基于MODFLOW的渭东新城地下水重金属模拟与预测分析

汪怡珂 徐艳 刘洋洋

摘 要：由于化工厂大量工业垃圾、生活垃圾和建筑垃圾的露天堆放，导致渭南市渭东新城土壤和地下水系统中砷、汞含量超标。在收集整理研究区大量地下水监测报告和研究报告基础上，运用标准可视化软件系统——Visual MODFLOW 建立数值模拟模型，利用Visual Modflow 软件中的MT3DMS 模块，以As、Hg为溶质进行污染物运移模拟，定量模拟分析了地下水中污染物的运移情况，并对未来20 a污染物As、Hg在地下水中的运移趋势进行预测分析。预测结果表明，受地下水流场分布和地质条件的影响，重金属污染呈“羽状”向下游迁移。源头处污染面积最小，但浓度最高，下游2～4km范围内，浓度降低40%，4km之外，浓度下降60%，但仍超过农田标准。重金属在污染源头表面浓度最高，随着深度的加深，浓度逐渐降低，在18m处降低了10%，在达到60m深度处时，重金属向下游迁移;重金属迁移过程的模拟结果相较于实测值偏大，但实测结果与模拟结果均能说明重金属向化工厂北部迁移，且距离污染中心越近，土壤中的重金属含量越高，本研为渭东新城整治工程开展的迫切性与重要意义，提供了理论和研究基础。

关键词：地下水;重金属;Visual MODFLOW;数值模拟;预测分析

中图分类号：S-3文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190730016

引言

“棕地”概念意译自美国国会于20世纪80年代通过的《环境应对、赔偿和责任综合法》，具有包括：建设用地开发利用土地、部分或全部场地遭到废弃、闲置、可能遭受（工业）污染、开发再利用存在各种障碍等特征[1]。工业区衰退和城市产业结构调整所导致的城市土地利用价值改变是棕地形成的主要原因[2]。随着我国产业结构的变化，工业化进程进入中期阶段，城市产业结构升级、工业区从城区外迁，旧城市工业区衰退并失去利用价值，工业区土地逐渐被废弃、闲置或利用率很低，其原厂址成为棕地[3]。随着雨水的冲刷和土壤水分的迁移运动，棕地中土壤地表淡水资源及浅层地下水资源污染日益严重[4]，地下水的主要污染源大致可以分为：垃圾填埋场的有害渗滤液，加油站的石油泄漏污染，工农业和生活污水，海水入浸等[5]。地下水污染物的种类一般可以分为无机污染物和有机污染物2大类[6]，由于重金属的高毒性、难检测性和难去除性，因此重金属的控制便成了当前地下水污染控制的重中之重[7]。

渭东新城项目位于渭南市向东发展主要轴线上，东与华州区相邻，西与渭南市区相接，总体规划范围约30km2，总投资100亿元。项目核心规划为“一城、五镇、一路、一水系”。“一城”即新城社区，“五镇”为沿新城社区至华州区沿线，分别规划建设现代农业风情小镇、风土民俗风情小镇、老腔皮影文化小镇、赤水小镇、现新民小镇5个特色小镇;“一路”即沿新城社区至华州区，串联起5个特色小镇修建一条长约20km、宽50m，双向6车道的华州大道;“一水系”即沿华州大道修建一条排洪渠，做到水、路并通[8]。由于地势南高北低，西高东低地形，并处于连霍高速与渭河之间狭长地带，导致该区域长期以来处于城乡结合部，土地问题敏感、土地利用效率低下。各种工业企业及污染企业集中，基础配套设施缺乏，无排水管网铺设，造成该区域环境脏、乱、差。排污管网由于地形条件直接汇入项目区南侧，对土壤造成了一定污染，可能對项目的实施和长期维护产生不良影响，所以，针对该区域进行研究调查尤为必要。

