基于现代煤化工项目特征污染物(氰化物)的运移数值模拟

刘祥凯, 李艳英, 吕 东

(1.山西省交通环境保护中心站(有限公司),山西 太原 030032;2.山西能源学院,山西 晋中 030600)

引 言

我国煤炭资源相对丰富[1]，随着国内社会经济的发展，以煤为基础的现代煤化工产业发展迅速[2]。在现代煤化工建设区域，氰化物往往是地下水污染的特征污染物[3]。氰化物是一种有毒的致命物质，长期的生产活动会造成氰化物进入含水层，进而污染地下水，对区域周边的地下水敏感目标造成很大的影响。通过对氰化物的地下水数值模拟预测与分析，可以加强区域地下水污染的源头管控，这对保护地下水环境具有重要意义[4]。近年来，国内外学者通过数值模拟对各类污染物在地下水的运移进行了大量的分析研究[5-11]，但鲜有对现代煤化工建设区域有毒致命物质氰化物的数值模拟研究。因此，本文以我国华北某现代煤化工建设项目地下水为研究对象，通过调查区域水文地质条件并利用Visual Modflow软件建立地下水水流模型和溶质运移模型，模拟区域地下水流场，并对建设项目污水处理厂调节池在非正常情况下发生渗漏的氰化物进行预测，为类似区域项目地下水氰化物的预测提供参考。

1 研究区概况

研究区气候较为干燥，平均降雨量364.3 mm，位于由第四系全新统(Q4)、上更新统(Q3)、中更新统(Q2)和下更新统(Q1)组成的冲湖积平原，区域涉及的主要含水层为第四系孔隙潜水含水层和浅层含水层。潜水含水层厚度3 m～20 m，埋深30 m以内，主要为细砂、粉土，以接受大气降水补给为主。浅层含水层厚度4 m～10 m，埋深35 m～50 m左右，主要为中粗砂，富水性较好，主要接受边山及上部潜水补给，为区域主要取水层位。潜水、浅水层之间主要以黏土及砂质黏土为主，具有一定的隔水能力，但由于隔水层埋深较浅，加上灌溉及工程活动较多，又不注意隔水层的保护，对隔水层造成一定的破坏，使得这两层含水层联系较为密切。浅层含水层底部以黏土为主，具有良好的隔水能力。地下总体流向为西北到东南。

2 地下水污染预测情景设定

本次预测情形主要针对非正常状况进行设定。假定污水处理站预处理单元调节池出现渗漏进入地下水含水层，对地下水环境造成污染。调节池渗漏量以《给水排水构筑物工程施工及验收规范》(GB 50141-2008)正常允许渗水量的5倍计，即为10 L/(m2·d)，调节池规格25 m×25 m×7 m，渗漏面积按池底的5%考虑。此外，在调节池地下水水流方向下游设有污染控制监测井，污染控制监测井逢单月采样一次，从预测的保守原则出发，调节池的最长渗漏时间为60 d。在调节池发生渗漏情况下，主要地下水环境污染物浓度及渗漏源强列于表1。

按照最严格水资源管理制度的总体部署，加快建立水资源管理责任和考核制度，严格遏制地下水超采，防止出现生态环境问题。同时，不断加强用水计量和地下水动态监测，将量测设备纳入工程建设范围，密切关注地下水动态变化。统筹考虑水资源论证后评估工作，全面分析评估报告书提出的取水量、取水影响分析是否合理，取水方案是否可行，水资源节约措施是否有效；评估并监督建设项目业主单位对报告书和审批文件的落实情况，以及项目建设对水资源开发、利用、节约和保护的影响；监测重点项目区地下水变化情况等内容，提高水资源论证编制和决策水平。同时，妥善安排好项目其他后续工作，为确保项目持久发挥效益奠定基础。

表1 主要污染因子浓度和源强

3 地下水数值模型建立

3.1 水文地质概念模型

3.1.1 模拟区网格剖分

模拟区总面积约为26 km2。利用Visual Modflow的3DGRID模块，对模拟区进行二维矩形网格剖分。模拟区平面剖分182行、198列，边长为40 m×40 m；在污水处理站及其附近进行细剖分，边长为20 m×20 m。

3.1.2 标含水层

党的十六大以来，安徽省水利厅以科学发展观为指导，不断完善水利发展思路，逐步探索和形成了“水利安徽”战略体系，走出了一条符合安徽水情的改革发展之路。10年来，全省重点水利工程建设突飞猛进，防灾减灾工程体系逐步完善，水利基础保障能力大幅度提升，人民群众受益度显著提高。年度水利基建投资由2002年37亿元增加到2011年83.8亿元，迈上了前所未有的高位平台。

