地下水环境影响评价理论研究

王建琴　杨武成

摘要：介绍地下水环境污染的影响因素及地下水环境影响评价方法，在此基础上建立地下水环境影响评价的数学模型及其求解原理，并模拟地下水流场与实际流场的拟合，通过设定污染源来预测污染物对地下水造成的污染情况，分析预测结果可为采取一定的防护措施提供科学的依据。

关键词：地下水；环境影响评价；影响因素；数值模拟；相关参数

中图分类号：X824 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）02-0053-03

近几十年来，随着我国经济社会的快速发展和城市化进程的不断加快，工业“三废”的排放、农药及化肥的大面积施用、生活垃圾和污水的大量排放导致大部分水体受到污染，由此造成的地下水环境污染问题日趋严重。保护地下水环境，首先要从环境影响评价工作做起。为贯彻《中华人民共和国环境保护法》《中华人民共和国水污染防治法》《中华人民共和国环境影响评价法》和《建设项目环境保护管理条例》，保护环境，防治污染，规范地下水环境影响评价工作，环保部于2011年2月11日发布了《环境影响评价技术导则 地下水环境》，揭开了我国保护地下水环境的新的一页。由于进行地下水环境影响预测和评价需要大量的水文地质因素和参数，因此地下水的环境影响预测一级评价和二级评价主要是通过数值模拟来完成的。

《环境影响评价技术导则 地下水环境》的发布填补了中国现行环境影响评价技术标准对地下隐蔽环境进行影响分析评价的空白，标志着中国环境影响评价工作已从关注地表以上可见的（或可听的）环境影响，逐渐向地下隐蔽的环境影响延伸，是中国构建环保全方位立体空间污染防范体系的又一新举措。地下水环境影响评价的目的，就是预测和评价建设项目实施过程中对地下水环境可能造成的直接影响和间接危害（包括地下水污染、地下水流场或地下水位变化），并针对这种影响和危害提出防治对策，预防与控制环境恶化，保护地下水资源，为建设项目选址决策、工程设计和环境管理提供科学依据。

1 人类活动对地下水环境的影响

环境是人类社会生存和发展的基础，开发建设是人类维持生存、争取发展的手段，因此开发建设必然是人类影响环境的最重要、最经常的形式。从根本上来说，环境问题是随着开发建设而产生的。地下水的大规模开发利用、矿山开采、工农业生产、水工建筑及其他工程项目对地下水环境具有很大影响。

1.1 建设项目大规模开采

大规模开采地下水导致水量减少、水源枯竭、区域性地下水水位下降，以至引起地面沉降、地下缺氧等，并会导致海水入侵、地下水质污染等公害。造成地下水水位下降的原因主要有：对开发区水文地质和水资源论证评价的认识不符合实际，地下水开采量长期超过补给量，人为原因造成水文地质条件的改变等。

长期开采利用地下水会导致水质发生变化。其原因主要有：不同成分水的混合；含水层水动力条件的改变对地下水水质的影响；饮水工程本身对水质的影响；包气带金属矿物氧化产物的进入。

1.2 工业生产

工业生产对地下水的污染主要来自工业生产的废物，包括工业废水及固体废弃物的渗漏、偶然事件的发生等。其中最严重的污染途径是渗漏，这为废水向包气带土壤及含水层中渗入提供了很好的机会。

1.3 农业活动

一是农业灌溉对地下水动态平衡的影响。灌溉使渗透补给增加，由于水文地质条件及灌溉工程的条件不同，排水好的地区将会增加含水层水头变化幅度，排水条件差的地区会导致地下水位的上升，无排水条件的地区主要靠蒸发排水，因此会产生水化学动态变化而导致土壤盐碱化。二是人类农业活动对地下水的污染。大量的废弃物和地下水溶混在一起，使地下水的水质发生了变化。这与农田分布广面积大、施肥灌溉及农药的使用有着密切的关系，农药中的杀虫剂、除草剂、杀菌剂等都会造成地下水的污染。

1.4 矿山开采

露天矿床的开采大大地改变了地表的形态，含水层中弱透水层的渗透性能得到了提高。露天开采既要把矿藏上面的含水层打开，又要大幅度降低矿藏下面的含水层的水头，这样的开采方式改变了地下水的补给、径流与排泄途径。

地下固体矿藏的开采使地下水中化学成分的形成作用发生变化。地下水位的下降还会导致岩石变形断裂及地面沉降，对地面建筑造成不可预测的破坏性。

1.5 其他活动

水工建筑物的建设和区域性调水也会对地下水造成一定的影响。水库的建设改变了含水层之间的水力联系和地下水补给、径流与排泄的条件；一些工程的建设使地下水水质恶化，以致直接影响生活饮用水质量。

