基于Visual MODFLOW的某化工厂地下水环境预测研究

李阳　于茵　高程

摘要：指出了石油化工是高污染行业，由于污水的不合理排放以及在生产过程中的跑、冒、滴、漏等，大量有毒有害的污染物进入地下水系统，对地下水环境造成影响，制约着经济社会的发展，危害人类身体健康。基于此，应用Visual MODFLOW 软件模拟了某化工厂运营期可能产生的污染物在地下水环境中的溶质运移情况，并据此提出了防控措施，以期为我国化工行业的地下水环境保护提供技术支持和借鉴。

关键词：地下水环境；数值模拟；溶质运移

中图分类号：X703

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）18008806

1引言

近几十年来，随着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、农药和化肥的大面积施用、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也日趋严重＼[1＼]。化工行业是国民经济基础性战略产业，也是我国的支柱产业之一，然而化工企业在生产运营期间会引起污水、工业废弃物污漏液渗漏而进入地下水，将对地下水系统造成不同程度的污染＼[2＼]，且石油及化工产品苯及其同系物、苯酚、高分子聚合物等有机物都是生物难以降解的，对人类健康危害极大，甚至有许多是致癌物质。可以说地下水中石化产品的广泛存在，是构成全球性肿瘤的一个重要因素＼[3＼]。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》和《中华人民共和国环境影响评价法》，规范和指导地下水环境影响评价工作，保护环境，防治地下水污染，环保部于2016年第1号文件发布了《环境影响评价技术导则—地下水环境》＼[4＼]，由此揭开了我国保护地下水环境的新篇章。

近十余年来，随着计算机的进一步更新换代以及数值计算理论方法的深入研究，数值模拟逐渐取代传统的地下水资源评价方法，成为地下水资源评价的主要手段＼[5＼]。当今流行的地下水数值模拟软件有基于有限元原理的FEFLOW和基于有限差分原理的GMS以及Visual MODFLOW等＼[6＼]。

由于具有强大的可视化与模拟功能，Visual MODFLOW 成为目前国际上最盛行，且被各国同行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价软件＼[7＼]。本文首先对Visual MODFLOW基础理论和软件情况作简单介绍，在此基础上应用Visual MODFLOW软件，模拟某化工厂运行期间地下水流场和溶质运移情况，为该项目地下水水质预报及污染治理提供科学依据。

2Visual MODFLOW软件介绍

Visual MODFLOW 是由加拿大 Waterloo Hydrogeology 公司在 MODFLOW 的基础上应用现代可视化技术开发研制的，主要通过其内含的MODFLOW、MODPATH、MT3DMS、PEST、ZONEBUDGET等模块，进行三维水流、溶质运移、生物降解等模拟计算的可视化专业软件系统。由于具有广泛适用性、高可视化程度、快速求解等优点＼[8～12＼]。自问世以来，在全世界范围内的水资源利用、环境保护、城乡发展规划等许多行业和部门得到了广泛的应用＼[13，14＼]。

MT3DMS是目前应用最为广泛的三维地下水溶质运移模型。不但能模拟地下水中污染物的对流、弥散，而且能够同时模拟多种污染物组分在地下水中的运移过程以及它们各自的变化反应过程（不包括各种组分之间的化学反应），包括平衡控制的等温吸附过程、非平衡吸附过程、放射性衰变或简单生物降解过程。地下水溶质运移数值模拟是在地下水流场模拟基础上进行。如果不考虑污染物在含水层中的吸附、交换、挥发、生物化学反应，地下水中溶质运移的数学模型可以表示为：

3Visual MODFLOW软件的应用

3.1工程概况

本项目位于四川省某市，为一石化、化工行业中涂料、染料、颜料、油墨及其类似产品制造工程，根据《环境影响评价技术导则—地下水环境》（HJ610-2016）附录A，属I类项目。项目周边均为园区工业企业及荒地，周边1 km范围内无住户。园区已实现自来水集中供水，供水水源为地表水。评价区内居民饮用水及灌溉水均来自地表水体，且无与地下水相关的水源保护区和其他资源保护区，项目地下水环境敏感程度为不敏感。因此，确定本项目地下水环境影响评价工作等级为二级。

正常工况下，项目采取严格的防渗、防溢流、防泄漏、防腐蚀等措施，项目防渗措施完整，一般情况下物料或污水等不会渗漏和进入地下，对地下水不会造成污染。以上分析表明，因防渗层对污废水的阻隔效果，项目场地在正常运行工况下，对地下水环境影响小，本次预测重点为事故条件下地下水环境影响预测与评价。

3.2水文地质条件

根据区域地质资料及现场勘察试验，可知项目场地及周边的地层主要为三叠系上统大菁组（T3dq）砂岩。地下水类型主要为碎屑岩类孔隙裂隙水，由于节理裂隙发育，总体富水性中等，为项目区主要含水层。该层具有比较稳定的地下潜水面，水位埋深1～6 m。pH值为7.34，区内地下水的水化学类型为SO4·Cl-Ca型水。地下水矿化度在642.5 mg/L，均<1 g/L，属于弱矿化度水。

