基于Feflow的地下水污染数值模拟及预测——以宁波某印染厂为例

张 淼 潘 杰 刘生财 陆柯延

(浙江省工程勘察院，浙江 宁波315012)

基于Feflow的地下水污染数值模拟及预测
——以宁波某印染厂为例

张 淼 潘 杰 刘生财 陆柯延

(浙江省工程勘察院，浙江 宁波315012)

近年来随着社会经济快速发展，宁波地区地下水生态环境受污染的风险程度显著提高.以宁波某印染厂为例，为了分析其工业污水对当地地下水环境的潜在威胁，利用Feflow软件对研究区地下水渗流及溶质运移进行数值模拟.模拟结果表明：基于较为理想的地下水渗流模型，在一定假设条件下溶质运移模型可以较好地模拟污染物在地下水中的运移规律.印染厂污水泄漏后将对研究区造成长达10年的不利影响，20年后污染物浓度才逐渐消散.

Feflow软件；地下水模型；溶质运移；化学需氧量

近年来，随着我国人口的不断增长和社会经济的快速发展，各种环境问题日趋严重，其中尤以水污染的形势最为严峻.全国有400个城市开采地下水，地下水的供水量占全国总供水量的20%以上.地表环境及土壤环境污染会加剧引发地下水污染，将直接对人体健康产生严重威胁.现今研究资料表明在我国地下水作为主要水源之一正遭受着越来越严重的污染[1].宁波地区地处滨海平原，工业水平较高，大大增加了宁波地区地下水体受到污染的风险.

近几十年以来，随着计算机科学的快速发展，我国地下水数值模拟也得以快速发展.目前我国地下水数值模拟的应用已遍及与地下水有关的各个领域，数值模型在地下水污染评价预测过程中起到了重要的作用[2].吴吉春等(1997)提出了一个越流含水层系统地下水污染的数学模型用于描述太原盆地地下水污染[3].邵景力等(2003)借助地下水数值模拟软件对黄河下游影响带地区冲积平原地下水系统进行水资源评价[4].贺国平等(2003)对Feflow软件进行简介，借助其建立地下水水流模型并应用到实际工作中[5].毛军等(2007)运用Feflow软件对柴达木盆地中的香日德绿洲建立地下水模型，并进行地下水动态预报[6].徐铁兵等(2014)通过对迁安市某场区建立地下水数值模型，并选用Cr6+作为模拟因子，对场地地下水污染模拟进行预测评价[7].

本文以宁波市某印染厂为例，对厂区及其附近场地建立地下水渗流及污染物运移模型.选取COD(化学需氧量)为指标因子，建立该区域COD浓度随时间扩散关系的模型，并对场地污染状况进行评价.

1 研究区水文地质条件概况

研究区位于余姚黄家埠镇回龙村，区域地形较为平坦，属海积平原区，地面标高3.1～5.2 m.地理坐标位置为120°58′12″E，30°06′23″，研究区地理位置见图1.

图1 研究区地理位置图

根据研究区地层岩性特征及水力性质，将地下水类型划分为第四系素填土孔隙混合潜水.该潜水含水层的厚度一般为3～5 m，潜水水位埋深0.4～1.5 m.由于潜水含水层厚度较小，其富水性较弱，单井涌水量小于100 m3/d.研究区地下水补给来源主要为大气降水及侧向径流补给，地下水排泄主要为蒸发排泄及人工开采地下水.根据现有资料查明，余姚地区多年平均降雨量为1384 mm，多年平均蒸发量为820 mm.

2 研究区地下水溶质运移渗流数值模型

2.1 研究区模型建立基础及范围确定

根据研究区区域位置图所示，研究区区域范围较小，且周边地表水系较为发育.考虑到地表水系与研究区地下水水利联系较为密切，因此以厂区为中心，结合周边居民点的位置，将研究区外扩至地表水系所能圈闭的范围(图1).

根据研究区水文地质及勘查资料，在垂向上将研究区概化为一个潜水含水层(素填土)与一个隔水层(淤泥质黏土).在构建模型中的三维地层结构时，根据勘查资料确定各水层的顶底板高程.在模型中，垂向上将顶面设置为自由边界，是作为潜水含水层(素填土)与一个隔水层(淤泥质黏土).在构建模型中的三维地层结构时，根据勘查资料确定各水层的顶底板高程.在模型中，垂向上将顶面设置为自由边界，是作为潜水含水层的自由水面，接受降雨补给，潜水蒸发排泄等.由于研究区边界为地表水系，因此将区域侧向边界均概化设置为一类水头边界，即定水头边界.