2 地下水环境影响评价方法

2.1 地下水水质评价方法

地下水水质评价方法可分为单项评价法和综合评价法。1） 单项评价方法即单因子指数法，是对单个指标进行分析评价。该方法评价模式简单，计算简便，评价结果可以直观地反映超标因子，且可以清晰判断出主要污染因子和主要污染区域。2） 综合评价法能全面、综合地反映、评价水体的整体状况，主要有综合指数法、模糊综合评判法、人工神经网络模型、灰色聚类法及多种方法耦合的评价方法。

2.2 地下水环境影响预测模式

地下水环境影响评价的一般模式是分析造成影响的因素，如工程项目规模、工程建设的排污特征、主要污染组分及污染物的迁移转化规律等。利用这些因素对地下水污染状况进行预测和风险分析，并提出相关的地下水污染防治方案和措施。地下水环境的影响评价是涉及多目标、多因素的复杂工作，针对影响因素的预测就有多种方法，如较简单的类比分析法、情景分析法，较复杂的环境数学模型法、水文地球化学方法，还有可持续发展能力评估、环境承载力分析等。

3 Visual MODFLOW在地下水环境影响评价中的应用

3.1 Visual MODFLOW的理论基础

MODFLOW是一个三维有限差分地下水流动模型，其理论方程为：

Kxx

+Kyy

+Kzz

-W=SS （1）

式中：Kxx，Kyy，Kzz分别为沿x，y，z坐标轴方向的水力传导率；h为水头；W为在非平衡状态下通过均质、各向同性土壤介质单位体积的流量，表示地下水的源和汇；Ss为多孔介质的贮水系数；t为时间。

对于三维稳定流动，MODPATH的质量平衡方程可用有效孔隙率和渗流流速表示：

++=W （2）

式中：Vx，Vy，Vz分别为线性流动流速矢量在x，y，z坐标轴方向的分量；n为含水层有效孔隙率，%；W为由含水层内部单位体积源和汇产生的水量。

污染物运移模型MT3D的基本方程为：

=Dij

-（ViC）+CS+∑Rk （3）

式中：C为溶于水中的地下水污染物浓度；t为时间；xi为沿坐标轴各方向的距离；Dij为水力扩散系数；Vi为地下水渗流速度；qi为源和汇的单位流量；Cs为源和汇的浓度；P为含水层孔隙率，%；∑Rk为化学反应项。

3.2 地下水流数值模型

3.2.1 区域剖分 对模型整个区域的网格间距进行剖分，计算模型区域有效单元的个数。

3.2.2 边界条件的设定 每个模型要求有一个合适的边界条件来表达系统与周围环境的关系。地下水流模型边界条件描述了模型与外部系统之间水流的交换，主要有水流边界条件和运移边界条件。1） 水流边界条件包括定水头、河流、河网、变水头、排水沟、防渗墙、补给、蒸散等边界条件。其中：定水头边界条件用来确定选中网格单元的水头值，使之作为进入系统的无限水源或者离开系统的无限汇点。河流边界条件用来模拟地表水体对地下水流的影响。河网边界条件用来计算河网中的总流量，并模拟地表水体和地下水体的相互作用。2） 运移边界条件包括定浓度、补给浓度、蒸发浓度、电源等边界条件。其中：定浓度边界条件可以概化为一个污染源，使已知浓度的污染物向研究区排放；在某些情况下，定浓度边界条件也可概化为将溶质移出模拟区，由测定研究区边界的溶质浓度值给出。补给浓度可表示为一定时期内排放到研究区的溶质浓度。蒸发蒸腾浓度边界条件表明在溶质运移模型中指定的、伴随着蒸发蒸腾作用的不同种类溶质的浓度。点源边界条件表示考虑水流边界条件影响下的不同种类溶质的浓度。

3.2.3 模型识别与验证原则 受工作条件限制，模型不可能精确刻画出研究区的地下水流系统，模型的识别与验证主要遵循以下原则：1） 模拟的地下水流场基本一致，即要求地下水模拟等值线与实测等值线形状相似；2） 识别的水文地质参数要符合客观水文地质条件。

3.2.4 模拟识别与验证 对计算区进行初步参数分区得到稳定流场后，对模型进行识别，以验证该流场能否全面、客观地表征评价区实际的水文地质条件。通过对模型进行反演拟合，优化调整后确定的水文地质参数较好地刻画了地下水系统的水文地质特征；在最优反演参数的基础上，将模拟水位值与研究区工程勘探孔及现状调查实测水位值进行拟合分析，结果表明，模拟值与实际值拟合情况较好，水位拟合误差较小，基本反映了地下水随时间和空间的变化规律，达到了预期效果。

