基于GMS的某化工厂岩溶含水层溶质运移模拟

陈飞，徐世光，2，黄建国，徐梓矿

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093；2.云南地矿工程勘察集团公司，昆明 650041)

水是人类赖以生存的重要因素之一。近年来，水资源短缺问题越来越严重，水资源短缺和水资源污染成为各国首要关注的环境问题之一[1]。化工生产产生的化学物质下渗到地下水污染比较敏感的岩溶区时会对地下水岩溶含水造成污染[2-3]。地下水溶质运移模型是找出污染物迁移规律、确定污染范围及污染物浓度分布的重要手段，可以为地下水资源管理和地下水污染修复提供依据[4-6]。本文以某化工厂污染源场地为例，通过对污染厂区的监测数据进行分析和预测，研究分析地下水流场演变趋势，探究污染物的来源、迁移和空间分布规律，为地下水污染控制和修复提供依据[7]。对保护地下水环境有重要意义[8]。

1 水文地质概况

研究区地处云南省东南部低纬度高原，雨水充沛，年均降雨量1 187.8 mm，最大降雨量1 329 mm。研究区内最主要的构造为北西侧文麻断裂，该断裂两侧发育有北东向和近南北向的张性及张扭性断裂，为地下水的运移提供了有利的条件。受地质构造控制，研究区出露地层主要为第四系松散层，三叠系法郎组、个旧组、永宁镇组、飞仙关组，二叠系龙潭组、阳新组，石炭系威宁组、大塘组、董有组。区内主要含水层为石炭系碳酸盐岩含水层(组)，出露岩性为灰岩，局部夹白云岩，赋水性强。其次为基岩裂隙水含水层，主要发育钙质粉砂岩、页岩，局部夹泥灰岩透镜，富水性弱。第四系松散岩类孔隙含水层以河床相冲积砂砾石层、黏土层、风化残坡积黏土为主，富水性弱。研究区内地下水主要补给方式为大气降水和上游岩溶水的层间侧向补给。受文麻断裂带的影响，区域地势呈现北高南低的趋势，地下水总体由北向南径流，局部地区由西向东径流。降水从北部山区顺地势流入岩溶洼地或垂向岩溶发育地区，最终向盘龙河排泄。受南东侧贯穿文麻断裂的张性断层影响，使单元内地下水顺断层流动，在盘龙河以南以泉的形式排泄，如图1。

图1 区域水文地质图

2 模型建立

2.1 边界条件与概念模型

根据地层岩性及地下水的赋存条件、水力联系和水动力特征，将研究区概化为一个封闭的水文地质单元，石炭系岩溶含水层为主要的承压含水层，层厚约100 m。根据区域水文地质条件，研究区下游即厂区南东侧为盘龙河，也为南东侧地下水的排泄基准，故将其设为第三类边界。东侧和北东侧出露地层为三叠系飞仙关组粉砂岩、泥质砂岩，赋水性较弱，透水性较差，为相对隔水层。此外，地表分水岭近北东走向，分水岭部分区域位于隔水层之上，分水岭南西侧大气降水均顺山坡向南侧流动后仍可进入石炭系含水层组。因此，选取地表分水岭及部分飞仙关组(T1f)作为该单元的隔水边界。受文麻断裂及其伴生构造影响，使得研究区北西向地表分水岭近北西向，地表分水岭两侧的降水分别补给两侧地下水，地表分水岭与地下分水岭基本一致，因而将评价区北西侧地表分水岭概化为该模型的隔水边界。研究区地下水流系统概化为非均质各向异性三维稳定流，总面积23.57 km2

