场地平整前后地下水流场变化对预测结果影响研究

场地平整前后地下水流场变化对预测结果影响研究

孟祥帅1，王茜2

(1.北京京诚嘉宇环境科技有限公司， 北京100053；

2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心， 河北保定071051)

摘要：在地下水环境影响评价中，往往会忽略地形地貌改变导致的地下水流场变化，由此可能造成影响预测结果的偏差。以某新建石化项目为例，利用GMS软件分别建立项目建设前、后所在水文地质单元的数值模型，对两者的地下水源汇项及流场变化进行对比分析，并预测事故工况下污染物泄漏对地下水及环境敏感目标的影响变化情况。研究结果表明，项目场地地形地貌发生改变，会导致局部地下水流场特征发生一定程度的变化，产生不同的预测结果，从而影响后续的减缓措施及监测方案设计。

关键词：地下水流场；源汇项；地形地貌；GMS软件；污染物运移

收稿日期：2014-06-23

作者简介：孟祥帅(1986—)，男，山东潍坊人，工程师，硕士，主要从事环境影响评价工作，E-mail：mengxiangshuai@ceri.com.cn祥帅(1986—)，男，山东潍坊人，工程师，硕士，主要从事环境影响评价工作，E-mail：mengxiangshuai@ceri.com.cn

中图分类号：X824

收稿日期：2015-06-08

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项( 2012ZX07104-003)；重庆市自然科学

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.017

地下水是非常宝贵的自然资源，与人类生存密切相关。目前，我国有2/3的城市供水依赖地下水[1]。石油污染物具有致畸、致癌、致突变的“三致”作用，对周围的生态环境会产生一系列威胁和危害[2]。随着石油的大规模勘探开采、石油化工业的发展及其产品的广泛应用，石油及石油化工产品的泄漏对地下水的污染已成为不容忽视的问题[3]。

项目建成后，由于采取场地平整、地面硬化等措施，导致地形地貌发生改变，进而导致其地下水源汇项及含水层厚度等发生变化，从而引起地下水流场(包括流速、流向等)的改变。溶质运移与地下水动力场联系密切，流场发生改变后，渗漏的污染物迁移特征随之改变，造成的环境影响也可能不同。此外，在实际工作中，一般是先发现地下水受到污染，然后才逐渐发现地下水污染源[4]。地下水监测系统是环保措施中的重要一环，不准确的环境影响预测结果可能导致整个监测计划失效。

本文以某化工工业园区的精对苯二甲酸生产项目为例，利用GMS软件分别建立地形地貌变化前后的地下水数值模型，分析项目场地平整前后地形地貌、源汇项、地下水资源量及流场的变化，基于不同流场预测事故工况下地下水环境影响的范围及程度，为场地平整规模较大的建设项目(或园区)在地下水环评中的精确环境影响预测提供借鉴。

1水文地质条件

该项目位于四川盆地东部嘉陵江中游地区，占地面积为2.1 km2。该区域总体地势北高南低，地貌形态按成因类型主要分为河流侵蚀堆积阶地与构造剥蚀丘陵。根据地下水的赋存介质及水动力特征，区域内地下水类型可分为第四系松散岩类孔隙水和基岩风化孔隙裂隙水两类，其中前者主要赋存于全新统及上更新统的砂卵石层中，单井出水量为500～1 000 m3/d，地下水位埋深为3～5 m，含水层厚度一般为5～13 m；后者为项目所在区域的主要含水层类型，赋存于侏罗系上统遂宁组中的溶蚀孔洞和风化网状裂隙，风化裂隙、溶蚀孔隙较发育，发育深度一般为25～30 m，地下水富水性差异较大，单井出水量为1.5～35 m3/d。

项目所在区域地下水在地形限定的范围内就地补给，并以垂向补给为主，补给来源主要是大气降水、塘堰水等。区内地下水径流受地形坡度、岩性特征及裂隙、溶孔、溶隙展布方向的控制，通常以沟谷为中心，以各自的地表分水岭为界，由坡上向坡下汇流，沟谷则由上游向下游方向汇流。其地下水排泄具有就近排泄的特点，排泄方式主要包括水平径流排泄、垂向蒸发排泄、人工开采排泄，径流排泄以向嘉陵江及羊口溪为主。项目所在区域地下水流场初始形态如图1所示。

图1　项目建设前所在模拟区地下水流场 Fig.1　Groundwater contour map before site leveling

项目所在区域地下水动态类型主要为渗入-径流型。年内低水位一般出现在1—4月间，高水位一般出现在7—8月降雨量较大期间或滞后。从变化特征上看，具有与降雨量规律一致的趋势。年内地下水水位变幅在0.3～2.8 m，总体变化幅度不大。