3.3 污染结果预测

采用Visual MODFLOW软件建立水流模型，利用软件中的MT3DMS模块进一步模拟预测地下水中污染物的运移情况。根据污染情况，对溶质进行污染物运移模拟，在模型中将污染源概化为补给浓度边界。

3.3.1 地下水溶质运移数学模型 地下水中溶质运移的数学模型公式为：

ne=nDij

-（nCVi）±C′W （4）

式中：Dij=αijmn，其中αijmn为含水层的弥散度，Vm和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。

联合求解水流方程和溶质运移方程就可得到污染质的空间分布。

在识别后的水流模型基础上，根据现场弥散试验，并结合模拟区岩性及网格剖分的大小，对污染质运移的弥散参数进行识别。根据化工风险分析的情景设计，确定主要污染源分布位置，选定优先控制污染物，按正常工况、非正常工况和事故风险3种情况，分别对地下水污染物在不同时段的扩散范围、超标范围的时间进行模拟预测。

3.3.2 污染源源强设定 考虑厂区可能出现的污染事故点对地下水造成污染的因素较复杂，在设计可能出现的事故情景时，重点考虑发生污染危险可能性较大的工况以及由不同污染物迁移对周围地下水环境产生影响的排泄点。

3.3.3 模拟结果分析 地下水影响评价一般参照《地下水质量标准》（GB/T 14848—93）中的各类标的标准限值，在地下水环境影响预测结果图中标识出地下水污染物超标的浓度范围。为了体现出污染物对地下水存在污染但污染不超标，即对地下水产生了影响，一般参照污染物的检出限值，在预测结果图中标识出该范围。当预测结果小于检出限时，则视同对地下水环境几乎没有影响。

4 结论

由于人类活动的不合理性导致地下水环境恶化现象频繁出现，含水层的点源和非点源污染问题越来越严重。地下水污染引发的一系列生态环境问题制约着人类社会、人与自然的和谐发展，因此，加强对地下水环境的研究与评价，是必要的、迫切的。数学模型是环评中间接影响评价的有效手段，将数学模型应用于地下水环评中可以有效地对地下水的环境影响进行分析预测，改进地下水环评的定量分析能力，提高地下水环评中多方案比选时的排序能力，有利于得出地下水环境保护的最优方案，为促进资源环境和经济的综合决策提供有力保障。

Kxx

+Kyy

+Kzz

-W=SS （1）

式中：Kxx，Kyy，Kzz分别为沿x，y，z坐标轴方向的水力传导率；h为水头；W为在非平衡状态下通过均质、各向同性土壤介质单位体积的流量，表示地下水的源和汇；Ss为多孔介质的贮水系数；t为时间。

对于三维稳定流动，MODPATH的质量平衡方程可用有效孔隙率和渗流流速表示：

++=W （2）

式中：Vx，Vy，Vz分别为线性流动流速矢量在x，y，z坐标轴方向的分量；n为含水层有效孔隙率，%；W为由含水层内部单位体积源和汇产生的水量。

污染物运移模型MT3D的基本方程为：

=Dij

-（ViC）+CS+∑Rk （3）

式中：C为溶于水中的地下水污染物浓度；t为时间；xi为沿坐标轴各方向的距离；Dij为水力扩散系数；Vi为地下水渗流速度；qi为源和汇的单位流量；Cs为源和汇的浓度；P为含水层孔隙率，%；∑Rk为化学反应项。

3.2 地下水流数值模型

3.2.1 区域剖分 对模型整个区域的网格间距进行剖分，计算模型区域有效单元的个数。

3.2.2 边界条件的设定 每个模型要求有一个合适的边界条件来表达系统与周围环境的关系。地下水流模型边界条件描述了模型与外部系统之间水流的交换，主要有水流边界条件和运移边界条件。1） 水流边界条件包括定水头、河流、河网、变水头、排水沟、防渗墙、补给、蒸散等边界条件。其中：定水头边界条件用来确定选中网格单元的水头值，使之作为进入系统的无限水源或者离开系统的无限汇点。河流边界条件用来模拟地表水体对地下水流的影响。河网边界条件用来计算河网中的总流量，并模拟地表水体和地下水体的相互作用。2） 运移边界条件包括定浓度、补给浓度、蒸发浓度、电源等边界条件。其中：定浓度边界条件可以概化为一个污染源，使已知浓度的污染物向研究区排放；在某些情况下，定浓度边界条件也可概化为将溶质移出模拟区，由测定研究区边界的溶质浓度值给出。补给浓度可表示为一定时期内排放到研究区的溶质浓度。蒸发蒸腾浓度边界条件表明在溶质运移模型中指定的、伴随着蒸发蒸腾作用的不同种类溶质的浓度。点源边界条件表示考虑水流边界条件影响下的不同种类溶质的浓度。