图2 A-A’地质剖面图

表1 各含水层水文地质参数

层号岩性渗透系数K/(cm·s-1)给水度/μ弹性释水系数/(Sc·m)1素填土50×10-301010×10-32淤泥质黏 土35×10-700320×10-3

研究区各地层水文地质参数的确定依据以往地质资料，最终确定各参数取值，详见表1.

2.2 研究区数学模型及求解方法

本模型主要借助Feflow软件对本次研究区的地下水水流模型进行数值模拟求解方程.基于有限单元法的Feflow软件是由德国著名的WASY水资源规划和系统研究所于1979年开发的，用于模拟多孔介质中饱和非饱和的地下水水流与污染物运移.研究区的地下水渗流模型可以概化为含水层介质为非均质各向同性的三维非稳定流模型.因此研究区地下水渗流数学模型及其定解条件为公式1.

式中：H为水位 (m)；Z为第一潜水含水层底板高程 (m)；K为含水层渗透系数 (m/d)；ε降雨渗入及农业回归强度 (m/d)；μ为第一潜水含水层给水度；W为越流强度 (1/d)；p为单位体积含水层开采强度 (1/d)；S为承压含水层贮水率 (1/m)；H0为初始水头 (m)；Г1为一类水头边界；H1为一类边界水位 (m).

2.3 模型离散化

利用Feflow软件将研究区剖分为三角单元，对研究区进行单元离散化处理.在本模型中，研究区面积约为2.41km2，一共剖分为8806个三角单元，共计6810个结点，具体剖分结果见图3.

其中，为了详细刻画印染厂对居民区及地表水系环境的影响，针对研究区内厂区水井、临近居民点水井以及研究区内河流水系进行了网格加密，其具体剖分情况如图3所示.同时利用软件完成了对模型的分层和地层标高的赋值.具体的分层情况如图4所示.

图3 研究区地下水数值模型剖分结果示意图

图4 研究区地层结构分层情况三维示意图

2.4 模型识别与检验

模型的设定是整个模拟过程中极为重要的部分，通常需要经过反复的修改测试才能得到较为理想的拟合结果.模型以2016年8月的研究区范围内潜水含水层地下水背景水位作为初始水位，其初始水位分布图见图5.

图5 研究区地下水初始水位线分布图

在模型识别之后，进行模型的验证.根据已知的研究区边界条件和研究区的源汇项变化情况，不改变含水层以及弱透水层的水文地质参数，将模型向后运行一段时间.验证时间长度根据实测资料来确定.将模型验证计算出来的水位和与实测值进行对比.

本次预测模型选取2016年8月-11月的地下水位实测值对模型验证计算值进行验证，同时在研究区选取4眼有代表性的井来完成模型的识别验证.各监测井的地下水水位过程线拟合情况具体见图6.从中可以看出，模型对于研究区的实际水位情况可以进行较为准确的刻画，基本达到模拟精度要求，符合研究区水质地质条件及水利特征.

图6 各观测井的地下水水位过程线识别及验证拟合曲线

3 研究区地下水溶质运移数值模拟

一般情况下，研究区内印染厂生产过程中排放的污水会经过污水管道直接运输到污水处理厂，不会对区域内地下水产生污染.如果印染厂污水站发生污水泄漏事故，将会直接污染研究区地下水.但污水在泄漏事故发生以后将会产生多大的影响范围，地下水水质指标将发生怎样变化.本文将通过数值模拟方法对以上问题进行探讨.

根据实际资料与上述分析结果，选择COD作为溶质运移因子.COD指水中需要被氧化的还原性物质的量，它反映了水中受还原性物质污染的程度，其数值越高，就表示水中有机物污染越严重[9].它的影响范围可以代表研究区污水渗入对地下水环境产生影响的最大范围和最大程度.根据研究区地下水水质测试结果，区域地下水COD数值标准见表2.

3.1 地下水溶质运移模拟预测

为了了解印染厂发生污水泄漏事故后对研究区地下水可能产生的影响，利用Feflow软件中溶质运移分析模块，在已建立的渗流模型基础上建立溶质运移模型，对地下水水质的影响进行预测分析.

本次溶质运移模拟预测是假设印染厂发生污水泄漏事故，研究区1年、5年、10年及20年后地下水中COD浓度超过本底值的区域范围，即COD浓度超过10 mg/L.污水泄漏事故假设条件为：印染厂污水池发生泄漏，渗漏量为：15 m3/d.假定渗漏持续时间为30 d后发现，则总渗漏量为450 m3.保守起见，不考虑包气带对污染物的截留作用，认为所有污染物直接进入含水层，假设主要污染物渗漏浓度为COD：650 mg/L，则COD污染物渗漏量为270 kg.