区内地下水主要接受大气降雨入渗补给，仅在丰水期河流水位上涨速度高于地下水水位涨幅时存在河流补给地下水的情況，地下水接受补给后，在裂隙中赋存运移，并受当地水文地质条件控制自西向东运移，并最终以泄流方式排泄进入当地控制性水体，参与更高一级水循环。

3.3评价区水文地质概念模型

3.3.1水文地质模型概化

本项目无重质非水相污染物，污染物泄露后将会污染潜水含水层，因此本次地下水模型主要模拟评价区域内的潜水含水层。同时根据本次项目地下水系统的内部结构、外部结构、边界条件、水文地质参数等进行分析研究，可概化为：非均质各向同性的三维地下水流场。由于受观测资料的限值及研究区地下水多年动态变化较稳定（多年水位变化1～3 m），本次模拟将研究区地下水含水系统概化为稳定地下水流系统。endprint

3.3.2模拟流场及初始、边界条件

以2016年3月地勘报告中的实测的地下水水位作为模拟流场。源汇项主要包括大气降水、河沟排泄、蒸发排泄等，各项均按要求换算层相应区上的强度，分配到相应的单元格上。

研究区含水层系统侧向边界概化为：南部边界和北部边界为排水沟，设定为排水沟边界；东部边界为一条河流，设定为定水头边界；西部边界局部为分水岭设为零流量边界，其余部分设置为通用水头边界，边界流量利用达西定律确定。在垂向上，浅层含水层自由水面为系统的上边界，通过该边界，与系统外发生垂向交换。潜水含水层下部相对隔水层作为系统下边界为零流量边界。

3.3.3网格剖分

模拟区东西方向作为模型的x轴方向，长度3000 m，每30 m划分一个网格；南北方向作为模型的y轴方向，宽3000 m，每30 m划分一个网格；垂直于xy平面向上为模型的z轴正方向，模拟范围900～1400 m，垂向上均分为3层。网格剖分结果如图1所示。空间三维模型建立如图2所示。

3.3.4模型参数赋值

由于项目区域钻孔揭露的岩层分布较连续稳定，同时参照项目区水文地质图，项目区属同一含水层类型，因此本次模拟在水平方向上未对模拟区含水层渗透系数进行分区，在垂向方向上结合岩土层渗透性能的不同进行了分区；同时，含水层垂向渗透系数赋值一般取为水平渗透系数的十分之一。含水层渗透系数的赋值主要参照本项目工程地质勘察报告成果、1∶20万区域水文地质报告及导则中的经验值，具体参数见下表1。

3.4评价区地下水环境模拟与预测

3.4.1模拟结果分析

按照前述建立的数值模型、边界条件和计算参数，以稳定流模拟结果作为初始渗流场，见图3。

3.4.2模型的验证识别

模型的识别和验证是整个模拟中极为重要的一步工作，通常要进行反复地调整参数才能达到较为理想的拟合结果。模型识别和验证过程采用的方法也称试估-校正法，属于反求参数的间接方法之一。

运行计算程序，可得到在给定水文地质参数和各均衡项条件下的模拟区地下水流场，通过拟合同时期的统测流场，识别水文地质参数和其它均衡项，使建立的模型更加符合模拟区的水文地质条件。

模型的识别和验证主要遵循以下原则：①模拟的地下水流场要与实际地下水流场基本一致；②从均衡的角度出发，模拟的地下水均衡变化与实际要基本相符；③模拟的水位动态与统测的水位动态一致；④识别的水文地质条件要符合实际水文地质条件。

本次地下水位分布基本和地形变化一致，水力坡度从山顶至金沙江水逐渐减少，流场基本合理。在平面上，模拟区潜水含水层观测水位和计算水位拟合效果较好。本次模拟在项目场地东侧厂界设置一处观测孔，用以验证其模拟计算水位与实际工程地勘中的实际观测水位之间的匹配性。根据预测，场地附近地下水水位高程约1198.82 m，这与厂区18个钻孔中的平均水位（1198.20 m）基本相符。由上分析可知，稳定流运行结果可以作为本次模拟的初始渗流场（图4）。

3.5地下水溶质运移预测模型

3.5.1参数的确定

通常，空隙介质中的弥散度随着溶质运移距离的增加而加大，这种现象称之为水动力弥散尺度效应。水动力弥散效应的存在为模拟和预测地下水中溶质在介质中的运移规律带来了困难。其具体表现为：野外弥散试验所求出的弥散度远远大于在实验室所测出的值，相差可达2～4个数量级。即使是同一含水层，溶质运移距离越大，所计算出的弥散度也越大。横向弥散度的取值依据美国环保署（EPA）提出的经验数据：横/纵向弥散度比一般为0.1。本次溶质运移模型中介质弥散度的确定结合了Gelhar，L.W在“A critical review of data on field-scale dispersion in aquifers”以及李国敏，陈崇希在“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”进行估算，同时根据攀枝花以往的弥散试验进行修订。最终确定的溶质运移模型参数为：纵向弥散度为10 m；横向弥散度为1.0 m。

