岩溶区生物医药建设项目对地下水环境影响分析

陆海玉, 李旺林

(1.山东省水利勘测设计院,山东 济南 250013; 2.济南大学 资源与环境学院,山东 济南 250022)

岩溶区生物医药建设项目对地下水环境影响分析

陆海玉1,2, 李旺林2

(1.山东省水利勘测设计院,山东 济南 250013; 2.济南大学 资源与环境学院,山东 济南 250022)

通过等效多孔介质模型联合反求水文地质参数的方法建立地质概化后的非稳定流岩溶区地下水数值模型,经与模拟区地下水流场、地下水位动态曲线拟合识别、验证,其拟合度较高。利用该模型建设项目特征因子的源、强在模型预测期对地下水的影响范围和程度进行预测,为预防和防治地下水污染提供科学依据,对岩溶区相似水文地质条件的地下水环境影响评价具有重要的借鉴意义。

岩溶;水文地质;等效多孔介质;数值模型;环境影响评价

随着地下水资源的减少、地下水污染越来越严重等问题的出现,国家对地下水环境保护越来越重视。地下水环境影响评价已成为岩溶区建设项目环评的一个重要环节。岩溶含水系统因其高度的非均质性和各向异性,使地下水环境影响评价时常用的类比分析法和解析法受到很大局限性;采用数值法时,数值模型的准确性又受含水层概化、水文地质参数取值等影响较大。本文通过等效多孔介质模型联合反求水文地质参数的方法建立地质概化后的非稳定流岩溶区地下水数值模型,经与模拟区地下水流场、地下水位动态曲线拟合识别、验证,其拟合度较高。并利用该模型对建设项目特征因子的源、强在模型预测期对地下水的影响范围和程度进行预测,为预防和防治地下水污染提供科学依据,对岩溶区相似水文地质条件的地下水环境影响评价具有重要的借鉴意义。

1 项目背景

拟建生物医药项目包括生物药真核原液、生物药制剂等6个生产车间以及污水处理站、危险化学品原辅材料库、危险固废暂存库、一般固废暂存库、事故水池等。

研究区南部为鲁中低山丘陵区,北部为山前倾斜平原,地势东南高西北低,地形高差达700 m。地貌上由南向北依次为构造剥蚀区、剥蚀堆积区、堆积平原区[1],建设项目位于构造剥蚀区与剥蚀堆积区的交接部位。

2 区域水文地质概述

2.1 含水岩组及补径排条件

根据含水介质不同及地下水在介质中的赋存、运移特征,研究区可分为5种地下水含水岩组[2]。

2.1.1 第四系松散岩类孔隙含水岩组

主要分布于研究区北半部山前冲洪积平原及河流冲洪积扇等地带,含水层岩性主要为粉细砂、中粗砂、砂砾石层,厚度2～15 m,水位埋深2～18 m,单井涌水量400～5 000 m3/d不等。地下水主要接受大气降水、地表河水入渗补给和岩溶水顶托补给;径流总体流向是北北西向,在局部开采量较大的地段形成孔隙水降落漏斗;其排泄方式主要有人工开采、向北径流入小清河及局部反补给下部岩溶水。模型建立时该含水层主要考虑对碳酸岩类岩溶裂隙水的补排影响。

2.1.2 碎屑岩类裂隙或层间岩溶裂隙含水岩组

分布在研究区北部,被第四系松散堆积物覆盖,含水层岩性为石炭—二叠系砂岩、薄层灰岩。地下水主要赋存在构造裂隙中,富水性差,在构造裂隙发育处接受上游岩溶水补给,沿构造裂隙向下游径流排泄。该岩组表现为阻挡裂隙岩溶水的径流通道,构成了数值模型的北边界。