3.2.3 模型识别与验证原则 受工作条件限制，模型不可能精确刻画出研究区的地下水流系统，模型的识别与验证主要遵循以下原则：1） 模拟的地下水流场基本一致，即要求地下水模拟等值线与实测等值线形状相似；2） 识别的水文地质参数要符合客观水文地质条件。

3.2.4 模拟识别与验证 对计算区进行初步参数分区得到稳定流场后，对模型进行识别，以验证该流场能否全面、客观地表征评价区实际的水文地质条件。通过对模型进行反演拟合，优化调整后确定的水文地质参数较好地刻画了地下水系统的水文地质特征；在最优反演参数的基础上，将模拟水位值与研究区工程勘探孔及现状调查实测水位值进行拟合分析，结果表明，模拟值与实际值拟合情况较好，水位拟合误差较小，基本反映了地下水随时间和空间的变化规律，达到了预期效果。

3.3 污染结果预测

采用Visual MODFLOW软件建立水流模型，利用软件中的MT3DMS模块进一步模拟预测地下水中污染物的运移情况。根据污染情况，对溶质进行污染物运移模拟，在模型中将污染源概化为补给浓度边界。

3.3.1 地下水溶质运移数学模型 地下水中溶质运移的数学模型公式为：

ne=nDij

-（nCVi）±C′W （4）

式中：Dij=αijmn，其中αijmn为含水层的弥散度，Vm和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。

联合求解水流方程和溶质运移方程就可得到污染质的空间分布。

在识别后的水流模型基础上，根据现场弥散试验，并结合模拟区岩性及网格剖分的大小，对污染质运移的弥散参数进行识别。根据化工风险分析的情景设计，确定主要污染源分布位置，选定优先控制污染物，按正常工况、非正常工况和事故风险3种情况，分别对地下水污染物在不同时段的扩散范围、超标范围的时间进行模拟预测。

3.3.2 污染源源强设定 考虑厂区可能出现的污染事故点对地下水造成污染的因素较复杂，在设计可能出现的事故情景时，重点考虑发生污染危险可能性较大的工况以及由不同污染物迁移对周围地下水环境产生影响的排泄点。

3.3.3 模拟结果分析 地下水影响评价一般参照《地下水质量标准》（GB/T 14848—93）中的各类标的标准限值，在地下水环境影响预测结果图中标识出地下水污染物超标的浓度范围。为了体现出污染物对地下水存在污染但污染不超标，即对地下水产生了影响，一般参照污染物的检出限值，在预测结果图中标识出该范围。当预测结果小于检出限时，则视同对地下水环境几乎没有影响。

4 结论

由于人类活动的不合理性导致地下水环境恶化现象频繁出现，含水层的点源和非点源污染问题越来越严重。地下水污染引发的一系列生态环境问题制约着人类社会、人与自然的和谐发展，因此，加强对地下水环境的研究与评价，是必要的、迫切的。数学模型是环评中间接影响评价的有效手段，将数学模型应用于地下水环评中可以有效地对地下水的环境影响进行分析预测，改进地下水环评的定量分析能力，提高地下水环评中多方案比选时的排序能力，有利于得出地下水环境保护的最优方案，为促进资源环境和经济的综合决策提供有力保障。

Kxx

+Kyy

+Kzz

-W=SS （1）

式中：Kxx，Kyy，Kzz分别为沿x，y，z坐标轴方向的水力传导率；h为水头；W为在非平衡状态下通过均质、各向同性土壤介质单位体积的流量，表示地下水的源和汇；Ss为多孔介质的贮水系数；t为时间。

对于三维稳定流动，MODPATH的质量平衡方程可用有效孔隙率和渗流流速表示：

++=W （2）

式中：Vx，Vy，Vz分别为线性流动流速矢量在x，y，z坐标轴方向的分量；n为含水层有效孔隙率，%；W为由含水层内部单位体积源和汇产生的水量。

污染物运移模型MT3D的基本方程为：

=Dij

-（ViC）+CS+∑Rk （3）

式中：C为溶于水中的地下水污染物浓度；t为时间；xi为沿坐标轴各方向的距离；Dij为水力扩散系数；Vi为地下水渗流速度；qi为源和汇的单位流量；Cs为源和汇的浓度；P为含水层孔隙率，%；∑Rk为化学反应项。