2.2 研究区数学模型

根据已建立的水文地质概念模型，建立研究区地下水各向异性三维稳定流数学模型：

式中，Kxx为x方向渗透系数主值、Kyy为y方向渗透系数主值、Kzz为z方向渗透系数主值，m/d；H为承压含水层水头，m。

解偏微分方程需要定解条件，共有3类边界条件。

第一类边界(已知水头边界)：

H(x,y,z,t)|Si=φi(x,y,z,t),(s,y，z)∈Si

式中，H(x,y,z,t)表示三维条件下边界段Si上点(x,y,z)在t时刻的水头；φi(x,y,z,t)是Si上的已知函数。

第二类边界(已知流量边界)：

其中，n为边界Si的外法线方向;qi为已知函数，表示Si上单位面积的侧向补给量。

第三类边界(混合边界)：

式中，α、β为已知函数。

溶解在地下水中的物质，顺地下水流运移的规律可以用如下进行描述：

式中,Dxx为纵向弥散系数主值；Dyy为横向弥散系数主值；Dzz为横向弥散系数主值；c为溶质浓度，mol/l；u为实际平均流速，m/d。

c(x,y,0)=c0(x,y) (x,y)∈Ω,t=0

式中，Ω为溶质渗流的区域；Γ2为二类边界；c0为初始浓度；φ为边界溶质通量。

2.3 源汇项

(1) 补给项

区域地下水主要接受降水补给，据统计文山地区相关气象资料，当地降水量约为1 187.8 mm/a。因为区域地表岩溶较为发育，岩溶洼地和落水洞普遍存在，所以降雨入渗系数选用区域最大值0.4，当地的降水补给地下水的量为0.001 3 m/d。

(2) 排泄项

盘龙河为地下水主要的排泄对象。在模拟区内夹马石村的两个上升泉也是模型排泄项，泉点高程通过野外调查与读图相结合的方式获得。

2.4 参数分区与取值

渗透系数取值主要参考研究区地层岩性、构造发育状况，厂区抽(注)水试验和已有研究资料确定，共分为13个区(图2)。根据渗透张量计算，渗透系数按渗透主轴向分为Kx、Ky分别赋值，其中具体Ky=aKx，赋值情况见表1。

表1 渗透系数分区表

弥散度室内测定值不适用于大范围的研究区污染物弥散数值模拟[9]，因此，纵向弥散度应参考前人在该场地得出的研究成果[10]，根据研究区附近试验资料，计算纵向弥散度与观测尺度的统计关系，并按照偏保守评价原则取值，纵向弥散度取值48.375 m，横向弥散度为纵向弥散度的10%。查阅已有的研究区研究成果资料，确定研究区岩体平均孔隙度为0.30。

2.5 稳定流场模型建立与拟合

(1) 模型建立

在区域水文地质调查过程中，未发现整个水文地质单元内有大型水源地或其他用途的大水量抽水井，可以认为单元内地下水仍处于天然状态，人为干扰较小，故可以用承压含水层稳定流来模拟地下水流场(图3)。模型建立时地形高程以2D散点方式输入模型，然后用IDW插值法对其赋值[11-12]。

(2) 模型拟合

在GMS7.1软件中观测孔数据与软件计算数据有如下关系，如果观测值与计算值的差在校核置信范围内，误差棒会显示为绿色；如果超出校核置信范围，但小于200%，误差棒会显示为黄色；如果超出200%以上，误差棒会显示为红色(图4)。

模型以本次建造的监测孔ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5和厂区内其他项目的工程勘察钻孔作为稳定流地下水流场校准的依据。对成品库、分解分级、热电、原料磨区域分别各选1个钻孔，读取地下水位，并按拼音缩写依次编号为:热电(RD)、原料磨(YLM)、成品库(CPK)、分解分级(FJFJ)。模型模拟结果见图3，各个观测孔处计算水位均在设定误差范围内(表2)。

模型的计算水位与观测水位都在设定误差内，该模型基本能反映相应条件下的地下水流场，所建模型合理可信。由模型可知地下水整体从北东流向南。

图3 研究区地下水稳定流流场

图4 误差棒示意图

钻孔编号观测水位计算水位误差设定误差(绝对值)ZK11 347.5291 350.251-2.7223ZK21 346.1821 343.2362.9463ZK31 343.3191 344.794-1.4752ZK41 336.8241 335.1261.6982ZK51 355.661 886.562.9413热电(RD)1 352.11 351.5050.5952原料磨(YLM)1 350.01 351.579-1.5792成品库(CPK)1 353.21 351.4851.7152分解分级(FJFJ)1 350.51 351.363-0.8632

