沈阳市某装备制造产业园地下水污染物运移模拟研究

2022-03-08张楠

四川环境 2022年1期

张楠

(1.沈阳环境科学研究院，沈阳 110016；2.辽宁省城市生态重点实验室，沈阳 110167)

前言

习近平总书记“两山论”的提出标志着我国生态文明建设进入了新的阶段。为贯彻落实习近平总书记关于地下水污染防治工作的重要批示精神，为保障地下水安全，让人民群众喝上放心水，生态环境部、自然资源部、住房和城乡建设部、水利部、农业农村部在2019年3月联合发布了《地下水污染防治实施方案》，该方案的发布标志着我国地下水污染防治工作开启了新的篇章。在2021年全国生态环境保护工作会议上的工作报告中，提出：“要推进重点地区开展化工园区地下水环境状况调查评估，持续开展地下水污染防治试点”。

辽宁省作为东北老工业基地，拥有省级以上工业集聚区114家，拥有化工园区21家，在这部分园区中不乏一些企业在生产过程中存在“跑、冒、滴、漏”等情况，这部分有毒有害物质将会随降水渗入到地下水中，造成园区地下水污染[1～3]。因此，为实现地下水资源的可持续利用，防止地下水受到污染，亟需加强对污染源头的防范和治理[4-5]，同时，开展园区企业污染物渗漏模拟，摸清地下水中污染物迁移规律，对于生态环境部门制定监督管理政策及方案具有重要意义[6-7]。

当前国内外地下水污染模拟软件主要有3种，分别为Feflow、GMS和Vissual Modflow[8]。Feflow是有限元三角网格的计算软件，相比其他两种其主要优势在于可以任意剖分网格，并在局部区域加密，GMS和Vissual Modflow两个软件功能基本相同，均有Modflow、MT3D等经典模块，目前是应用最普遍的两个模型[9]。本文以沈阳市某高端装备制造产业园为研究对象，采用GMS软件对地下水中溶质运移特征进行模拟，从而预测污染物的扩散范围，为地下水的污染防治提供依据。

1 研究区概况

研究区位于浑河冲击平原，平均海拔高度36m，地势平坦，属于北温带半湿润季风型大陆性气候类型，多年平均降水量714mm，多集中在7、8月。区内的地表水主要为浑河、细河两条河流。

研究区含水构造分布于浑河的高低漫滩地带，地下水主要赋存于冲洪积的松散砂、砂砾石的孔隙之中。本区域受地貌和第四系沉积环境的控制，水文地质条件呈现过渡性的特征。其上游含水层颗粒粗大，结构简单；下游，含水层颗粒变细，结构亦变得复杂。根据研究区内的含水介质、形成年代、水力特征和埋藏条件等，区内的第四系含水层可分为潜水含水层(Q4)、浅层承压水含水层(Q3)、深层承压水含水层(Q1+2)。根据勘探资料，各层的埋藏条件，分布及变化规律、水位、水量、水质有所区别，形成了三个相对独立的含水层。包气带岩性为杂填土和粉质粘土，平均厚度为7m，渗透系数2.21×10-5～5.78×10-5cm/s。

地下水的补给以垂向补给为主，侧向补给为辅，主要接受降水入渗补给、稻田即渠道回渗补给及侧向径流补给；排泄方式主要有人工开采排泄、下游侧向径流排泄、河流排泄。

2 地下水流数值模型

2.1 水文地质概念模型

根据地下水的流向及等水位线并结合搜集已有各类水文地质资料，东北部边界沿等水位线概化为流量补给边界；西南部边界概化为流量排泄边界；西北部边界垂直于地下水等水位线，概化为隔水边界即零流量边界；东南部为浑河，浑河接受评价区地下水侧向渗漏补给，地下水通过河床渗漏补给地表水，因此将东南部边界概化为河流(River)边界，河流河床渗透系数、河水位标高及河床标高数据均已在野外调查以及收集资料当中获取。各断面流入、流出量，根据断面处含水层渗透系数、断面处水力坡度和断面面积，由Darcy定律求出。

