地下水环境影响数值的模拟及预测

陈正国,胡红岩,郭祥旭

(黑龙江省生态地质调查研究院,哈尔滨 150030)

0 引言

地下水数值模拟技术是定量评价、预测地下水水质及水量的重要方法[1]。采用数值模拟软件(Visual ModFlow)建立项目区及周边地下水流模型,并对模型进行识别验证,按设计开采量对不同开采年限的地下水水位进行了预测,并对事故状况引发的地质环境问题进行预测评价。

某新建粮食加工项目,远期为新建地表水水源,近期拟采用当地浅层地下水,经供水站提升后通过管路输送至厂区,供给各装置生产用水,生产与生活用水量约为5 000 m3/d,项目污废水排放量为2 500 m3/d,污染因子主要为COD,污废水进入企业污水处理站,处理达标后排放或用于循环水。

项目区位于河漫滩,地下水含水层包括第四系松散岩类孔隙水与古近系碎屑岩类孔隙承压水,取水目的层为第四系松散岩类孔隙水,与下部的古近系碎屑岩类孔隙承压水间存在稳定隔水层,水力联系较弱。

第四系松散岩类孔隙潜水主要分布于河谷平原区,上覆薄层粉质黏土,具微承压性质。岩性为全新统与上更新统含砾中粗砂、砂砾石及含泥质砂砾石,含水层厚度自上游到下游逐渐增厚,富水性增加。含水层累计厚度9～14 m,水位埋深1.03～1.78 m,单井涌水量427.2～2 104.8 m3/d。

第四系松散岩类孔隙承压水主要分布在高平原和低平原区,赋存于中更新统冲积湖积堆积层及上更新统冲积、冰水堆积层,上覆8～16 m的粉质黏土,具有承压性,形成孔隙承压水,岩性以含砾中粗砂、砂砾石为主,其次为中细砂、粉细砂等,厚度一般为14.5～24 m,水位埋深6.08～12.4 m,单井涌水量568.8～1 094.4 m3/d。

在进行水文地质调查并收集区域水文地质资料的基础上,根据项目区地层岩性及地下水赋存条件,将模拟范围内地层概化为3层,即1个含水层和2个相对隔水层,空间剖面如图1。

第一层为相对隔水层,厚度3～15 m,厚度变化不大,岩性主要为粉质黏土,透水性弱,为相对隔水层。第二层为含水层,岩性为中砂、粗砂和砂砾,厚度为5～30 m,最大厚度位于中部低平原地区。第三层为相对隔水层,厚度为10～40 m,岩性主要为淤泥质黏土及粉质黏土,透水性弱,为相对隔水层,阻隔了上下含水层的水力联系。

评价区北邻河流,地下水补给来源包括大气降雨入渗补给、地下水侧向径流补给及丰水期河流渗漏补给。排泄方式主要为地下水侧向径流排泄、人工开采及平枯水期向河流的排泄。从地下水系统角度结合本次评价的实际条件,将评价区北侧边界概化为一类定水头边界,其余边界概化为二类流量边界。

评价区含水层接受大气降水入渗补给,故概化为流量边界。含水层下为厚度较大,且分布连续稳定的淤泥质黏土和粉质黏土,隔绝了与下部含水层的水量交换,因此概化为零流量边界(图2)。

图2 水文地质概念模型Fig.2 Conceptual model of hydrogeology

1 地下水流数值模拟模型

利用Visual ModFlow 4.2软件建立地下水水流模型,对开采过程第四系含水层地下水流场进行模拟预测。以野外实际统测水位作为初始流场,水文地质参数由抽水试验求得,按水文地质概化分区给定。第四系地下水现状开采量由收集资料及现场调查综合确定,二类边界流量依据边界含水层厚度、渗透系数及地下水流场量的水力梯度求得。根据评价区的范围,将评价区剖分为1 600个单元(图3)。

图3 模拟区网格剖分图Fig.3 Grid profile of simulation area

模型的识别和验证是整个模拟中极为重要的一步,通常要进行反复调整参数才能达到较为理想的拟合结果,使模型最大程度地接近实际[2]。采用反演调参进行识别,应用pest软件包将给定的参数初值代入有限差分法数值模型中。由于计算量较大,调参分两步,先调渗透系数,后调贮水率,并按实际水文地质条件限定各参数的调参区间,在运营模型过程中计算各时段各节点水位,并在对计算水位和实际水位进行比较的过程中不断修改各参数值重复计算,两者间误差最小时则将该参数作为含水层参数。

通过识别结果得出,观测点的模拟值与实测值相关系数为0.998,属高度相关,其中水位计算值与实测值绝对差<0.50 m的点占总观测点的82.6%,符合《地下水资源管理模型工作要求》(GB/T14497-93)。模拟地下水流场与实测流场拟合较好,可以进行下一步验证。