3.2 地下水流数值模型

3.2.1 区域剖分 对模型整个区域的网格间距进行剖分，计算模型区域有效单元的个数。

3.2.2 边界条件的设定 每个模型要求有一个合适的边界条件来表达系统与周围环境的关系。地下水流模型边界条件描述了模型与外部系统之间水流的交换，主要有水流边界条件和运移边界条件。1） 水流边界条件包括定水头、河流、河网、变水头、排水沟、防渗墙、补给、蒸散等边界条件。其中：定水头边界条件用来确定选中网格单元的水头值，使之作为进入系统的无限水源或者离开系统的无限汇点。河流边界条件用来模拟地表水体对地下水流的影响。河网边界条件用来计算河网中的总流量，并模拟地表水体和地下水体的相互作用。2） 运移边界条件包括定浓度、补给浓度、蒸发浓度、电源等边界条件。其中：定浓度边界条件可以概化为一个污染源，使已知浓度的污染物向研究区排放；在某些情况下，定浓度边界条件也可概化为将溶质移出模拟区，由测定研究区边界的溶质浓度值给出。补给浓度可表示为一定时期内排放到研究区的溶质浓度。蒸发蒸腾浓度边界条件表明在溶质运移模型中指定的、伴随着蒸发蒸腾作用的不同种类溶质的浓度。点源边界条件表示考虑水流边界条件影响下的不同种类溶质的浓度。

3.2.3 模型识别与验证原则 受工作条件限制，模型不可能精确刻画出研究区的地下水流系统，模型的识别与验证主要遵循以下原则：1） 模拟的地下水流场基本一致，即要求地下水模拟等值线与实测等值线形状相似；2） 识别的水文地质参数要符合客观水文地质条件。

3.2.4 模拟识别与验证 对计算区进行初步参数分区得到稳定流场后，对模型进行识别，以验证该流场能否全面、客观地表征评价区实际的水文地质条件。通过对模型进行反演拟合，优化调整后确定的水文地质参数较好地刻画了地下水系统的水文地质特征；在最优反演参数的基础上，将模拟水位值与研究区工程勘探孔及现状调查实测水位值进行拟合分析，结果表明，模拟值与实际值拟合情况较好，水位拟合误差较小，基本反映了地下水随时间和空间的变化规律，达到了预期效果。

3.3 污染结果预测

采用Visual MODFLOW软件建立水流模型，利用软件中的MT3DMS模块进一步模拟预测地下水中污染物的运移情况。根据污染情况，对溶质进行污染物运移模拟，在模型中将污染源概化为补给浓度边界。

3.3.1 地下水溶质运移数学模型 地下水中溶质运移的数学模型公式为：

ne=nDij

-（nCVi）±C′W （4）

式中：Dij=αijmn，其中αijmn为含水层的弥散度，Vm和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。

联合求解水流方程和溶质运移方程就可得到污染质的空间分布。

在识别后的水流模型基础上，根据现场弥散试验，并结合模拟区岩性及网格剖分的大小，对污染质运移的弥散参数进行识别。根据化工风险分析的情景设计，确定主要污染源分布位置，选定优先控制污染物，按正常工况、非正常工况和事故风险3种情况，分别对地下水污染物在不同时段的扩散范围、超标范围的时间进行模拟预测。

3.3.2 污染源源强设定 考虑厂区可能出现的污染事故点对地下水造成污染的因素较复杂，在设计可能出现的事故情景时，重点考虑发生污染危险可能性较大的工况以及由不同污染物迁移对周围地下水环境产生影响的排泄点。

3.3.3 模拟结果分析 地下水影响评价一般参照《地下水质量标准》（GB/T 14848—93）中的各类标的标准限值，在地下水环境影响预测结果图中标识出地下水污染物超标的浓度范围。为了体现出污染物对地下水存在污染但污染不超标，即对地下水产生了影响，一般参照污染物的检出限值，在预测结果图中标识出该范围。当预测结果小于检出限时，则视同对地下水环境几乎没有影响。

4 结论

由于人类活动的不合理性导致地下水环境恶化现象频繁出现，含水层的点源和非点源污染问题越来越严重。地下水污染引发的一系列生态环境问题制约着人类社会、人与自然的和谐发展，因此，加强对地下水环境的研究与评价，是必要的、迫切的。数学模型是环评中间接影响评价的有效手段，将数学模型应用于地下水环评中可以有效地对地下水的环境影响进行分析预测，改进地下水环评的定量分析能力，提高地下水环评中多方案比选时的排序能力，有利于得出地下水环境保护的最优方案，为促进资源环境和经济的综合决策提供有力保障。