基于Modflow的某表面活性剂生产项目对地下水环境影响预测研究

王 栋，牛 娜

(河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南 郑州 450000)

地下水数值模拟是水文地质学领域的重要分支，已成为研究地下水环境影响评价问题的关键手段。通过地下水数值模拟，可以全面了解和认知复杂的地下水含水系统所具备的各种特征[1-2]。本文以某表面活性剂生产项目为例，对该项目地下水污染范围、趋势和程度进行预测评价，为后期地下水质量监测、保护、风险防控和开发利用提供理论依据。

1 研究区概况

某表面活性剂生产项目为年产500 t的2-氯-5-氯甲基砒啶有机硅，项目废水经工程配套建设的污水处理站处理达标后由污水管网排入污水处理厂。项目所处地区地下水类型属于第四系冲积平原孔隙水类型，区内含水层呈多层分布，其中浅层地下水下部有一层分布稳定、渗透性差的粉质粘土层阻隔，使得浅层地下水与下部水力联系较差，埋深40 m以浅的浅层地下水，是本项目主要影响层位，作为本次预测评价的重点。

根据区内浅层地下水的赋存条件，本次评价垂向上分为3层，浅部0～33 m以细沙为主的潜水含水层，33～36 m的粉质粘土弱透水层和下部36～45 m的微承压含水层。其中，33 m以前的潜水含水层为本次预测评价的重点。在平面上，评价边界西边界、东边界垂直于等水位线，划定为零流量边界；南边界为补给边界，接受南侧地下水的侧向径流补给；北边界为排泄边界。各边界特征见图1。

2 数学模型建立

2.1 水流数学模型

根据水文地质概念模型，本研究区的地下水流可概化为非均质各向异性介质中的三维非稳定流问题，确立各变量之间的数量关系，建立了该研究区的数学模型如下，其微分方程为：

(1)

式中：k为渗透系数张量，坐标轴方向的主渗透系数分别为Kx、Ky、Kz，[LT-1]；t为时间，[T]；h为水头，[M]；Ss为贮水率或给水度，贮水率量纲[L-1]；w为源泄项，即单位体积排除和吸收的水量，[T-1]；Ω为计算区域；H0为初始水头，[L]；为第一类边界上的水头，[L]；q为第二类边界上的单位面积流量，[LT-1]。

2.2 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)

那你Vm，Vn分别为m和n方向上的速度分量；∣v∣为速度模；C为模拟污染质的浓度；ne为有效孔隙度；C′为模拟污染质的源汇浓度；W为源汇单位面积上的通量；Vi为渗流速度；C′为源汇的污染质浓度。

图1 数值模拟边界示意图

2.3 模型剖分

采用等间距有限差分法进行自动矩行网格剖分，剖分网格间距为50 m，每个单元面积50 m×50 m，共剖分有效网格单元13 243个，面积为33.1 km2，垂向上划分为3层。研究区网格剖分见图2。

图2 研究区网格剖分图

2.4 工况设计及源强

2.4.1 正常工况

正常工况下，本项目的各装置区、储存区、生产区和污水处理池构筑物等都有严格的防渗措施，相关的管道、设备等都采取有防渗、防漏措施。正常工况下，不会对地下水造成污染。

2.4.2 非正常工况

在生产运行期间，只有在污水处理建(构)筑物或各类废污水收集管网出现破损、污水或者生产原料发生跑、冒、滴、漏的非正常工况下，如处理不当，污染物可能下渗影响地下水。

2.4.3 泄漏点设定

本项目为化学品、药品制造项目，每天产生及排放的废水量相对较小，且废水混合后集中存放于污水处理站进行处理，经处理合格后进行排放。因此污水处理站是本项目废水的主要汇集、储存环节，也是可能发生渗漏对地下水造成污染的主要场所。因此本次预测的渗漏点就设定为污水处理站生化池的底部破损渗漏。另外正常生产和运营过程中的办公用水、生活用水、绿化水等规模较小、水质中污染物浓度较小、入渗不连续，不作为本次预测的内容。

2.4.4 预测源强设定

按达西公式计算源强，计算结果见表1。

(3)

