沈阳石蜡化工有限公司厂区地下水污染模拟预测

张 平，陈彦群，黄奇文，孔令珍，吴 昊

（1.沈阳大学 建筑工程学院，辽宁 沈阳 110044；

2.东北煤田地质局勘察设计研究总院，辽宁 沈阳 110003；

3.东北煤田地质局103勘探队，辽宁 沈阳 110003）

沈阳石蜡化工有限公司厂区地下水污染模拟预测

张 平1，陈彦群2，黄奇文2，孔令珍3，吴 昊1

（1.沈阳大学 建筑工程学院，辽宁 沈阳 110044；

2.东北煤田地质局勘察设计研究总院，辽宁 沈阳 110003；

3.东北煤田地质局103勘探队，辽宁 沈阳 110003）

根据沈阳石蜡化工有限公司厂区水文地质条件以及周边农业灌溉等废水排放条件，并分析地下水污染机理，建立了地下水溶质运移数学模型，预测地下水水质时空变化特征.将含水层概化为单层非均质不等厚各向同性的二维非稳定潜水渗流系统，模拟因子确定为石油类，向水源地的运移概化为二维对流－弥散运动.模拟区边界按一类边界处理，并在厂区位加一虚拟点污染源.预测结果表明，未做防渗层条件下，随着开采时段的增长，区内各节点浓度逐渐增高，其变化幅度在近河近开采井地段较明显，但未出现预警浓度（0.05 mg／L）；加防渗层后，石油类浓度相对于原背景值将大幅减小.

地下水水质；数值模拟；模拟因子，对流—弥散，二维渗流

沈阳石蜡化工有限公司，位于沈阳市西郊经济技术开发区内.该公司拟将催化热裂解（CPP）产出的乙烯下游产品聚氯乙烯（PVC）改为聚氯乙烯（PE），投产后废水排放量为147 t／h，废渣产生量5 109 t／a.废水经处理后排入河流，通过入渗会对地下水水质产生影响.此外在厂区及周边地区还有多项补给，按其补给量的大小依次是水田及渠道水回渗补给、河流水侧向补给、地表水体渗入补给、大气降水入渗补给、侧向迳流补给和开采激发补给，特别是位于厂区附近的细河，现为沈阳市的排污河流，丰水期流量为27.63 m3／s，水质污染严重，河水呈红黑色，沿河两岸地下水水质均受污染.沈阳石蜡化工有限公司目前实际用水量406 m3／h，因此总体改造项目产品方案调整需对厂区及周边地区地下水影响进行评价，分析地下水污染的机理，对地下水水质进行模拟、预测，以便采取有效措施保护地下水水源.

1 评价区水文、气象及地质概况

评价区域位于沈阳市区的西部，总面积约212.48 km2.该地区年平均气温为7.8℃，多年平均降雨量为697.62 mm，年平均蒸发量为1 431.4 mm.浑河是本区主要河流，工作区内浑河长度为23.44 km，年平均流量为46.78 m3／s.浑河已成为浅层地下水的主要补给源之一，其水质已经成为影响浅层地下水水质的主要因素之一.细河位于本工作区浑河北，全长84 km，河宽15～25 m，河床比降0.024%.

区内第四系地层极为发育，分布广泛.全新统地层在区内大面积分布.表层岩性为粉质黏土、含砾粗砂、细砂圆砾，蕴藏着丰富的地下水，含水层岩性为砾砂、圆砾、卵石－砾砂－粗砂、细砂.区内地下水类型为松散岩类孔隙水和承压水，单井涌水量2 000～10 000 t／d，因没有连续的隔水层，上段（Q4＋Q3）含水层与下段（Q2＋Q1）含水层相互连通，水力联系密切；区内承压水主要赋存在扇中部地带和前缘带，单井涌水量2 000～5 000 t／d，水文地质剖面图如图1.

地下水的补给以垂向补给为主，侧向补给为辅.评价区中部、东部地带，含水层颗粒粗，补给条件好，水力坡度较大，渗透性能强，地下水迳流畅通，交替循环积极.评价区西部、西南部，含水层粒度细，渗透系数（K）值平均14.58 m／d.该地区过去大部分耕地为水田，由于接纳污水进行灌溉，致使灌区多数土地遭受重金属镉等污染.

图1 评价区水文地质剖面图Fig.1 Profile of hydrologic geology at valuated zoon

地下水的排泄方式有人工开采、蒸发消耗、地下迳流和河流排泄四种.根据聚类分析结果，同时考虑区内的地质条件、自然因素等诸方面影响，将全区的地下水化学类型划分为 HCO3－Ca、HCO3·Cl－Ca、HCO3·SO4·Cl－ Ca·Na（Ca·Mg）、HCO3·SO4·Cl－Na、Cl－Ca·（Ca·Mg）五类［7］.