2.1.3 碳酸岩类裂隙岩溶含水岩组

在研究区内分布较广,南部出露地表;北部平原区埋藏于第四系和石炭、二叠系之下,含水层岩性为奥陶系亮甲组、马家沟组、八陡组灰岩及寒武系凤山组、张夏组灰岩。裸露区水位埋深30～200 m,单井涌水量500～1 000 m3/d或<500 m3/d;隐伏区处于地下水径流排泄带,水位埋深5～40 m,单井涌水量1 000～10 000 m3/d。该层岩溶水主要接受大气降水和地表水的入渗补给;其径流方向基本上沿岩层倾向由南向北径流;在北部受石炭系—二叠系砂岩、薄层灰岩阻挡,主要以泉群型式排泄地表,其次向第四系及石炭系排泄和人工开采。

2.1.4 碳酸岩夹碎屑岩岩溶裂隙含水岩组

呈北西、南东向分布在研究区南部,出露位置较高,含水层岩性主要为寒武系崮山组、长山组、毛庄组、徐庄组薄层灰岩及泥灰岩,由于有砂页岩间隔各层灰岩互不联系,裂隙岩溶发育较差,单井涌水量一般<500 m3/d。该岩组主要接受大气降水,地下水储存于层间灰岩的岩溶裂隙中,基本沿岩层倾向向北运动,受构造及河流切割作用,常以下降泉的形式排泄转化成地表水,沿沟谷方向向北运动,当地表水流经寒武系张夏组、凤山组及奥陶系分布区时,地表水便大量漏失补给岩溶地下水。

2.1.5 块状岩类风化裂隙含水岩组

分布于研究区外,构成了区域南部的分水岭,岩性以花岗片麻岩类为主,因深部岩石坚硬致密,仅在浅部发育细小的风化裂隙,富水性差,单井涌水量50～100 m3/d。以大气降水为补给源,其地下水的运动特点是就地补给、短距离排泄,呈散流状态向沟谷汇集。

2.2 岩溶发育规律及特征

2.2.1 岩溶发育具有层控性

研究区内碳酸岩分布广、厚度大,由于各岩层生成时代、沉积环境不同,矿物成分、化学成分、结构、构造均有差别,造成岩溶发育的差异。

2.2.2 岩溶发育的分带性

(1) 水平分带特征:从补给区到径流排泄区,岩溶发育有逐渐增强的特征。补给区地表溶沟、溶槽、溶孔较发育,地下岩溶发育相对较弱。在补给径流区为中等岩溶发育,在径流排泄区为强烈岩溶发育。另外,沿干谷附近岩溶发育强烈,而地表分水岭附近岩溶发育相对较弱。

(2) 垂直分带特征:上部岩溶发育,下部岩溶相对减弱。裸露灰岩区位置高,在水位变幅带附近岩溶发育。隐伏灰岩区较强岩溶发育带底界由南向北逐渐变深,较强岩溶发育带以下为中等岩溶发育带。

3 数值模型的建立

地下水数值模型是根据模拟区水文地质条件,先建立地下水系统概念模型,再通过数值建模建立地下水流数学模型,通过不断调试模型参数进行重复计算,使数值模拟工作成为“数值模拟实验”,以观测结果和计算结果拟合差为标准,不断校正模型,最后达到利用数值模拟实验方法研究地下水运动机理的目的[3]。

3.1 水文地质概念模型

3.1.1 含水层概化

建设项目场区位于构造剥蚀区与剥蚀堆积区的交接部位,属碳酸岩类岩溶裂隙水的补给径流区,上部第四系松散层常年基本无水,确定第一层稳定含水层碳酸岩类岩溶裂隙水为本次评价的目标含水层。模型建立时重点考虑目标含水层,其它含水层主要考虑对碳酸岩类岩溶裂隙水的补排影响[4]。

根据研究区含水层的水文地质特征及补给条件,将下部碳酸岩类裂隙岩溶含水岩组、碳酸岩夹碎屑岩岩溶裂隙含水岩组概化为一层,即碳酸岩类岩溶裂隙含水层,该含水层为区域内大厚度含水岩组,地下水流受构造、地质条件控制,总体在径流过程中很少受阻,全区地下水存在着普遍的水力联系,有较统一的自由水面(承压水头),在南部山区表现为潜水,至山前地带由于上部分布的第四系更新统含砾粘土层及石炭系砂页岩,过渡为承压水[5]。

