王東晟

摘? 要：針對(duì)河南省臺(tái)前縣某工業(yè)園區(qū)地下水污染情況進(jìn)行模擬，為污染物在地下水中運(yùn)移情況提供預(yù)測(cè)和防治指導(dǎo)。通過(guò)實(shí)地踏勘獲得地質(zhì)參數(shù)，運(yùn)用Visual Modflow軟件構(gòu)建地下水流模型，對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證，得到較為耦合的地下水流模型，結(jié)合溶質(zhì)運(yùn)移模型，最終得到污染物運(yùn)移規(guī)律：隨著時(shí)間的增加，污染物范圍逐漸擴(kuò)大，污染物濃度逐漸減小;污染物主要隨著水流方向運(yùn)移，對(duì)環(huán)境的影響范圍逐漸擴(kuò)大，污染物濃度隨時(shí)間和距離逐漸減小。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;潛水;Visual Modflow;溶質(zhì)運(yùn)移

中圖分類號(hào)：X523;TP391.9? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）03-0065-04

Abstract：The groundwater pollution in an industrial park in Taiqian County of Henan Province was simulated to provide guidance for the prediction and prevention of pollutant movement in groundwater. Geological parameters obtained from field reconnaissance，and using the Visual Modflow software build groundwater flow model，the identification and validation of the model，is a coupling model of groundwater flow，combining with the solute transport model，the resulting contaminant migration rule： with the increase of time，gradually increasing range of pollutants and pollutant concentration decreases;the pollutant mainly moves with the direction of water flow，and its influence on the environment is gradually expanded. The pollutant concentration decreases with time and distance.

Keywords：numerical simulation;diving;Visual Modflow;solute transport

0? 引? 言

黃河灘區(qū)平原特殊的地理位置以及所承擔(dān)的防洪功能，是一個(gè)典型的生態(tài)系統(tǒng)脆弱區(qū)。由于該區(qū)域眾多的工業(yè)園區(qū)生產(chǎn)運(yùn)行和污染排放，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題顯得日益嚴(yán)峻，因此工廠的污染廢水排放以及工業(yè)原料的非正常泄漏都嚴(yán)重地威脅著灘區(qū)的地下水生態(tài)環(huán)境和水體的質(zhì)量。利用數(shù)值模擬構(gòu)造地下水流場(chǎng)和溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行分析，是目前研究地下水流場(chǎng)特點(diǎn)以及水環(huán)境評(píng)價(jià)的主要手段之一[1]。本文基于校內(nèi)《某環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)殘液項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)項(xiàng)目》的影響范圍及規(guī)律進(jìn)行了研究，根據(jù)園區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文環(huán)境特征，利用Visual Modflow數(shù)值模擬軟件對(duì)黃河灘區(qū)平原工業(yè)園區(qū)地下水污染物遷移特征進(jìn)行模擬。此次研究對(duì)于黃河灘區(qū)平原污染治理以及防治具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義和理論意義。

1? 研究區(qū)概況

模擬區(qū)水文地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

研究區(qū)位于黃河下游沖積平原，地形較平坦，海拔48.5 m～63.0 m，西南高，東北低，坡降為0.34‰。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季多風(fēng)，夏季炎熱，蒸發(fā)量較大，年降水量多集中在七、八、九月份，年均降水量608 mm。地下水類型為第四系松散巖類孔隙水，淺層含水層顆粒較粗，厚度較大，質(zhì)地較純，以粉細(xì)、中細(xì)砂為主，局部可見中砂，富水性中等，深層含水層頂板為厚度4 m～12 m的亞黏土，分布較為穩(wěn)定，隔水性能較好，與上覆淺層含水層組水力聯(lián)系微弱。