式中：Q为渗入到地下的污水量，m3/d；Ka为地面垂直渗透系数，m/d；H为池内水深，m；D为地下水埋深，m；A裂缝为污水池池底裂缝总面积，m2。

表1 泄漏量计算结果表

2.4.5 预测因子的选择及浓度

筛选出本项目的预测因子为CODCr和BOD5，其初始浓度分别为360 mg/L和142 mg/L，单位时间内注入特征污染物的质量如下：

(1)CODCr

1.51 m3/d×360 mg/L×(1×10-6kg/mg)×(1 000L/m3)=0.54kg/d

(2)BOD5

1.51 m3/d×142 mg/L×(1×10-6kg/mg)×(1 000L/m3)=0.21 kg/d

综上，非正常工况下，上述非可视部位发生小面积渗漏时，可能进入地下水污染物的预测源强见表2。

表2 非正常工况下污染物预测源强

2.4.6 预测时段

本项目的预测时段选择100 d、1 000 d、10 a、30 a。

2.5 地下水环境影响预测与评价

选取CODCr和BOD5为水环境的特征污染物，各特征污染物的标准限值和检出限值如表3所示。根据上述预测时段和各污染物的初始浓度输入模型，预测不同时段污染物的迁移过程，生成不同时间的污染晕迁移分布图，图中红色范围表示地下水污染物浓度超过水质标准限值，蓝色范围表示污染物浓度可检出。

表3 模型特征污染物污染标准和检出限值

以下根据设定的污染源位置和源强大小进行预测，预测结果如下。

2.5.1 CODCr

不同预测时段CODCr污染物的超标距离、检出距离、超标面积和检出面积见表4，污染晕迁移分布图见图3。

表4 CODCr污染物预测结果表

图3 污染晕迁移分布图(CODCr)

2.5.2 BOD5

不同预测时段BOD5污染物的超标距离、检出距离、超标面积和检出面积见表5，污染晕迁移分布见图4。

表5 BOD5污染物预测结果表

2.5.3 预测与评价结果

根据工程分析和地下水环境影响识别，本项目对地下水的污染途径表现在非正常工况下污水处理站生化池的底部破损发生渗漏，污水将下渗进而对地下水造成污染。地下水中CODCr在30 a的最大超标距离约0.39 km，最大检出距离约0.82 km，超标面积约0.05 km2，检出面积约0.15 km2；地下水中BOD5在30 a的最大超标距离约0.20 km，最大检出距离约0.64 km，超标面积约0.03 km2，检出面积约0.09 km2。在非正常状况下，至30 a模拟结束，污染影响范围和超标范围均是CODCr>BOD5，污染物最大迁移距离约0.82 km(CODCr)，最大超标距离约0.39 km(CODCr)。

图4 污染晕迁移分布图(BOD5)

因此，区内地下水污染防治措施应按照“源头控制、分区防治、污染监控、应急响应”相结合的原则，从污染物的产生、入渗、扩散、应急响应全方位进行控制。同时，结合产业调查区水文地质条件，在调查区建设场地及周边共布设地下水水质监测井，用以长期监控污染物在地下水中运移情况。如发现异常或者发生事故，加密监测频次，并分析污染原因，确定泄露污染源，及时采取应急措施。同时，针对区内不同类型的生产项目，要充分依据各项目场地包气带的天然防污性能、污染物控制难易程度、污染物特性和主要污水产生装置，相关企业开展相应场地的地下水勘察工作，做好分区防渗措施和地下水监测工作，防治污染物下渗影响地下水。

3 结语

由于地下水具有埋藏隐蔽性和一旦污染很难治理的特征，因此根据技术规范布设常规浅层地下水监测工程，实施常规监测计划，是防控污染事件的必要措施。建议尽快在产业调查区布设相应地下水监测孔，开展浅层地下水的动态监测工作，以实时掌握项目对浅层地下水的水质的影响。同时加快区域及周边地区污水处理及管网建设，对调查区进行产业布局时考虑污水排放综合分类及管理，避免污水排放不当对地下水产生的影响。