基于 Visual Modflow的地下水污染模拟预测

卢丹美 黄连友 曾家华

摘  要：龙潭进口再生资源加工利用园区初步建成，加大了大宗工业固废深加工、开发、科研和利用，同时对环保和生态环境提出更高要求。根据《环境影响评价技术导则 地下水环境》（HJ610-2016）相关要求，利用 Visual Modflow 软件建立了研究区地下水水流模型和污染物运移模型，预测和评价污染物泄漏、迁移对地下水环境的影响，为实现预防与控制环境恶化、保护地下水资源目标提供科学依据。

关键词：Visual Modflow;地下水数值模型;溶质运移;预防与控制

中图分类号：X824         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）05-0072-03

Abstract： With the preliminary construction of Longtan industrial park which processes and utilizes the import renewable resources， bulky industrial solid waste has been improved in the deep processing， development， scientific research and utilization. Meanwhile， environmental protection and ecological environment are highly required. According to the requirements listed in Technical Guidelines for Environmental Impact Assessment-Groundwater Environment （HJ610-2016）， this paper uses the Visual Modflow software， establishes groundwater flow model and pollutant migration model in research area， predicts and evaluates the effect of pollutant leakage and the migration on the groundwater environment， so that those simulations and predictions provide scientific bases for prevention and control of environmental degradation and for protection of groundwater resources.

Keywords： Visual Modflow; groundwater numerical model; solute transport; prevention and control

1 概述

近期龙潭进口再生资源加工利用园区初步建成园区发展的雏形，远期逐渐引进研究机构、强化研究能力，打造成为富有吸引力的现代化工业新区及国家环保部验收的再生资源“圈区管理”示范区，加大大宗工业固废深加工、开发、科研和利用，对环保和生态环境提出更高要求。而该项目为危废处理项目，在正常运行工况下，各污染物存贮建（构）筑物发生污水泄漏情况可能性小，对地下水环境造成影响的可能性小。事故工况即防渗措施不得当或失效导致污水下渗污染地下水環境情况。泄漏渗入地下水环境的污染物来源最大可能是来自于污水固废处理厂。如果污水固废处理厂出现破损，将引起污水有规模泄漏，呈面状或带状入渗地下，从而对地下水环境造成影响。

2 研究区概况

研究区属南亚热带向热带过渡的季风气候，区域地表水系较发育，地表溪沟呈树枝状分布。区域内主要发育有白沙河（那郊河），是本区地下水及地表水排泄区。宏观地貌属波状丘陵地貌，丘顶高程一般18～62.5m，谷地高程一般为3～25m，区域地质构造属华南褶皱系中的钦州残余地槽、北部湾凹陷和云开台隆等三个二级单元，区域地层主要由第四系（Q）、白垩系上统（K2）和泥盆系下统（D3）等组成。研究区地下水赋存介质可分为松散岩类介质和风化泥质砂岩夹砾岩介质两种。松散岩类介质主要分布于研究区及其下游的沟谷地带，岩性以粘性土或含圆砾黏性土为主，厚度薄，赋水空间有限，水量贫乏，富水性弱;风化泥质砂岩夹砾岩介质分布全区，是主要含水层，主要接受大气降水补给。地下水埋藏类型为潜水。

3 三维地下水数值模拟

3.1 水文地质概念模型

模拟范围位于长岭河水文地质单元内项目区所在的次一级水文地质单元，其东、西、北面位于次一级水文地质单元的分水岭，南面为长岭河。

侧向边界：模拟范围西部、东部和北部边界依据分水岭特征确定为隔水边界，即第二类边界（零流量）;南部边界利用长岭河确定为第一类水头边界（即项目区地下水排水边界）[1]。垂向边界系统上边界为潜水含水层自由水面，系统与外部条件的垂向水量交换都是通过该边界完成，如大气降水入渗补给;根据实际钻探勘察及区域资料，本地区将下部透水性较差的泥质砂岩为底部边界处理为零通量边界。源汇项：在自来水供给正常的情况下无开采，开采量为零。将模拟范围地下水流概化为：非均质各向异性三维非稳定潜水。

3.2 数值模拟软件与数学模型

本次模拟的三维地下水流模型采用Modflow程序进行计算。Modflow是美国地质调查局（USGS）公布的地下水三维有限差分模拟通用程序，是目前在世界范围内应用最广泛的地下水流模拟程序，国内引进应用也很多。