3.1.3 模型边界概化

模拟区边界条件是根据含水层的补径排条件确定，对于第四系孔隙水含水层，地下水由西北向东南流，地下水模拟区范围西北部(AB)以1 025 m等水位线为界，东南部(CD)以1 010 m等水位线为界，均概化为二类流量边界。东北部(AD)和西南部(BC)均以垂直于等水位线为界，均处理为零通量边界，概化为隔水边界。模拟区范围及边界概化见图1。

图1 模拟区范围及边界概化

1)大气降水入渗补给

模拟区目标含水层地下水流从空间上看是以水平运动为主、垂直方向为辅，自西北向东南方向径流。地下水系统符合质量守恒定律和能量守恒定律。含水层下部为中更新统(Q2)黏土层，黏土层厚度约10 m～20 m，阻滞了目标含水层与下部含水层间的水力联系，使得地下水垂直方向流速比较小，计算时将地下水流的垂向分量忽略，概化为层流渗流，符合达西定律。一般情况下，地下水流速矢量在x、y方向有分量，故概化为二维流；参数随空间变化，体现了系统的非均质性；地下水系统的输入输出随时间、空间变化，地下水流概化为非稳定流。综上所述，目标含水层系统的结构及水动力学条件可概化为非均质各向同性二维非稳定流。

客户需求、执行方案、任务书未经精简，严禁团队内部逐条落实。不得依赖于干涩的文字陈诉，而应以最大工作速度，理出核心条款，予以启动相应的交底动作与工作流程。

3.2.3 水文地质参数分区

模拟区目标含水层的源汇项主要包括补给项和排泄项。补给项主要来自大气降水垂向补给、农田灌溉回归入渗补给、侧向补给；排泄项主要以潜水蒸发、人工开采、侧向排泄为主。

谢合清有“找事老总”绰号，就是因为他是一个爱找事，爱干事的人。因此，创新发展这个词与他如影随形。他提出“面向农业、立足农资、跳出农资、多元发展”的理念，并大力贯彻实施，企业创新开拓举措不断。

3.2 地下水流数学模型

根据模拟区内的含水介质特征、地下水补给、排泄条件等，模拟区内地下水运动呈现出二维运动特征，且符合达西定律。在不考虑水的密度变化条件下，地下水的流动可用第157页偏微分方程(1)来表示。式中，Ω为地下水模拟区域；K为渗透系数；h为点(x，y)在t时刻水头；h0为含水层的初始水头；μS为含水层给水度；W为源汇项；n为边界的外法线方向；q为模拟区二类流量边界上的单位面积流量，流入为正，流出为负；гAB、гCD为第二类流量边界；гAD、гBC为第二类隔水边界。

政治环境也就是国家对于中小企业发展的态度，相应的政策法规、税收优惠等内容，这些政治环境是决定企业内部控制制度建立的关键。

Hosmer-Lemeshow检验，P=1.000(P>0.05)，Nagelkerke R2=0.982，是修正的Cox&Snell R2决定系数，越接近1，拟合优度越好，提示模型拟合效果好。在已确诊为CIN的214例患者中，预测正确的有213人，错判的1人，正确率为99.5%；125例宫颈癌患者中，预测正确的有125人，错判0人，正确率为100.0%，总的正判率为99.7%。

h(x,y,t)|t0=h0(x,y)

(1)

3.2.1 边界条件

或许你会说，现在明白了，抗生素是杀细菌的，不能治疗由病毒引起的普通感冒，那用抗病毒的药去治疗普通感冒应该对吧，所以普通感冒咱就输抗病毒的药吧。很多人这样想也就这样做了，因此抗病毒的利巴韦林注射液在中国比任何国家都有市场，广泛滥用于治疗很多与病毒相关的甚至可以自愈的疾病（像普通感冒、轮状病毒感染等）。

模拟区的西北边界为1 025 m等水位线，概化为侧向补给二类流量边界；东南边界为1 010 m等水位线概化为侧向排泄二类流量边界；东北边界和西南边界均垂直于等水位线，概化为零通量隔水边界。模拟区流量边界可采用达西公式(2)计算。

Q=K×D×M×I

(2)