将上部第四系松散岩类孔隙含水岩组概化为第四系松散岩类孔隙含水层,主要分布在北部山前平原地段;中部将第四系更新统含砾粘土层及石炭系砂页岩概化为相对隔水层,构成上部第四系松散岩类孔隙含水层与下部碳酸岩类岩溶裂隙含水层之间的隔水层。

3.1.2 边界条件的确定与概化

根据研究区水文地质条件及地下水系统特点,西侧以东坞断裂为界,概化为隔水边界;北部灰岩埋藏在石炭系—二叠系以下,最大揭露深度在400 m左右,以灰岩顶板埋深400 m为界,概化为隔水边界;北部小清河为较大的地表河流,概化为第四系孔隙水定水头边界;东侧巨野河河流与该区域内岩溶地下水有水力联系,概化为河流边界,水头高度根据各河流多年月平均水位按月份分别赋值,模拟河流与含水层之间的侧向补排关系;南侧山体为地下水分水岭,概化为隔水边界。模型范围总面积约338 km2。

垂向上边界根据钻孔揭露含水层深度进行刻画;下部为太古代泰山岩群变质岩,概化为隔水边界。地表高程等值线根据地形图等高线进行刻画。

综上,可将研究区概化为一个统一的非均质、各向同性、三维非稳定地下水流系统,模型三维概化示意图见图1。

图1 水文地质概化示意图Fig.1 Generalization sketch of hydrogeology

3.2 数学模型的建立及求解

3.2.1 水流模型

研究区地下水系统概化成非均质、各向同性、三维非稳定地下水流系统,地下水模型数学模型为:

式中:D为渗流区域;H为地下水水头(m);Kx、Ky、Kz为x、y、z方向上的渗透系数(m/d);S为自由水面之下的含水层单位储水系数(L/m);W为承压含水层源汇项(L/d);p为潜水面的蒸发量和降水的补给量等(L/d);μ为潜水含水层重力给水度;H0(x,y,z)为初始流场水头分布值(m);H1(x,y,z,t)为第一类边界水头分布值(m);q(x,y,z,t)为第二类边界单位面积流量(m3/m2·d);Kn为边界面外线方向的渗透系数(m/d);Г1、Г2为渗流区第一、二类边界。

3.2.2 模型建立

运用基于有限差分法的Visual MODFLOW软件包建立评价区的地下水流数值模型,经参数识别与模型检验后,对研究区地下水流系统进行模拟分析,该模型作为地下水溶质运移模拟的基础。

根据含水层结构和地下水径流特征,将研究区剖分为82行×63列的单元格,垂向为三层。

3.2.3 源汇项处理

(1) 补给项。模型中的补给项包括降雨入渗补给、河流及水库渗漏补给等。

① 降雨入渗补给。在模型中降雨入渗量按面状补给量处理。降雨入渗补给量计算公式为:

Q=α×F×P

式中:α、F、P分别为降水入渗系数、降水入渗面积和降水量。

降水入渗面积取研究区整个面积,降水入渗系数按照参数分区分别赋值,降雨量按照水文站观测资料以月为步长赋值。

② 河流、水库渗漏补给。河流与含水层的交换量可以采用下式计算求得:

式中:QR为河流渗漏量(m3/a);B为河床宽度(m);L为河流长度(m);KR为河底渗透系数;hR为河流水位(m),按月平均水位赋值;h为地下水位(m);S为河底积层厚度(m);t为河流行水时间(d)。