3 污染物迁移与浓度场模拟

3.1 情景模拟与源强设定

在未知厂区内是否做过防渗处理的前提下，研究区内地下水潜在污染源主要为运营期产生的老化压滤液泄露。根据收集已掌握资料，老化压缩液排放量约18 265.01 t/a、60.88 m3/d，其中水含量15 816.22 m3/a，硝酸盐占13.127%。根据计算，老化压缩液中硝酸盐排放浓度约151.68 g/l。模型考虑设备非正常运行条件下，污水已穿透第四系黏土层，进入含水层中。共设置3种情景，假设老化装置发生滴漏，老化压缩液泄漏量分别为污水总量的1%、5%、10%，对应流量为0.608 8 m3/d、3.044 m3/d、6.088 m3/d，泄漏方式为点源污染。泄漏中心，硝酸盐浓度为151.68 g/l。厂区每季度对设备进行一次维护检修，假设检修时能及时发现污染点并及时切断污染源，污染泄露持续时长120 d。污染中心为厂区中间位置成品库(CPK)附近，模拟时长1 000 d，模拟不同浓度污染物运移到厂区边缘ZK3处所需时长。本次模拟不考虑污染物的吸附、反应、衰减等过程。

3.2 污染物运移模拟结果分析

(1) 泄露120 d后切断污染源

以0.608 8 m3/d(1%)的流量泄漏120 d后，泄漏区中心浓度最高为94.554 mg/l，污染羽仅在污染源所在单元格内，下游(ZK3方向)污染羽边缘浓度2.45 mg/l(图5)。此时受污染地下水还在厂区内。

以3.044 m3/d(5%)的泄漏量模拟120 d，污染

图5 1%硝酸盐渗漏120 d污染羽

图6 5%&10%硝酸盐渗漏120 d污染羽

羽中心浓度为472.541 mg/l，污染羽稍有扩大，下游(ZK3方向)污染羽前缘浓度增至12.26 mg/l，污染物超标部分仍包括在污染源所在单元格内(图6-a)。

以6.088 m3/d(10%)的泄漏量泄漏120 d，污染羽中心浓度为944.51 mg/l。污染羽向下游扩散了50 m，污染羽前缘浓度(ZK3方向)增至24.56 mg/l，污染有向外扩张趋势(图6-b)。

(2) 残留硝酸盐运移1 000 d

泄漏120 d后，地表污染源被切断，含水层中残留的硝酸盐会随地下水流缓慢迁移。泄漏量为1%的情况，切断污染源后，残留污染物迁移100 d时(图7-a)，污染羽中心浓度88.75 mg/l；迁移300 d时(图7-b)，前缘浓度14.06 mg/l，中心浓度降为79.37 mg/l；600 d时(图7-c)，污染羽向下游(ZK3方向)移动了约50 m，前缘浓度22.99 mg/l，中心浓度降为67.34 mg/l；1 000 d时(图7-d)，污染羽中心浓度54.403 mg/l，前缘浓度30.50 mg/l。根据趋势残留在含水层中的污染物会随地下水流缓慢衰减，约6 300 d地下水中硝酸盐浓度小于20 mg/l，此时ZK3出硝酸盐浓度为12.09 mg/l(图8)。

图7 1%渗漏量残留硝酸盐运移1 000 d示意图

泄漏量为5%的情况，切断污染源后，残留硝酸盐迁移100 d时(图10-a)，污染羽中心浓度443.53 mg/l，前缘浓度33.15 mg/l，污染羽向下游(ZK3方向)移动了约50 m；迁移300 d时(图10-b)，前缘浓度70.29 mg/l，中心浓度降为396.67 mg/l；600 d时(图10-c)，污染羽向下游(ZK3方向)移动超过50 m，前缘浓度4.86 mg/l，中心浓度降为336.54 mg/l；1 000 d时(图10-d)，污染羽中心浓度271.88 mg/l，前缘浓度18.38 mg/l，污染羽向下游扩展大概100 m。约4 200 d时，污染羽中心向下游迁移约100 m，ZK3处硝酸盐浓度为19.63 mg/l(图9-a)。