2? 概念模型和介紹

2.1? 概念模型

模擬區(qū)范圍為臺(tái)前縣西白嶺村匯流區(qū)域，面積約為22.56 km2。結(jié)合模擬區(qū)水文地質(zhì)條件與地下水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，確定主要含水層為第四系松散巖類孔隙含水層，本研究主要為模擬污染物在地下水中的遷移，對(duì)地下水本身的流動(dòng)沒(méi)有影響，黃河與區(qū)域內(nèi)地下水關(guān)系密切，無(wú)論是枯水期還是豐水期均補(bǔ)給地下水，概化為水頭邊界;北側(cè)流出模擬區(qū)部分概化為定水頭邊界;西側(cè)和東側(cè)由于補(bǔ)給排泄水量平衡，概化為零流量邊界。模擬區(qū)頂部邊界為潛水含水層的自由水面，整個(gè)含水層系統(tǒng)通過(guò)這個(gè)邊界可接受大氣降水入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄等，與外界進(jìn)行垂向的水力聯(lián)系。模型的底部邊界是粘土及粉質(zhì)粘土弱透水層，為零流量邊界。

2.2? 地下水流數(shù)學(xué)模型

區(qū)域內(nèi)地下水運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律，根據(jù)實(shí)際的水文地質(zhì)邊界條件，地下水流場(chǎng)特征和不同滲透要素的改變，把此研究區(qū)域概化為非均質(zhì)各向異性、二維、穩(wěn)定的地下水流系統(tǒng)[2]。用下列數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表述：

對(duì)于二維、非均質(zhì)、各向異性、穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，可用如下偏微分方程的定解問(wèn)題來(lái)描述：

式中：Ω為滲流區(qū)域;h為含水層水位標(biāo)高（m）;Kxx為x方向滲透系數(shù)（m/d）;Kyy為y方向滲透系數(shù)（m/d）;Kn為邊界法向量的滲透系數(shù)（m/d）;w為源匯項(xiàng)（1/d）;h0（x，y）為含水層的初始水位分布（m）;Γ2為滲流區(qū)域的二類邊界;（x，y）為平面位置坐標(biāo);n為邊界面的法線方向;q（x，y，t）為二類邊界上已知流量函數(shù)?？捎糜邢薏鸱址ㄇ蠼庠摑B流數(shù)學(xué)模型。有限差分是將時(shí)間和空間進(jìn)行離散化。本次研究區(qū)劃分為矩形，南北向長(zhǎng)度為2.0 km，分為50行;東西向長(zhǎng)度為2.2 km，分為50列。

2.3? 模型識(shí)別

模型的識(shí)別和驗(yàn)證是整個(gè)模擬中極為重要的一步工作，需要反復(fù)地調(diào)整參數(shù)才能達(dá)到較為理想的擬合效果。模型識(shí)別和驗(yàn)證采用的方法也稱為試估-校正法[3]。在給定的水文地質(zhì)參數(shù)和各項(xiàng)均衡條件下的模擬地下水流場(chǎng)，通過(guò)擬合時(shí)期的統(tǒng)測(cè)流場(chǎng)，識(shí)別水文地質(zhì)參數(shù)和其他均衡項(xiàng)，使建立的模型更加符合模擬區(qū)的水文地質(zhì)條件[4]。

根據(jù)以上原則，以2016年6月流場(chǎng)作為初始流場(chǎng)，得出地下水初始流場(chǎng)圖，如圖2所示。識(shí)別時(shí)間為2016年7月到2017年1月，驗(yàn)證期為2017年2月到2017年6月，地下水?dāng)M合效果如圖3所示，誤差都在95%置信區(qū)間之內(nèi)，符合模擬的基本要求精度。

3? 溶質(zhì)運(yùn)移模型

此次地下水污染模擬不考慮污染物在含水層的吸附、揮發(fā)以及生物化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)用Visual Modflow中的MT3D模塊對(duì)污染物運(yùn)移進(jìn)行模擬[5]。

3.1? 地下水中溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型

地下水中溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：Dij為含水層的彌散度;C為模擬污染質(zhì)的濃度（mg/L）;t為時(shí)間（d）;nε為有效孔隙度;n為介質(zhì)孔隙度;W為源匯單位面積上的通量;Vi為滲流速度（m/d）;C′為源匯的污染質(zhì)濃度（mg/L）。