研究区内水库年渗漏量按多年实际运行记录渗漏量平均值赋值,即狼猫山水库补给量62.3万m3/a,杜张水库补给量44万m3/a。

(2) 排泄项。模型中的排泄项包括蒸发、人工开采等。

① 蒸发量。蒸发量按照区内水文站实测蒸发量取每月平均值,蒸发极限埋深取经验值4 m,蒸发量通过软件中Evapotranspira-tion模块自动计算并模拟。

② 开采量。农业灌溉开采为季节性开采,每年3—6月份集中采水灌溉。经调查统计农业灌溉开采地下水量为1 766 m3/d。

饮用及工业用水开采主要为岩溶裂隙水,据统计平均开采量约3 086.46万m3/a。

3.2.4 等效水文地质参数的初始值

根据研究区水文地质条件,将模型划分为四个水文地质参数分区,所用的渗透系数、给水度、蒸发强度系数以及降雨入渗系数等参数初始值采用研究区内抽(注)水试验及相关水文地质资料综合确定。

3.3 模型验证与识别

地下水数学模型的识别采用试估—校正法,识别的过程同时也是等效水文地质参数的调整过程。通过不断的参数调整和反演,直到模拟地下流场与实测地下流场及地下水位计算值与实测水位值达到较好的拟合效果,最后得到的参数即是该模型校正后的最终参数。研究区内上、中、下游三个碳酸岩类岩溶裂隙含水层监测井的地下水位动态拟合曲线见图2。

图2 地下水位动态拟合曲线图Fig.2 Dynamic fitted curve of groundwater level

4 溶质运移模型及预测

地下水溶质运移模型是在地下水流场数值模型的基础上建立的。本次利用Visual MODFLOW中的MT3D模块计算地下水中污染物质的运移情况,分析污染物在地下水系统中的运移扩散规律。

4.1 溶质运移数学模型

4.1.1 控制方程

本次建立的地下水溶质运移模型是在三维水流影响下的三维弥散模型,水流主方向和坐标轴重合,溶液密度不变,存在局部平衡吸附和一级不可逆动力反应,溶解相和吸附相速率相等,即λ1=λ2。在此前提下,溶质运移的三维水动力弥散方程的数学模型为:

4.1.2 初始条件

C(x,y,z,t)=C0(x,y,z)(x,y,z)∈Ω,t=0

式中:C0(x,y,z)为已知浓度分布;Ω为模型模拟区域。

本次模拟污染源的概化有两种方式:一是补给浓度边界,二是注水井边界。可将补给浓度边界和注水井处的初始浓度定为C0,其余地方均为0 mg/L,具体为:

4.1.3 定解条件

本模型将含水层边界分为两类:第一类边界条件为定水头边界,第二类边界为定流量边界。穿越边界的弥散通量为0,可表述为:

式中:Γ2为第二类边界。

4.2 溶质运移预测

正常工况下,建设项目运行期内污水处理站、污水管线等各部分运行正常,并采取了正确的防渗保护措施,污水无法进入土壤和地下水,正常工况下不会对地下水环境造成影响。为分析非正常工况下建设项目可能对地下水环境的影响程度,选取具有代表性的可信事故进行分析预测。

(1) 情景一:生产装置的设备或管线由于连接处(如法兰、焊缝)开裂或腐蚀磨损等原因,发生管道的跑、冒、滴、漏等污水泄漏,污水泄漏量较小但持续渗漏,污染隐患点选取在污水处理站处。经模型预测分析,不同模拟时段COD及氨氮在岩溶裂隙含水层中污染超标范围和最大运移距离见表1。

(2) 情景二:污水处理站内调节池底部防渗局部失效,造成污水持续泄漏,污染隐患点选取在污水处理站调节池处。经模型预测分析,不同模拟时段COD及氨氮在岩溶裂隙含水层中污染超标范围和最大运移距离见表2。

表1 情景一COD及氨氮对地下水环境影响预测结果Table 1 Scenario 1:Predictions on effect of COD and ammonia nitrogen on groundwater environment

表2 情景二COD及氨氮对地下水环境影响预测结果Table 1 Scenario 2:Predictions on effect of COD and ammonia nitrogen on groundwater environment