本次模拟区自然条件相对稳定，降水量、蒸发量等值年際变化不大，模拟区地下水未来开采量可近似等于现状开采量。因此，可认为模拟区地下水系统的源汇项基本不变，对污染物在地下水中的迁移的预测，可基于前面已建的地下水流模型的源汇项条件和含水层参数特征进行。

模拟期为20年。

3.5.2预测情景及污染物源强

本项目将运行期间的非正常状况定义为：废水收集池受地质灾害等因素的影响，池体构筑物及防渗系统出现裂缝，废水沿此裂缝下渗，裂缝面积占总池体底面积10%；项目场地罐区储罐发生泄漏且底部围堰防渗系统出现裂缝，废水沿此裂缝下渗，裂缝面积占总池体底面积10%。

甲苯、柴油及污水泄漏（泄漏时间按1 d考虑，监测井中污染离子浓度异常升高，厂区暂停运行）后进入地下，首先在包气带中垂直向下迁移，并进入到含水层中。污染物进入地下水后，以对流作用和弥散作用为主。另外，污染物在含水层中的迁移行为还包括吸附解析、挥发和生物降解。根据本项目污染物的理化特征，出于保守性考虑，本次地下水污染模拟过程中未考虑污染物在含水层中的挥发、吸附解析和生物化学反应。污染物的排放形式可概化为点源，排放规律甲苯泄漏（泄漏时间持续1d）可简化为瞬时点源排放，废水池泄漏（泄漏时间持续300d）简化为连续恒定排放。本次模拟预测事故工况下污染物在地下水中迁移过程，进一步分析污染物影响范围、超标范围和污染羽浓度变化。

假设池体中废水下渗进入地下水系统符合达西定律，渗滤液下渗量可按下式计算：

Q=K×i×A

式中：Q为下渗量（m3/d）；K为渗透系数（m/d）；i为水力坡度（无量纲）；A为面积（m2）。endprint

根據项目可研报告，可获取各围堰、池体设计尺寸及面积，并根据各构筑物的防渗设计，可以计算出各工况下的水力坡度，再根据有关资料对防渗层的渗透系数进行取值后，便可计算出各工况下各构筑物污水下渗量（各构筑物下渗量结算结果见表2）。

3.5.3地下水环境影响预测分析

综合考虑地下水流向、周围敏感点的分布有针对性的开展模拟计算。标准限值参照《地下水质量标准》（GB/T14848-93）Ⅲ类标准；甲苯标准限值参照《地表水环境质量标准GB3838-2002》，检出下限参照《地下水环境检测技术规范（HJ/T164-2004）》（表3和表4）。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。

用模拟结果可以看出，甲苯罐泄漏、围堰池底破裂致使甲苯下渗对潜水含水层造成影响，并存在超标现象，但是随着污染物的扩散，超标面积逐渐缩小至零。厂界东侧50 m距离的监测点JC01在80 d左右会检出甲苯，此时未存在超标现象；监测点JC01在120 d左右会检测出超标现象。在2290 d左右区域甲苯超标现象会消失，4120 d左右污染物对潜水含水层的影响将消失（表5）。

（2）非正常状况下，COD运移模拟情况如图6。

用模拟结果可以看出，废水池底破裂致使废水下渗对潜水含水层造成影响，并存在超标现象，但是随着污染物的扩散，超标面积逐渐缩小至零。厂界东侧监测点JC01在60 d左右会检出COD，此时未存在超标现象；监测点JC01在90 d左右会检测出超标现象。在1710 d左右COD超标现象会消失，4480 d左右污染物对潜水含水层的影响将消失（表6）。

根据本工程建设对地下水的环境影响特点，建议本项目地下水污染防治措施按照“源头控制、分区防治、污染监控、应急响应”相结合的原则，从污染物的产生、入渗、扩散、应急响应进行控制。

（1）参照《石油化工工程防渗技术规范》（GB/T50934-2013），根据项目区各生产、生活功能单元可能产生污染的地区，做好分区防渗工作。

（2）设置场地下游地下水环境监测井设置，作好例行监测和数据管理工作，提交跟踪监测报告，并对建设项目特征因子的监测值进行公开发布。

（3）作好风险事故应急响应机制。

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Prediction of Groundwater Environment of a Chemical Plant Based on Visual MODFLOW

Li Yang1，Yu Yin2，Gao Cheng2

（1. Sichuan Environmental & Engineering Appraisal Center， Chengdu 610041，China；

2. Sichuan Research Institute of Environmental Protection，Chengdu 610041， China）

Abstract： The chemical industry is a high contaminative business. Because of the unreasonable discharging sewage and the running， dripping， leaking in production process， a large amount of poisonous and harmful organic pollution enters the groundwater system， which has an impact on the groundwater environment even restricts the development of economy and society and further endanger human health. Solute transport situation uses Visual MODFLOW software to simulate a chemical plant of pollutants in the groundwater environment. Prevention and control measures are put forward thus providing technical support and reference for groundwater environmental protection of Chinas chemical industry.

Key words： groundwater environment； numerical simulation； solute transportendprint