上部的潜水含水层和浅层承压含水层之间有较厚的连续粘土层作为隔水层，水力联系较弱，因此可将粘土层概化为隔水底板。由于潜水含水层较承压含水层易于污染，是最敏感的含水层，因此第四系孔隙潜水含水层作为本次的主要研究含水层，该层厚度变化不大，一般在30m左右，地下水位埋深为5～15m。地下水运动以水平方式为主，自东北向西南方向径流。

2.2 地下水流数学模型的建立

研究区地下水运动的数学模型可概化为非均质各向同性三维地下水非稳定流模型。

(1)

公式(1)中，H为模拟区内含水层水头(L)；K为模拟区内含水层水平渗透系数(LT-1)；μ为模拟区内含水层的给水度；z为模拟区内含水层底板标高(L)；ε为降雨和渠系灌溉入渗强度(LT-1)；E(x，y)为在浅层降水入渗区，其值为1，非降雨入渗区，其值为0；W为模拟区内含水层其它源汇项(L3T-1)；Qj为模拟区内含水层生产井抽水量(L3T-1)；H0为模拟区内含水层初始水头(L)；L1为第二类零流量边界；L2为第二类给定流量边界；L3为河流边界；Ω为模拟区渗流计算区域；q为含水层边界单宽流量(L2T-1)；n为各边界面的外法线方向；Qr为流地下水交换量(m3/d)；Hr为河流水位标高(m)。

2.3 数值模拟

2.3.1 网格剖分

模拟区面积约为158.16km2，对整个区域模型采用矩形网格剖分，网格间距为100m，剖分为250列、250行，共剖分矩形网格单元62 500个，其中有效单元16 336个，无效单元46 164个，计算节点位于单元中心。垂直方向上剖分为1层。

2.3.2 水文地质参数分区

根据区内的地形地貌、抽水试验资料以及水文地质调查资料，将研究区含水层划分为3个水文地质参数分区，见图1。

图1 水文地质参数分区图Fig.1 Zoning map of hydrogeological parameters

2.3.3 模型识别与验证

本次模拟以2018年10月作为模型的初始流场(图2)，2019年1月作为模型识别流场(图3)，2019年7月作为验证流场(图4)。应力期以月为单位，共划分为10个应力期，每个应力期又包括若干个时间步长，时间步长为模型自动控制，严格控制每次的迭代误差，在同一应力期内地下水补排项不变。

图2 地下水初始流场图Fig.2 Initial flow field map of groundwater

图3 地下水识别期流场拟合图Fig.3 Flow field fitting map of groundwater identification period

含水层实测流场和模拟流场的比较图结果显示，模拟流场与实测流场拟合较好，水位差小于0.02m的计算点达到80%以上，这表明模拟模型与实际地下水系统的水位在空间和时间上是比较吻合的，基本反映了地下水系统的水力特征，达到了模型精度要求，可以用于溶质运移预测。

图4 地下水验证期流场拟合图Fig.4 Flow field fitting map of groundwater verification period

识别验证后的水文地质参数见表1。

表1 水文地质参数分区表Tab.1 Hydrogeological parameter zoning table

3 溶质运移模型及预测结果分析

水质模型是建立在水流模型基础上，利用MT3DMS模块进一步来模拟预测地下水中污染质的运移情况。本次模拟不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。

3.1 溶质运移数学模型

地下水中溶质运移的数学模型可表示为：

(2)

(3)

式(2)中，C为模拟污染质的浓度(mg/L)；ne为有效孔隙度；C′为模拟污染质的源汇浓度(mg/L)；W为源汇单位面积上的通量；Vi为渗流速度(m/d)。

式(3)中，αijmn为含水层的弥散度；Vm，Vn为分别为m和n方向上的速度分量；|v|为速度模。

3.2 弥散度的确定

本次弥散度借鉴1996年研究区附近做的现场弥散试验资料[10]，弥散度确定为αL=0.19～0.47m，αT=0.09～0.23m，对比本区的具体水文地质条件，弥散系数分区水文地质参数分区一致，给定弥散系数值见表2。

