某电厂项目地下水中污染物运移的数值模拟及预测分析

王 鼐， 何隆祥， 李 智， 刘礼领

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉430000）

利用数值模型对地下水污染进行预测是有效保护地下水的基础，本文基于防渗膜破损5%的事故工况条件下，以可视化三维地下水流动模拟软件GMS，对污染物在地下水中的运移特征进行了模拟预测分析［1］，为进一步制定相应的防治措施提供可靠的理论数据依据。

1 研究区概况

研究区位于长江右岸二级阶地，地貌为剥蚀丘陵地貌，地形有起伏。 研究区主要上覆地层为第四系上更新统冲洪积层和第四系残积层，下伏为燕山早期花岗岩，基岩埋深为20 ～30 m。 上覆地层上部为第四系上更新统冲洪积层，主要由黏土和粉质黏土组成，厚度为4～10 m，该地层富水性较弱，但具有一定的透水性，主要为潜水含水层上部的包气带。下部为第四系残积层，岩性主要以砂质黏性土为主，岩层下部为粉细砂与黏土互层，为该区的主要含水层。 下伏燕山早期花岗岩为不透水层。

2 地下水溶质运移模拟

2.1 模型概化

模型概化是污染物在地下水中运移模拟预测的基础，本文以潜水含水层为本次数值模拟预测的目标含水层。 研究区潜水含水层的补给方式以大气降水补给为主，以上游地下水侧向径流补给为辅。 排泄方式主要是蒸发作用、人工开采和侧向径流排泄。潜水含水层与地表水体具有一定的水力联系，表现为枯水期地下水向长江、三郎堰河等地表水体排泄，汛期地表水体侧渗补给附近地下水。

根据研究区水文地质条件特征，将模拟区域内的潜水含水层概化为一层厚为10 ～25 m 的潜水含水层，含水层岩性以砂质黏性土和粉砂岩、细砂岩为主。 研究区地下水径流方向为从南西部（丘陵区）向北东部（平原区）径流，且以侧向径流的方式向长江排泄，总体上径流速度较缓慢。 综上所述，根据研究区地下水特征可将其概化为均质各向异性非稳定三维地下水流系统进行模拟［2］。

2.2 预测模型

根据研究区水文地质条件特征以及模型概化特征，选用地下水流模型进行预测。 综合上述评价区地层岩性、地下水类型、地下水补径排特征、地下水动态变化等水文地质条件及评价区水均衡分析等，在现有资料的基础上，可将评价区地下水流系统概化成均质各向异性三维非稳定地下水流系统，用下列的数学模型表述［2－3］：

式中：Kxx，Kyy，Kzz分别表示x，y，z主方向上的渗透系数，m／ d；Ω为地下水渗流区域；H为地下水水头，m；W为源汇项，包括降水入渗补给、河流入渗补给、井的抽水量等，m3／ d；S1为模型的第一类边界；S2为模型的第二类边界；μ为重力疏干给水度（无量纲）；h为潜水含水层厚度，m；H0（x，y，z） 为初始地下水水头，m；H1（x，y，z）为第一类边界已知地下水水头，m；q（x，y，z）为第二类边界单位面积流量函数，m3／ d；n为边界S2上的外法线方向。

本次模拟预测过程中预测模型的空间离散图采用可视化三维地下水流动模拟软件GMS 的自动离散功能进行模拟。 根据模拟区水文地质钻孔揭露的地层，从上往下潜水含水层厚度为10～30 m；模型中评价区南北长10～11 km，东西宽4～5 km，采用水平方向正交网格剖分处理。 网格剖分时在电厂区域附近对网格进行适当细化，单个网格最小为10 m × 10 m，最大为100 m × 100 m（图1）。

图1 电厂评价区模型空间分布及离散结果

根据研究区含水层岩性、区域水文地质条件、研究区抽水试验以及渗水试验等资料，将模拟计算得出的水位与研究区实际水位进行拟合处理（图2），并根据拟合模型变化规律反复调整计算参数，直至拟合曲线相近为止，最终获得含水层的各项参数。