模型模拟可以系统地分析、整理已有的地下水流动和污染物运移[9];通过可视化手段，以动画与数字化生动的表达地下水运动、污染物扩散范围等，实时监控地下水资源及环境污染;对于地下水及污染场地的污染物质变化进行预测[10]。目前地下水系统数值模拟方法主要包括有限差分法（ FDM） 、有限单元法（ FEM） 、边界元法（ BEM） 和有限分析法（ FAM） 等[11]。当前应用于地下水模拟领域内的常用软件有：由美国地质调查局（USGS）开发的标准有限差分程序Modflow、加拿大 Waterloo Hydrogeologic Inc.在MODFLOW 软件基础上研制的Visual modflow及由德国水资源规划系统研究所（WASY）研究开发的地下水和溶质迁移模型软件FEFLOW等[12]。MODFLOW已经被广泛的使用，并作为了一个标准模型。据美国地质调查局统计，其几乎占地下水系统数值模拟软件总应用次数的50%;而对污染物的迁移数值模拟来说，MT3DMS 的应用则最为广泛[13]。本研究采用MODFLOW模型与MT3DMS联用，模拟研究渭东新城地区化工场地渗漏的重金属对地下水造成的影响。

1 研究区水文地质概况

渭东新城地处陕西省渭河盆地东部，地势南高北低呈阶梯状降落，依次表现为黄土台塬和渭河冲积平原，城区南侧黄土台塬下为秦岭基岩山地。地层结构主要分为渭河河床及漫滩、渭河一级阶地、渭河二级阶地和渭河三级阶地4种类型，区内主要河流为渭河，自西而东纵贯全区，南岸支流有零河、沋河、赤水河等数条，大都呈南北向平行分布。

1.1 地下水含水岩组

区内潜水遍布各个地貌单元，含水层由第四系全新统冲积细砂、中砂及中粗砂组成。河漫滩地层隔水底板埋深一般42～52m，岩性为粉质粘土，分布稳定，一般厚度2～4m，局部达7.0m，隔水性良好，一级阶地区隔水底板深度在41～65m。潜水位随地势升高而变深，潜水面与地形起伏基本一致。河漫滩、冲洪积扇含水层厚、岩性较粗、渗透较快，富水性较好，渗透系数介于13.8～98.1m/d之间;渭河阶地的部分地区粉质粘土含量增大，含水层渗透性差，富水性明显变弱，渗透系数3.7～8.48m/d[14]。

1.2 地下水补给、径流、排泄条件

地下水主要接受大气降水补给，其次为灌溉回归入渗和地下水侧向径流补给，另外，渭河漫滩区还接受渭河侧渗补给。区内潜水的整体径流方向与地形基本一致，受水位势能控制由渭河两侧阶地流向渭河漫滩，至漫滩地带转向东部流向渭河下游。潜水有4种排泄方式：农田和城市供水开采;局部河流有利地段补给河水;越流下渗补给承压水;在渭河漫滩及赤水河与渭河交汇地带等处，局部水位埋深小于2～3m，日照蒸发排泄较强。

2 地下水污染数值模拟

2.1 边界条件

由于模拟范围不是一个完整的水文地质单元，区内的浅层孔隙含水岩组在水平方向上与区外含水层存在密切水力联系，因此将模型四周处理成通用水头边界。在垂向上，由于渭东新城地处渭河阶地上，浅层含水层自由水面为系统的上边界，通过该边界，与系统外发生垂向交换，如大气降水入渗补给、蒸发排泄等。浅层含水层为渭河第一阶地，隔水底板深度在41～65m。因此，下边界概化为标高41～65m，视为隔水边界。

2.2 网格剖分

水流模型和As、Hg运移模型采用相同的有限差分网格， 在水平方向上按300 行300 列将研究区剖分成90000个网格， 每个网格大小约为100m小约为有限差面积10000m2。模拟时间为2018—2038年，共20a。

2.3 源汇项

此外，计算区大部分位于城镇内部，城区自来水管道供给人畜生活用水，农田面积较小，人畜生活和农业灌溉开采浅层孔隙水量很小。因此，该模型未考虑浅层孔隙水的开采量，以及河水入渗和农田灌溉回渗补给量，仅考虑降雨入渗补给，通过获取过去20a中降雨的平均值，模拟上方来水，且由于渭东新城已开始建设，工厂停工，抽水井停用，因此，本文选择忽略抽水井的影响。

