度自上游到下游逐漸增厚,富水性增加。含水層累計(jì)厚度9～14 m,水位埋深1.03～1.78 m,單井涌水量427.2～2 104.8 m3/d。

第四系松散巖類孔隙承壓水主要分布在高平原和低平原區(qū),賦存于中更新統(tǒng)沖積湖積堆積層及上更新統(tǒng)沖積、冰水堆積層,上覆8～16 m的粉質(zhì)黏土,具有承壓性,形成孔隙承壓水,巖性以含礫中粗砂、砂礫石為主,其次為中細(xì)砂、粉細(xì)砂等,厚度一般為14.5～24 m,水位埋深6.08～12.4 m,單井涌水量568.8～1 094.4 m3/d。

在進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查并收集區(qū)域水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,根據(jù)項(xiàng)目區(qū)地層巖性及地下水賦存條件,將模擬范圍內(nèi)地層概化為3層,即1個(gè)含水層和2個(gè)相對(duì)隔水層,空間剖面如圖1。

第一層為相對(duì)隔水層,厚度3～15 m,厚度變化不大,巖性主要為粉質(zhì)黏土,透水性弱,為相對(duì)隔水層。第二層為含水層,巖性為中砂、粗砂和砂礫,厚度為5～30 m,最大厚度位于中部低平原地區(qū)。第三層為相對(duì)隔水層,厚度為10～40 m,巖性主要為淤泥質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土,透水性弱,為相對(duì)隔水層,阻隔了上下含水層的水力聯(lián)系。

評(píng)價(jià)區(qū)北鄰河流,地下水補(bǔ)給來源包括大氣降雨入滲補(bǔ)給、地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給及豐水期河流滲漏補(bǔ)給。排泄方式主要為地下水側(cè)向徑流排泄、人工開采及平枯水期向河流的排泄。從地下水系統(tǒng)角度結(jié)合本次評(píng)價(jià)的實(shí)際條件,將評(píng)價(jià)區(qū)北側(cè)邊界概化為一類定水頭邊界,其余邊界概化為二類流量邊界。

評(píng)價(jià)區(qū)含水層接受大氣降水入滲補(bǔ)給,故概化為流量邊界。含水層下為厚度較大,且分布連續(xù)穩(wěn)定的淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土,隔絕了與下部含水層的水量交換,因此概化為零流量邊界(圖2)。

圖2 水文地質(zhì)概念模型Fig.2 Conceptual model of hydrogeology

1 地下水流數(shù)值模擬模型

利用Visual ModFlow 4.2軟件建立地下水水流模型,對(duì)開采過程第四系含水層地下水流場(chǎng)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。以野外實(shí)際統(tǒng)測(cè)水位作為初始流場(chǎng),水文地質(zhì)參數(shù)由抽水試驗(yàn)求得,按水文地質(zhì)概化分區(qū)給定。第四系地下水現(xiàn)狀開采量由收集資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查綜合確定,二類邊界流量依據(jù)邊界含水層厚度、滲透系數(shù)及地下水流場(chǎng)量的水力梯度求得。根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)的范圍,將評(píng)價(jià)區(qū)剖分為1 600個(gè)單元(圖3)。

圖3 模擬區(qū)網(wǎng)格剖分圖Fig.3 Grid profile of simulation area

模型的識(shí)別和驗(yàn)證是整個(gè)模擬中極為重要的一步,通常要進(jìn)行反復(fù)調(diào)整參數(shù)才能達(dá)到較為理想的擬合結(jié)果,使模型最大程度地接近實(shí)際[2]。采用反演調(diào)參進(jìn)行識(shí)別,應(yīng)用pest軟件包將給定的參數(shù)初值代入有限差分法數(shù)值模型中。由于計(jì)算量較大,調(diào)參分兩步,先調(diào)滲透系數(shù),后調(diào)貯水率,并按實(shí)際水文地質(zhì)條件限定各參數(shù)的調(diào)參區(qū)間,在運(yùn)營(yíng)模型過程中計(jì)算各時(shí)段各節(jié)點(diǎn)水位,并在對(duì)計(jì)算水位和實(shí)際水位進(jìn)行比較的過程中不斷修改各參數(shù)值重復(fù)計(jì)算,兩者間誤差最小時(shí)則將該參數(shù)作為含水層參數(shù)。