(3) 情景三:发生突发性事故,造成污水处理站内调节池大面积破坏,大量污水渗漏,污染源类型为瞬时污染,污染隐患点选取在污水处理站调节池处。经模型预测分析,不同模拟时段COD及氨氮在岩溶裂隙含水层中污染超标范围和最大运移距离见表3。

(4) 情景四:当发生突发事故将废水存放于事故池内时,恰好事故池局部防渗失效,污水渗漏并进入地下水,储存时间假定为1天,污染隐患点选取在生物原核原液车间事故池处。经模型预测分析,不同模拟时段COD及氨氮在岩溶裂隙含水层中污染超标范围和最大运移距离见表4。

表3 情景三COD及氨氮对地下水环境影响预测结果Table 3 Scenario 3:Predictions on effect of COD and ammonia nitrogen on groundwater environment

表4 情景四COD及氨氮对地下水环境影响预测结果Table 4 Scenario 4:Predictions on effect of COD and ammonia nitrogen on groundwater environment

5 地下水环境影响分析

在设置的非正常工况可信事故下,根据溶质运移计算结果可以得到如下结论:

(1) 各污染物运移具有明显的各向异性的特征,运移主方向基本为西北方向,因此在该方向上加强地下水动态监测,可及时掌握建设项目对地下水环境影响程度。

(2) 从时间变化规律上看,各污染因子的初始最大污染浓度普遍较高,但随着时间推移最大污染浓度会逐渐降低。

(3) 从空间变化规律上看,各污染物浓度在其运移方向上逐步降低。

(4) 在非正常工况和事故工况下,预测时间内污染物影响最远距离为7.5 km,可能会对该范围内自备井地下水水质产生影响。

因此,应对项目场区易产生污染的部位采取有效防渗措施,严格控制非正常工况的产生,避免对地下水水质产生污染。

[1] 山东省地矿工程勘察院,济南市地质矿产技术监测中心.济南市环境地质调查评价[R].济南:山东省地矿工程勘察院,1999.

[2] 山东省地质矿产局八○一水文地质工程地质大队.山东省济南市白泉—武家水源地供水水文地质勘探报告[R].济南:山东省地质矿产局,1990.

[3] 易立新,徐鹤.地下水数值模拟:GMS应用基础与实例[M].北京:化学工业出版社,2009.

[4] 孟庆斌,邢立亭,滕朝霞.济南泉域“三水”转化与泉水恢复关系研究[J].山东大学学报(工学版),2008,38(5):82-87.

[5] 汪家权,吴义锋,钱家忠,等.济南泉域岩溶地下水三维等参有限元数值模拟[J].煤田地质与勘探,2005,33(3):39-41.

(责任编辑：陈姣霞)

Analysis on Effect of Bio-pharmaceutical Construction Project onGroundwater Environment in Karst Area

LU Haiyu1,2, LI Wanglin2

(1.ShandongSurveyandDesignInstituteofWaterConservancy,Shandong,Jinan250013; 2.SchoolofResourcesandEnvironment,CollegeofJinanUniversity,Shandong,Jinan250002)

Based on equivalent porous medium model united with the method of conversely calculating the hydrogeology parameters,this paper establishes karst groundwater numerical model of unsteady flow after geological generalization. Through identifying and verifying the fitted dynamic curves,the resulting model shows a high fit degree with the groundwater flow field and groundwater level in simulation area. Then,this model is used to evaluate the effect of source intensities characteristics of the project on the extent of groundwater environment at model forecasting period. This not only provides scientific basis for groundwater pollution prevention,but also shows a referential significance on the environment evaluation of karst groundwater with similar hydrogeological conditions.

karst; hydrogeology; equivalent porous medium; numerical model; environmental impact assessment

2017-06-15;改回日期:2017-07-13

陆海玉(1978-),男,工程师,地质工程专业,从事水文地质、工程地质勘察及地下水环境科学研究工作。E-mail:Luhaiyu201@163.com

X824

A

1671-1211(2017)04-0480-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.027

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1320.002.html 数字出版日期:2017-06-20 13:20