基于Visual MODFLOW的潢川经济开发区地下水环境影响分析

邹浔, 张海丰, 李跃鹏

(1.华北水利水电大学 地球科学与工程学院,河南 郑州 450046; 2.黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450003)

地下水资源是人们赖以生存和发展的重要自然资源[1],但随着人类开发建设规模的迅速发展,一些区域的地下水环境受到不同程度的改变或破坏。为保护生态环境,从源头上预防地下水环境污染,需对待开发地区进行地下水环境影响评价,对实施规划可能造成的影响进行分析、预测和评估,提出合理的预防和管理措施,进而控制和减轻规划实施对地区地下水环境的影响[2-3]。地下水污染预测常采用解析法和数值法。相比而言,数值法能更有效地刻画污染物的迁移转化过程,而Visual MODFLOW软件是国内外学者常采用的数值模拟工具。卢丹美等[4]利用Visual MODFLOW软件建立了广西龙潭某工业园区地下水水流模型和污染物运移模型,预测和评价了污染物泄漏和迁移对地下水环境的影响;饶磊等[5]通过Visual MODFLOW软件建立了重庆某工业园区地下水流概念模型,对污水处理站发生泄漏后进入地下水中的主要污染物进行了溶质运移模拟,结果显示,第7 300天时污染物的影响范围已超出园区并进入长江;邢丽娜[6]利用Visual MODFLOW软件建立了某生活垃圾填埋场的数值模型,预测了渗滤液发生泄漏20 a后特征污染物NH3-N在含水层中的运移规律;SAGHRAVANI S R等[7]利用Visual MODFLOW软件对承压水含水层的特征污染物进行了运移模拟。

信阳市潢川经济开发区规划东部和西部两个园区,含众多规划企业,且部分企业是潜在污染源,会对地下水污染产生叠加效应。为进一步研究潜在污染源对地下水的影响,本文针对开发区的建设规划方案,结合《环境影响评价技术导则 地下水环境》(HJ 610—2016)的要求,利用Visual MODFLOW软件建立研究区地下水污染数值模型,刻画特征污染物的迁移转化过程,预测开发区建设对地下水环境的影响。

1 研究区概况

研究区位于信阳市潢川县城的南部,西起付店镇,东至伞陂镇,南部边界位于沪陕高速以北约2 km处。潢川经济开发区分为东部和西部两个园区,其中东部园区规划面积约14.5 km2,西部园区规划面积约15.7 km2,东、西部园区之间以潢河相隔,两园区相对独立。地势东南部稍高、西北部略低。研究区范围如图1所示。

图1 研究区范围示意图

1.1 研究区水文地质条件

1.1.1 地下水类型

根据地下水赋存介质、赋存介质的孔隙性质及岩性组合特征, 研究区内的地下水含水岩组可划分为3类:松散岩类孔隙水含水岩组、碎屑岩类裂隙孔隙水含水岩组和基岩裂隙水含水岩组。其中,松散岩类孔隙水含水岩组又依据埋藏条件划分为浅层水含水岩组和深层水含水岩组。

1.1.2 地下水的补给、径流与排泄条件

1)松散岩类孔隙水的补给、径流与排泄条件。研究区内浅层地下水的补给来源主要有大气降水入渗补给、地表水灌溉回渗补给、河流侧向渗漏补给和地下径流补给;深层地下水的补给来源主要有径流和越流。研究区内浅层地下水在潢川县城区及近河道带的径流强烈,在剥蚀岗地及缓倾斜平原径流较弱;研究区内深层地下水径流普遍较微弱,水力坡度较小,只有在潢河河谷平原区和潢川县城区水力坡度较大,径流相对较强。研究区内浅层地下水的排泄方式主要有蒸发、人工开采、河流排泄、径流排泄、越流排泄;深层地下水的排泄方式主要有人工开采和径流排泄。

2)碎屑岩类裂隙孔隙水和基岩裂隙水的补给、径流与排泄条件。研究区内碎屑岩类裂隙孔隙水主要接受大气降水的入渗补给,并沿裂隙或孔隙向下游方向径流,以径流方式排泄到松散岩类含水岩组。基岩裂隙水主要接受大气降水的入渗补给,并沿裂隙向下游径流,最终向深层水含水岩组径流排泄。

1.1.3 地下水化学特征

在研究区内采集了17组水样进行常规指标现状监测,其中5组进行常规指标与环境敏感指标相结合的现状监测。根据水样检测结果,对其余12组水样绘制了地下水Piper三线图,如图2所示。

