VisualModflow在地下水环境影响评价中的应用

（河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛066001）

近几十年来，随着社会经济的快速发展、工业化和城市化进程的加快，部分地区地下水严重超采，导致地下水水位下降，地下水污染状况也日趋严重，地下水环境问题已成为影响社会经济发展和人民群众健康的重大问题。可见，全面、准确地评价建设项目对地下水环境影响的意义重大。

2011年6月1日，国家环保部正式实施了《环境影响评价技术导则 地下水环境》（HJ 610-2011）（以下简称导则），要求以地下水作为供水水源及对地下水环境可能产生影响的建设项目，必须进行地下水环境影响评价[1]。地下水污染具有隐蔽性和滞后性，地下水环境影响评价是整个建设项目环境影响评价中较薄弱的一个环节[2]。

随着计算机技术的发展，数值模拟技术以其方便、灵活和高效的优势在水文地质领域得到了广泛的应用。按照《导则》要求，对于地下水环境影响一级评价的项目，必须采用数值法进行影响预测和评价，对于二级评价，可以采用数值法或解析法进行影响预测和评价。可见，数值法在地下水环境影响评价中的重要地位。笔者以秦皇岛新兴产业园规划环评为例，应用Visual Modflow软件，介绍了数值法在地下水环境影响评价中的应用。

1 VisualModflow软件介绍

Visual Modflow是可视化模块化三维有限差分地下水流动模型[3]，由加拿大Waterloo Hydrogeology公司在原Modflow 软件的基础上应用可视化技术开发研制的。其独特的可视化菜单结构允许操作者简单快捷地定义模拟区范围，选择单位，方便地分配模型的属性和边界条件。这个软件包主要包括Modflow（水流评价）、Modpath（平面和剖面流线示踪分析）、MT3D（溶质运移评价）和Zone Budget（水量均衡计算）四大模块[4]。本研究主要应用Modflow和MT3D两大模块来进行地下水流和污染溶质运移的模拟。

1.1 地下水三维水流模型[5]

其中：Kxx，Kyy和Kzz为渗透系数在x，y和z方向上的分量。在这里，假定渗透系数的主轴方向与坐标轴方向一致，量纲为（LT-1）；h为水头（L）；W为单位体积流量（T-1），用以代表流进汇或来自源的水量；Ss为空隙介质的贮水率（L-1）；t为时间（T）。

边界条件

第1类边界（水头边界）：

第2类边界（流量边界）：

第3类边界（混合边界）：

式中：Γ1，Γ2，Γ3分别表示第1，2，3类边界。

1.2 污染质运移模型[6]

式中：n为有效孔隙度；C（x，y，z，t）为污染溶质浓度；Ce为污染源浓度；D为弥散系数张量，用矩阵表示为：

矩阵中各个分量分别为：

Vx、Vy、Vz为V在x，y，z轴上的投影：

对于节点（I，j，k）使用隐式有限差分法，上式中以n代表浓度已知的上一时刻，n+1代表下一时刻,针对各对流项加权因子αxj+1/2，αyi+1/2，αzk+1/2，采用上游加权法，各加权因子定义为：

2 实例分析

2.1 项目概况

该项目为秦皇岛新兴产业园区规划项目，根据《环境影响评价技术导则 地下水环境》（HJ 610-2011），将本项目划为Ⅰ类建设项目。由于建设项目场地的包气带防污性能弱，含水层易污染，地下水环境敏感，污水排放量大，污水水质复杂等，将本项目评价等级定为一级评价。为了保护地下水环境，本项目建设过场中对地面进行硬化处理，对生产车间、清洗车间、固体废物堆放、储存场地、污水处理设施等重点污染区采取防渗措施，并设置专门的事故池，以处置事故发生时的污染物。综合考虑评价范围内水文地质条件，通过对地下水环境影响因子的分析，选取氨氮作为典型预测评价因子。

2.2 评价区水文地质条件

评价区地处戴河水系中游，地势北东高、西南低，区内地下水的形成、分布、赋存与运移规律严格受地形地貌、地层岩性、地质构造及气象水文诸因素的制约。按其赋存条件、水理性质及水力特征，可划分为：松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。大气降水、地表水、地下水存在着密切的相互转化关系，雨季（7～9月份）地表水补给第四系孔隙水，大气降水汇集各河流，首先充满河床内第四系卵砾石层，随水位抬高，补给河床两侧第四系潜水。枯水期（10月～翌年6月）地表水则主要或者全部由地下水补给而来。