式中，Q为侧向补给/排泄量，m3/d；K为渗透系数，m/d；D为剖面宽度，m；M为含水层厚度，m；I为垂直于剖面的水力坡度，%。

模拟区侧向补给边界渗透系数为0.15 m/d，水力梯度为0.0 031，补给边界长度3 262 m，含水层厚度选用平均值45 m，根据公式(2)计算得出模拟区侧向流入量为68.26 m3/d(2.49万m3/a)；同理，模拟区侧向排泄边界渗透系数为0.23 m/d，水力梯度为0.0 024，排泄边界长度为3 506 m，含水层厚度选用平均值45 m，计算得出模拟区侧向排泄量为87.10 m3/d(3.18万m3/a)。

3.2.2 初始条件

水流模型初始流场采用由2018年8月各观测井水位绘制的地下水流场。将2018年8月各观测井水位以二维散点文件输入到模型中，再通过插值赋给各单元中心点初始水位值，得出模拟初始时刻的地下水位流场。

3.1.5 源汇项概化

本次数值模拟中，目标含水层渗透系数(K)根据模拟区的水文地质资料、抽水试验结果、各个钻孔资料的岩性的差异确定；目标含水层的给水度(Ss)根据含水层岩性，按经验值给出，取值见表2。参数分区图见图2。

表2 水文地质参数表

图2 模拟区参数分区图

3.2.4 源汇项确定

3.1.4 含水层水力特征概化

福州大学马克思主义学院教授舒展说，《必由之路》从历史之约、关键抉择、伟大跨越、力量之源、立国之本等脉络，展现中华大地发生的感天动地的伟大变革，凸显改革开放的重大意义和伟大成就，彰显了“四个自信”。

目标含水层通过包气带接受大气降水入渗补给，在模型中大气降水入渗补给量的计算公式见式(3)。

Q降=0.1∑αPiAi

(3)

式中，Q降为大气降水入渗补给量，万m3/a；Pi为各分区平均降雨量，mm/a；αi为各分区大气降水入渗系数；A为各分区面积，km2

大气降水入渗补给系数平面分区图见图3，根据公式(3)计算模拟区的大气降水补给量，计算结果详见表3。

图3 模拟区潜水蒸发系数平面分布区

表3 评价区大气降水计算表

2)农田灌溉回归入渗补给

在模型中农田灌溉回归入渗补给量的计算公式见式(4)。

Q井=Q农开·β

(4)

式中，Q井为井灌回归量，万m3/a；Q农开为农田灌溉开采量，万m3/a；β为井灌回归系数。

模拟区第四系全新统(Q4)与上更新统(Q3)间无隔水层；上更新统(Q3)和中更新统(Q2)之间有一层厚约0 m～5 m的不连续分布的黏土弱透水层，使得上更新统(Q3)和中更新统(Q2)之前的水力联系较为密切。因此，本次模拟将第四系全新统(Q4)、上更新统(Q3)和中更新统(Q2)共同概化为一个非均质各向同性、连续分布、底板近似水平的含水层。含水层下部为中更新统(Q2)黏土层，黏土层厚度约10 m～20 m，阻滞了目标含水层与下部含水层间的联系，作为隔水层。

模拟区内表层岩性主要为粉土，局部夹有粉质黏土、细砂。根据野外调查统计可知，模拟区共有井灌地约1 000万m2。模拟区井灌回归系数平面分区图见图3，计算结果详见表4。

表4 井灌回归量计算表

3)人工开采量

根据调查，评价区潜层地下水目前主要用于农业灌溉。模拟区人工开采量即农田灌溉开采量为139.5万m3/a。

4)潜水蒸发排泄

潜水蒸发排泄是模拟区地下水的排泄方式之一，但只限于降水较多季节极个别区域潜水位埋深小于4 m，大部分区域水位超过极限蒸发深度。项目所在地区年平均蒸发量2 010.6 mm/a，根据地形地貌及气候特点，以水位埋深4 m、8 m为界，确定出模拟区潜水蒸发系数平面分布区(图3)。本次采用公式(5)计算各单元潜水蒸发量，并采用EVT(蒸发)模块来处理，将该蒸发量作用于活动单元。计算结果见表5。

表5 评价区潜水蒸发计算表

E=E0×γ

(5)

式中，E为模拟区潜水蒸发量，mm/a；E0为多年平均蒸发量，mm/a；γ为潜水蒸发系数。

3.3 地下水流模型识别与验证

本次识别与验证过程根据模拟区地下水位观测资料的实际情况，选取2018年8月的地下水位实测数据作为初始流场，2018年12月地下水位实测数据作为模型识别流场，2019年5月地下水位实测数据作为模型验证流场。识别期为2018年8月1日至2018年12月31日；验证期选择2018年12月31日至2019年5月31日，输出的等水位线模拟结果与2018年12月、2019年5月的实测等水位线进行对比。