2.4 模型选择

先输入水流模型的各项， 运行校正后， 再输入溶质模型的各项， 并运行校正。本次校正均采用手动校正。水流模型的解法选择收敛更快、解更稳定的WHS解法， 运行Modflow模型。溶质模型的解法， 对流项选择隐式GCG解法， 弥散项选择改进的MOC法， 并选择MT3DMS模型运行。

3 模拟结果

模拟计算时，污染源位于废弃化工厂处，目前该项目化工厂内土壤As，Hg含量分别为8.97mg/kg和0.14mg/kg，《农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（试行）（GB15618-2018）规定了耕地（水田、水浇地、旱地），园地（果园和茶园），草地（天然和人工牧草地）等农业用地土壤污染风险筛选值和管制值，如表1所示。

《建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600-2018）规定了居住用地及工业用地等两类建设用地土壤污染风险筛选值和管制值。如表2所示。

土壤环境质量《农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618-2018）规定了农用地土壤土壤污染风险筛选值和管制值，以及监测、实施与监督要求。如表3所示。

其中，化工厂及工业园区Hg、As含量均为未超过筛选值，本文以8.97mg/kg和0.14mg/kg为As、Hg的环境背景值，进行模拟，观测是否会对厂区周边农田产生影响，厂区土壤标准采用《建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600-2018），周边农田采用《农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618-2018）。通过Visual Modflow软件进行。

在设定等水头边界的情况下，土壤水头及等水头线如图1（a）所示，图中以上为北部，以下为南部，该地区土壤水头呈现南高北低情况，水分自南部向北部运动，南部为阶地，中部为平原，北部为农田+部分阶地，化工厂位于整个模拟场中部，在水分运移的情况下，重金属随着水分的流动而向北部农田地区流动，可以从图1d）中看出以污染化工厂为污染源，污染羽运移至农田表面潜水区，设定污染源处化工厂污染物浓度为测定最高的浓度，As浓度为132.3mg/kg，Hg浓度为8.74mg/kg，在污染羽中，可以看出在污染源未清除的情况下，水分不断携带重金属向农田区域迁移，由于外界环境不变，迁移速率及污染羽影响范围不变，20d、5a、20a情况相同，污染羽中重金属浓度不随时间改变，对于污染羽进行然染色处理，如图2所示。

由图2可以，浓度中心为深红色，越往下游，浓度越低。Hg浓度中心浓度为8.74mg/kg，污染羽向外扩散过程中，污染羽影响范围为东西宽度400m，自污染源向下游影响范围为8km，而在下游2～4km范围内，浓度下降40%，从8.74mg/kg下降至5.24mg/kg，因此处仍属建设用地范围内，因此采用《建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600-2018），此处模拟结果低于建设用地标准规定的第一类用地筛选值，土壤对于Hg的净化作用明显，而在4～8km处，浓度下降60%，下降至3.50mg/kg，自4km后，污染羽進入农田区域，通过63个样次检测，渭南市土壤为碱性土壤，因此采用《农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618-2018）中PH≥7.5的标准，此处模拟结果高于标准值3.40mg/kg，由于农作物的富集作用，该地区的作物重金属含量受影响程度极大，对于此处居住人群产生较大的影响，与环境背景值0.35相比，增大了约10倍。在模拟的过程中，对于污染源及下游剖面进行观察，如图3所示。

图3左侧为项目区域南部，坐标200处为化工厂所在区域，可以看到浓度在纵向区域的变化，浓度最高的区域位于土层表面分布，分布区域位于表层8m左右，且相对于水平方向的迁移，重金属在纵向的迁移距离较短，在18m深度重金属含量降低10%，而在60m深度处，重金属停止向下迁移，反而沿着土层向下游迁移，可能是由于在此区域存在渭河第一阶地的不透水层，水分向下迁移困难，因此重金属迁移从向下迁移变为向下游迁移。

通过实地调查，分别于2018年3月及2018年10月对项目区13个潜在污染区进行了实地踏勘，在化工厂排污口及距离排污口北侧25m处，50m处进行调查，调查结果如表4所示。

