張 平，陳彥群，黃奇文，孔令珍，吳 昊

（1.沈陽大學 建筑工程學院，遼寧 沈陽 110044；

2.東北煤田地質局勘察設計研究總院，遼寧 沈陽 110003；

3.東北煤田地質局103勘探隊，遼寧 沈陽 110003）

沈陽石蠟化工有限公司廠區(qū)地下水污染模擬預測

張 平1，陳彥群2，黃奇文2，孔令珍3，吳 昊1

（1.沈陽大學 建筑工程學院，遼寧 沈陽 110044；

2.東北煤田地質局勘察設計研究總院，遼寧 沈陽 110003；

3.東北煤田地質局103勘探隊，遼寧 沈陽 110003）

根據沈陽石蠟化工有限公司廠區(qū)水文地質條件以及周邊農業(yè)灌溉等廢水排放條件，并分析地下水污染機理，建立了地下水溶質運移數學模型，預測地下水水質時空變化特征.將含水層概化為單層非均質不等厚各向同性的二維非穩(wěn)定潛水滲流系統(tǒng)，模擬因子確定為石油類，向水源地的運移概化為二維對流－彌散運動.模擬區(qū)邊界按一類邊界處理，并在廠區(qū)位加一虛擬點污染源.預測結果表明，未做防滲層條件下，隨著開采時段的增長，區(qū)內各節(jié)點濃度逐漸增高，其變化幅度在近河近開采井地段較明顯，但未出現預警濃度（0.05 mg／L）；加防滲層后，石油類濃度相對于原背景值將大幅減小.

地下水水質；數值模擬；模擬因子，對流—彌散，二維滲流

沈陽石蠟化工有限公司，位于沈陽市西郊經濟技術開發(fā)區(qū)內.該公司擬將催化熱裂解（CPP）產出的乙烯下游產品聚氯乙烯（PVC）改為聚氯乙烯（PE），投產后廢水排放量為147 t／h，廢渣產生量5 109 t／a.廢水經處理后排入河流，通過入滲會對地下水水質產生影響.此外在廠區(qū)及周邊地區(qū)還有多項補給，按其補給量的大小依次是水田及渠道水回滲補給、河流水側向補給、地表水體滲入補給、大氣降水入滲補給、側向逕流補給和開采激發(fā)補給，特別是位于廠區(qū)附近的細河，現為沈陽市的排污河流，豐水期流量為27.63 m3／s，水質污染嚴重，河水呈紅黑色，沿河兩岸地下水水質均受污染.沈陽石蠟化工有限公司目前實際用水量406 m3／h，因此總體改造項目產品方案調整需對廠區(qū)及周邊地區(qū)地下水影響進行評價，分析地下水污染的機理，對地下水水質進行模擬、預測，以便采取有效措施保護地下水水源.

1 評價區(qū)水文、氣象及地質概況

評價區(qū)域位于沈陽市區(qū)的西部，總面積約212.48 km2.該地區(qū)年平均氣溫為7.8℃，多年平均降雨量為697.62 mm，年平均蒸發(fā)量為1 431.4 mm.渾河是本區(qū)主要河流，工作區(qū)內渾河長度為23.44 km，年平均流量為46.78 m3／s.渾河已成為淺層地下水的主要補給源之一，其水質已經成為影響淺層地下水水質的主要因素之一.細河位于本工作區(qū)渾河北，全長84 km，河寬15～25 m，河床比降0.024%.

區(qū)內第四系地層極為發(fā)育，分布廣泛.全新統(tǒng)地層在區(qū)內大面積分布.表層巖性為粉質黏土、含礫粗砂、細砂圓礫，蘊藏著豐富的地下水，含水層巖性為礫砂、圓礫、卵石－礫砂－粗砂、細砂.區(qū)內地下水類型為松散巖類孔隙水和承壓水，單井涌水量2 000～10 000 t／d，因沒有連續(xù)的隔水層，上段（Q4＋Q3）含水層與下段（Q2＋Q1）含水層相互連通，水力聯系密切；區(qū)內承壓水主要賦存在扇中部地帶和前緣帶，單井涌水量2 000～5 000 t／d，水文地質剖面圖如圖1.

