基于GMS的某化工區(qū)地下水污染物運(yùn)移規(guī)律研究

蒙江

廣西有色勘察設(shè)計(jì)研究院 廣西 南寧 530000

引言

在社會(huì)持續(xù)進(jìn)步過(guò)程中，化工行業(yè)飛速發(fā)展，化工區(qū)是化工行業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容，化工區(qū)日常運(yùn)營(yíng)中產(chǎn)生的污染物高度復(fù)雜，部分污染物可在地下水環(huán)境內(nèi)發(fā)生運(yùn)移，不利于地下水環(huán)境污染控制。而利用GMS方法，可以探明化工區(qū)地下水污染物運(yùn)移規(guī)律，為地下水環(huán)境污染控制提供依據(jù)。因此，研究以GMS為基礎(chǔ)的某化工區(qū)地下水污染物運(yùn)移規(guī)律具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1 GMS概述

GMS即Groundwater Modeling System，地下水模擬系統(tǒng)。GMS由Brigham young University的環(huán)境模型實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)軍工水道實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)。從組成來(lái)看，GMS包括計(jì)算機(jī)模塊、輔助模塊[1]。其中計(jì)算機(jī)模塊包括Femwater、Modflow、Rt3dms、Seep2d、Seam3d、Utchem、Nuft等幾個(gè)部分；輔助模塊包括Pest、Ucode、Feflow等，各模塊功能如表1所示。

表1 GMS功能模塊

在多功能模塊支持下，GMS可以概念化方式完成水文地質(zhì)概念模型構(gòu)建，并自動(dòng)保存輸入數(shù)據(jù)，可視化展現(xiàn)計(jì)算結(jié)果，為不同時(shí)段水位分析提供依據(jù)[2]。

2 某化工區(qū)地下水流場(chǎng)

2.1 化工區(qū)概況

某化工區(qū)規(guī)劃面積為18.6km2，東西跨度5.8km，南北跨度2.3km。區(qū)域分布化工廠、污水處理廠、電廠等超50家企業(yè)?；^(qū)年廢水排放量達(dá)到8.25×105t～8.35×105t，源于工業(yè)廢水、生活污水，主要成分為氨氮、化學(xué)需氧量。

化工區(qū)位于東部暖溫帶半濕潤(rùn)區(qū)，區(qū)域氣候?yàn)榇箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季盛行西北風(fēng)，雨雪稀少，天氣干燥；夏季盛行東南風(fēng)，炎熱多雨；春秋季較短。區(qū)域多年平均氣溫12.0℃，極端最高氣溫41.8℃，極端最低氣溫-12.8℃。區(qū)域年降水量達(dá)600～620mm，主要集中在6月份到9月份?；^(qū)西側(cè)18km位置具有地表水。區(qū)域地下水處于第四系孔隙含水層，地下水多年變幅呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在1個(gè)水文年中，4月份到5月份水位最低，7月份到10月份水位最高，年內(nèi)水位變化幅度為1.6m～4.8m。地下水補(bǔ)給方式為地下徑流、大氣降水，排泄方式為人工開采、地下徑流。從地層結(jié)構(gòu)來(lái)看，化工區(qū)地層巖性主要為沖洪積沙層、卵礫石層，層間分布有粉質(zhì)黏土，自上到下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、卵石、粉土、卵石。其中素填土層部分地段為房渣土，層厚0.75～2.65m；粉質(zhì)黏土層含有機(jī)質(zhì)、云母、細(xì)砂，厚2.20～5.26m；卵石層級(jí)配較佳，內(nèi)充填中砂，相對(duì)透水，為含水層，厚10.20～18.56m；粉土層含云母，夾雜黏土，相對(duì)隔水，厚2.25～9.5m；卵石層級(jí)配較佳，夾雜細(xì)砂、粉土，相對(duì)透水，為含水層，厚22.4m。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》GB18306，確定化工區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20g。根據(jù)GB18306《中國(guó)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》，確定化工區(qū)地震反應(yīng)譜特征周期為0.40s。

2.2 GMS模型構(gòu)建

2.2.1 模型邊界。GMS模型是地下水流動(dòng)系統(tǒng)的圖形化表示。因化工區(qū)含上層卵石潛水含水層、下部承壓含水層，含水層之間存在粉土層，上部潛水少于下部承壓水，可忽略上部潛水含水層垂直滲透對(duì)下部承壓水補(bǔ)給損耗，將化工區(qū)地下含水介質(zhì)概化為卵石含水層，模擬單層潛水卵石含水在水平方向上的各向異性，研究對(duì)象處于穩(wěn)定流狀態(tài)[3]。同時(shí)考慮到化工區(qū)周邊地表水采取防滲措施，無(wú)法作為地下水定水頭邊界，地表水體與地下水之間水力聯(lián)系中斷，可以借鑒化工區(qū)實(shí)測(cè)地下水水位繪制區(qū)域等水位線，流量邊界為化工區(qū)東部、西北部與等水位線成90°的邊界；通用水頭邊界為化工區(qū)細(xì)部、南部等水位線，含水層下邊界為同高程邊界，上邊界為潛水面。