1.2 地下水环境质量现状

通过对监测结果和标准评价指数的分析可知,监测范围内地下水的pH值为6.59～7.65,溶解性总固体的含量均小于1 000 mg/L,属于淡水。

研究区及其周边的地下水水质指标除西部园区的HCSY-13和HCSY-14处的硝酸盐含量超标外,其他水样检测指标均满足《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)和《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅲ类水标准。

2 研究方法及模型建立

本文采用数值模拟法[8-14]来评价建设规划对地下水环境的影响,运用Visual MODFLOW 软件建立水文地质概念模型,并在其基础上建立地下水流动和地下水溶质运移数值模拟模型,利用数值模型预测和分析建设规划对地下水环境的影响。

2.1 水文地质概念模型的建立

根据研究区内地下水的赋存条件及运动特征可知,建设规划对地下水的影响范围西起付店镇—隆古乡一线,东至伞陂镇,北起隆古乡—潢川县城北,南至沪陕高速以北约2 km,总面积约为220.0 km2。

1)含水层结构概化。地下水数值模拟模型将研究区的地下含水岩层概化为3层,上部为第一含水岩组,中间为一弱透水层,下部为第二含水岩组。

2)边界条件。根据现状条件下的地下水流场图将垂直于地下水等水位线方向的边界作为隔水边界来处理,其他边界概化为通用水头边界。

3)区域剖分。对整个区域模型采用等距矩形网格剖分,剖分为3层134行250列,共剖分矩形网格单元100 500个,其中有效单元94 749个,无效单元5 751个。模拟区网格剖分如图3所示,模型结构的剖面示意图如图4所示。

图3 模拟区网格剖分图

图4 模型结构剖面示意图

2.2 数学模型

2.2.1 地下水流数学模型

结合研究区的水文地质条件,将模拟区含水层概化为非均质、各向异性的三维稳定地下水流系统,其水流运动的数学模型为:

(1)

式中:Kxx、Kyy、Kzz分别为渗透系数K在x、y、z方向上的分量,m/d,文中假定渗透系数的主轴方向与坐标轴的方向一致;h为水位(水头)标高,m;ε为源汇项,ε<0表示流出地下水系统,ε>0表示流入地下水系统;Ω为渗流区域;Kn为边界面外法线方向n上的渗透系数;Γ2为流量边界;q(x,y,z)为边界流量,m3/d,流入为正;C为水力传导系数,m2/d;hb为外部水源的水头,m。

2.2.2 地下水溶质运移模型

地下水溶质运移模型的数学表达式为:

(2)

式中:θ为介质孔隙度,无量纲;C为组分的浓度,mg/L;t为时间,d;xi、xj为在直角坐标中沿i、j方向上的距离,m;Dij为水动力弥散系数张量,m2/d;vi为地下水渗流速度张量,m/d;W为源汇单位面积上的通量;C′为源汇的污染质浓度,mg/L。

根据环境影响要素识别结果,结合潢川经济开发区综合发展规划中拟引进或新建项目的特点,通过对规划布局产业项目的工程特征、排污种类、排污去向及周边地区地下水环境质量状况的分析,设定本次地下水环境影响预测与评价的特征污染因子为氨氮。

本次地下水污染模拟过程未考虑污染物在含水层中的吸附、挥发、生物化学反应,模型中各项参数予以保守性考虑。

2.3 模型识别

根据《河南省潢川县地下水资源开发区域规划报告》(河南省地质矿产厅第三水文地质工程地质队,1995)以及本次开展的现场抽水试验成果,将含水层划分为5个水文地质参数分区(图5),并给出参数初始值,作为模型调试的依据。

图5 水文地质参数分区图

文中,给水度经验值Sy的取值范围为0.01～0.20;含水层弹性释水率Ss的取值范围为1×10-5～5×10-4m-1;含水层水平方向上渗透系数的取值范围为0.1～10.0 m/d,垂直方向上的渗透系数取值范围为水平方向渗透系数的0.1倍;含水层有效孔隙度和总孔隙度取模型默认值。

根据世界范围内百余个水质模型中所使用的纵向弥散度αL与基准尺度Ls的对数关系曲线(图6)可以看出,整体上纵向弥散度随着基准尺度的增加而增大。根据环境影响评价导则中的评价范围经验公式的计算结果可知,污染物向下游迁移的距离L小于1 000 m,结合图6可知,其对应的纵向弥散度小于10。因此,从保守角度考虑,本次的模拟弥散度取为10。

图6 孔隙介质数值模型的lgαL-lgLs关系

第一、二含水岩组地下水位等值线的拟合效果如图7所示。由图7可知,预测流场与实测流场基本一致。经过模型识别后,主要的水文地质参数见表1。模型参数符合实际水文地质条件。

