基于GMS的某化工区地下水污染物运移规律研究

蒙江

广西有色勘察设计研究院 广西 南宁 530000

引言

在社会持续进步过程中，化工行业飞速发展，化工区是化工行业发展的重要内容，化工区日常运营中产生的污染物高度复杂，部分污染物可在地下水环境内发生运移，不利于地下水环境污染控制。而利用GMS方法，可以探明化工区地下水污染物运移规律，为地下水环境污染控制提供依据。因此，研究以GMS为基础的某化工区地下水污染物运移规律具有非常突出的现实意义。

1 GMS概述

GMS即Groundwater Modeling System，地下水模拟系统。GMS由Brigham young University的环境模型实验室、美国军工水道实验室合作开发。从组成来看，GMS包括计算机模块、辅助模块[1]。其中计算机模块包括Femwater、Modflow、Rt3dms、Seep2d、Seam3d、Utchem、Nuft等几个部分；辅助模块包括Pest、Ucode、Feflow等，各模块功能如表1所示。

表1 GMS功能模块

在多功能模块支持下，GMS可以概念化方式完成水文地质概念模型构建，并自动保存输入数据，可视化展现计算结果，为不同时段水位分析提供依据[2]。

2 某化工区地下水流场

2.1 化工区概况

某化工区规划面积为18.6km2，东西跨度5.8km，南北跨度2.3km。区域分布化工厂、污水处理厂、电厂等超50家企业。化工区年废水排放量达到8.25×105t～8.35×105t，源于工业废水、生活污水，主要成分为氨氮、化学需氧量。

化工区位于东部暖温带半湿润区，区域气候为大陆性季风气候，冬季盛行西北风，雨雪稀少，天气干燥；夏季盛行东南风，炎热多雨；春秋季较短。区域多年平均气温12.0℃，极端最高气温41.8℃，极端最低气温-12.8℃。区域年降水量达600～620mm，主要集中在6月份到9月份。化工区西侧18km位置具有地表水。区域地下水处于第四系孔隙含水层，地下水多年变幅呈现下降趋势，在1个水文年中，4月份到5月份水位最低，7月份到10月份水位最高，年内水位变化幅度为1.6m～4.8m。地下水补给方式为地下径流、大气降水，排泄方式为人工开采、地下径流。从地层结构来看，化工区地层岩性主要为冲洪积沙层、卵砾石层，层间分布有粉质黏土，自上到下依次为素填土、粉质黏土、卵石、粉土、卵石。其中素填土层部分地段为房渣土，层厚0.75～2.65m；粉质黏土层含有机质、云母、细砂，厚2.20～5.26m；卵石层级配较佳，内充填中砂，相对透水，为含水层，厚10.20～18.56m；粉土层含云母，夹杂黏土，相对隔水，厚2.25～9.5m；卵石层级配较佳，夹杂细砂、粉土，相对透水，为含水层，厚22.4m。根据《中国地震动峰值加速度区划图》GB18306，确定化工区地震动峰值加速度为0.20g。根据GB18306《中国地震动反应谱特征周期区划图》，确定化工区地震反应谱特征周期为0.40s。

2.2 GMS模型构建

2.2.1 模型边界。GMS模型是地下水流动系统的图形化表示。因化工区含上层卵石潜水含水层、下部承压含水层，含水层之间存在粉土层，上部潜水少于下部承压水，可忽略上部潜水含水层垂直渗透对下部承压水补给损耗，将化工区地下含水介质概化为卵石含水层，模拟单层潜水卵石含水在水平方向上的各向异性，研究对象处于稳定流状态[3]。同时考虑到化工区周边地表水采取防渗措施，无法作为地下水定水头边界，地表水体与地下水之间水力联系中断，可以借鉴化工区实测地下水水位绘制区域等水位线，流量边界为化工区东部、西北部与等水位线成90°的边界；通用水头边界为化工区细部、南部等水位线，含水层下边界为同高程边界，上边界为潜水面。

2.2.2 单元格划分与参数设置。根据化工区剖分起点（x方向5000.0m，Y方向4500.0m），将化工区剖分为100行、100列，单元格宽为45m，单元格长为50m。根据以往设计经验，设定化工区含水层水平向纵向渗透系数、水平各向异性系数分别为178m/d、0.78。

2.2.3 概念模型建立。根据化工区GMS模型边界域单元格划分情况，选择潜水含水层稳定流计算模型，具体如下：

式中， — 化工区地下水渗流区域；kxx— 渗透系数在x方向上的分量；h — 化工区地下水的水头含水，m；kyy— 渗透系数在y方向上的分量；w — 源汇项，涵盖降水入渗补给、蒸发的抽水量以及排泄量[4]。模拟中，化工区西北部与东部地下水模型采用流量边界，流量为10-6m3/d；化工区南部、西部地下水模型采用通用水头边界；化工区东南部地下水模型采用定水头边界。