2 地下水水质模拟

2.1 地下水溶质运移数学模型

描述本区内二维流场二维弥散的对流－弥散溶质运移数学模型为［1－5］：

式中，ρ为计算点各时段质量浓度，g／L；D为水动力弥散系数，m／d；αL，αT分别为纵向弥散度和横向弥散度，m；Γ1为一类边界；u为地下水实际流速，m／d；n为含水层有效孔隙度；Ω为计算区域；Q为水量 m3／d；ρ1，ρ2，ρ3，ρ4，ρ5分别为降水、地表河流、稻田入渗、虚拟点源入渗、井开采水水中所含溶质的质量浓度值，mg／L；Ic为源汇项，mg／d；h为水头，m；K为渗透系数，m／d.

本次采用有限差分法对溶质运移方程的求解，利用Visual Modflow软件中的溶质运移模型MT2D程序软件包进行模拟.MT3D模拟单项污染物质在地下水中的迁移、扩散和一些化学反应产生的浓度变化.

2.2 地下水污染机理

研究区内浑河、细河以线状，水田灌溉以面状入渗补给Q4潜水含水层，污染的地表水可视为对Q4潜水构成潜在的污染.Q3、Q1层为局部半承压或承压含水层，该层为市政水源地的主要开采层.在开采条件下，Q4层地下水所携带的污染质在透过Q4与Q3之间弱透水层时，或存在天窗的情况下，入渗到Q3层和Q1层，这其中会有一部分污染质被综合吸附或吸收.本次模拟采用的是石油类作为特征污染物.石油是一种含有多种烃类的复杂有机混合物，地下水中石油类污染具有隐显性、去除困难、污染场地条件差异性的特点，决定了其在自然状况下难于降解.场地土壤为砂类土，渗透的路径较短，也限制了石油类污染物在自然降解，总体降解吸附的量可以忽略不计［6］.为了使模拟预测结果用于区域地下水水质评价更安全，地下水遭受污染的风险更低.所以本次模拟未考虑污染物的降解、吸咐等作用，并将第四系含水系统视为同一潜水含水层来处理.

2.3 模拟时段、因子、边界的确定

地下水渗流是以垂向补排为主，侧向补排次之，与浑河有水力联系边界，侧向径流较弱，主要含水层为第四系松散沉积物为主的砂和砂砾卵石构成，因此，含水层可概化为单层非均质不等厚各向同性的二维非稳定潜水渗流系统.模拟的污染因子确定为石油类，向水源地的运移可概化为二维对流－弥散运动.在模拟时不考虑石油类在地下水的的吸附、降解作用 ，直接参与模拟.依据各补给、排泄项在时间上的分布规律划分8个模拟时段，水质预测剖分网格图见图2.

图2 地下水水质预测部分网格图Fig.2 Forecasting subdivision graticule figure of underwater quality

模拟区边界按一类边界处理，其资料取边界上部分观测井孔的实测水质分析化验资料，并据此进行插值计算.模拟区的源汇项主要有大气降水、地表水体对Q4层的渗入补给，此次将沈阳石蜡化工有限公司作为虚拟点源污染处理，在垂向上忽略蒸发排泄对潜水水质影响.

2.4 有关模型中数据的处理

以2005年4月末石油类实测浓度为初始浓度，2005年4月末至2006年4月末的实测浓度作为一类边界的石油类浓度值.在源汇项中，将明显高于其周围浓度的井点、虚拟点源和地表河流沿线处理为点源；将降水、稻田区处理为净补给溶质浓度.含水层的渗透系数、给水度等参数见表1.

本次水质模拟计算中，有效孔隙度用给水度代替.弥散度是收集了本研究区附近所做的现场弥散试验资料，其弥散度确定为αL＝0.19～0.47 m，αT＝0.09～0.23 m.将本研究区的具体水文地质条件与弥散试验现场的水文地质条件相比拟，最终确定此参数分区和赋值.

表1 含水层水文地质参数Table 1 Hydrogeologic paramelter of aquifar

2.5 水质模拟与模型验证

采用2005年4月末至2006年4月末的实测浓度作为本次调参和模型验证.为控制全区流场和溶质分布，选取12眼潜水水质观测井，以期对模型参数进行识别.模拟的结果是80%以上的井孔其相对误差小于50%.

3 地下水水质预测

3.1 未做防渗层条件下地下水水质预测

蜡化公司污水处理厂以前总入口污水石油类最大质量浓度为800 mg／L，考虑最不利条件，模拟时在沈阳市石蜡厂区位加一虚拟点污染源（800 mg／L）.在现有开采条件下，未做防渗层的条件运行模型来预测石油类浓度的时空变化.表2为距厂区最近水源地某处潜水水质预测结果.

由模拟结果可以看出，石蜡厂区一旦发生突发污染地下水的事件，对距离最近的水源地潜水水质有影响，并朝着影响越来越显著方向发展；假设石油类持续渗漏，随着开采时段的增长，区内各节点浓度逐渐增高，其变化幅度在近河近开采井地段较明显，尤其以开发区水源突出，但未出现预警质量浓度（0.05 mg／L）.