1.1 一般资料 本研究经复旦大学附属妇产科医院医学伦理委员会批准，在中国临床试验注册中心注册(ChiCTR-OOR-16009313)。共72例行择期全麻剖宫产术的产妇纳入本研究，纳入标准：足月妊娠；ASAⅠ～Ⅱ级；有椎管内麻醉禁忌征，如凝血功能异常、脊柱外伤、穿刺部位感染、腰椎问盘突出且有明显腰背部疼痛症状、严重脊柱畸形等。排除标准：须胰岛素控制的妊娠糖尿病、妊娠高血压、子痫前期、心脏病或长期服用可能影响心血管系统的药物。所有参与者均签署了书面知情同意书。

通过对比可以看出，计算流场整体拟合效果较好，说明数值模型是可靠的，数值方法是可行的，其成果可以用于预测溶质运移。识别与验证的拟合曲线分别见图4、图5，参数值见表6。图上黑色线为模拟水位线，色带变化线是实测水位线。

图4 模拟区2018年12月等水位线拟合图(识别)

图5 模拟区2019年5月等水位线拟合图(验证)

表6 模型识别与验证后水文地质参数取值表

3.4 地下水溶质运移模型

本次模拟用Visual MODFLOW模块建立了水流模型，在此基础上，可利用MT3DMS模块进一步来模拟预测地下水中污染物质的运移情况。

上述结论对于其它各科教师当然也是成立的．更一般地说，这也正是医生、律师等具有较强实践性质的专业人员何以需要较长见习期的主要原因，即是工作的复杂性与不确定性，从而就不可能被完全纳入任一固定的理论框架．这也就是指，即使相关人士已较好地掌握了相关的专业知识，仍然不可能通过这些知识的简单应用就能有效地解决所面临的各种问题，而必须主要依靠自身的创造性劳动，包括相关知识的创造性应用．

本次模拟只考虑水动力弥散问题，不考虑污染物在含水层中的吸附、挥发、生物化学反应等。弥散度难以通过野外或室内弥散试验获得真实数据[13]。因此，本次模拟从保守角度考虑，纵向弥散度参数值取10 m，横向弥散度的取值为纵向的十分之一[14]。

污染物在地下水中水动力弥散方程如式(6)。

(6)

式中，Dx、Dy分别为纵向(x)与横向(y)的水动力弥散系数，L2/T；C为污染物的浓度，M/L3；ux、uy分别为纵向(x)与横向(y)的地下水实际平均流速，L/T。

3.5 模拟预测结果

本次数值模拟中超标距离是指氰化物超过《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)氰化物标准限值(0.05 mg/L)的最远距离，影响距离是指超过《水质 氰化物的测定 容量法和分光光度法》(HJ 484-2009)中吡啶-巴比妥酸分光光度法检出限(0.002 mg/L)的最远距离。调节池在非正常工况下发生渗漏后的第100、1 000、7 300 d均未出现超标，100 d时污染晕中心最高浓度为0.0 035 mg/L，影响距离为19.23 m，未出现超标距离；1 000 d时污染晕中心最高浓度为0.0 025 mg/L，影响距离为15.45 m，未出现超标距离；7300 d时，污染已全部扩散，未出现影响及超标距离。

健康管理对老年缺血性脑卒中患者心理状态及生活质量的影响………………… 何文文 陶学芳 周春霞 等（3）342

非正常工况下污染物在地下水中超标距离和影响距离列于表7。

由于学校处于转型发展的初级阶段，校企合作也是在逐步推进中，缺乏完善的制度建设和保障机制。例如，如何评估校企合作的效果，如何保障合作经费的使用，如何对实习学生进行有效管理，如何监督合作办学过程。从目前来看，学校的质量保障体系和评估监督体系尚不完善，这些问题亟待解决。

英语分词倒装构式的认知语法分析 ……………………………………………………… 莫启扬 文 旭（2.11）

表7 非正常工况下污染物在地下水运移结果

4 结论

通过地下水流模型和溶质运移模型的建立，对调节池非正常工况下渗漏情形下地下水中氰化物运移进行了数值模拟。结果表明，在模拟期地下水中的氰化物浓度最大为0.0035mg/L，未超过《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)氰化物标准限值，污染晕中心浓度及影响距离随时间减少，最远的污染影响距离在渗漏处下游19.23 m，对地下水环境质量影响较小。由于现代煤化工建设项目污染较重，因此在建设和生产过程中理应采取源头控制、分区防控、污染监控、应急响应等措施，确保项目在促进增长经济的同时减少对区域内地下水环境的影响，实现社会经济和生态环境的共赢。