馬國明

（安徽省地質(zhì)實驗研究所，安徽合肥230041）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，人口快速增長和城市規(guī)模的擴大對淺層地下水資源的污染現(xiàn)象日趨嚴重，因此，迫切需要有效防治地下水污染的方法和技術監(jiān)管手段，以便更好地保護和利用地下水資源。目前地下水污染數(shù)值模擬技術正在迅速發(fā)展[1～3]，多種地下水數(shù)值模擬軟件(GMS、Modflow 等)被應用到地下水調(diào)查評價工作當中。目前國內(nèi)地下水模擬更加注重于客觀水文地質(zhì)條件認識的真實性，數(shù)值模型結構概化的合理性[4～5]。本文旨在使用Visual Modflow 軟件對宿州市某制藥廠附近淺層地下水的溶質(zhì)遷移污染問題進行數(shù)值模擬，探討分析泄漏污染物隨地下水的運移對周邊地下水環(huán)境造成的影響，探索監(jiān)測、防治地下水污染的新方法。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)條件

研究區(qū)地處淮北沖積平原的中部，地貌條件簡單，地面標高在23.00～26.70m，地形平坦，總體趨勢北和西北部略高，向東南和南緩傾。區(qū)域地層屬華北地層區(qū)淮河地層分區(qū)淮北地層小區(qū)。前第四紀地層除缺失太古界、元古界、上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)、三疊系、侏羅系中-下統(tǒng)、白堊系外，自寒武系至第四系其它地層均有發(fā)育。本研究區(qū)地表出露地層為第四系，松散層包括新近系(N)和第四系(Q)，厚度在100～300m，由北向南逐漸變薄。下伏基巖主要為奧陶系下統(tǒng)蕭縣組、馬家溝組和中統(tǒng)老虎山組，石炭系上統(tǒng)本溪組、太原組，二疊系上統(tǒng)石千峰組，古近系古新統(tǒng)雙浮組。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水含水介質(zhì)的不同和賦存條件的差異，本區(qū)地下水類型可劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙-裂隙水和碳酸鹽巖類巖溶裂隙水三種。其中松散巖類孔隙含水層自上而下可劃分為三個含水巖組：①松散巖類孔隙含水巖組：含水層主要由中晚更新世地層所組成，巖性為粉細砂、亞砂土、亞黏土、黏土等，一般埋深20～30m，含水層厚度5～25m，底板埋深小于50m。②中深層松散巖類孔隙含水巖組：分布廣泛，地層主要為中、下更新統(tǒng)。含水層埋深一般在35～110m之間，發(fā)育4～5層砂，巖性以分選性較好的細砂為主，少量中細砂。單層厚5～15m，累計厚度35～55m。砂層底板埋深一般為50～100m。水力性質(zhì)為承壓水，水質(zhì)優(yōu)良，是城鄉(xiāng)主要供水水源。③深層松散巖類孔隙含水巖組：廣泛分布，地層多為下更新統(tǒng)和新近系，巖性以細砂、中砂為主，少量粗砂，多為半膠結狀。埋深一般大于100m，底板埋深150～200m，砂層單層厚度一般在15～20m，累計厚度一般10～40m。該層水量較貧乏，開采量較小。

研究區(qū)淺層松散巖類孔隙含水巖組補給方式主要為降水入滲補給、地表水下滲補給和灌溉回滲補給，其中，降水入滲補給是研究區(qū)地下水的主要補給來源，除此之外，還有少量河流和農(nóng)田灌溉下滲補給。

區(qū)域上淺層松散巖類孔隙水徑流總體上是由西北流向東南。有人工開采的地域，淺層松散巖類孔隙水流場受地形和開采雙重影響，局部會形成漏斗。淺層松散巖類孔隙水的排泄主要為蒸發(fā)排泄，農(nóng)村人畜生活用水和灌溉用水的開采。中深層水除了側向徑流排泄外，還有城市供水的集中開采。

2 地下水數(shù)值模擬

2.1 模擬軟件的選取

Visual Modflow 軟件是近幾年成功應用于水文地質(zhì)學領域的一款計算機軟件，技術上成熟，功能強大，使用方便，正在被越來越多的水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作者所接受。

該軟件主要由MODFLOW、MT3DMS、MODPATH 和ZONEBUDGET 四個功能模塊組成，可分別用來模擬地下水流的運動情況；模擬污染物粒子的運動軌跡；以及計算給定區(qū)域的總水量及其與周圍區(qū)域的水量交換情況，特別是對于分析特定的水量變化情況非常有用。本次實際案例即是應用Visual Modflow 軟件對某制藥廠附近地下水的溶質(zhì)遷移問題進行數(shù)值模擬。本次模擬以氨水儲罐泄漏導致部分氨氮通過防滲破損層進入含水層為案例。

