蒙江

廣西有色勘察設(shè)計研究院 廣西 南寧 530000

引言

在社會持續(xù)進步過程中，化工行業(yè)飛速發(fā)展，化工區(qū)是化工行業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容，化工區(qū)日常運營中產(chǎn)生的污染物高度復(fù)雜，部分污染物可在地下水環(huán)境內(nèi)發(fā)生運移，不利于地下水環(huán)境污染控制。而利用GMS方法，可以探明化工區(qū)地下水污染物運移規(guī)律，為地下水環(huán)境污染控制提供依據(jù)。因此，研究以GMS為基礎(chǔ)的某化工區(qū)地下水污染物運移規(guī)律具有非常突出的現(xiàn)實意義。

1 GMS概述

GMS即Groundwater Modeling System，地下水模擬系統(tǒng)。GMS由Brigham young University的環(huán)境模型實驗室、美國軍工水道實驗室合作開發(fā)。從組成來看，GMS包括計算機模塊、輔助模塊[1]。其中計算機模塊包括Femwater、Modflow、Rt3dms、Seep2d、Seam3d、Utchem、Nuft等幾個部分；輔助模塊包括Pest、Ucode、Feflow等，各模塊功能如表1所示。

表1 GMS功能模塊

在多功能模塊支持下，GMS可以概念化方式完成水文地質(zhì)概念模型構(gòu)建，并自動保存輸入數(shù)據(jù)，可視化展現(xiàn)計算結(jié)果，為不同時段水位分析提供依據(jù)[2]。

2 某化工區(qū)地下水流場

2.1 化工區(qū)概況

某化工區(qū)規(guī)劃面積為18.6km2，東西跨度5.8km，南北跨度2.3km。區(qū)域分布化工廠、污水處理廠、電廠等超50家企業(yè)?；^(qū)年廢水排放量達到8.25×105t～8.35×105t，源于工業(yè)廢水、生活污水，主要成分為氨氮、化學(xué)需氧量。

化工區(qū)位于東部暖溫帶半濕潤區(qū)，區(qū)域氣候為大陸性季風氣候，冬季盛行西北風，雨雪稀少，天氣干燥；夏季盛行東南風，炎熱多雨；春秋季較短。區(qū)域多年平均氣溫12.0℃，極端最高氣溫41.8℃，極端最低氣溫-12.8℃。區(qū)域年降水量達600～620mm，主要集中在6月份到9月份?；^(qū)西側(cè)18km位置具有地表水。區(qū)域地下水處于第四系孔隙含水層，地下水多年變幅呈現(xiàn)下降趨勢，在1個水文年中，4月份到5月份水位最低，7月份到10月份水位最高，年內(nèi)水位變化幅度為1.6m～4.8m。地下水補給方式為地下徑流、大氣降水，排泄方式為人工開采、地下徑流。從地層結(jié)構(gòu)來看，化工區(qū)地層巖性主要為沖洪積沙層、卵礫石層，層間分布有粉質(zhì)黏土，自上到下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、卵石、粉土、卵石。其中素填土層部分地段為房渣土，層厚0.75～2.65m；粉質(zhì)黏土層含有機質(zhì)、云母、細砂，厚2.20～5.26m；卵石層級配較佳，內(nèi)充填中砂，相對透水，為含水層，厚10.20～18.56m；粉土層含云母，夾雜黏土，相對隔水，厚2.25～9.5m；卵石層級配較佳，夾雜細砂、粉土，相對透水，為含水層，厚22.4m。根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》GB18306，確定化工區(qū)地震動峰值加速度為0.20g。根據(jù)GB18306《中國地震動反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》，確定化工區(qū)地震反應(yīng)譜特征周期為0.40s。