通過識(shí)別結(jié)果得出,觀測(cè)點(diǎn)的模擬值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)為0.998,屬高度相關(guān),其中水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值絕對(duì)差<0.50 m的點(diǎn)占總觀測(cè)點(diǎn)的82.6%,符合《地下水資源管理模型工作要求》(GB/T14497-93)。模擬地下水流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)擬合較好,可以進(jìn)行下一步驗(yàn)證。

根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果,計(jì)算流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)對(duì)比,計(jì)算點(diǎn)與實(shí)測(cè)點(diǎn)絕對(duì)差<0.50 m的計(jì)算點(diǎn)占總觀測(cè)點(diǎn)的82.6%,相關(guān)系數(shù)0.98,模擬的地下水流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)擬合較好,可以進(jìn)行下一步模擬預(yù)測(cè)(圖4)。

圖4 識(shí)別階段計(jì)算與實(shí)測(cè)地下水流場(chǎng)擬合圖Fig.4 Fitting of identification phase calculation and measured groundwater flow field

2 地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)

2.1 環(huán)境影響識(shí)別

本項(xiàng)目施工期,生活污水排放量約為10 m3/d,主要含有機(jī)物與含氮、磷的無機(jī)鹽類及病原菌。其進(jìn)入企業(yè)現(xiàn)有的污水處理站處理凈化,然后回用于廠區(qū)綠化與降塵抑塵。生產(chǎn)廢水主要來自于混凝土攪拌和混凝土養(yǎng)護(hù)。管道系統(tǒng)試驗(yàn)、吹掃、沖洗、單機(jī)試車等預(yù)試車階段也產(chǎn)生了少量廢水。混凝土攪拌和養(yǎng)護(hù)廢水中主要含有泥沙,一般不含其他污染物,吹掃、沖洗、預(yù)試車階段廢水主要含泥沙和油污。其進(jìn)入企業(yè)建立的集水池、澄清池沉淀澄清后回用于降塵抑塵。生產(chǎn)廢水產(chǎn)生量較小,利用雨水溝排放。該階段廢污水產(chǎn)生量較小,其影響隨施工期結(jié)束而結(jié)束,因此對(duì)地下水環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。

項(xiàng)目服務(wù)期滿后,隨著主要裝置的關(guān)閉和拆除,污染源主要為地表存在的面污染。在場(chǎng)地原有地面不被破壞的情況下,面源污染對(duì)地下水影響極小。地下水水位逐漸恢復(fù),若場(chǎng)地轉(zhuǎn)為其他性質(zhì)用途,面源污染需另作處理。故項(xiàng)目服務(wù)期滿后,場(chǎng)地?zé)o論是封閉還是他用,均不會(huì)對(duì)地下水環(huán)境造成明顯影響。

對(duì)地下水環(huán)境的影響主要為運(yùn)營(yíng)期前期開采地下水對(duì)地下水水位及水資源量的影響,蒸發(fā)濃縮產(chǎn)生的冷凝液、工藝水排污后產(chǎn)生的廢水及生活污水對(duì)地下水水質(zhì)的影響。正常工況下,各生產(chǎn)環(huán)節(jié)按照設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行,企業(yè)采取嚴(yán)格的防滲措施,包括防滲層、防溢流、防泄漏、防腐蝕等,污水對(duì)地下水環(huán)境影響較小。而當(dāng)遭遇事故時(shí),設(shè)備或管道損壞與污水處理系統(tǒng)調(diào)節(jié)池池底破裂及冷凝液收集罐泄漏等都會(huì)對(duì)地下水水質(zhì)造成影響。

