基于GMS的某石化企業地下水污染模擬

摘要：選取山東省某石化企業為研究對象，運用GMS構建地下水流和溶質運移模型，模擬石化企業典型污染物在正常滲漏和采取防滲阻隔2種情況下的污染分布。結果表明：正常滲漏情況下，污染羽在水平方向上順水流方向擴散，擴散范圍隨時間增大而擴大，在模擬時間9 500 d時，最大遷移距離為26.15 m。污染羽在垂向上受土層滲透性影響遷移緩慢，在模擬時間9 500 d時，底部黏土層濃度最大為0.074 mg/L。在污染源下游采取防滲墻阻隔后，污染羽橫向遷移明顯受限，在模擬時間9 500 d時，最大遷移距離為23.65 m。相比于正常滲漏，污染羽縱向遷移增強，設置阻隔墻后底部黏土層濃度明顯增大，在第9 500 d時濃度達到最大，為0.152 mg/L。

關鍵詞：石化企業；地下水污染；GMS軟件；溶質運移模擬

中圖分類號：X131.2" " " "文獻標識碼：A" " " doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.12.006

引文格式：王浩，楊歡歡，殷東方，等.基于GMS的某石化企業地下水污染模擬［J］.山東國土資源，2024，40（12）：42-48.WANG Hao， YANG Huanhuan， YIN Dongfang， et al. Simulation of Groundwater Pollution in a Petrochemical Enterprise Based on GMS［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（12）：42-48.

0引言

地下水是我國的重要戰略資源，在保障城鄉居民用水、支撐社會經濟發展、維持生態環境建設等方面發揮重要作用［12］。隨著我國過去幾十年石化企業的飛速發展，伴隨而來的地下水污染問題也逐漸受到關注［36］。地下水污染具有隱蔽性、滯后性、危害強、難治理的特點［78］，而模擬地下水的運移規律，能夠提前掌握預測可能存在的地下水污染問題，為地下水污染源頭防控和污染治理提供參考，對地下水環境保護具有重要意義［9］。

GMS（Groundwater Modeling System）是目前被廣泛認可的地下水模擬軟件，其具有強大的可視化和模擬效果。已有眾多學者采用GMS開展過地下水模擬研究，如王英剛等［10］運用GMS建立了尾礦庫的地下水流和溶質運移模型，預測了尾礦庫建設對地下水的污染范圍和濃度分布；齊歡等［11］采用GMS建立了白泉泉域地下水流模型，預測了公園建成后對白泉噴涌情況的影響；楊加明等［12］針對云南保山盆地，采用GMS模擬了氨氮的物理位置特征及遷移規律；王鵬［13］采用GMS研究某廢棄物處理場周邊控制措施對地下水內污染物的影響，分別設置防滲墻、抽水井和防滲墻與抽水井共同布置3種工況進行了對比研究；段毅等［14］以南方某市北部化工區為研究對象，通過構建水文地質模型和溶質運移模型，對鉈污染物在地下水中的遷移過程進行模擬預測。

本研究選取山東某石化企業為研究對象，通過構建地下水流和溶質運移模型，模擬了場區內危廢堆場發生滲漏后污染物的運移狀況，探討了防滲阻隔措施前后污染羽的變化差異，以期為石化企業地下水污染管控工作提供科學指導。

1研究區概況

本研究區為山東某石化場地，建于19世紀60年代，主要從事石油煉化生產，占地面積約0.29 hm2。該區地處中緯度地帶，屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬冷夏熱，全年60%的降水量集中在夏季。年平均氣溫在13～14 ℃之間，無霜期平均為190～210 d，年平均降水量為671.1 mm。研究區地形總體上是由南向北傾斜，基本地貌類型為山前沖積平原，地勢南高北低，海拔高度32～49 m。場地現有自然地形標高33.50～36.70 m之間，地勢較平坦，地貌類型單一。

在水文地質分區上，研究區屬山前傾斜平原水文地質區。該區地下水以大氣降水補給為主，次為河流側滲補給，還接受北部、東部山區裂隙水或裂隙巖溶水的徑流補給。地下水徑流方向自東南到西北，并與地形坡度基本一致。勘察期間測得地下水水位標高+26.63 m～+27.54 m，屬第四系孔隙潛水。