地下水的補給以垂向補給為主，側向補給為輔.評價區(qū)中部、東部地帶，含水層顆粒粗，補給條件好，水力坡度較大，滲透性能強，地下水逕流暢通，交替循環(huán)積極.評價區(qū)西部、西南部，含水層粒度細，滲透系數（K）值平均14.58 m／d.該地區(qū)過去大部分耕地為水田，由于接納污水進行灌溉，致使灌區(qū)多數土地遭受重金屬鎘等污染.

圖1 評價區(qū)水文地質剖面圖Fig.1 Profile of hydrologic geology at valuated zoon

地下水的排泄方式有人工開采、蒸發(fā)消耗、地下逕流和河流排泄四種.根據聚類分析結果，同時考慮區(qū)內的地質條件、自然因素等諸方面影響，將全區(qū)的地下水化學類型劃分為 HCO3－Ca、HCO3·Cl－Ca、HCO3·SO4·Cl－ Ca·Na（Ca·Mg）、HCO3·SO4·Cl－Na、Cl－Ca·（Ca·Mg）五類［7］.

2 地下水水質模擬

2.1 地下水溶質運移數學模型

描述本區(qū)內二維流場二維彌散的對流－彌散溶質運移數學模型為［1－5］：

式中，ρ為計算點各時段質量濃度，g／L；D為水動力彌散系數，m／d；αL，αT分別為縱向彌散度和橫向彌散度，m；Γ1為一類邊界；u為地下水實際流速，m／d；n為含水層有效孔隙度；Ω為計算區(qū)域；Q為水量 m3／d；ρ1，ρ2，ρ3，ρ4，ρ5分別為降水、地表河流、稻田入滲、虛擬點源入滲、井開采水水中所含溶質的質量濃度值，mg／L；Ic為源匯項，mg／d；h為水頭，m；K為滲透系數，m／d.

本次采用有限差分法對溶質運移方程的求解，利用Visual Modflow軟件中的溶質運移模型MT2D程序軟件包進行模擬.MT3D模擬單項污染物質在地下水中的遷移、擴散和一些化學反應產生的濃度變化.

2.2 地下水污染機理

研究區(qū)內渾河、細河以線狀，水田灌溉以面狀入滲補給Q4潛水含水層，污染的地表水可視為對Q4潛水構成潛在的污染.Q3、Q1層為局部半承壓或承壓含水層，該層為市政水源地的主要開采層.在開采條件下，Q4層地下水所攜帶的污染質在透過Q4與Q3之間弱透水層時，或存在天窗的情況下，入滲到Q3層和Q1層，這其中會有一部分污染質被綜合吸附或吸收.本次模擬采用的是石油類作為特征污染物.石油是一種含有多種烴類的復雜有機混合物，地下水中石油類污染具有隱顯性、去除困難、污染場地條件差異性的特點，決定了其在自然狀況下難于降解.場地土壤為砂類土，滲透的路徑較短，也限制了石油類污染物在自然降解，總體降解吸附的量可以忽略不計［6］.為了使模擬預測結果用于區(qū)域地下水水質評價更安全，地下水遭受污染的風險更低.所以本次模擬未考慮污染物的降解、吸咐等作用，并將第四系含水系統(tǒng)視為同一潛水含水層來處理.

2.3 模擬時段、因子、邊界的確定

地下水滲流是以垂向補排為主，側向補排次之，與渾河有水力聯系邊界，側向徑流較弱，主要含水層為第四系松散沉積物為主的砂和砂礫卵石構成，因此，含水層可概化為單層非均質不等厚各向同性的二維非穩(wěn)定潛水滲流系統(tǒng).模擬的污染因子確定為石油類，向水源地的運移可概化為二維對流－彌散運動.在模擬時不考慮石油類在地下水的的吸附、降解作用 ，直接參與模擬.依據各補給、排泄項在時間上的分布規(guī)律劃分8個模擬時段，水質預測剖分網格圖見圖2.