根据验证结果,计算流场与实测流场对比,计算点与实测点绝对差<0.50 m的计算点占总观测点的82.6%,相关系数0.98,模拟的地下水流场与实测流场拟合较好,可以进行下一步模拟预测(图4)。

图4 识别阶段计算与实测地下水流场拟合图Fig.4 Fitting of identification phase calculation and measured groundwater flow field

2 地下水环境影响预测

2.1 环境影响识别

本项目施工期,生活污水排放量约为10 m3/d,主要含有机物与含氮、磷的无机盐类及病原菌。其进入企业现有的污水处理站处理净化,然后回用于厂区绿化与降尘抑尘。生产废水主要来自于混凝土搅拌和混凝土养护。管道系统试验、吹扫、冲洗、单机试车等预试车阶段也产生了少量废水。混凝土搅拌和养护废水中主要含有泥沙,一般不含其他污染物,吹扫、冲洗、预试车阶段废水主要含泥沙和油污。其进入企业建立的集水池、澄清池沉淀澄清后回用于降尘抑尘。生产废水产生量较小,利用雨水沟排放。该阶段废污水产生量较小,其影响随施工期结束而结束,因此对地下水环境不会产生明显的影响。

项目服务期满后,随着主要装置的关闭和拆除,污染源主要为地表存在的面污染。在场地原有地面不被破坏的情况下,面源污染对地下水影响极小。地下水水位逐渐恢复,若场地转为其他性质用途,面源污染需另作处理。故项目服务期满后,场地无论是封闭还是他用,均不会对地下水环境造成明显影响。

对地下水环境的影响主要为运营期前期开采地下水对地下水水位及水资源量的影响,蒸发浓缩产生的冷凝液、工艺水排污后产生的废水及生活污水对地下水水质的影响。正常工况下,各生产环节按照设计参数运行,企业采取严格的防渗措施,包括防渗层、防溢流、防泄漏、防腐蚀等,污水对地下水环境影响较小。而当遭遇事故时,设备或管道损坏与污水处理系统调节池池底破裂及冷凝液收集罐泄漏等都会对地下水水质造成影响。

2.2 项目运营期对地下水水位影响的预测

本项目生产、生活用水由原有厂区供水站直接供给,企业设自打井。项目生产及生活用水量为5 000 m3/d,单井抽水量为480 m3/d,预测时间为10年,共划分为20个应力期,每个应力期划分为10个步长。

由模型计算结果可知,项目运营5年后,评价区地下水位下降值处于相对稳定状态,预测20年的地下水位最大降深为2.5 m(项目区),在项目区周边形成约9.2 km2的地下水位降落漏斗。本区含水层厚度一般为16 m,则产生的地下水位降深值小于含水层厚度的1/3。区内地下水可开采量为332.53×104m3/a,取水量为150.0×104m3/a,远小于本区的地下水可开采量,取水量有保障。当项目服务期满停采地下水后,由于地下水位降深值较小,与周边降深水位差小,随着地下水得到补给,水位会逐渐恢复。

2.3 项目运营期对地下水水质影响预测

项目运营期对地下水水质的影响主要来自生产及生活污水,其中生产污水产生主要集中在稀浸泡液蒸发浓缩产生的冷凝液及工艺水排污后产生的废水,均含有大量的有机物,COD值很高,因此影响预测以COD作为影响指标,参照《地下水质量标准》Ⅲ类标准。

正常工况下,各生产环节严格按照设计参数运营,地下水污染来源主要为管线、储罐、污水池、事故池等的跑冒滴漏,但企业采取了严格的防渗措施(防渗层、防溢流、防泄漏、防腐蚀等),污水对地下水环境的影响较小。

事故工况下,当污水处理站调节池破裂,污染物的10‰渗入地下时,COD出现一定范围的超标现象,影响程度10年后明显减弱。该污染物对河漫滩区地下水产生轻度影响,污染物最大运移距离为1 900 m,影响范围内无居民饮用水水源井等其他敏感点。当冷凝液收集罐发生泄漏,在事故发生后8 h内采取修补措施,污染源为瞬时源,COD出现小范围的超标现象,影响程度10年后消失。该污染物未对评价区内敏感点产生影响,污染物最大运移距离为530 m。

3 结束语

在综合区域水文地质条件及模拟区地下水开采利用现状、项目取用水及环境污染源的基础上,结合水文地质勘查结果与野外试验数据,应用数值模拟的预测功能,科学定量地就项目取水对地下水水位的影响及污染源对周边地下水水质的影响进行预测分析,直观反映了该项目建设对地下水环境的影响,从而为环境管理及地下水保护提供了科学依据。