某化工厂地下水数值模拟和解析法双重预测校正

陈 磊

(无锡市智慧环保技术监测研究院有限公司，江苏 无锡 214121)

1 项目废水产生情况

本项目为生产甲苯二异氰酸酯的环境影响评价项目，其中需要对运营期生产是否会对地下水环境产生影响进行预测和分析。项目甲苯二异氰酸酯(TDI)的生产，包括三个阶段：原料产品硝酸的生产、中间产品二硝基甲苯(DNT)的生产和产品TDI的生产。TDI的生产采用光气化法进行合成。首先，氨气通过催化氧化加压吸收制成硝酸；甲苯在混酸(硝酸和硫酸)中硝化生成DNT；在催化剂作用下DNT与氢气反应制取间位甲苯二胺(TDA)；再以氯苯为溶剂，TDA与光气进行光气化反应生成粗TDI和HCl气体，粗TDI脱除溶剂和焦油后，精制得到TDI装桶出售。主要产生的废水源强情况见表1。

表1 项目废水污染物产生情况

2 地下水污染数值模拟法预测

地下水污染预测重点关注的地下水污染源为埋地式或半埋地式污水处理构筑物，其设备或设施如发生物料和污染物泄漏不易被发现和处理，如处理不及时会对土壤和地下水造成污染。根据项目所处区域的水文地质和厂区平面布置情况，本项目可能对下水造成的污染源主要为一次冲洗池、中和池和应急事故池。其次关注裸露于地面的生产功能单元和地上废水管线，物料或废水泄漏后被及时发现和处理的区域或部位，本项目主要关注的为罐区、化学品仓库、危废暂存区和废水管网。

2.1 地下水污染情景和源强

项目场地内废水产生主要来自运营期。液氨蒸发器废水和汽包排水首先收集至硝酸装置区中和池，中和后泵入园区废水站进行预处理。装置区和储罐区的雨水、地面冲洗水首先收集至一次冲洗池。其中，初期雨水和事故废水至应急事故池收集后排入有机废水管网送至园区废水站进行预处理，清净雨水排入厂区内雨水管网。其他废水(W3-W7)经有机废水管道直接输送至园区废水站进行预处理。

罐区、化学品仓库和危废暂存区均为地上建筑物或构筑物，且已采取地坪防渗措施，如事故情况下物料发生泄漏，易被发现和处理，在作应急响应情况下，对地下水的影响相对较小。

在事故状况下，半埋地废水处理池防渗层存在破坏的可能性，大量污水在未及时收集处理的情况下可能会渗入土壤和地下水中。本次预测评价选取事故情景下废水泄漏对地下水的预测分析。硝酸装置区废水在厂区中和池中和后排入园区废水站进行预处理，中和池为地下水池，其它均为地上水池，本次选择中和池作为典型污染源进行预测。表2总结了预测情景和各类污染源强、特征污染物类型和初始浓度。

表2 项目预测源强总结表

2.2 地下水污染途径和受体

项目污水泄漏后进入地下，首先在包气带中垂直向下迁移，然后进入到含水层。污染物进入地下水后，以对流作用和弥散作用为主。另外，污染物在含水层中的迁移行为还包括吸附解析、挥发和生物降解。根据本项目污染物的理化特征，基于保守性考虑，本次地下水污染模拟过程中未考虑污染物在含水层中的挥发、吸附解析和生物化学反应。这种相对保守的预测情景可以为项目防控体系提供更为可靠的依据。

评价区域内如发生污染物泄漏，可能污染地下水，潜水含水层和承压含水层之间存在相对隔水层，故潜水含水层和承压含水层联系相对不密切。但评价区域地下水水位受周边河流影响，与地表水联系相对密切，污染物存在迁移至场地下游河流的可能。因此本项目确定地下水潜水含水层和项目下游河流为敏感的环境受体。

2.3 地下水预测数值模型

本次地下水评价主要关注的含水层为潜水含水层，主要由粉质粘土和粉土组成，潜水含水层以水平方向运动为主，垂向运动微弱，地下水系统概化为空间三维流。评价区域范围较小，含水层参数空间变异较小，含水层概化为均质水平各向同性。评价区域丰水期和枯水期地下水水位变化较小，趋势一致，故概化为稳定流地下水水流模型。综上所述，将评价区地下水系统概化为空间三维、水平各向同性、稳定的地下水流系统概念模型。评价区域南侧河流，设为为定水头边界。本次评价范围为地下水块段，部分边界的流入流出量需由地下水水流模型水文地质参数校正得出，设为定流量边界。模型上部接受降雨补给和蒸发排泄，概化为有效净补给，底部为隔水边界。地下水模型中输入的参数见表3。

表3 项目地下水数值模拟输入的参数

项目在运营期不涉及地下水开采和回注，对地下水水位人为影响可以忽略，且经监测结果表明丰水期和枯水期水位变动幅度小，故选择地下水稳定流模型识别验证水文地质参数和地下水流场拟合程度。利用地下水枯水期水位统测数据对数值模型验证。通过对比观测点实测和计算的地下水水位拟合程度进行模型校正，监测点地下水水位实测值和模拟结果计算值匹配较好，评价区域的地下水水流数值模型满足后续溶质运移模型预测要求。

2.4 地下水溶质运移模拟预测

本次地下水溶质运移模型，采用GMS中的MT3D模块进行模型模拟，实现以上数学模型的数值模拟。联合运行水流和水质模型，得到硝酸装置区中和池事故情景下污染物运移的预测结果。图1为事故情景下污染物在地下水中浓度污染羽分布图，可见基于现有地下水流场条件下，事故情况下50年内污染物超标范围在地下水中迁移距离约63米。

图1 事故情况下50年内污染物超标范围在地下水中迁移距离

3 地下水污染解析法预测

3.1 解析法预测参数的选择

采用瞬时泄漏情景下的解析模型[1]：假设一维无限长多孔介质柱体，示踪剂瞬时注入：

式中：

x为敏感目标与源的距离；t为时间，d；C(x，t)为t时刻在x处污染物浓度，mg/L；

m为污染源质量，经计算污染源氨氮质量为1753g，以氨氮污染物作为校正因子；

w为横截面面积，潜水含水层单宽横截面积保守取为3m2；

n为实际速率，为0.0013m/d，u=KI/n，根据本次原状土土工试验分析结果，项目场地含水层主要是粉质粘土，渗透系数为0.05m/d，水力梯度为0.008，孔隙度为0.3；

n为有效孔隙度，粉质粘土有效孔隙度取经验值n=0.2；

根据Gelhar[2]和Xu[3]等提出的纵向弥散度和距离的关系，aL表征纵向弥散度为10.4m，DL纵向弥散系数为0.014m2/d；

π为圆周率。

3.2 解析法预测结论

将式中各参数代入地下水溶质运移解析模型中，计算出事故情况下废水池中污染物在地下水中的迁移预测结果。图2是事故情况下废水池中污染物在地下水中的迁移距离，事故情况下50年内污染物超标范围在地下水中迁移距离不会超过60米。

图2 事故泄漏情况下地下水中氨氮浓度随时间迁移距离

4 总结

数值模拟和解析法预测超标污染物在地下水中最大迁移距离相近，不会超过63米，基于现有地下水流场条件，在作好分区防渗和应急预案前提下，污染物如有泄漏，在50年内不会迁移至周边河流，本项目因污水泄漏渗入地下水而造成对环境敏感目标的影响较小。在类似预测场景下，如条件不允许，可先使用解析法预估事故情况下地下水污染的大致范围，作为地下水污染范围和污染程度调查布点的初步依据。