基于Visual MODFLOW 的紅層地區某鈦白粉廠地下水污染物運移模擬研究

呂堂安 LV Tang-an；伍靜 WU Jing；黃偉 HUANG Wei；黃華娟 HUANG Hua-juan；朱敏杰 ZHU Min-jie

（①廣西大學資源環境與材料學院，南寧 530004；②中國有色桂林礦產地質研究院有限公司，桂林 541004；③廣西中科地質勘查有限責任公司，南寧 530022）

0 引言

數值模擬技術能直觀了解污染物泄漏后運移影響范圍及濃度變化，對地下水污染的防治有著極其重要的意義，其應用的關鍵在于對模型的概化、邊界和參數的準確選取[1]。Visual MODFLOW 由于簡便的操作性和強大的可視化能力，已成為國際上最流行的溶質運移模擬軟件之一[2]。國內外學者已用其對地下水污染運移開展了廣泛的研究。國外有：Morsy Samah Mahmoud[3-5]等人對埃及西米尼亞地區、蒂魯普和卡拉季地區地下水中污染物進行預測，為開發區建設提供防治依據；國內有：劉莉[6]針對淄博某化工項目，預測不同工況下的地下水中污染物溶質運移變化規律；馬國明[7]運用Visual MODFLOW 對宿州市某制藥廠地下水中氨氮污染物進行了模擬預測，并提出了防治措施。

某改、擴建鈦白粉廠地處紅層區，周邊人口眾多，地下水是人們生產生活的重要水源，對該廠地下水的防治顯得極為敏感和重要。因此，本文以該鈦白粉廠為例，在詳細了解地下水水文地質特征基礎上，概化了水文地質模型，通過識別與檢驗，利用Visual MODFLOW 軟件建立了二維數學模型，開展特征污染物數值模擬，了解了該區地下水中污染因子隨時間的衰減及運移范圍，對指導該地區地下水的防治和保護有著重要意義。本次研究也為同類型地區如何獲取準確的水文地質參數，建立符合實際地下水流場的數值模型提供參考。

1 研究區域概況

1.1 地質條件 研究區位于廣西博白旺茂鎮，為紅層丘陵盆地地貌，依據地形及巖層特性，將其劃分為兩個次級水文單元（圖1A）。由水文地質剖面圖（圖1B）可知，研究區內地層為下白堊統大坡組（K1d），上部為黃紅色粉砂土及部分出露含礫砂巖；下部為紅色砂巖夾礫巖、紫紅色砂巖含礫砂巖，中砂－細砂，中－粗礫，磨圓度較好，分選性差，成分各異，以砂巖、石英砂巖為主，少量灰巖礫石。研究區內無大的斷裂構造，白堊系砂礫巖層產狀整體上較平緩。

圖1 研究區水文地質簡圖（A）；A-A＇ 水文地質剖面圖（B）

1.2 水文地質條件 研究區內含水層主要為白堊系紅層，表層風化帶厚度一般為10～30m，紅層風化裂隙較為發育，局部形成風化層裂隙水，向下為沿構造裂隙發育的中、弱風化帶，其脆性的砂、礫巖在向斜軸部及構造變形強烈部位，形成較多的節理裂隙，存在構造裂隙水。鑒于紅層表層風化裂隙水含水層厚度不大，與下伏構造裂隙水之間無隔水層，存在直接水力聯系，故本次研究將含水層均概化為單層潛水含水層，地下水類型主要為碎屑巖類構造裂隙水，其厚度為50～150m。淺層構造裂隙水主要接受大氣降水的補給；排泄主要為蒸發和側向徑流補給。底部脆性構造不發育的致密砂礫巖層膠結完好，無裂隙發育地段，視為隔水層。

該區地下水枯水期埋深一般在3m～8.65m，豐水期埋深一般在1.52m～5.74m，年水位變幅0.85～3.48m，水質類型以HCO3—Ca 型為主。根據廠區機井J 的抽水試驗結果，該區含水層滲透系數為1.663×10-4cm/s，透水性中等，給水度μ 取0.085。鑒于本次研究區的紅層構造裂隙含水介質，其持水度較小，因此，有效孔隙度n 近似等于給水度，n=μ=0.085，水力坡度值I 為20.8‰，實際流速u 為0.035m/d。

