数值模拟在地下水环境影响评价中的应用——以某焦化项目为例

李艳兵，赵丰昌

（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

【其 他】

数值模拟在地下水环境影响评价中的应用
——以某焦化项目为例

李艳兵，赵丰昌

（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

HJ610-2011《环境影响评价技术导则—地下水环境》的实施对环评工作者提出了更高的要求，加大了地下水环境影响评价工作的难度。本文以某焦化项目为例，运用国际上通用的GMS软件对地下水中污染物运移进行数值模拟预测，并根据预测结果提出相应的地下水环境保护措施，以供广大环评工作者在地下水环评工作中参考。

环境影响评；地下水数值模拟；GMS

1 研究背景

随着我国工业进程的不断加快，一些地区工业废污水、生活垃圾以及化肥农药等的渗漏，造成地下水环境质量恶化，给人们生活带来严重影响。HJ610-2011《环境影响评价技术导则—地下水环境》[1](文中简称《导则》)的颁布完善了我国现行环境影响评价的内容，为地下水预测分析和污染防治提供了技术支撑，对地下水污染防治具有重要的现实意义。地下水环评工作主要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影响，并提出针对性的防治对策。《导则》中重点强调了数值模拟在地下水环评中的应用[2]，鉴于数值模拟在地下水环评过程中仍存在许多疑问和难点，本文以具体工程为实例，依据《导则》对数值模拟工作的相关要求，采用GMS软件对工业废水的渗漏进行预测分析，并提出相应的防护措施，为类似工程的地下水环境影响评价提供参考。

2 项目区概况

2.1 自然地理条件

项目区属于暖温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，冬季寒冷干燥，春季少雨多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽多连阴雨。多年平均气温l2.6℃，一月份最冷，月均-4.5℃；七月份最热，月均26.4℃；极端最高气温40.6℃；极端最低气温-22℃。据多年降雨观测资料，多年平均降雨量495.9mm，年内降雨分配极为不均，全年降雨集中在7、8、9三个月，多年平均蒸发量为1 573.1mm。

2.2 地层岩性

根据本次钻孔资料，项目厂区揭露100m以浅地层主要为第四系上更新统(Q3al_pl)和中更新统(Q2al)地层，由上至下分述如下：

浅黄—黄褐色粉土，大孔隙，含小的钙质结核，可见白色菌丝，稍密至中密，稍湿，该层全厂区分布，厚度2.9～13.0m之间。

(2) 中更新统(Q2al)。

据本次厂区钻孔资料(揭露深度100m)，中更新统地层以浅黄—黄褐色粉质粘土为主，可塑，具小孔隙，土质均匀，上部含古植物根系，可见蜗牛化石碎

片、铁锈红色氧化铁薄膜和黑色锰质斑点，顶板埋深2.9～13.0m之间。间夹1～4层黄褐—褐黄色砂层，分别有粉砂、细砂、中砂和粗砂，成分以石英、长石为主，厚度1.7～15.3m，局部地段夹粉土，层厚介于0.8～14.4m之间。

2.3 地下水类型及含水层结构

评价区地下水类型主要为松散岩类孔隙水和碳酸盐岩类裂隙岩溶水。松散岩类孔隙水从含水层结构上来看具有双层结构，其上部为浅层水，具潜水—微承压水特征；其下部中层水，具承压水特征。浅层水主要赋存在中更新统上部的多层粉细砂夹层中，水位埋深一般5～35m，夹有粉砂、粗砂透镜体，厚度一般0～7.0m，层数0～2层，且有由东向西逐渐变薄、层数变少的规律。100m以上中层水的水位埋深一般在14～38m，含水层岩性为粗砂、细砂，西部含水层数2层，含水层厚度8.3m。

3 地下水环境影响预测与评价

3.1 含水层概化

本次地下水模拟区域上部为浅层潜水—微承压含水层，中部为连续、稳定分布的相对隔水层，主要以中更新统粉质粘土为主，厚度15～60m不等，下部为中层承压含水层。根据本次对地下水动态的掌握，针对地下水系统的内部结构、外部环境、边界条件、水文地质参数等进行分析研究，可概化为：非均质各向异性、三层结构的拟三维稳定的地下水流系统。

3.2 水流数学模型

非均质各向异性三维稳定地下水流模型，其数学表达式如下：

式中：h为水位(m)；Kx，Ky，Kz分别为沿x，y，z方向上的渗透系数(m/d)；t为时间(d)；ε为源汇项；Ω为模型模拟区；Γ2为第二类边界；n为边界面的外法线方向；h0(x，y，z)为地下水初始水位函数；q(x，y，z，t)为第二类边界上已知流量函数。

3.3 模拟流场

本次模拟以2011年3月评价区的地下水水位作为模拟的流场。源汇项主要包括降雨入渗补给、灌溉入渗补给、侧向流入、侧向流出、人工开采等。

3.4 模拟软件及模拟区网格剖分

本次模拟采用美国环境保护局(USA EPA)开发的GMS6.0。GMS是地下水模拟系统(Groundwater Modeling System)的简称，是目前国际上最先进的综合性的地下水模拟软件包，由MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、Borehole Data、Solid、GEO-STATISTICS等多个模块组成的可视化三维地下水模拟软件包。

根据评价区水文地质条件与地下水流场特征，模拟区在垂直方向上剖分为3层，水平方向共剖分9 817个有效网格单元剖分。本次模拟在厂区焦化项目场地对剖分的网格进行了加密，网格的长、宽在40～60m之间，整个模拟区的网格长、宽在40～120m之间。网格剖分见图1～图3。