圖2 地下水水質預測部分網格圖Fig.2 Forecasting subdivision graticule figure of underwater quality

模擬區(qū)邊界按一類邊界處理，其資料取邊界上部分觀測井孔的實測水質分析化驗資料，并據此進行插值計算.模擬區(qū)的源匯項主要有大氣降水、地表水體對Q4層的滲入補給，此次將沈陽石蠟化工有限公司作為虛擬點源污染處理，在垂向上忽略蒸發(fā)排泄對潛水水質影響.

2.4 有關模型中數據的處理

以2005年4月末石油類實測濃度為初始濃度，2005年4月末至2006年4月末的實測濃度作為一類邊界的石油類濃度值.在源匯項中，將明顯高于其周圍濃度的井點、虛擬點源和地表河流沿線處理為點源；將降水、稻田區(qū)處理為凈補給溶質濃度.含水層的滲透系數、給水度等參數見表1.

本次水質模擬計算中，有效孔隙度用給水度代替.彌散度是收集了本研究區(qū)附近所做的現場彌散試驗資料，其彌散度確定為αL＝0.19～0.47 m，αT＝0.09～0.23 m.將本研究區(qū)的具體水文地質條件與彌散試驗現場的水文地質條件相比擬，最終確定此參數分區(qū)和賦值.

表1 含水層水文地質參數Table 1 Hydrogeologic paramelter of aquifar

2.5 水質模擬與模型驗證

采用2005年4月末至2006年4月末的實測濃度作為本次調參和模型驗證.為控制全區(qū)流場和溶質分布，選取12眼潛水水質觀測井，以期對模型參數進行識別.模擬的結果是80%以上的井孔其相對誤差小于50%.

3 地下水水質預測

3.1 未做防滲層條件下地下水水質預測

蠟化公司污水處理廠以前總入口污水石油類最大質量濃度為800 mg／L，考慮最不利條件，模擬時在沈陽市石蠟廠區(qū)位加一虛擬點污染源（800 mg／L）.在現有開采條件下，未做防滲層的條件運行模型來預測石油類濃度的時空變化.表2為距廠區(qū)最近水源地某處潛水水質預測結果.

由模擬結果可以看出，石蠟廠區(qū)一旦發(fā)生突發(fā)污染地下水的事件，對距離最近的水源地潛水水質有影響，并朝著影響越來越顯著方向發(fā)展；假設石油類持續(xù)滲漏，隨著開采時段的增長，區(qū)內各節(jié)點濃度逐漸增高，其變化幅度在近河近開采井地段較明顯，尤其以開發(fā)區(qū)水源突出，但未出現預警質量濃度（0.05 mg／L）.

表2 水源地A010處潛水水質預測結果Table 2 Forecasting result of phreatic water quality of water source zoon at A010

3.2 防滲層完成后地下水水質預測

防滲層的滲透系數K＜10－9m／s，在無降解與吸附時污水穿透防滲層（厚度為0.5 m時）的時間在理想狀態(tài)下為15.85年，假如由于施工等因素造成防滲層內產生一定數量的裂隙，設裂隙率為1%（實際條件遠小于此），對區(qū)內地下水水質進行預測.表3為距廠區(qū)最近水源地某處潛水水質預測結果.由此可見，加防滲層后，石油類濃度相對于原背景值將大幅減?。?］.

表3 水源地A010處在CPP加防滲層后潛水水質預測結果Table 3 Forecasting result of phreatic water quality of water source zoon at A010 after constructing impermeable layer on CPP

4 結 論

（1）對地下水水質模擬的結果表明地下水系統(tǒng)水質演化機理主要受地下水水位動態(tài)變化、區(qū)內人工形成的地下水流場變化和地下水系統(tǒng)外界環(huán)境所控制.外界環(huán)境向地下水系統(tǒng)輸入污染源，水質變化的水動力條件是地下水水位動態(tài)特征和地下水流場.近岸地下水中氨氮含量高，表明氨氮長期超標的地表水體污染了近岸的地下水體.