2.3 评价区水文地质概念模型

模拟区东西长15 km，南北宽9 km，含水层系统为潜水含水层，在垂直方向上，上层为1～2 m的粉质粘土，向下岩性主要为中砂、粗砂、砾卵石，其厚度2～5 m，这两层是第四纪沉积物。向下5～10 m为风化不同程度的花岗岩，构成潜水含水层的底板。含水层为非均值各向同性，同一参数分区内可视为均质，水流服从达西定律。模拟区南部近海边界概化为定水头边界。补给以侧向补给、降水补给为主。排泄以侧向流出、河流排泄和潜水蒸发为主。

2.4 模型的建立及识别验证

2.4.1 网格划分

采用Visual Modflow软件，用有限分法迭代求解。平面上，将模拟区平面剖分为150行、90列，垂向分为3层，共剖分40 500个单元格，剖分结果见图1、图2。图中白色网格为有效单元格，阴影部分网格为无效单元格。

2.4.2 模型参数的确定

图1 平面网格剖分

图2 垂直网格剖分

根据《水文地质手册》，参考《河北省秦皇岛市地质环境监测报告》（2005—2010），用Visual Modflow对参数进行新的率定、分区，最终确定渗透系数、给水度和弥散度参数，分区如图3及表1。

图3 模拟区参数分区

表1 模拟区参数分区

2.4.3 边界条件

模拟区南部近海，故可视作定水头边界，在整个模拟期间，水头不发生变化，因此该边界也设定为定水头边界；模型北部为丘陵地带，地势较高，可设定为流量边界，其流量取多年平均值；下覆基岩为隔水底板；设定戴河、深河为河流排泄边界。

各边界因所处地形和地层的差异，根据实际情况作适当调整，以求模拟结果和现实最大可能的拟合。

2.4.4 初始条件

以2012年4月地下水实测流场为预测初始流场，采用本研究的人为边界处理方法滚动预测边界条件，其他源汇项以多年平均值代入模型。运行模型得到区域上滚动预测的研究区水位和地下水均衡量。

2.4.5 效果拟合

本次模拟选取区域内长观井2011年北8、北22、北23观测数据进行效果拟合，结果如图4。

图4 拟合效果图

如图可知，模拟数据和观测数据趋势基本相同，且残差在95%以内，表明各观测点的观测值与计算值相差较小，精度较高。

2.5 评价区地下水环境模拟与预测

2.5.1 水位模拟

图5 模拟地下水位等值线图

通过现有条件模拟地下水位，如图5，模拟流场与实测流场基本一致。

2.5.2 水质污染预测以区内氨氮污染因子正常工况为例，其水量为1.18万t/d，考虑到污水处理池有防渗设计，假定渗漏污水量为1.18×10-3t/d，设定源强为83.3 mg/L，根据本次氨氮污染因子的检出标准（0.02 mg/L）判断，正常排放5 a后，含水层影响范围0.037 km2，最大运移距离为0.35 km；10 a后氨氮的影响范围为0.055 km2，最大运移距离为0.41 km；20 a后氨氮影响范围为0.064 km2，最大运移距离为0.53 km。

3 结论

（1）应用Visual Modflow模拟软件建立地下水环评水文地质模型可行，该软件可有效地将地下水流场和污染质运移范围可视化，以直观反映出地下水水位降深，地下水污染等环境问题，显著地改进了地下水环评的定量分析能力，为区域地下水资源的合理开发利用提供了科学依据。

（2）从模拟的结果来看，秦皇岛新兴产业园区氨氮污染因子正常排放5 a后，含水层影响范围0.037 km2，最大运移距离为0.35 km；10 a后氨氮的影响范围为0.055 km2，最大运移距离为0.41 km；20 a后氨氮影响范围为0.064 km2，最大运移距离为0.53 km。其影响范围不大，对地下水影响较小。

[1]环境保护部.HJ 610-2011环境影响评价技术导则 地下水环境[S].北京：中国环境科学出版社，2011.

[2]任改娟，胡春雷，齐海云，等.矿区地下水环境影响评价的关键问题探讨[J].中国环境管理干部学院学报，2014，24（5）：33-35.

[3]李云祯，叶宏，赵希锦，等.基于Visual Modflow的地下水环境影响评价研究[C]//中国环境科学学会学术年会论文集，2013：2597-2602.

[4]胡春雷，王陶然，杨立顺.基于Visual Modflow的秦皇岛市海水入侵剖面[J].中国环境管理干部学院学报，2015，25（1）：43-46.

[5]李俊亭.地下水流数值模拟[M].北京：地质出版社，1989.

[6]薛禹群，谢春红.地下水数值模拟[M].北京：科学出版社，2007.