2 地下水數值模型建立

2.1 水文地質概念模型 根據地質與水文地質條件調查，將其概化為一個潛水含水層，淺層地下水運動以水平方向為主；地下水流向基本與下隔水層面平行，垂向分量忽略不計，符合二維流特征，因此概化為平面二維流[8]。本次模擬將區域地下水含水系統概化為非均質、各向同性二維無壓非穩定流。研究區含水層厚度為50～150m，西側以老屋水庫為地下水排泄邊界，視為定水頭邊界；東側及西北側以地下水分水嶺為邊界，視為二類邊界；東北側以金甲河為北側排泄邊界，視為定水頭邊界；上邊界為降水補給、蒸發排泄邊界，下邊界以基巖作為相對隔水邊界。

2.2 地下水流數學模型 在實際情況中，由于缺少三維實測數據，在必要時須做一些假設，這可能造成三維模型的結果失真[9]。在實際工作時，當含水層與弱透水層或隔水層的貯水系數比值大于10，而弱透水層或隔水層越流系數小于1·10-6m/d 時可用二維模型[10]。本次研究建立各向同性二維非穩定流數學模型，即式（1）[11]：

式中：μd為重力給水度，l/m；Kx、Ky分別為x、y 方向上的滲透系數，m/d；t 為時間，d；h 為潛水面高度，m；z 為含水層隔水底板高度，m；ε 為含水層匯源項，m3/d；Ω—滲流區域；H0為滲流區Ω 內各點的初始水頭，m；Γ1為滲流區域Ω 的第一類邊界；H1為第一類邊界Γ1上的已知水頭函數，m；Γ2為Ω 的二類邊界；K 為邊界Γ2法線方向的滲透系數，m/d；n 為邊界Γ2上某點處的外法線方向；q 為Γ2上的單位面積流量函數，m3/d。

本次模擬網格剖分精度為20m×20m，在分水嶺及污染物滲漏處加密網格為10m×10m，模擬面積約為2.17km2。研究區主要補給來源為大氣降雨，老屋水庫及金甲河為主要排泄邊界。降雨蒸發參數根據《玉林市地下水利用與保護規劃（2016-2030）》，多年平均逐月降雨量為1583mm，多年平均蒸發量為1506mm，蒸發臨界深度取5m。

2.3 數值模型動態識別與檢驗 本次模擬以枯水期水位作為初始水位，按照差分法得到含水層初始流場，枯水期至豐水期為模型識別期。根據水文地質試驗設置含水層滲透系數Kx和Ky初始值為1.663×10-4cm/s，采用試估—校正法對模型進行檢驗，獲得與實際流場相符程度高的模擬流場。將枯、豐水期實測點位數據與模擬水位進行檢驗，置信區間相關系數分別為0.995 和0.972，表明模擬流場精度較高，適用于本次模擬研究。最終確定研究區水文地質單元Ⅰ和Ⅱ的溶質模擬滲透系數Kx、Ky取值為1.039×10-4cm/s。

2.4 溶質運移數學模型 本文從保守角度考慮，本次溶質模擬計算的模型識別和計算沒有考慮污染物在含水層中的吸附、揮發、生物化學反應，考慮最大值[12]。地下水以水平運動為主，垂向彌散作用忽略不計。在此前提下，本次調查研究建立地下水二維溶質運移模型，二維水動力彌散方程的數學模型見式（2）[11]：

式中：C 為模擬污染物質的濃度，mg/L；θ 為地層介質的孔隙度，無量綱；t 為時間，d；xi為沿直角坐標系軸向的距離，m；Dij為水動力彌散系數，m2/d；vi為孔隙水平均實際流速，m/d；qs為單位體積含水層流量，代表源和匯，m3/d；Cs為源或匯水流中組分的濃度，mg/L。