表2 水源地A010处潜水水质预测结果Table 2 Forecasting result of phreatic water quality of water source zoon at A010

3.2 防渗层完成后地下水水质预测

防渗层的渗透系数K＜10－9m／s，在无降解与吸附时污水穿透防渗层（厚度为0.5 m时）的时间在理想状态下为15.85年，假如由于施工等因素造成防渗层内产生一定数量的裂隙，设裂隙率为1%（实际条件远小于此），对区内地下水水质进行预测.表3为距厂区最近水源地某处潜水水质预测结果.由此可见，加防渗层后，石油类浓度相对于原背景值将大幅减小［7］.

表3 水源地A010处在CPP加防渗层后潜水水质预测结果Table 3 Forecasting result of phreatic water quality of water source zoon at A010 after constructing impermeable layer on CPP

4 结 论

（1）对地下水水质模拟的结果表明地下水系统水质演化机理主要受地下水水位动态变化、区内人工形成的地下水流场变化和地下水系统外界环境所控制.外界环境向地下水系统输入污染源，水质变化的水动力条件是地下水水位动态特征和地下水流场.近岸地下水中氨氮含量高，表明氨氮长期超标的地表水体污染了近岸的地下水体.

（2）在厂区位加一虚拟点污染源后，污染物表现出向邻近水源地的开采井区运移趋势，对该水源地潜水水质有影响，并朝着影响越来越显著方向发展，必须监控，防患于未然.

（3）研究区的地下水系统由于处于不同的水文地质单元，它们的岩性与结构不同，第四纪地层渗透性能有很大差别，表现出地下水系统的天然防护功能各异.在区内近一级阶地的地区，地下水系统的天然防护功能较强，属于地下水易污性较弱区；地下水易污性一般地区主要分布在高漫滩区，沈阳市石蜡厂位于此区，其污染途径主要表现为通过地表水体入渗至含水层.

（4）本次模拟采用的是石油类作为特征污染物，同时未考虑污染物的降解、吸咐等作用，指示剂的运移速度要大于污染物的运移速度，所以这种保守评价方法对本次地下水水质预测评价是有效的.

［1］ 王康.非饱和土壤水流运动及溶质迁移［M］.北京：科学出版社，2010：217－246.

［2］ 朱学愚，谢春红.地下水运移模型［M］.北京：中国建筑工业出版社，1990：158－189.

［3］ 朱学愚，钱孝星.地下水水文学［M］.北京：中国环境科学出版社，2005：205－256.

［4］ 芮孝芳.水文学原理［M］.北京：中国水利水电出版社，2008：80－103.

［5］ 彭泽洲，杨天行，梁秀娟，等.水环境数学模型及其应用［M］.北京：化学工业出版社，2007：169－202.

［6］ 龚春生，姚琪，赵棣华，等.浅水湖平面二维水流－水质－底泥污染模型研究［J］.水科学进展，2006（4）：496－500.

［7］ 辽宁省沈阳矿区总体规划环境影响报告［R］.沈阳：沈阳环境科学研究院，2010.

Simulation Forecasting of Underground Water Contamination at Factory District of Shenyang Paraffin Wax Chemical Limited Company

ZHANGPing 1，CHENYanqun 2，HUANGQiwen 2，KONGLingzhen 3，WUHao 1
（1.Architectural and Civil Engineering College，Shenyang University，Shenyang 110044，China；2.Exploration and Design Institute，Northeast Coalfield Geological Bureau，Shenyang 110003，China；3.The 103th Exploration Team，Northeast Coalfield Geological Bureau，Shenyang 110003，China）

According to hydrogeological conditions at factory district of Shenyang Paraffin wax Chemical Limited Company as well as wastewater discharging conditions of peripheral agricultural irrigation，the underground water contamination mechanism was analyzed；the ground water solute migration mathematical model was established；and the temporal and spatial variation characteristic of ground water quality was forecasted.The aquifer was generalized single layer and non－homogeneous and unequal thickness and isotropic two－dimensional unsteady infiltration flow underwater system，the simulation factor was determined for petroleum classes，the movement to the water source place was generalized the two－dimensional convection－dissemination movement.The simulation boundary area was treated as the first kind area，and a hypothesized point pollution source was added at the plant area.The forecasting result indicates that under the non－impermeable layer condition，the density of every spot in the area has been gradually increasing along with the mining time's growth.Its rangeability was very obvious at near river and near mining well sector，but warning density（0.05 mg／L）was emerged；After constructing a impermeable layer，the density of petroleum class was significantly reduced relatively to the original background value.

groundwater quality；numerical simulation；simulation factor；convection－diffusion；twodimensional seepage

TV 211.1＋2

A

1008－9225201201－0048－05

2011－03－29

张 平（1963－），男，辽宁黑山人，沈阳大学副教授.

祝 颖】