2.3 模型校验

为确定模拟化工区地下水流量与实际地下水流场大体一致，以地下水模拟等值线、实测地下水位等值线吻合为标准，从均衡视角着手，向化工区地下水流概念模型内输入水文地质参数（二维散列点文件），再经散列点插值，将一个初始水位值赋予各单元格中心点[5]。进而运用GMS中的Modflow功能模块观测并验证化工区水位，确定化工区观测水位实测水头在35.01～40.62m之间，计算水头在36.42～39.55m之间，计算水头与实测水头误差在-0.77～0.92m之间，两者偏差的绝对值小于1.0m，水位拟合效果较佳。

确定水位拟合效果后，在GMS的Modflow模块，依据野外试验，结合化工区水文地质报告，输入含水层渗透系数、贮水系数，输出模拟大气降水入渗补给量、通用水头总流入量、通用水头总流出量的计算结果。获得结果得出：模拟大气降水入渗补给量、通用水头总流入量、通用水头总流出量分别为1852.25m3/d、23521.50m3/d、25623.25m3/d，误差为-13.65m3/d，百分比误差为0.048%。表明化工区水文地质单元模型在水量均衡验算补给、排泄结果与实际情况高度吻合，地下水类型为潜水，水均衡效果较佳。

3 基于GMS的某化工区地下水污染物运移规律

3.1 潜水含水层地下水污染物运移微分方程

化工区生产中产生的污染物多在处理达标后排放，一般情况下不会污染地下水，但在化工园区企业设备出现故障、废水处理措施应用不当的情况下，化工区内企业产生生产废水或生活污水将污染地下水[6]。同时，化工园区内污水处理企业的污水处理池渗漏风险较大，一旦出现渗漏，废水中污染物可经地下径流或渗透进入地下水系统，污染地下水生态系统。基于此，在化工区地下水文地质概念模型构建的基础上，可以利用GMS中的Mt3dms功能模块，引入二维污染物在潜水含水层的迁移微分方程：

式中， — 化工区地下水渗流区域；C — 溶解相浓度；t —时间，t＞0；xj— 潜水含水层地下水；Dij— 水力弥散系数，m2/d；k — 溶质种类； — 多孔介质孔隙率；V — 地下水流速，m/d；CK — 第k中溶质的溶解相浓度，μg/L；CKs — 第k中溶质的源汇项浓度，μg/L；qs — 单位体积潜水含水层源汇项流量，d-1；R — 吸附和生物降解反应，kg/（m3/d）。

根据化工区水质分析结果，确定化工区污水中浓度较高的污染物为氨氮、化学需氧量，结果分别为450mg/L、780mg/L，水质标准值为0.2mg/L、3mg/L。从污染因子浓度源、水质标准限值两个方面进行分析，确定化工区项目污水中氨氮对地下水环境影响最为突出。基于此，选择氨氮作为化工区地下水污染物迁移预测的特征因子[7]。利用GMS中的Mt3dms功能模块自带弥散子程序包、对流子程序包、基本运移子程序包，模拟地下水中氨氮的弥散、对流、吸附等物理迁移过程，求解过程与建立化工区地质水文模型过程相同。在地下水污染物迁移模型构建完毕后，进入Conceptual Model属性栏的Transport选项，选中Mt3dms，同时在Define Species中选择new，录入氨氮参数，切换到3D grid模块，选择New simulation，促使水流模拟、水质模拟计算相一致。

3.2 化工区地下水污染物模拟结果

根据化工区水质资料，结合化工区水文模型计算结果，以1天为数值计算时段，以补给区赋值的方式输入初始时刻投入的氨氮浓度，将其他位置氨氮浓度边界、溶质通量均设置为0，除去背景值后，在观测点输入实测氨氮浓度。进而经GMS中的Mapto-Mt3dms功能按钮，运行化工区水流模型并自动检查、保存，规避数据计算错误引发的无效模拟问题。在不考虑生物降解、吸附等反应的情况下，设定化工区氨氮泄漏源强度为450mg/L（初始浓度），输出步长为30d、300d、3000d，限值参照《地下水质量标准》GB/T14848，确定氨氮监测下限值为0.02mg/L，上限值为150mg/L。输入数据后，得出化工区氨氮泄漏达到饱和带后地下水污染物时空分布规律，得出结果见表2。

表2 化工区地下水氨氮污染物迁移规律

由表2可知，因含水层渗透性相对较佳，化工区地下水氨氮污染物运移速度较快，在30d内，污染面积可以达到313520m2；300d内，污染面积可以达到1685222m2；3000d内，污染面积可以达到7523252m2，并运移到地表水源位置。

4 结束语

综上所述，GMS图形界面功能强大，综合性能优异，可以在三维环境下透视地下水近期状况，并模拟地下水环境，满足化工区地下水污染物运移规律的研究需求。因此，可以在调查化工区场地地质、水文条件的基础上，利用GMS的Modflow模块，建立化工区地下水流场（水文地质概念模型）。在化工区地下水流场内，利用GMS的Mt3dms模块模拟地下水污染物运移以及含水层渗透性对地下水污染物运移的影响，确定化工区地下水污染物运移规律，为化工区地下水污染物的针对性防控提供依据。