3.2.1 水流运动数学模型

模拟范围地下水流系统可用下列的数学模型表述[2]：

3.2.2 溶质运移数学模型

（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问题。溶质运移的三维水动力弥散方程的数学模型如下[3]：

（2）初始条件

初始浓度定为0mg/L，具体表述为：

（3）边界条件

本次模拟将含水层各个边界均看作二类边界条件（Neumann边界），且穿越边界的弥散通量为0，具体可表述为：

3.3 水文地质参数识别

将模拟范围剖分成9294个四面体单元，通过计算水位和实测水位拟合分析，反复调整参数，最终确定了含水层参数。计算水位与实测水位拟合效果见图1。模型可以反映实际的地下水情况，可用于本次环评的溶质运移模拟。通过计算水位和实测水位拟合，最终确定了含水层参数分区见图2，参数如表1。

3.4 污染物运移预测

假设污水处理池防渗系统破损导致事故性泄漏，污水渗入地下影响地下水质量。本次模拟污染指标针对代表性因子COD。预测时间节点为事故泄漏发生后100d、1000d，以及一些能够反映污染物迁移规律的时间点，以了解泄漏影响地下水环境的范围和程度。泄漏量按产生废水量的5%渗漏。泄漏规律：设定为突发性短时渗漏排放方式，模拟30天后在SK4号钻孔观测到泄漏因子，按稳定渗漏30天计，第31天后停止泄漏并及时处理达到正常工况防渗标准。为预测污水处理厂泄漏后污染物的迁移，利用本次瑶罗塘井点S31作为参照点，反映污染晕运移路径，预测瑶罗塘村可能存在的风险。

COD：

生活污水中COD的排放量為350mg/L。根据《地下水质量标准》（GB/T14848-2017），Ⅲ类水质浓度上限是3mg/L。以3mg/L为污染晕的外边界，其长度用晕体长轴长度表示，最远影响距离用污染晕前缘与污水处理厂之间距离来表示。污染物迁移预测见图3，统计结果见表2。

3.5 地下水环境影响评价

模拟结果表明，不同指标对地下水质量的影响不仅与泄漏浓度有关，更重要的是与《地下水质量标准》中浓度等级有关。

以《地下水质量标准》中Ⅲ类水浓度限值来划定影响范围，COD指标泄漏后影响面积逐渐增大，泄漏730天后污染面积最大、1000天后影响到瑶罗塘村S31民井，泄漏1400天后浓度低于Ⅲ类水质标准，且污染晕逐渐往长岭河迁移。本次数值模型主要是为了验证厂区污染是否会影响到南面瑶罗塘居民饮用水。模型结果显示，COD指标在短暂事故性泄漏1000天后影响到S31水井，影响瑶罗塘居民饮用水，污染晕主要沿长岭河迁移，各污染指标的影响会在自然作用下衰减消失，浓度逐渐减小。

4 结论

（1）从数值模拟结果可以看出：所建立的水文地质数学模型是正确的，选取的水文地质参数和计算的源汇项基本合理，符合模拟地区地下水的实际情况，可用于流场研究和污水池污水泄露预测。（2）拟建项目建设生产过程中，污染因子一旦发生事故性泄漏，对地下水环境会造成严重的影响。按照环境保护法律法规的要求，出现这样的泄漏事故，必须及时修复，严防持续性泄漏。（3）需要注意的是，本次预测泄漏方案为短暂的事故性瞬时泄漏，不是持续性泄漏。持续性泄漏会造成污染物持续侵入地下环境，对环境将造成更深远的影响。为防治污水池事故性渗漏带来的地下水环境恶化，应安装监测设施日常监测地面污水池进出水量动态，评估水量平衡，及时发现渗漏问题，及时采取应急处理，严禁持续性泄漏发生。

参考文献：

[1]卢文喜.地下水运动数值模拟过程中边界条件问题探讨[J].水利学报，2003（3）：33-36.

[2]孙纳正.地下水流的数学模型和数值方法[M].北京：地质出版社，1981：42-56.

[3]王大纯，张人权.水文地质学基础[M].北京：地质出版社，1986.