2.2.2 單元格劃分與參數(shù)設(shè)置。根據(jù)化工區(qū)剖分起點(diǎn)（x方向5000.0m，Y方向4500.0m），將化工區(qū)剖分為100行、100列，單元格寬為45m，單元格長(zhǎng)為50m。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定化工區(qū)含水層水平向縱向滲透系數(shù)、水平各向異性系數(shù)分別為178m/d、0.78。

2.2.3 概念模型建立。根據(jù)化工區(qū)GMS模型邊界域單元格劃分情況，選擇潛水含水層穩(wěn)定流計(jì)算模型，具體如下：

式中， — 化工區(qū)地下水滲流區(qū)域；kxx— 滲透系數(shù)在x方向上的分量；h — 化工區(qū)地下水的水頭含水，m；kyy— 滲透系數(shù)在y方向上的分量；w — 源匯項(xiàng)，涵蓋降水入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)的抽水量以及排泄量[4]。模擬中，化工區(qū)西北部與東部地下水模型采用流量邊界，流量為10-6m3/d；化工區(qū)南部、西部地下水模型采用通用水頭邊界；化工區(qū)東南部地下水模型采用定水頭邊界。

2.3 模型校驗(yàn)

為確定模擬化工區(qū)地下水流量與實(shí)際地下水流場(chǎng)大體一致，以地下水模擬等值線、實(shí)測(cè)地下水位等值線吻合為標(biāo)準(zhǔn)，從均衡視角著手，向化工區(qū)地下水流概念模型內(nèi)輸入水文地質(zhì)參數(shù)（二維散列點(diǎn)文件），再經(jīng)散列點(diǎn)插值，將一個(gè)初始水位值賦予各單元格中心點(diǎn)[5]。進(jìn)而運(yùn)用GMS中的Modflow功能模塊觀測(cè)并驗(yàn)證化工區(qū)水位，確定化工區(qū)觀測(cè)水位實(shí)測(cè)水頭在35.01～40.62m之間，計(jì)算水頭在36.42～39.55m之間，計(jì)算水頭與實(shí)測(cè)水頭誤差在-0.77～0.92m之間，兩者偏差的絕對(duì)值小于1.0m，水位擬合效果較佳。

確定水位擬合效果后，在GMS的Modflow模塊，依據(jù)野外試驗(yàn)，結(jié)合化工區(qū)水文地質(zhì)報(bào)告，輸入含水層滲透系數(shù)、貯水系數(shù)，輸出模擬大氣降水入滲補(bǔ)給量、通用水頭總流入量、通用水頭總流出量的計(jì)算結(jié)果。獲得結(jié)果得出：模擬大氣降水入滲補(bǔ)給量、通用水頭總流入量、通用水頭總流出量分別為1852.25m3/d、23521.50m3/d、25623.25m3/d，誤差為-13.65m3/d，百分比誤差為0.048%。表明化工區(qū)水文地質(zhì)單元模型在水量均衡驗(yàn)算補(bǔ)給、排泄結(jié)果與實(shí)際情況高度吻合，地下水類型為潛水，水均衡效果較佳。

3 基于GMS的某化工區(qū)地下水污染物運(yùn)移規(guī)律

3.1 潛水含水層地下水污染物運(yùn)移微分方程

化工區(qū)生產(chǎn)中產(chǎn)生的污染物多在處理達(dá)標(biāo)后排放，一般情況下不會(huì)污染地下水，但在化工園區(qū)企業(yè)設(shè)備出現(xiàn)故障、廢水處理措施應(yīng)用不當(dāng)?shù)那闆r下，化工區(qū)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)生生產(chǎn)廢水或生活污水將污染地下水[6]。同時(shí)，化工園區(qū)內(nèi)污水處理企業(yè)的污水處理池滲漏風(fēng)險(xiǎn)較大，一旦出現(xiàn)滲漏，廢水中污染物可經(jīng)地下徑流或滲透進(jìn)入地下水系統(tǒng)，污染地下水生態(tài)系統(tǒng)。基于此，在化工區(qū)地下水文地質(zhì)概念模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，可以利用GMS中的Mt3dms功能模塊，引入二維污染物在潛水含水層的遷移微分方程：