2.2 水文地質(zhì)概念模型的建立

數(shù)值模擬結果的正確與否取決于水文地質(zhì)概念模型的合理程度。建立概念模型之前，需要充分了解實際的水文地質(zhì)條件，認真分析地下水系統(tǒng)，統(tǒng)計組織相關的測量試驗數(shù)據(jù)。通過對實地水文地質(zhì)條件的概化，確定模型的基本要素，為建立地下水數(shù)值模型奠定基礎[6～8]。

研究區(qū)地下水滲流系統(tǒng)按巖層的滲透性自上而下劃分為第一含水層組（淺層）、第一隔水層、第二含水層組（中深層）和第二隔水層（圖1）。以黏土層作為模型隔水層。研究區(qū)調(diào)查顯示，對地下水資源的開采量是相對穩(wěn)定的，本次假設其為穩(wěn)定流狀態(tài)，因此概化成非均質(zhì)各向同性條件下的三維穩(wěn)定流地下水系統(tǒng)。

圖1 水文地質(zhì)概化模型示意圖Figure 1. Schematic diagram of hydrogeological conceptionalization model

2.3 數(shù)學模型

在水文地質(zhì)概化模型的基礎上，綜合以上水文地質(zhì)基本要素及特征，通過對研究區(qū)的水均衡分析，利用已有資料，將研究區(qū)含水層概化為三維穩(wěn)定、非均質(zhì)各向同性的地下水流系統(tǒng)，數(shù)學模型如下：

式中：

Ω—為研究區(qū)地下水滲流范圍；

H—為含水層水頭值(m)；

S1—為地下水滲流區(qū)第一類邊界；

S2—為地下水滲流區(qū)第二類邊界；

kxx，kyy，kzz—分別表示縱向、橫向和垂向的滲透系數(shù)(m/d)；

w—為地下水的源匯項(m3/d)；

H0(x，y，z)—為初始的水頭函數(shù)(m)；

H1(x，y，z)—為已知地下水第一類水頭邊界函數(shù)(m)；

q(x，y，z)—為第二類單位面積流量邊界函數(shù)(m3/d)；

n—為第二類S2邊界的外法線方向。

2.4 模型檢驗與參數(shù)選取

模型建立之后，需要確定各項水文地質(zhì)參數(shù)來檢驗模型的正確性。這些參數(shù)包括作為源匯項部分的用于計算各種地下水補排資源量的參數(shù)，如降水滲入系數(shù)、灌溉回滲系數(shù)和河流側向滲漏系數(shù)，以及含水層的水文地質(zhì)參數(shù)：滲透系數(shù)、給水度、導系數(shù)、越流系數(shù)及釋水系數(shù)等。

根據(jù)實際抽水試驗觀測資料、水化學分析測試資料、經(jīng)驗值資料，收集的歷史資料以及試驗獲得的各層水文地質(zhì)參數(shù)，對模型含水層賦值反復模擬計算，通過計算水位和實際水位擬合分析，反復調(diào)參，最終選取最佳擬合度方案確定含水層各項參數(shù)（表1）。

表1 含水層水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)表Table 1. Hydrogeological parameters of aquifer

2.5 模型識別

根據(jù)水文地質(zhì)模型所建立的數(shù)學模型，能否確切地反映計算區(qū)的實際水文地質(zhì)條件，需要進行驗證，這個過程就是模型識別。本次模擬識別先是選取研究區(qū)已有的抽水試驗結果作為本次模型的水文地質(zhì)參數(shù)初始值，然后用試錯法調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)，擬合研究區(qū)地下水各含水層的流場，直到能反映實際流場特征為止。

通過調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)和擬合研究區(qū)流場，模型校正工作取得了比較好的效果，各含水層的實際流場和擬合流場對比見圖2和圖3所示。

圖2 淺層含水層流場擬合圖Figure 2. Shallow aquifer flow field fitting

圖3 中深層含水層流場擬合圖Figure 3. Middle and deep aquifer flow field fitting

2.6 地下水溶質(zhì)運移模擬

2.6.1 溶質(zhì)運移數(shù)學模型

（1）控制方程

根據(jù)本區(qū)實際水文地質(zhì)條件，本次采用的地下水溶質(zhì)遷移模型是一個基于三維水流模型下的三維溶質(zhì)彌散模型，假設溶液密度保持不變，不考慮吸附作用和動力反應過程，吸附相和溶解相的速率相等。根據(jù)上述假設，本次研究的地下水中溶質(zhì)遷移的數(shù)學模型表述如下：