2.2 GMS模型構(gòu)建

2.2.1 模型邊界。GMS模型是地下水流動系統(tǒng)的圖形化表示。因化工區(qū)含上層卵石潛水含水層、下部承壓含水層，含水層之間存在粉土層，上部潛水少于下部承壓水，可忽略上部潛水含水層垂直滲透對下部承壓水補給損耗，將化工區(qū)地下含水介質(zhì)概化為卵石含水層，模擬單層潛水卵石含水在水平方向上的各向異性，研究對象處于穩(wěn)定流狀態(tài)[3]。同時考慮到化工區(qū)周邊地表水采取防滲措施，無法作為地下水定水頭邊界，地表水體與地下水之間水力聯(lián)系中斷，可以借鑒化工區(qū)實測地下水水位繪制區(qū)域等水位線，流量邊界為化工區(qū)東部、西北部與等水位線成90°的邊界；通用水頭邊界為化工區(qū)細部、南部等水位線，含水層下邊界為同高程邊界，上邊界為潛水面。

2.2.2 單元格劃分與參數(shù)設(shè)置。根據(jù)化工區(qū)剖分起點（x方向5000.0m，Y方向4500.0m），將化工區(qū)剖分為100行、100列，單元格寬為45m，單元格長為50m。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)定化工區(qū)含水層水平向縱向滲透系數(shù)、水平各向異性系數(shù)分別為178m/d、0.78。

2.2.3 概念模型建立。根據(jù)化工區(qū)GMS模型邊界域單元格劃分情況，選擇潛水含水層穩(wěn)定流計算模型，具體如下：

式中， — 化工區(qū)地下水滲流區(qū)域；kxx— 滲透系數(shù)在x方向上的分量；h — 化工區(qū)地下水的水頭含水，m；kyy— 滲透系數(shù)在y方向上的分量；w — 源匯項，涵蓋降水入滲補給、蒸發(fā)的抽水量以及排泄量[4]。模擬中，化工區(qū)西北部與東部地下水模型采用流量邊界，流量為10-6m3/d；化工區(qū)南部、西部地下水模型采用通用水頭邊界；化工區(qū)東南部地下水模型采用定水頭邊界。

2.3 模型校驗

為確定模擬化工區(qū)地下水流量與實際地下水流場大體一致，以地下水模擬等值線、實測地下水位等值線吻合為標準，從均衡視角著手，向化工區(qū)地下水流概念模型內(nèi)輸入水文地質(zhì)參數(shù)（二維散列點文件），再經(jīng)散列點插值，將一個初始水位值賦予各單元格中心點[5]。進而運用GMS中的Modflow功能模塊觀測并驗證化工區(qū)水位，確定化工區(qū)觀測水位實測水頭在35.01～40.62m之間，計算水頭在36.42～39.55m之間，計算水頭與實測水頭誤差在-0.77～0.92m之間，兩者偏差的絕對值小于1.0m，水位擬合效果較佳。

確定水位擬合效果后，在GMS的Modflow模塊，依據(jù)野外試驗，結(jié)合化工區(qū)水文地質(zhì)報告，輸入含水層滲透系數(shù)、貯水系數(shù)，輸出模擬大氣降水入滲補給量、通用水頭總流入量、通用水頭總流出量的計算結(jié)果。獲得結(jié)果得出：模擬大氣降水入滲補給量、通用水頭總流入量、通用水頭總流出量分別為1852.25m3/d、23521.50m3/d、25623.25m3/d，誤差為-13.65m3/d，百分比誤差為0.048%。表明化工區(qū)水文地質(zhì)單元模型在水量均衡驗算補給、排泄結(jié)果與實際情況高度吻合，地下水類型為潛水，水均衡效果較佳。

3 基于GMS的某化工區(qū)地下水污染物運移規(guī)律

3.1 潛水含水層地下水污染物運移微分方程

化工區(qū)生產(chǎn)中產(chǎn)生的污染物多在處理達標后排放，一般情況下不會污染地下水，但在化工園區(qū)企業(yè)設(shè)備出現(xiàn)故障、廢水處理措施應(yīng)用不當?shù)那闆r下，化工區(qū)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)生生產(chǎn)廢水或生活污水將污染地下水[6]。同時，化工園區(qū)內(nèi)污水處理企業(yè)的污水處理池滲漏風險較大，一旦出現(xiàn)滲漏，廢水中污染物可經(jīng)地下徑流或滲透進入地下水系統(tǒng)，污染地下水生態(tài)系統(tǒng)?；诖?，在化工區(qū)地下水文地質(zhì)概念模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，可以利用GMS中的Mt3dms功能模塊，引入二維污染物在潛水含水層的遷移微分方程：