式中， — 化工區(qū)地下水滲流區(qū)域；C — 溶解相濃度；t —時(shí)間，t＞0；xj— 潛水含水層地下水；Dij— 水力彌散系數(shù)，m2/d；k — 溶質(zhì)種類； — 多孔介質(zhì)孔隙率；V — 地下水流速，m/d；CK — 第k中溶質(zhì)的溶解相濃度，μg/L；CKs — 第k中溶質(zhì)的源匯項(xiàng)濃度，μg/L；qs — 單位體積潛水含水層源匯項(xiàng)流量，d-1；R — 吸附和生物降解反應(yīng)，kg/（m3/d）。

根據(jù)化工區(qū)水質(zhì)分析結(jié)果，確定化工區(qū)污水中濃度較高的污染物為氨氮、化學(xué)需氧量，結(jié)果分別為450mg/L、780mg/L，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值為0.2mg/L、3mg/L。從污染因子濃度源、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值兩個(gè)方面進(jìn)行分析，確定化工區(qū)項(xiàng)目污水中氨氮對(duì)地下水環(huán)境影響最為突出?；诖?，選擇氨氮作為化工區(qū)地下水污染物遷移預(yù)測(cè)的特征因子[7]。利用GMS中的Mt3dms功能模塊自帶彌散子程序包、對(duì)流子程序包、基本運(yùn)移子程序包，模擬地下水中氨氮的彌散、對(duì)流、吸附等物理遷移過(guò)程，求解過(guò)程與建立化工區(qū)地質(zhì)水文模型過(guò)程相同。在地下水污染物遷移模型構(gòu)建完畢后，進(jìn)入Conceptual Model屬性欄的Transport選項(xiàng)，選中Mt3dms，同時(shí)在Define Species中選擇new，錄入氨氮參數(shù)，切換到3D grid模塊，選擇New simulation，促使水流模擬、水質(zhì)模擬計(jì)算相一致。

3.2 化工區(qū)地下水污染物模擬結(jié)果

根據(jù)化工區(qū)水質(zhì)資料，結(jié)合化工區(qū)水文模型計(jì)算結(jié)果，以1天為數(shù)值計(jì)算時(shí)段，以補(bǔ)給區(qū)賦值的方式輸入初始時(shí)刻投入的氨氮濃度，將其他位置氨氮濃度邊界、溶質(zhì)通量均設(shè)置為0，除去背景值后，在觀測(cè)點(diǎn)輸入實(shí)測(cè)氨氮濃度。進(jìn)而經(jīng)GMS中的Mapto-Mt3dms功能按鈕，運(yùn)行化工區(qū)水流模型并自動(dòng)檢查、保存，規(guī)避數(shù)據(jù)計(jì)算錯(cuò)誤引發(fā)的無(wú)效模擬問(wèn)題。在不考慮生物降解、吸附等反應(yīng)的情況下，設(shè)定化工區(qū)氨氮泄漏源強(qiáng)度為450mg/L（初始濃度），輸出步長(zhǎng)為30d、300d、3000d，限值參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T14848，確定氨氮監(jiān)測(cè)下限值為0.02mg/L，上限值為150mg/L。輸入數(shù)據(jù)后，得出化工區(qū)氨氮泄漏達(dá)到飽和帶后地下水污染物時(shí)空分布規(guī)律，得出結(jié)果見表2。

表2 化工區(qū)地下水氨氮污染物遷移規(guī)律

由表2可知，因含水層滲透性相對(duì)較佳，化工區(qū)地下水氨氮污染物運(yùn)移速度較快，在30d內(nèi)，污染面積可以達(dá)到313520m2；300d內(nèi)，污染面積可以達(dá)到1685222m2；3000d內(nèi)，污染面積可以達(dá)到7523252m2，并運(yùn)移到地表水源位置。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，GMS圖形界面功能強(qiáng)大，綜合性能優(yōu)異，可以在三維環(huán)境下透視地下水近期狀況，并模擬地下水環(huán)境，滿足化工區(qū)地下水污染物運(yùn)移規(guī)律的研究需求。因此，可以在調(diào)查化工區(qū)場(chǎng)地地質(zhì)、水文條件的基礎(chǔ)上，利用GMS的Modflow模塊，建立化工區(qū)地下水流場(chǎng)（水文地質(zhì)概念模型）。在化工區(qū)地下水流場(chǎng)內(nèi)，利用GMS的Mt3dms模塊模擬地下水污染物運(yùn)移以及含水層滲透性對(duì)地下水污染物運(yùn)移的影響，確定化工區(qū)地下水污染物運(yùn)移規(guī)律，為化工區(qū)地下水污染物的針對(duì)性防控提供依據(jù)。