3.2 地下水溶质运移模拟预测结果

污水发生泄漏事故以后，模型以COD为模拟因子，超标范围(以超过本底值为限)、污染物最大运移距离和最大浓度值见表3.

从溶质模型预测结果可以看出，随时间增长，污染物超标范围先增后减，最大运移距离持续增加，地下水中COD浓度逐渐减.如图7所示为污水发生泄漏后，地下水中污染物影响范围.从图中可以看出，污染物的主运移方向为东南向，同时向四周扩散.地下水污染将对印染厂周边农业生产及居民日常生活产生不利影响.

表2 主要污染物检出限、标准值及本底值

污染物检出限/(mg·L-1)标准值/(mg·L-1)本底值/(mg·L-1)COD013010

表3 污水发生泄漏事故后地下水中COD污染影响情况表

预测年限/年COD超标范围/m2污染物最大运移距离/m最大浓度值/(mg·L-1)182151262525599742151210101930236101620--869

图7 潜水含水层预测年份污染物影响范围图

4 结论

(1)地下水渗流数值模型的模拟结果表明，借助Feflow软件所建立的研究区地下水数值模型是正确的，所选取的水文地质参数及计算的汇源项基本合理.符合研究区地下水渗流基本规律，可作为研究区溶质运移模型的依据.

(2)地下水污染对人类生产活动及生命财产安全产生严重威胁，本文根据某印染厂污染物泄漏假设条件，借助Feflow软件探究污染物在地下水中运移的基本规律.预测结果表明：污染物泄漏后10年内会对印染厂周边地下水环境产生不利影响，污染物最大迁移距离为236 m，最大浓度为10.16 mg/L，污染物将会对周边农业生产及居民日常生活产生不利影响.20年后，污染物对周边地下水的不利影响逐渐消失，污染物最大浓度低于本底值.

[1]薛禹群,张幼宽.地下水污染防治在我国水体污染控制与治理中的双重意义[J].环境科学学报,2009,29(3):474-481.[2]薛禹群.中国地下水数值模拟的现状与展望[J].高校地质学报,2010,16(1):1-6.

[3]吴吉春,薛禹群,张志辉,等.太原盆地地下水污染数值模拟[J].南京大学学报(自然科学版),1997(3):70-79.[4]邵景力,崔亚莉,赵云章,等.黄河下游影响带(河南段)三维地下水流数值模拟模型及其应用[J].吉林大学学报(地球科学版),2003(1):51-55.

[5]贺国平,邵景力,崔亚莉,等.FEFLOW在地下水流模拟方面的应用[J].成都理工大学学报(自然科学版),2003(4):356-361.

[6]毛军,贾绍凤,张克斌.FEFLOW软件在地下水数值模拟中的应用——以柴达木盆地香日德绿洲为例[J].中国水土保持科学,2007(4):44-48.

[7]徐铁兵,梁静,马跃涛,等.地下水污染的数值模拟及污染预测研究——以迁安市某项目的Cr6+污染为例[J].环境科学与管理,2014,39(12):63-67.

[8]胡立堂.地下水三维流多边形有限差分模拟软件开发研究及实例应用[D].湖北:中国地质大学,2004.

[9]郑青,韩海波,周保学,等.化学需氧量(COD)快速测定新方法研究进展[J].科学通报,2009,54(21):3241-3250.

(责任编辑 鲁越青)

Numerical Simulation and Prediction of Groundwater Pollution Based on Feflow ——An Illustrative Study of a Printing and Dyeing Factory in Ningbo

Zhang Miao Pan Jie Liu Shengcai Lu Keyan

(Zhejiang Engineering Prospecting Institute, Ningbo, Zhejiang 315012)

In recent years, with the rapid development of social economy, there has been a marked rise in the risk of pollution of groundwater ecological environment in Ningbo. In order to analyze the potential threat of industrial wastewater to local groundwater environment, the groundwater seepage model and solute transport model in the study area were conducted by Feflow. The simulation results show that the solute transport model can simulate the transport of pollutants in groundwater based on the ideal groundwater seepage model. The leakage of the pollutants from the printing and dyeing factory will affect the study area in the next 10 years until the pollutants gradually dissipate in 20 years.

Feflow; groundwater model; solute transport; COD

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2017.07.004

P641.69

A

1008-293X(2017)07-0021-07

2017-01-11 作者简介：张 淼(1991- )，男，山东郓城人，浙江省工程勘察院助理工程师，研究方向：水文地质.