式中， — 化工區(qū)地下水滲流區(qū)域；C — 溶解相濃度；t —時間，t＞0；xj— 潛水含水層地下水；Dij— 水力彌散系數(shù)，m2/d；k — 溶質(zhì)種類； — 多孔介質(zhì)孔隙率；V — 地下水流速，m/d；CK — 第k中溶質(zhì)的溶解相濃度，μg/L；CKs — 第k中溶質(zhì)的源匯項濃度，μg/L；qs — 單位體積潛水含水層源匯項流量，d-1；R — 吸附和生物降解反應(yīng)，kg/（m3/d）。

根據(jù)化工區(qū)水質(zhì)分析結(jié)果，確定化工區(qū)污水中濃度較高的污染物為氨氮、化學(xué)需氧量，結(jié)果分別為450mg/L、780mg/L，水質(zhì)標準值為0.2mg/L、3mg/L。從污染因子濃度源、水質(zhì)標準限值兩個方面進行分析，確定化工區(qū)項目污水中氨氮對地下水環(huán)境影響最為突出?；诖?，選擇氨氮作為化工區(qū)地下水污染物遷移預(yù)測的特征因子[7]。利用GMS中的Mt3dms功能模塊自帶彌散子程序包、對流子程序包、基本運移子程序包，模擬地下水中氨氮的彌散、對流、吸附等物理遷移過程，求解過程與建立化工區(qū)地質(zhì)水文模型過程相同。在地下水污染物遷移模型構(gòu)建完畢后，進入Conceptual Model屬性欄的Transport選項，選中Mt3dms，同時在Define Species中選擇new，錄入氨氮參數(shù)，切換到3D grid模塊，選擇New simulation，促使水流模擬、水質(zhì)模擬計算相一致。

3.2 化工區(qū)地下水污染物模擬結(jié)果

根據(jù)化工區(qū)水質(zhì)資料，結(jié)合化工區(qū)水文模型計算結(jié)果，以1天為數(shù)值計算時段，以補給區(qū)賦值的方式輸入初始時刻投入的氨氮濃度，將其他位置氨氮濃度邊界、溶質(zhì)通量均設(shè)置為0，除去背景值后，在觀測點輸入實測氨氮濃度。進而經(jīng)GMS中的Mapto-Mt3dms功能按鈕，運行化工區(qū)水流模型并自動檢查、保存，規(guī)避數(shù)據(jù)計算錯誤引發(fā)的無效模擬問題。在不考慮生物降解、吸附等反應(yīng)的情況下，設(shè)定化工區(qū)氨氮泄漏源強度為450mg/L（初始濃度），輸出步長為30d、300d、3000d，限值參照《地下水質(zhì)量標準》GB/T14848，確定氨氮監(jiān)測下限值為0.02mg/L，上限值為150mg/L。輸入數(shù)據(jù)后，得出化工區(qū)氨氮泄漏達到飽和帶后地下水污染物時空分布規(guī)律，得出結(jié)果見表2。

表2 化工區(qū)地下水氨氮污染物遷移規(guī)律

由表2可知，因含水層滲透性相對較佳，化工區(qū)地下水氨氮污染物運移速度較快，在30d內(nèi)，污染面積可以達到313520m2；300d內(nèi)，污染面積可以達到1685222m2；3000d內(nèi)，污染面積可以達到7523252m2，并運移到地表水源位置。

4 結(jié)束語

綜上所述，GMS圖形界面功能強大，綜合性能優(yōu)異，可以在三維環(huán)境下透視地下水近期狀況，并模擬地下水環(huán)境，滿足化工區(qū)地下水污染物運移規(guī)律的研究需求。因此，可以在調(diào)查化工區(qū)場地地質(zhì)、水文條件的基礎(chǔ)上，利用GMS的Modflow模塊，建立化工區(qū)地下水流場（水文地質(zhì)概念模型）。在化工區(qū)地下水流場內(nèi)，利用GMS的Mt3dms模塊模擬地下水污染物運移以及含水層滲透性對地下水污染物運移的影響，確定化工區(qū)地下水污染物運移規(guī)律，為化工區(qū)地下水污染物的針對性防控提供依據(jù)。