2.2 項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期對(duì)地下水水位影響的預(yù)測(cè)

本項(xiàng)目生產(chǎn)、生活用水由原有廠區(qū)供水站直接供給,企業(yè)設(shè)自打井。項(xiàng)目生產(chǎn)及生活用水量為5 000 m3/d,單井抽水量為480 m3/d,預(yù)測(cè)時(shí)間為10年,共劃分為20個(gè)應(yīng)力期,每個(gè)應(yīng)力期劃分為10個(gè)步長(zhǎng)。

由模型計(jì)算結(jié)果可知,項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)5年后,評(píng)價(jià)區(qū)地下水位下降值處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),預(yù)測(cè)20年的地下水位最大降深為2.5 m(項(xiàng)目區(qū)),在項(xiàng)目區(qū)周邊形成約9.2 km2的地下水位降落漏斗。本區(qū)含水層厚度一般為16 m,則產(chǎn)生的地下水位降深值小于含水層厚度的1/3。區(qū)內(nèi)地下水可開采量為332.53×104m3/a,取水量為150.0×104m3/a,遠(yuǎn)小于本區(qū)的地下水可開采量,取水量有保障。當(dāng)項(xiàng)目服務(wù)期滿停采地下水后,由于地下水位降深值較小,與周邊降深水位差小,隨著地下水得到補(bǔ)給,水位會(huì)逐漸恢復(fù)。

2.3 項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期對(duì)地下水水質(zhì)影響預(yù)測(cè)

項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期對(duì)地下水水質(zhì)的影響主要來自生產(chǎn)及生活污水,其中生產(chǎn)污水產(chǎn)生主要集中在稀浸泡液蒸發(fā)濃縮產(chǎn)生的冷凝液及工藝水排污后產(chǎn)生的廢水,均含有大量的有機(jī)物,COD值很高,因此影響預(yù)測(cè)以COD作為影響指標(biāo),參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

正常工況下,各生產(chǎn)環(huán)節(jié)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)營(yíng),地下水污染來源主要為管線、儲(chǔ)罐、污水池、事故池等的跑冒滴漏,但企業(yè)采取了嚴(yán)格的防滲措施(防滲層、防溢流、防泄漏、防腐蝕等),污水對(duì)地下水環(huán)境的影響較小。

事故工況下,當(dāng)污水處理站調(diào)節(jié)池破裂,污染物的10‰滲入地下時(shí),COD出現(xiàn)一定范圍的超標(biāo)現(xiàn)象,影響程度10年后明顯減弱。該污染物對(duì)河漫灘區(qū)地下水產(chǎn)生輕度影響,污染物最大運(yùn)移距離為1 900 m,影響范圍內(nèi)無居民飲用水水源井等其他敏感點(diǎn)。當(dāng)冷凝液收集罐發(fā)生泄漏,在事故發(fā)生后8 h內(nèi)采取修補(bǔ)措施,污染源為瞬時(shí)源,COD出現(xiàn)小范圍的超標(biāo)現(xiàn)象,影響程度10年后消失。該污染物未對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)敏感點(diǎn)產(chǎn)生影響,污染物最大運(yùn)移距離為530 m。

3 結(jié)束語

在綜合區(qū)域水文地質(zhì)條件及模擬區(qū)地下水開采利用現(xiàn)狀、項(xiàng)目取用水及環(huán)境污染源的基礎(chǔ)上,結(jié)合水文地質(zhì)勘查結(jié)果與野外試驗(yàn)數(shù)據(jù),應(yīng)用數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)功能,科學(xué)定量地就項(xiàng)目取水對(duì)地下水水位的影響及污染源對(duì)周邊地下水水質(zhì)的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,直觀反映了該項(xiàng)目建設(shè)對(duì)地下水環(huán)境的影響,從而為環(huán)境管理及地下水保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。