图1 模拟区网格剖分

图2 模拟区东西剖面

图3 模拟区南北剖面

3.5 地下水水流模型识别

(1) 水文地质参数识别。

根据前述地质、水文地质条件的分析，结合地形地貌、地下水流场特征及野外抽水试验的计算结果，对模拟区含水层水平渗透系数进行分区，结果分别见图4、图5。

(2) 地下水水位拟合。

模拟后潜水—微承压水和承压水的地下水流场拟合见图6、图7。

图4 潜水—微承压含水层渗透系数分区

图5 承压含水层渗透系数分区

图6 模拟区潜水—微承压水流场拟合

图7 模拟区承压水流场拟合

(3) 地下水系统均衡分析。

通过模型识别，得出模型的地下水水量均衡结果(见表1)。由表1可以看出，模拟区的地下水水量补排基本平衡。

表1 模拟区地下水均衡表

3.6 地下水溶质运移模型

地下水溶质运移可通过以下方程进行描述。

式中：αijmn为含水层的弥散度；Vm，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(mg/L)；ne为有效孔隙度；W为源汇通量；Vi为渗流速度(m/d)；Cˊ为源汇的污染质浓度(mg/L)。

根据目前填埋场的实测资料显示，填埋场一期工程已经填满，二期工程也进入填埋周期。根据测绘，填埋场目前剩余库容2.023×106m3，预计总填埋量为4.08×106t，到2023年填埋场将填满。

初始条件为：c(x，y，o)=c0(x，y) (x，y)∈Ω，t =0式中：c0(x，y)为已知浓度分布；Ω为模型模拟区。

式中：Γ2为通量边界；Dgradc为浓度梯度。

应用GMS 6.0中的MT3D模块可以对以上数学模型进行数值模拟。

3.7 运营期地下水环境影响预测与评价

通过对焦化厂项目建设内容的分析，应预测正常工况下污染物跑冒滴漏和事故工况下污染物渗漏水可能对地下水产生的影响。本工程拟建设一座酚氰废水生化站，面积为8 680m2，设计处理规模为125m3/h，本文仅预测在事故工况下，选取氰化物这一因子进行预测说明。假定由于腐蚀或地质作用，池底出现大面积的渗漏现象，渗漏面积为总面积的5‰，总面积为生化集水池(厌氧池、缺氧池、好氧池)总有效面积2 764m2，生化集水池处含水层渗透系数为1.8m/d。假定污染物在包气带中已达到饱和状态，其渗漏后完全进入潜水—微承压含水层。则氰化物渗漏进入潜水—微承压含水层中的渗漏量为：

20mg/L×2764m2×1.8m/d×0.005=0.5kg/d

3.8 地下水环境保护措施

事故污水池的防渗，混凝土强度等级不宜＜C30，钢筋混凝土水池的抗渗等级应≥P10，且水池内表面应涂刷水泥基结晶型、喷涂聚脲等防水涂料(渗透系数≤1.0×10-12cm/s)。结构厚度应≥300mm，最大裂

缝宽度应≤0.20mm，并不得贯通，钢筋的混凝土保护层厚度应根据结构的耐久性和环境类别选用，迎水面钢筋的混凝土保护层厚度应≥50mm。

图8 氰化物渗漏100天后对潜水—微承压含水层的影响范围

图9 氰化物渗漏1 000天后对潜水—微承压含水层的影响范围

图10 氰化物渗漏15年后对潜水—微承压含水层的影响范围

图11 氰化物渗漏30年后对潜水—微承压含水层的影响范围

图12 焦化厂区边界点氰化物浓度变化

表2 氰化物渗漏对潜水—微承压含水层的影响范围

为了及时准确掌握厂区及下游地区地下水环境质量状况，应建立覆盖全厂的地下水长期监控系统，包括科学、合理地设置地下水污染监控井，建立完善的监测制度，如发现异常或发生事故，应加密监测频次，并分析污染原因，及时采取相应措施。

4 结论

数值模拟通过对含水层的概化和水文地质参数的反复调整[3]，模拟结果精准、合理，更加符合实际情况，且在地下水环境影响中可以直观说明保护目标受到的影响程度，利于制定合理可行的环境保护措施，可以为类似工程的地下水环境影响评价提供参考。

[1]环境保护部环境工程评估中心.HJ610-2011环境影响评价技术导则地下水环境[S].北京：中国环境科学出版社，2011.

[2]简武，沈玲玲.浅议地下水模型在环评中的应用[J].海峡科学，2009，26(2)：13-16.

[3]谭文清，孙春，胡婧敏，等.GMS在地下水污染质运移数值模拟预测中的应用[J].东北水利水电，2008，26(5)：54-55，59.

Application of Numerical Simulation in Groundwater Environmental Impact Assessment--Taking A Certain Coking Project as An Example

LI Yan-bing, ZHAO Feng-chang
(Sinoma Geological Engineering Exploration Academy Co., Ltd., BeiJing 100102, China)

Since the implementation of the environmental impact assessment technical guideline of groundwater environment, it puts forward the higher request to the EIA workers, and increases the difficulty of the groundwater environment impact prediction analysis. Based on a coking project as an example, this paper use which has been widely applied on the international GMS software, to simulate the migration of pollutants in the groundwater, and set environmental protection measures according to the results of the prediction ,for the EIA workers in the work for reference.

environmental impact assessment; numerical simulation of groundwater; GMS

X523；X820.3

A

1007-9386(2015)02-0050-04

2015-03-09