（2）在廠區(qū)位加一虛擬點污染源后，污染物表現出向鄰近水源地的開采井區(qū)運移趨勢，對該水源地潛水水質有影響，并朝著影響越來越顯著方向發(fā)展，必須監(jiān)控，防患于未然.

（3）研究區(qū)的地下水系統(tǒng)由于處于不同的水文地質單元，它們的巖性與結構不同，第四紀地層滲透性能有很大差別，表現出地下水系統(tǒng)的天然防護功能各異.在區(qū)內近一級階地的地區(qū)，地下水系統(tǒng)的天然防護功能較強，屬于地下水易污性較弱區(qū)；地下水易污性一般地區(qū)主要分布在高漫灘區(qū)，沈陽市石蠟廠位于此區(qū)，其污染途徑主要表現為通過地表水體入滲至含水層.

（4）本次模擬采用的是石油類作為特征污染物，同時未考慮污染物的降解、吸咐等作用，指示劑的運移速度要大于污染物的運移速度，所以這種保守評價方法對本次地下水水質預測評價是有效的.

［1］ 王康.非飽和土壤水流運動及溶質遷移［M］.北京：科學出版社，2010：217－246.

［2］ 朱學愚，謝春紅.地下水運移模型［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990：158－189.

［3］ 朱學愚，錢孝星.地下水水文學［M］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2005：205－256.

［4］ 芮孝芳.水文學原理［M］.北京：中國水利水電出版社，2008：80－103.

［5］ 彭澤洲，楊天行，梁秀娟，等.水環(huán)境數學模型及其應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2007：169－202.

［6］ 龔春生，姚琪，趙棣華，等.淺水湖平面二維水流－水質－底泥污染模型研究［J］.水科學進展，2006（4）：496－500.

［7］ 遼寧省沈陽礦區(qū)總體規(guī)劃環(huán)境影響報告［R］.沈陽：沈陽環(huán)境科學研究院，2010.

Simulation Forecasting of Underground Water Contamination at Factory District of Shenyang Paraffin Wax Chemical Limited Company

ZHANGPing 1，CHENYanqun 2，HUANGQiwen 2，KONGLingzhen 3，WUHao 1
（1.Architectural and Civil Engineering College，Shenyang University，Shenyang 110044，China；2.Exploration and Design Institute，Northeast Coalfield Geological Bureau，Shenyang 110003，China；3.The 103th Exploration Team，Northeast Coalfield Geological Bureau，Shenyang 110003，China）

According to hydrogeological conditions at factory district of Shenyang Paraffin wax Chemical Limited Company as well as wastewater discharging conditions of peripheral agricultural irrigation，the underground water contamination mechanism was analyzed；the ground water solute migration mathematical model was established；and the temporal and spatial variation characteristic of ground water quality was forecasted.The aquifer was generalized single layer and non－h(huán)omogeneous and unequal thickness and isotropic two－dimensional unsteady infiltration flow underwater system，the simulation factor was determined for petroleum classes，the movement to the water source place was generalized the two－dimensional convection－dissemination movement.The simulation boundary area was treated as the first kind area，and a hypothesized point pollution source was added at the plant area.The forecasting result indicates that under the non－impermeable layer condition，the density of every spot in the area has been gradually increasing along with the mining time's growth.Its rangeability was very obvious at near river and near mining well sector，but warning density（0.05 mg／L）was emerged；After constructing a impermeable layer，the density of petroleum class was significantly reduced relatively to the original background value.

groundwater quality；numerical simulation；simulation factor；convection－diffusion；twodimensional seepage

TV 211.1＋2

A

1008－9225201201－0048－05

2011－03－29

張 平（1963－），男，遼寧黑山人，沈陽大學副教授.

祝 穎】