2地下水水流模型

2.1　地下水概念模型

第四系松散堆积层孔隙水与基岩风化裂隙水无隔水层，二者具有统一的水力联系，因此将两含水层概化为统一的潜水含水层。

地下水均衡计算的均衡区最好是一个具有隔水边界的完整水文地质单元[5]。该项目位于丘陵地带，北部、东部边界均以地表分水岭为边界，设置为隔水边界，西部、南部主要以地表水体为边界，设置为水头边界。模拟区的各边界组成完整的水文地质单元。

2.2　地下水数值模型2.2.1　数学模型

本次模拟利用MODFLOW模块对微分方程(1)的定解问题求解，根据对水文地质条件的分析，结合地形地貌、地下水流场特征等，对该项目建设前模拟区地下水系统进行了识别和验证。通过反复调整参数，识别了水文地质条件，确定了模型结构、参数和均衡要素。各源汇项在模型中选用的子程序包如表1所示。识别后的地下水流场及均衡计算结果分别如图1、表2所示。

表1　各源汇项对应的子程序包

2.2.2　影响因素分析

项目场地平整引起地下水流场改变的影响因素主要包括以下两个方面：

(1)含水层厚度及渗透系数发生改变。项目场地平整后，沟谷地带进行填方，丘陵地带进行挖方，原有含水层结构往往遭受破坏，含水层的顶底板标高发生改变。具体表现为：沟谷填方导致含水层厚度增加；松散堆积物导致含水层渗透系数发生改变；丘陵高地等挖方导致地形标高变化，含水层可能遭受局部甚至全部剥离，从而导致含水层厚度变小或尖灭。

(2)源汇项发生改变。场地由农业用地转变为工业用地后，由于地面硬化等措施，造成降雨入渗量、潜水蒸发量、地下水与地表水间的补排量均有不同程度减少，而灌溉回水量、人工开采量等归零。

2.2.3　项目建成后流场预测

项目建成后，由于地形地貌改变，场地内的含水层厚度及各源汇项均发生变化，对已进行识别验证的地下水水流模型中的子程序包调整如下：

(1)根据项目总平面布置图标高，调整模型中场地地形标高数据并重新进行插值计算；

(2)由于采取地面硬化等措施，场地内的降雨入渗量及蒸发量可忽略不计，根据总图布置情况，模型中关闭场地内除绿化带以外区域的降雨入渗(Recharge rate)及蒸发(Evaporation)选项；

(3)场地内的开采井、地表溪流、渠塘等不再存在，分别关闭模型中的地下水开采(Well)、河流泄流(Drain)及渠塘补给(River)选项。

将调整后的子程序及数据包导入数值模型进行计算，预测得到项目建成后的稳定地下水流场，如图2所示。建成后项目所在水文地质单元的水均衡，如表2所示。

图2　项目建设后所在模拟区地下水流场 Fig.2　Groundwater contour map after site leveling

源汇项项目建成前项目建成后变化量(Δ后-Δ前)补给项降雨入渗量16.211.5-4.7地表渠塘补给量4.93.6-1.3合计21.115.1-6.0排泄项泄流排泄量11.27.4-3.8人工开采量8.46.5-1.9蒸发量1.51.2-0.3合计21.115.1-6.0

2.3　地下水流场及均衡对比分析

对项目建设前后的地下水流场分析可知，建成后场地内地下水流场较为平缓，流向发生一定程度的改变。这主要是由于建设前地下水流场受地形控制明显，平整后的场地含水层厚度发生变化，地下水向溪流沟渠的排泄等不再存在。此外，建设后场地内地下水水位有一定程度的下降，这是由于场地内降雨入渗补给量大幅减小，补给项的减小量大于排泄项的减小量造成的。从整个模拟区来看，由于项目建设导致地下水补给量减少，整个水文地质单元地下水资源损失量为6.0×104m3/a，约占项目建设前补给资源量的28.4%。

3地下水溶质运移模型

3.1　模块及弥散度选取

MT3D用一种混合的Euler-Largrangian法来求解对流-弥散方程，最适用于水平流动系统的溶质运移问题[6]。模拟区地下水动态主要为渗入-水平径流型，且潜水含水层厚度小，通过GMS中的MT3D模块能够有效预测该模型污染物的运移特征。由于水动力弥散尺度效应的存在，难以通过野外或室内弥散试验获得真实的弥散度。参考前人研究成果[7]，本次模拟纵向弥散度参数值取10 m，横向弥散度参数值取1 m。