2模型的構建

2.1水文地質概念模型

根據研究區實際鉆探資料，結合室內土工試驗分析，將研究區自上而下概化為5層，分別為①層雜填土，②層粉質黏土，③層碎石土，④層粉質黏土和⑤層黏土。各地層單元的水文地質數據如滲透系數、地層厚度等模型參數參照研究區地質勘探資料與室內土工試驗結果。廠區包氣帶巖性主要為粉質黏土和碎石土。第四層粉質黏土層為潛水主要含水層，該層底部為連續分布黏土層，滲透性差，構成了潛水良好的隔水底板，可概化為隔水層。

根據場地實際地下水流向，將平行于地下水等水位線的南北邊界設為定水頭邊界，將垂直于地下水等水位線的東西邊界設為零流量邊界。上邊界為研究區潛水面，接受降雨入滲補給。模擬區的補給來源主要有大氣降水補給和地下水側向徑流補給；由于模擬區潛水地下水位較深且不存在人工開采情況，側向徑流為主要排泄方式，因此構建為非均質各向異性的潛水穩定流三維模型。

2.2水文地質參數

水文地質參數的選取主要依據該項目水文地質調查所開展的野外試驗和室內檢測結果。本研究區包氣帶粉質黏土層垂直滲透系數為4.21×10-6 cm/s，潛水含水層垂直滲透系數為2.54×10-5 cm/s，黏土隔水層垂直滲透系數為4.21×10-7 cm/s。根據經驗參數，給水度取0.3［15］。由于尺度效應的存在，水動力彌散系數難以真實獲取。根據保守性原則［16］，本次縱向彌散度取值為15 m，橫向與縱向比值為0.1，垂向與縱向比值為0.01。

2.3模型離散

本研究采用GMS軟件模擬求解，通過軟件MODFLOW模塊求解地下水流模型，通過MT3DMS模塊求解溶質運移模型，通過3D Grid模塊進行離散化處理。本次離散處理為矩形網格剖分，東西和南北向各剖分網格100個，垂向剖分網格5層，共剖分網格50 000個，其中有效單元格27 400個。具體網格剖分如圖 1所示。

2.4模型校正與識別

模型的校正是地下水模擬中一個十分重要的環節，通過調節模型參數使模擬地下水流場與實際流場相吻合。

本次以場地實際水井觀測數據進行校驗，設置置信區間為±0.5。根據模型校驗規則，當誤差在置信區間內時，校驗結果呈綠色顯示。根據圖2、圖3和表1可以看出，模型校驗誤差均不超過0.5，模型擬合效果較好，擬合后地下水流向為東南至西北，與實際地下水流向一致。

3地下水溶質運移模擬

3.1溶質運移模型

危險廢棄物堆填區為石化企業潛在污染源之一，在使用一定年限后可能會發生滲漏破壞，對區域地下水造成污染。本場地存在一危險廢物堆填區，主要污染物為苯，假定發生滲漏，可將其概化為定濃度點狀污染源，濃度根據實測結果確定為4.16 mg/L。

為控制污染物的進一步遷移，通常采用防滲墻進行阻隔［1718］，根據生態環境部發布的《地下水污染源防滲技術指南（試行）》，防滲墻的滲透系數設定為1.0×10-7cm/s。本次阻隔墻布設在地下水下游方向，垂直地下水流方向布設，距滲漏點直線距離12 m，阻隔墻布設深度至含水層底部。布設位置示意見圖 4。

本次模擬時長為9 500 d，時間步長為30 d，分別模擬正常滲漏和采取防滲阻隔后第100 d、1 000 d、5 000 d、9 500 d的污染遷移情況。《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017）中規定苯的Ⅳ類水標準值為0.12 mg/L，本次以0.12 mg/L為界圈定污染范圍。

3.2正常滲漏模擬結果分析

3.2.1水平遷移結果分析

由圖 5可以看出，正常滲漏情況下苯的濃度從滲漏點向外逐步擴散減小，通過對比發現第100 d和1 000 d污染羽的形態大小整體差異不大。第5 000 d時污染羽的形態順地下水流方向擴大，最大遷移距離為23.60 m，污染羽超標面積為1 457.09 m2。第9 500 d時擴散持續增大，最大遷移距離為26.15 m，污染羽超標面積增大至1 584.66 m2。整體來看，污染羽呈順地下水流方向擴散，但擴散較緩慢，分析發現，主要原因可能是：①場區整體水力梯度I較小，計算數值小于1‰；②場區含水層為粉黏層，滲透系數k較低。結合達西公式可知，2個因子綜合作用，導致地下水流速較低，污染物對流遷移緩慢。