彌散系數結合水文地質條件和參考《水文地質手冊》[13]，最終選確定為8m2/d。

3 模擬預測

根據地質和水文地質調查，滲漏點位于鈦白粉廠廠區西部，屬于水文地質單元Ⅰ，地下水流向為北東向西徑流，污染物滲漏后將向西側老屋水庫一帶運移，因此本次模擬重點關注水文地質單元Ⅰ。

3.1 污染源設定 由工藝分析可知：鈦白粉廠產生的酸性廢水中主要污染物為COD、氨氮和氟化物，模擬滲漏區為鈦白粉污水處理車間和硫鐵礦制酸污水處理站。根據《環境影響評價技術導則地下水環境》（HJ 160），當系統老化等原因導致調節池滲漏≥2L/m3·d 時視為非正常狀況，結合工程驗收監測數據，計算得出鈦白粉污水處理車間污水滲漏量為864L/d；鐵礦制酸污水處理站污水滲漏量為96L/d，預測污染物持續滲漏60 天可發現。

3.2 污染物遷移模擬預測結果 ①COD 預測評價。滲漏液初始濃度為417mg/L，持續滲漏60 天時調節池底部地下水COD 濃度達到最大值4.80mg/L；第100d 時COD中心濃度最大為3.9mg/L，滲漏點下游0～12m 范圍內COD濃度高于地下水Ⅲ類標準，溶質運移范圍0～25m，未出廠界（見圖2A）；滲漏第1000d 時，污染物中心濃度最大為1.00mg/L，污染物運移至下游70m（見圖2B）；在滲漏第7300d 時污染物COD 已運移至廠界外，到達西側老屋水庫一帶，中心濃度最大為0.05mg/L，濃度低于地下水Ⅲ類標準（見圖2C），擴散距離為75～269m，位于下游的敏感目標地古嶺民井距研究區420m，不受到研究區滲漏影響。滲漏后COD 平均運移速度為13.45m/a。

圖2 COD 運移路徑及濃度變化圖；100d（A）；1000d（B）；7300d（C）

②氨氮預測評價。滲漏液初始濃度為33.75mg/L，持續滲漏60 天時調節池底部地下水氨氮濃度約0.38mg/L；滲漏第100d 時氨氮中心濃度最大為0.30mg/L，污染物運移至下游0～6m 范圍內，未出廠界（圖3A）；滲漏第365d 時調節池底部污染物氨氮濃度為0.21mg/L，污染物運移至下游0～41m 范圍內，未出廠界（圖3B）；滲漏第730d 時調節池底部污染物氨氮濃度為0.05mg/L，污染物運移至下游0～58m 范圍內（圖3C），遠低于地下水Ⅲ類標準（0.5mg/L）。滲漏后氨氮平均運移速度為2.9m/a。

圖3 氨氮運移途徑及濃度變化圖；100d（A）；365d（B）；730d（C）

③氟化物預測評價。滲漏液初始濃度為195.25mg/L，持續滲漏60 天時調節池底部地下水氟化物濃度約2.4mg/L；滲漏第100d 氟化物中心濃度最大為1.90mg/L，污染物運移至下游0～30m 范圍內，未出廠界（圖4A）；滲漏第365d 污染物中心濃度為1.10mg/L，污染物運移至下游0～41m 范圍內，未出廠界（圖4B），滲漏第1000d 污染物中心濃度為0.50mg/L，污染物運移至下游0～56m 范圍內（圖4C），此時濃度已經低于地下水Ⅲ類標準（1.00mg/L）。滲漏后氟化物平均運移速度為2.8m/a。

圖4 氟化物運移途徑及濃度變化圖；100d（A）；365d（B）；1000d（C）

4 結論

本次研究表明在符合一定水文地質條件下的紅層地區，采用Visual MODFLOW 能建立與實際流場相符程度較高的二維流模型。在此基礎上進行模擬預測，表明該區地下水在鈦白粉廠發生滲漏后對下游紅層地下水有一定范圍影響，但影響未擴散至地谷嶺村屯。企業應重點對污水站下游和廠區、地下水下游邊界監測水點進行監測，隨時掌握不同時期地下水的水質水位動態資料。