初始條件為：

3.2? 污染物模擬情形設(shè)定

根據(jù)廠區(qū)平面設(shè)計(jì)，結(jié)合工程項(xiàng)目相關(guān)資料，確定地下水污染源主要是苯存儲(chǔ)罐，模擬非正常狀態(tài)下防滲不正常情景。廠區(qū)具有完備的污染物泄漏預(yù)警系統(tǒng)，因此設(shè)置不正常狀態(tài)為100 d，根據(jù)入滲系數(shù)、多年平均降水量以及其他參數(shù)，計(jì)算出兩種情況下苯污染物的源強(qiáng)大小，如表1所示。

綜合考慮地下水流向、廠區(qū)周圍敏感點(diǎn)的分布有針對(duì)性地開展模擬計(jì)算。模擬結(jié)果以淺色范圍表示地下水污染物超標(biāo)的濃度范圍，深色范圍表示存在污染但污染不超標(biāo)的濃度范圍，限值為檢測(cè)指標(biāo)的檢出限，當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果小于檢出限時(shí)則視為對(duì)地下水環(huán)境幾乎沒(méi)有影響。苯標(biāo)準(zhǔn)值參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-2017）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值。

3.3? 預(yù)測(cè)結(jié)果

在非正常狀態(tài)下發(fā)生泄漏，苯污染物的影響范圍如圖4所示、超標(biāo)范圍及最大運(yùn)移距離如表2所示。從預(yù)測(cè)結(jié)果看出苯發(fā)生泄漏在地下水100 d后影響范圍為3 160 m2，超標(biāo)范圍659 m2，最大運(yùn)移距離為51 m。泄漏發(fā)生1 000 d后影響范圍為5 345m2，超標(biāo)范圍324 m2，最大運(yùn)移距離為128 m。泄漏發(fā)生3 650 d后影響范圍為7 695 m2，超標(biāo)范圍65 km2，最大運(yùn)移距離為163 m。泄漏發(fā)生7 300 d后影響范圍為14 300 m2，超標(biāo)范圍0 m2，最大運(yùn)移距離為210 m。

隨著地下水的流動(dòng)，苯污染物的影響范圍越來(lái)越大，但超標(biāo)濃度越來(lái)越小，由此可以看出，在實(shí)施完善的防滲措施以及應(yīng)急措施后，可以有效地降低污染物影響范圍，使污染物影響范圍降低到環(huán)境可以接受的范圍之內(nèi)。

4? 結(jié)? 論

本研究以黃河灘區(qū)某工業(yè)園為研究區(qū)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)和地形地貌特點(diǎn)，利用有限差分法數(shù)學(xué)思想結(jié)合地下水?dāng)?shù)值模擬軟件Visual Modflow建立地下水流場(chǎng)模型，并根據(jù)監(jiān)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和校正。在模擬精度達(dá)到要求之后，模擬苯污染物在非正常條件下泄漏到潛水含水層以后的污染物運(yùn)移情況，將地下水流數(shù)值模擬與溶質(zhì)運(yùn)移模擬相結(jié)合，分析苯污染物在設(shè)計(jì)情形中的地下水受污染狀況。

模擬結(jié)果顯示，污染物首先向四周擴(kuò)散，而后主要沿著地下水水流方向進(jìn)行擴(kuò)散，7 300 d最大影響范圍達(dá)到14 300 m2，最大運(yùn)移距離為210 m。隨著時(shí)間的推移，污染的影響范圍越來(lái)越大，但由于巖土的吸附和生成難溶化物而滯留于土壤中，污染濃度隨之減少。

地下水環(huán)境復(fù)雜，污染物的泄漏不易被察覺，而且隨著時(shí)間的推移，污染范圍也在不斷擴(kuò)大，而且地下水污染難以修復(fù)，治理更加困難，因此建立良好的污染事故預(yù)警系統(tǒng)以及定時(shí)監(jiān)測(cè)地下水污染狀況是行之有效的方法。

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