3.2.2垂直遷移結果分析

分析圖 6發現，苯在模擬時段內垂向遷移緩慢，第100 d和9 500 d污染羽超標范圍整體變化不大，僅在第一層含水層橫向上略微擴散。在模擬滲漏點下部黏土層設置觀測點，觀測苯濃度在該層位隨時間的變化情況（圖 7），可以看出，隨著時間增長，苯在該點位濃度逐漸變大，在9 500 d時濃度最大，為0.074 mg/L，下部黏土層未發現超標情況，污染羽超標范圍主要存在第一層含水層內。說明污染物存在向黏土層擴散情況，但由于黏土層滲透系數較低，擴散過程緩慢，在模擬時段內濃度未超過Ⅳ類水限值。

3.3防滲阻隔模擬結果分析

3.3.1水平遷移結果分析

由圖8可以看出，在布設防滲墻阻隔后，污染羽在地下水流方向遷移明顯變弱，第100 d和5 000 d污染羽超標范圍幾乎未發生變化，第9 500 d污染羽超標范圍向地下水流側向（未設置阻隔墻方向）遷移，最大遷移距離為23.65 m，相較第100 d，超標范圍增大約32 m2，相較于正常滲漏情況，最大遷移距離減少2.5 m。總體來看，防滲墻阻隔效果較好，可有效阻隔污染羽向下游擴散。

3.3.2垂直遷移結果分析

對比圖6和圖9發現，在第100 d時，布設阻隔墻前后污染羽形態差異不大；在第9 500 d時，垂向上，布設阻隔墻前后污染羽遷移差異不大，但橫向上，相比于正常滲漏情況，設置阻隔墻后污染羽遷移明顯變弱。同樣的，在滲漏點下部黏土層設置觀測點，觀測布設阻隔墻后苯濃度在該層位隨時間的變化情況，并與正常滲漏情況對比分析，從圖 10可以看出，布設阻隔墻前后，苯在該點位濃度均隨時間增長而增大。但相比于正常滲漏，布設阻隔墻后濃度增幅明顯，在第7 000 d時，污染羽濃度接近Ⅳ類水限值，在第9 500 d時，濃度達到最大，為0.152 mg/L，已超Ⅳ類水限值0.12 mg/L。

綜合分析可以看出，防滲墻在防止污染羽橫向擴散方面效果顯著，但由于防滲墻較下部黏土層滲透系數更低，會迫使污染物向更利于遷移的底部擴散，造成底部濃度增大，甚至超標。

4結論

本文采用GMS軟件建立了山東某石化場地的地下水流和溶質運移模型，模型經過識別校驗，能較好地反應場地的地下水流特征，在此基礎上模擬了常規滲漏和設置防滲阻隔后的溶質運移情況，得出主要結論如下：

（1）正常滲漏情況下，污染羽在水平方向沿地下水流方向擴散，污染范圍隨時間增大而擴大。污染羽在垂向上遷移受土層滲透性影響，本次在模擬時間9 500 d內，下部黏土層中污染遷移較慢，濃度未超過Ⅳ類水限值。

（2）防滲阻隔可有效阻止污染物進一步遷移擴散，本次在模擬防滲阻隔情況下，污染羽在橫向上遷移明顯變弱，但由于阻隔墻和下部黏土層滲透性存在差異，會迫使污染物更易于縱向遷移，造成下部層位濃度增大甚至超標。建議在實施防滲墻阻隔時，綜合考慮下部隔水層厚度和土層滲透系數差異等特征，避免造成橫向上污染范圍受限，但縱向上污染進一步擴大的情況。

參考文獻：

［1］李曉波，趙新村，李明毅， 等.泰安市城區巖溶地下水水化學特征及成因分析［J］.山東國土資源，2022，38（9）：2331.