式中：

C—地下水中的各組分溶解相濃度，ML-3；

θ—含水層孔隙度，無量綱；

t—時間，T；

xi—沿坐標系軸向的距離，L；

Dij—地下水動力彌散系數(shù)，L2T-1；

vi—地下水的平均實際流速，LT-1；

qs—單位體積的地下水流量，L3T-1；

Cs—源匯項中的組分濃度，ML-3；

∑Rn—化學反應條件濃度隨時間變化，ML-3T-1。

在模型擬合驗證后，本次地下水穩(wěn)定流條件下三維溶質(zhì)運移模型直接利用Visual Modflow 中的MT3DMS 模塊進行不同時段的預測計算，模型的邊界及初始條件設置如下：

（2）初始條件

本次溶質(zhì)模型的污染源概化為濃度邊界，初始濃度設定為C0，具體表述為：

式中：Γ2—為通量邊界；

fi(x,y,t)—代表邊界彌散通量的已知函數(shù)。

2.6.2 溶質(zhì)運移參數(shù)的確定

根據(jù)相關經(jīng)驗結果，本次研究的含水層為孔隙水，對應的彌散度位于1～10之間，因此本著最不利原則，本次模擬彌散度取10(圖4)。

圖4 孔隙介質(zhì)數(shù)值模型的LgaL-LgLs圖Figure 4. LgαL-LgLs graph for a numerical model of porous media

2.6.3 模型條件的概化

根據(jù)實地客觀條件，污染源位置按實際設計概化。模型將上述情形的污染源以面源形式設定濃度邊界。由于資料所限，在模擬污染物擴散時，主要考慮對流、彌散的作用，不考慮吸附作用、化學反應等其它因素。

為了分析該工廠在氨水儲罐泄露的情形下對廠區(qū)以及下游地下水的影響范圍和程度，利用上述擬合好的流場水流模型，預測不同的時間段污染物的遷移擴散情況。

圖5 預測氨氮泄漏污染羽范圍變化圖Figure 5. Variation diagram of the predicted range of ammonia and nitrogen leakage plum

表2 污水滲漏事故氨氮對地下水水質(zhì)的影響情況Table 2. The influence of ammonia nitrogen on groundwater quality after a sewage leakage accident

3 預測結果分析

本次模擬是基于非正常工況下氨氮泄漏進行的模擬預測，本次模擬污染物遷移擴散過程未考慮土壤的吸附作用，以及污染物與土壤和地下水中物質(zhì)的相互化學反應，在泄漏量和泄露濃度一定的情況下，模型中污染物擴散在時間和空間上顯示一定規(guī)律。

(1)泄漏時間：假設非正常工況下防滲層破損，氨短時間泄漏。

(2)預測結果：將污染源輸入模型，模擬預測發(fā)生滲漏事故后100 天、1000 天、10 年和20 年污染羽的變化情況(表2)。參照《地下水質(zhì)量標準》氨氮濃度，即0.5mg/L。

由表2和圖5可見，非正常工況下情景發(fā)生后，如果罐區(qū)發(fā)生泄漏，滲漏的污染物會對第一層(淺層)含水層的水質(zhì)造成一定影響，第二層(中深層)含水層基本無影響。污染物泄漏時間較短，泄漏過程中，污染物在水動力條件下不斷由東南向西北方向運移，并且污染羽范圍逐漸縮小，泄漏第100天后，污染暈水平運移34.3m；在運行第1000 天后，污染暈水平運移108.0m；泄漏后3650 天，污染暈水平運移175.5m；泄漏后7300 天，污染暈水平運移265.0m。說明發(fā)生事故后，如果防滲區(qū)破損，泄漏的氨水未及時清理，泄漏滲入含水層，則污染物會對下游淺層含水層造成一定影響。因此，非正常工況下，污染物有限時間的泄漏之后，需要及時采取處理措施，防止污染物泄漏下滲，污染淺層地下水。

4 結語

根據(jù)Visual Modflow軟件的模擬分析結果，研究區(qū)在不合理排放或意外事故狀態(tài)泄漏的污染物，一旦泄漏滲入含水層，將對淺層地下水水質(zhì)造成影響，甚至污染，其污染程度取決于污染源的濃度。因此營運期建設單位需要加強罐體、圍堰以及防滲層的維護保養(yǎng)，一旦發(fā)生泄漏事故，應及時清理并檢查泄漏區(qū)防滲層，防止污染物進入包氣帶和含水層，保護好有限的地下水資源。

該模型的建立和模擬分析方法可對污染物意外泄漏后隨地下水流運移對周邊地下水環(huán)境造成的影響進行預測和實時評估，對探索監(jiān)測淺層地下水污染的方法具有一定意義。