泄漏量为10%的情况，切断污染源后，残留硝酸盐迁移100 d时(图11-a)，污染羽中心浓度886.507 mg/l，前缘浓度66.30 mg/l，污染羽向下游(ZK3方向)移动了约50 m；迁移300 d时(图11-b)，污染羽前缘向下游移动超过50 m，前缘浓度2.27 mg/l，中心浓度降为729.84 mg/l；600 d时(图11-c)，前缘浓度9.72 mg/l，中心浓度降为672.66 mg/l；1 000 d时(图11-d)，污染羽中心浓度543.41 mg/l，前缘浓度36.74 mg/l，污染羽向下游扩展接近100 m。约3 600 d时，污染羽中心向下游迁移约100 m，ZK3处硝酸盐浓度为18.56 mg/l(图9-b)。

图8 1%渗漏量残留硝酸盐运移6 200～6 300 d示意图

图9 5%&10%渗漏量残留硝酸盐运移至ZK3示意图

(3) 结果分析

本次模拟主要针对废水污染物浓度最高的老化装置进行，老化压缩液中主要污染物为硝酸盐，占13.127%，浓度为151.68 g/l。假设设备非正常运行发生泄漏，污水已穿透第四系黏土层，进入含水层中。共设置3种情景，假设老化装置发生滴漏(点源污染)，老化压缩液泄漏量分别为污水总量的1%、5%、10%，对应流量为0.608 8 m3/d、3.044 m3/d、6.088 m3/d，连续泄露120 d后切断污染源，此时对应的污染羽中心浓度为94.554 mg/l、472.541 mg/l、944.51 mg/l。切断污染源后，模拟残留污染羽在地下水中运移情况(表3)。

图10 5%渗漏量残留硝酸盐运移1 000 d示意图

图11 10%渗漏量残留硝酸盐运移1 000 d示意图

原污染源渗漏量m3/d残留污染源迁移天数/d1003006001 000污染羽到ZK3的时间/dZK3处污染羽浓度/mg·l-1硝酸盐0.608 888.7579.3767.3454.4036 30012.093.044443.53396.67336.54271.884 20019.636.088886.507729.84672.66543.413 60018.56

4 结语

(1) 通过模拟发现，污染物持续泄露120 d内，由于污染物的渗漏量较小，为0.608 8 m3/d～6.088 m3/d，几乎不影响地下水的天然流场，所以，3种情形污染羽的扩散情况较为近似，污染物运移缓慢。切断污染源后，3种情形下污染物运移到厂区下游边缘ZK3需要数十年时间，且浓度低于《生活饮用水卫生标准》(硝酸盐20 mg/l)。

(2) 污染物泄露浓度越高，随着地下水迁移距离会越长。在未采取任何措施情况下，污染物泄漏不易被发现，污染源浓度持续上升，则污染物会随着地下水运移到厂区下游夹马石村，危及村民饮用水安全。

(3) 由于厂区石炭系含水层非均质性较强，模型只能反应现有钻孔资料所揭露的地层信息。从现有情况看，研究区地层渗透性差，溶质运移缓慢，污染物泄露进入地下水后会长时间滞留在含水层中，一旦遇到岩溶带，污染物会通过岩溶带高迅速运移到下游，危及下游泉水及地下水水质。

由此可知，研究区地下水一旦被污染，以现有水力条件仍难以控制。根据模拟结果和研究分析，提出以下几点建议：

在厂区下游设置多个应急监测井，构建应急监测防控体系。一旦污染物泄露，启动应急检测防控体系，检查并切断污染源，启动应急井以恒定流量抽水，以保证形成降落漏斗，控制污染物的运移。另外，在泄露源上做好防控措施，根据污染物泄露控制难易程度以及污染物类型做好分区分级防渗。