表2 弥散系数分区表Tab.2 Partition table of dispersion coefficient

3.3 污染预测情景设定

对本装备制造产业园区进行地下水污染风险识别，得到WSCLC和HCBM是园区内最大的风险源。本次以这两个企业为例选择两种情况分别进行预测分析。

3.3.1 连续源强污染物泄漏情景

情景设定：污水处理设施地面防渗层出现泄漏点导致防渗能力下降。

源强计算：假定按废水处理量的0.01%渗漏，渗漏量按5%通过地表渗入地下水中，此情景下只对WSCLC进行预测，WSCLC特征污染因子以氨氮为例，污染物浓度参照污水处理设施进水水质，计算得到氨氮的泄漏量为0.027kg/d(见表3)。

表3 各情景下污染物源强情况一览表Tab.3 Pollutant source intensity under each scenario

3.3.2 瞬态源强污染物泄漏情景

情景设定：污水管道管线由于连接处(如法兰、焊缝)开裂或腐蚀磨损等原因，会发生污染物泄漏。若恰好发生泄漏处的地下水防渗层断裂或破坏，则将导致泄漏污染物污染地下水。

源强计算：设定采取的渗漏检测发现及修复事故工况时间为15天；破裂泄漏孔半径按10mm计，则污水的泄漏量为：3.14×0.012×1.5m/s×3600s/h×24h/d×15d=610.42m3。假设泄漏量全部通过地表进入地下水，此情景下只对HCBM污水处理站进行预测，其特征污染因子以镍为例，污染物浓度参照相应环评中的污染物产生浓度，则镍泄漏进入地下水中的污染物的量为：610.42m3×103L/m3×40mg/L÷1000000mg/kg=4.139kg/次(见表3)。

3.4 预测结果及分析

本次模拟预测根据污染风险分析的情景设计，在选定优先控制污染物的基础上，分别对地下水污染物在不同时段的运移距离和超标范围进行模拟预测。氨氮和镍的超标范围均参照《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)中Ⅲ类水的要求，见表3。

3.4.1 连续源强下污水泄漏引起氨氮污染

1年、5年、10年、20年后氨氮浓度扩散情况见图5。氨氮在1年后最大运移距离为208m，超标范围为56 821m2；5年后最大运移距离为235m，超标范围为84 463m2；10年后最大运移距离为416m，超标范围为131 352m2；20年后最大运移距离为550m，超标范围为201 347m2。

图5 氨氮浓度扩散图Fig.5 Diffusion of ammonia concentration

3.4.2 瞬态源强下污水泄漏引起的镍污染

1年、5年、10年、20年后镍浓度扩散情况见图6。镍在1年后最大运移距离为314m，超标范围为79 174m2；5年后最大运移距离为425m，超标范围为138 617m2；10年后最大运移距离为546m，超标范围为204 479m2；20年后最大运移距离为710m，超标范围为234 393m2。

图6 镍浓度扩散图Fig.6 Diffusion of nickel concentration

4 结果与讨论

本文以某装备制造产业园内的两个企业为例，采用GMS软件进行数值模拟的方法，对两种情况(连续源强和瞬态源强)可能造成的地下水环境影响做出预测分析，得出以下结论。

4.1 连续源强污染物泄漏情景下，氨氮在1年后最大运移距离为208m，超标范围为56 821m2；5年后最大运移距离为235m，超标范围为84 463m2；10年后最大运移距离为416m，超标范围为131 352m2；20年后最大运移距离为550m，超标范围为201 347m2。污染物泄漏量持续增加，但只要地面防渗措施不出现问题，对地下水造成污染的风险较低，如果叠加出现防渗层破损情况，规划区域内的企业一旦发生污染物泄漏事故，随时间延续，会对地下水下游方向的地下水水质产生不同程度的污染影响，污染风险较大。

4.2 瞬态源强污染物泄漏情景下，镍在1年后最大运移距离为314m，超标范围为79 174m2；5年后最大运移距离为425m，超标范围为138 617m2；10年后最大运移距离为546m，超标范围为204 479m2；20年后最大运移距离为710m，超标范围为234 393m2。污染物在一定时间内对地下水环境造成不同程度的污染影响，随着时间的增加和水动力作用，污染物扩散范围虽然增大，但是浓度大幅降低。