［2］劉華峰，汪繼學，王增輝，等.滕州市淺層地下水質量評價與成因分析［J］.山東國土資源，2024，40（2）：1522.

［3］姜鳳成，李義連，楊國棟，等.某化工場地地下水中污染物運移模擬研究［J］.安全與環境工程，2017（2）：815.

［4］鄧一榮，陸海建，董敏剛，等.粵港澳大灣區典型化工場地苯系物污染特征及遷移規律［J］.環境科學，2019，40（12）：56155622.

［5］魏傳云，楊武成.基于Visual Modflow的某化工園區地下水污染運移研究［J］.水電能源科學，2019（12）：3336.

［6］肖再亮，王飛，灑永芳，等.基于數值模擬的某臨河工業固體廢物渣場地下水污染控制研究［J］.水資源與水工程學報，2019，30（2）：9599.

［7］余期沖，祝曉彬，吳吉春，等.死端孔隙對溶質運移影響的實驗研究［J］.水文地質工程地質，2017，44（4）：160164.

［8］劉治政，朱恒華，徐建國，等.小型煉油廠對淺層地下水有機污染特征分析：以山東臨淄為例［J］.山東國土資源，2015，31（9）：4448.

［9］董迎雯，余期沖，鄭玉虎.基于數值模擬模型研究濱海化工企業地下水環境影響預測評價［J］.地下水，2018（3）：1922.

［10］王英剛，李小川，孫宏亮，等.基于GMS的某金屬尾礦庫地下水溶質運移模擬［J］.沈陽大學學報（自然科學版），2018，30（2）：8792.

［11］齊歡，秦品瑞，耿付強，等.GMS在白泉濕地公園地下水數值模擬中的應用［J］.山東國土資源，2017，33（9）：5561.

［12］楊加明，徐世光，李勝，等.基于GMS模擬預測云南保山盆地孔隙水中氨氮的遷移規律［J］.地質災害與環境保護，2023，34（4）：103109.

［13］王鵬.基于GMS的某廢置品處理場地下水污染物擴散數值研究［J］.地下水，2019，41（2）：1214.

［14］段毅，李東春，周書葵.GMS在某典型化工工業園區地下水鉈污染物運移研究中的應用［J］.南華大學學報（自然科學版），2023，37（4）：917.

［15］劉景蘭，李立偉，朱明奕，等.基于GMS的某典型石化園區地下水污染運移研究［J］.能源與環保，2022（5）：712.

［16］錢程，穆文平，邢淵，等.某氣田石油類污染物運移數值模擬研究［J］.環境工程，2016，34（4）：6872.

［17］陳靂華，張弛，鄭凌云，等.基于GMS軟件的河谷盆地型工業園區地下水污染控制模擬［J］.環境污染與防治，2022，44（8）：10251029.

［18］陳方園，陳顥明，段曉芳，等.固體廢物處理廠地下水污染預測及控制模擬［J］.水土保持通報，2018，38（4）：187194.

Abstract：A petrochemical enterprise in Shandong province has been selected as the research object. A model of groundwater flow and solute transport has been constructed by using GMS to simulate the pollution distribution of typical pollutants in petrochemical enterprises under normal seepage and seepage prevention. It is showed that the contaminated plume diffuses horizontally along with the flow direction under normal seepage condition. The diffusion range will expand with the increase of time， and the maximum migration distance is 26.15 m when the simulated time is 9500d. The contaminated plume migrates slowly in vertical direction due to the influence of soil permeability. The maximum concentration in the bottom clay layer is 0.074mg/L when the simulation time is 9500d. The transverse migration of pollution plume is obviously limited， but the vertical migration will increase when cut-off wall is adopted in the downstream of pollution source. The maximum migration distance is 23.65m when the simulation time is 9500d. Comparing with normal seepage， the longitudinal migration of the pollution plume will enhance. The concentration of the clay layer at the bottom will increases obviously after the barrier wall is set up. The concentration can "reach 0.152mg/L， which is the maximum at 9500d.

Key words：Petrochemical enterprise; groundwater pollution; GMS software; solute transport simulation

收稿日期：20240604；修訂日期：20240624；編輯：陶衛衛

作者簡介：王浩（1993—），男，山東滕州人，工程師，主要從事土壤地下水環境相關研究；Email：wallhao3@163.com