图7 第一、二含水岩组地下水位等值线拟合效果图

表1 水文地质参数

3 地下水污染模拟预测

3.1 地下水污染预测情景设定

现状情景主要考虑潢川经济开发区已有企业对地下水质量的影响，即根据各个企业的污水存储、处理设施等情况来计算污水产生量。

潢川经济开发区西部园区(原潢川产业集聚区)内主要企业有华英禽业集团、宝树水产、康缘食品、圣光集团等;东部园区(原潢川经济开发区和原潢川经济技术产业集聚区)内主要企业有黄国粮业、潢绣、金星啤酒、中央储备粮潢川直属库、中国石化销售有限公司河南信阳潢川储运经销处、中国石油天然气股份有限公司河南销售分公司等。根据《给水排水构筑物工程施工及验收规范》(GB 50141—2008)中的规定，现状年(2017年)污水排放量计算时各企业的污水池渗水强度取为2 L/(m2·d)。

规划情景是利用经济指标和工业用地面积估算未来污水产生量。规划情景下，西部园区拟建综合产业片区、医药产业片区和食品产业片区；东部园区拟建食品产业片区、现代仓储物流片区和综合商贸服务片区。根据潢川经济开发区2035年(目标)的经济发展指标和工业用地情况,同时考虑到节水技术水平的提高会降低万元工业产值用水量和污水排放量的特点,假定2025年污水排放量为现状年(2017年)的2倍,2035年污水排放量是现状年(2017年)的4倍。污染物的浓度参考经济开发区现有企业的污水浓度。规划情景下不同产业片区的污水量和污染物浓度见表2。

表2 规划情景下不同产业片区的污水量和污染物浓度

3.2 结果分析

3.2.1 现状情景

根据现状情景下的污染源位置、源强大小和持续时间,对第1、10、30年的污染范围进行模拟预测,限于篇幅，文中仅列出第30年的预测结果(如图8和图9所示)。由第1、10年的预测结果及图8和图9可知:①随着模拟时间的增加,第一含水岩组地下水中的氨氮浓度逐渐升高,超标范围逐渐扩大;第1、10、30年时地下水中氨氮浓度的最高值分别为2.5、12.0、14.0 mg/L。②第一含水岩组地下水中氨氮超标范围均较小,且对第二含水岩组地下水基本无影响。③第30年时第二含水岩组中氨氮浓度的最高值仅为0.016 mg/L，根据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)，该浓度低于Ⅰ类水浓度限值。

图8 现状情景下第30年第一含水岩组地下水中氨氮浓度超标范围

图9 现状情景下第30年时第二含水岩组地下水中氨氮污染羽

3.2.2 规划情景

根据规划情景下的污染源位置、源强大小和持续时间,对第1、10、30年的污染范围进行模拟预测,限于篇幅，文中仅列出第30年的预测结果(如图10和图11所示)。由第1、10年的预测结果及图10和图11可知:①随着时间增加,第一含水岩组地下水中的氨氮浓度逐渐升高,第1、10、30年时地下水中氨氮最高浓度分别为2.5、12.0、18.0 mg/L。②第一含水岩组中氨氮的影响范围较大，但超标范围较小,且对第二含水岩组地下水基本无影响。③第30年时第二含水岩组地下水中的氨氮浓度最高值为0.025 mg/L，根据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017),该值低于Ⅱ类水浓度限值。④相比于现状情景，规划情景下地下水中氨氮浓度增加。

图10 规划情景下第30年第一含水岩组地下水中氨氮浓度超标范围

图11 规划情景下第30年时第二含水岩组地下水中氨氮污染羽

4 结语

本文采用数值模拟法,利用Visual MODFLOW软件建立了研究区地下水流动模型和溶质运移模型,分别预测了现状情景和规划情景下地下水特征污染因子的运移变化规律。结果表明：

1)现状条件下,第一含水岩组的地下水中氨氮浓度的超标范围较小,且对第二含水岩组地下水中的氨氮浓度基本无影响；规划情景下,第一含水岩组的地下水中氨氮浓度的影响范围相对较大,但超标范围较小,且对第二含水岩组地下水基本无影响。

2)特征污染因子氨氮在现状情景和规划情景条件下的污染扩散范围和超标区域均未影响到付店镇和伞坡镇两处地下水集中供水水源地,同时对研究区下游的谈店水源地未造成任何影响。

地下水污染具有不易发现和一旦污染很难治理的特点。因此,防治地下水污染应遵循源头控制,防止跑、冒、滴、漏污染跟踪监测及污染事故应急处置等主动及被动措施相结合的原则,严格按照相关规定统筹策划地下水污染防治工作。