图2 模型计算流场与观测井实测水位拟合图

在校核过程中每计算一个点，就会显示一个中点作为观测值，上端数值为观测值与极差值之和，下端数值为二者之差。 若观测值与极差值之差所代表的条形在校核范围（置信范围）内，则条形以绿色为主，代表计算水位与实际水位之间的拟合效果良好；若条形超出校核范围但小于校核范围的200%时，条形以橙色为主，代表计算水位与实际水位之间的拟合效果一般；若条形超出校核范围的200%，条形呈红色，则说明计算水位与实际水位之间的拟合效果较差。 由图2 可知，本次对7 个观测井进行拟合，其中6 个条形显示绿色，1 个观测井条形显示为橙色，表明模型水流计算总体上较为准确，最终获得校准后的水文地质参数，见表1。

表1 模型校准后的含水层水文地质参数

4 地下水溶质运移模拟

4.1 事故工况模拟背景

事故工况是污染物在地下水中运移模拟预测的基础，因此本文选择5%事故工况条件下，该电厂因设施故障等造成有毒或者有害物质泄漏而进入研究区地下水中对深部水资源产生污染。 本文为了定量评价污染物对地下水污染程度的影响，选择具有代表性的场景进行模拟预测。 本次选择工业废水处理站废水储存池池底发生破损的情景，选取氟化物作为预测因子。

4.2 泄漏源强

（1）泄露面积：项目拟建工业废水处理站建有4个容积为10 m × 30 m × 3.5 m＝1 050 m3的废水储存池，存水量约为4 000 m3。 由于废水储存池受外界因素影响较大，容易遭到破坏，常使得储存池底部破裂。 若储存池底部破裂面积为总面积的5%，则可形成的渗漏面积为60 m2。

（2）泄漏量：垂直渗漏速率取值参照电厂内的渗水试验，按照1.39 × 10－5cm／ s 计算，则渗漏量为0.72 m3／ d。

（3）泄露污染物初始浓度：在5%事故工况下，结合污染物浓度、毒性大小等因素，以氟化物（同等条件下氟化物污染范围最大） 作为主要的预测因子。 污水处理站正常工况下氟化物上边界的浓度通量取为50 mg ／ L。

在本文选用的模拟预测模型中，忽略了污染物质在地下水中迁移过程中的吸收作用、化学反应等影响因素［4］，因此，在5%事故工况下影响污染物在地下水中扩散运移的主要因素为污染物的初始浓度。

（4） 泄露时长：假定泄露时长为持续泄漏30年，利用GMS 软件，联合运行水流模型，得到氟化物污染晕100 d、1 000 d、10 a、30 a 时在地下水中的运移分布范围，见表2。

表2 氟化物污染晕运移预测结果信息

在预测结果图（图3） 中，红色范围表示地下水污染物超标的浓度范围，蓝色范围表示存在污染但污染不超标的范围，当预测结果小于检出限值时则视同对地下水环境几乎没有影响。

图3 工业废水站废水储存池池底破损的情况下氟化物30年的运移情况

由图3 可知，红色区域为污染物超标范围，蓝色部分为检出但未超标范围。 从预测结果可以看出，在废水储存池池底发生破损的情况下，地下水中氟化物在地下水的对流弥散作用下逐渐向下游迁移，影响范围逐渐扩大。 污染晕在30 年内未能运移出电厂范围，不会对评价区下游分散的地下水敏感点造成影响，因此，在该预测情景下，氟化物不会对电厂外的地下水造成污染。

5 结论

在非正常工况下，根据以上假定情景的分析结果可知，在事故工况发生泄漏的情况下，不考虑包气带的滞留作用、包气带和饱和带对污染物的消减作用、污染物的挥发作用、污染物的自然降解作用等，如果地面防渗层出现漏洞，则在事故工况下氟化物的污染晕在电厂生产运行期的30 年内不会超出电厂边界，不会影响到东山镇北部的分散地下水饮用水源地。