由采样结果分析，在2018年3月份到8月份，在排污口区域，土壤的汞、砷变化并不明显，甚至随着时间的增长，有增大的趋势，3月排污口处，汞、砷的含量分别为8.74mg/kg与123.3mg/kg，而在8月份，增长至13.8与123.6mg/kg，同样在25m处和50m处也有较大的增长，说明实际的检测过程依然满足土壤中重金属向北侧迁移的过程。与实际检测结果相，模拟结果200天情况下，土壤中重金属的迁移状况为：在中心区域浓度不变，自南向北羽状扩散，在2km范围内，土壤中Hg含量约为20.55mg/kg，相较实际测试结果更大，可能由于土壤中存在的腐殖酸等物质，可对土壤中的重金属进行了吸附，导致排污口处下游模拟结果偏大。

3 结论

通过分析收集的渭南市地质数据，建立渭南渭东新城地下水流和重金属运移模型，利用详细的水位和重金属观测资料预测了未来20a内水位和重金属浓度的变化，通过与实际测量结果对比，结果显示如下。

如果不采取措施， 渭东新城化工厂下游重金属浓度将进一步升高，且污染持续存在，因此， 采取的措施首先是控制污染源排放，尤其是面状污染源;其次是选择污染严重场地进行污染修复。

重金属污染呈“羽状”向下游迁移。源头处污染面积最小，但浓度最高，下游2～4km范围内，浓度降低40%，4km之外，浓度下降60%，但仍超过农田标准。重金属在污染源头表面浓度最高，随着深度的加深，浓度逐渐降低，在18m处降低了10%，在达到60m深度处时，重金属向下游迁移。

重金属迁移过程的模拟结果相较于实测值偏大，可能由于土壤对于重金属的吸附作用，实测结果与模拟结果均能说明重金属向化工厂北部迁移，且距离污染中心越近，土壤中的重金属含量越高。

本研究预测化工厂处的重金属迁移会对北部农田种植生产产生负面的影响，为渭东新城整治工程开展的迫切性与重要意义，提供了理论和研究基础。

参考文献

[1] 曹康，何华春.“棕地”揭秘[J].中国土地，2007（8）：43-44.

[2] 国内外城市棕地的景观更新研究[D].华中科技大学，2013.

[3] 霍长平.后工业化时代城市老旧工业区更新改造策略分析——以南京为例[J].江西建材，2015（24）：72-73.

[4] 罗伟，李文红，庞洋洋，等.淡水鱼塘水体污染的主成分分析[J].水产科学，2016，35（2）：136-141.

[5] 刘博，肖长来，梁秀娟，等.吉林市城区浅层地下水污染源识别及空间分布[J].中国环境科学，2015，35（2）：457-464.

[6] 夏星辉，陈静生.土壤重金属污染治理方法研究进展[J].环境科学，1997（3）：72-76.

[7] 黄益宗，郝晓伟，雷鸣，等.重金属污染土壤修复技术及其修复实践[J].农业环境科学报，2013，3（3）：409-417.

[8] 贾璐维，张雷，李文龙.“海绵城市”目标下的公园绿地设计研究——以渭东新城建设项目为例[J].西部大开发（土地开发工程研究），2016（6）：37-42.

[9] Mcdonald M G， Har baugh A W.The History of MODFLOW[J].Ground Water，2010，41（2）：280-283.

[10] 王仕琴，邵景力，宋獻方，等.地下水模型MODFLOW和GIS在华北平原地下水资源评价中的应用[J].地理研究，2007，26（5）：975-983.

[11] 张博，洪梅，贾仰文，等.基于MODFLOW的流域分布式水文模型研究——以渭河中下游地区为例[J].湿地科学，2009，7（2）：148-154.

[12] 张翠云，马琳娜，张胜，等.VisualModflow在石家庄市地下水硝酸盐污染模拟中的应用[J].地球学报，2007，28（6）：561-566.

[13] Samani N， Kompani-ZareM， Barry D A.MODFLOW equipped with a new method for the accurate simulation of axisymmetric flow[J].Advances in Water Resources，2004，27（1）：31-45.

[14] 雒桓瑶，周阳.渭南城区水文地质条件研究与分析[J].绿色科技，2016（6）：167-170.