3.2　源强及影响途径假定

假定2个对二甲苯储罐的地下管线因腐蚀均出现多个漏点，单个渗漏点孔径按1 mm计，每条地下管线按5个渗漏点计。假设污水在包气带中已达到饱和状态，其渗漏后完全进入潜水含水层。其泄漏速率计算公式选用《建设项目环境风险评价导则》(HJ/T 169—2004)中的A.2.1。根据储罐的相关设计参数计算对二甲苯的渗入量为5.8 kg/d。

3.3　影响预测结果对比分析

基于项目建设前后的地下水流场模拟分析，在储罐泄漏位置处通过MT3D模块进行赋值，30年服务期满后，污染物泄漏对潜水含水层的影响预测结果如图3、图4所示。根据预测结果可知，如果不考虑场地平整对地下水流场的影响，污染物泄漏后在地下水中主要向西运移，其潜在的主要环境影响目标为羊口溪；考虑场地平整条件后，局部流场的改变使污染物主要向西南运移，其潜在的主要环境影响目标为嘉陵江河段。

图3　不考虑场地平整条件下对二甲苯渗漏的污染范围 Fig.3　PTA pollution scope regardless of site formation

图4　考虑场地平整后对二甲苯渗漏的污染范围 Fig.4　PTA pollution scope under the condition of considering site formation

项目建成后，污染物泄漏的潜在污染水体由羊口溪变为嘉陵江河段。虽然污染物泄漏后在服务期内均不会对相关地表水体造成影响，但项目所处位置的嘉陵江河段为Ⅲ类地表水体，环境敏感程度较季节性溪流羊口溪高，因此其地下水潜在环境风险明显提高。

此外，由于地下水流不同方向上渗透系数及水力梯度存在差异，项目建设后污染物的影响面积及运移距离较建设前分别增加50%、17%。项目建设前后污染物的具体运移特征如表3所示。若在环境影响预测中未对项目区域内地下水流场特征的变化予以考虑，预测的影响对象、影响范围与程度均有较大的差异，预测结果将会错误地指导后续污染防治措施设置及监测方案设计。

表3　项目建设前、后污染物泄漏预测结果统计表

4结论

利用GMS软件建立地下水流场数值模型进行识

别验证后，根据项目场地地形地貌的变化情况，通过设置对应的含水层标高及子程序包相关参数，能够精确预测地下水流场的变化情况，解决了地下水环境影响评价中由于忽略流场变化而导致污染影响预测出现偏差的问题。

项目场地原有沟谷进行填方平整后，由于填方土石料的岩性及分选程度等与原含水层不同，该地区平整后含水层的水文地质参数发生改变。但由于项目场地尚未平整施工，填方料的各项参数难于获得，本次预测未进行考虑。

参考文献(References)：

[1]王爱平, 杨建青, 杨桂莲, 等. 我国地下水监测现状分析与展望[J]. 水文, 2010, 30(6): 53-56.

[2]Zhang Xiaodong, Huang Guohe. Assessment of BTEX-induced health risk under multiple uncertainties at a petroleum-contaminated site: An integrated fuzzy stochastic approach[J]. Water Resources Research, 2011, 47(12): 54-76.

[3]熊中浩, 庄旭. 石油石化企业地下水污染防治探析[J]. 中国石油与化工经济分析, 2012(2): 59-62.

[4]高庆然. 齐鲁石化公司地下水石油污染现状及污染模拟研究[D]. 苏州:苏州大学, 2007.

[5]王大纯, 张人权, 史毅虹, 等. 水文地质学基础[M]. 北京: 地质出版社, 1995.

[6]张树深. 大连石化周边地区地下水石油污染数值模拟[D]. 大连: 大连理工大学, 2012.

[7]李国敏, 陈崇希. 空隙介质水动力弥散尺度效应的分形特征及弥散度初步估计[J]. 地球科学(中国地质大学学报), 1995, 20(4): 405-409.

Study on Prediction about Groundwater Flow Field and Pollutants

Migration Characteristics Caused by Topography Changes

MENG Xiang-shuai1, WANG Xi2

(1.CERI eco Technology Co.,Ltd., Beijing 100053, China;

2.Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey, China Geological Survey, Baoding 071051, China)

Abstract:In the process of groundwater environment impact assessment of project, the change of groundwater flow field which caused by topography change used to be ignored and the impact prediction deviation would also appear as a result. A new petrochemical project was taken as an example and GMS software was used as a tool to set up a numerical model of the hydrogeological unit in which the project site located. Variations of the source and sink item of groundwater and the flow field before and after site formation were compared and analyzed. The different influence on groundwater sensitive targets under accident conditions was also predicted and evaluated. The results indicate that groundwater flow field characteristics will change in a certain degree due to the change of site topography, and pollutant migration and the environmental impact will show different characteristic and extent.

Key words: groundwater flow field; source and sink; topography; GMS software; pollutant migration