某工业园区地下水污染运移模拟

王东晟

摘  要：针对河南省台前县某工业园区地下水污染情况进行模拟，为污染物在地下水中运移情况提供预测和防治指导。通过实地踏勘获得地质参数，运用Visual Modflow软件构建地下水流模型，对模型进行识别和验证，得到较为耦合的地下水流模型，结合溶质运移模型，最终得到污染物运移规律：随着时间的增加，污染物范围逐渐扩大，污染物浓度逐渐减小;污染物主要随着水流方向运移，对环境的影响范围逐渐扩大，污染物浓度随时间和距离逐渐减小。

关键词：数值模拟;潜水;Visual Modflow;溶质运移

中图分类号：X523;TP391.9       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）03-0065-04

Abstract：The groundwater pollution in an industrial park in Taiqian County of Henan Province was simulated to provide guidance for the prediction and prevention of pollutant movement in groundwater. Geological parameters obtained from field reconnaissance，and using the Visual Modflow software build groundwater flow model，the identification and validation of the model，is a coupling model of groundwater flow，combining with the solute transport model，the resulting contaminant migration rule： with the increase of time，gradually increasing range of pollutants and pollutant concentration decreases;the pollutant mainly moves with the direction of water flow，and its influence on the environment is gradually expanded. The pollutant concentration decreases with time and distance.

Keywords：numerical simulation;diving;Visual Modflow;solute transport

0  引  言

黃河滩区平原特殊的地理位置以及所承担的防洪功能，是一个典型的生态系统脆弱区。由于该区域众多的工业园区生产运行和污染排放，生态环境问题显得日益严峻，因此工厂的污染废水排放以及工业原料的非正常泄漏都严重地威胁着滩区的地下水生态环境和水体的质量。利用数值模拟构造地下水流场和溶质运移进行分析，是目前研究地下水流场特点以及水环境评价的主要手段之一[1]。本文基于校内《某环保科技有限公司生产残液项目环境影响评价项目》的影响范围及规律进行了研究，根据园区内水文地质结构和水文环境特征，利用Visual Modflow数值模拟软件对黄河滩区平原工业园区地下水污染物迁移特征进行模拟。此次研究对于黄河滩区平原污染治理以及防治具有现实的指导意义和理论意义。

1  研究区概况

模拟区水文地质剖面图如图1所示。

研究区位于黄河下游冲积平原，地形较平坦，海拔48.5 m～63.0 m，西南高，东北低，坡降为0.34‰。研究区属温带大陆性季风气候，春季多风，夏季炎热，蒸发量较大，年降水量多集中在七、八、九月份，年均降水量608 mm。地下水类型为第四系松散岩类孔隙水，浅层含水层颗粒较粗，厚度较大，质地较纯，以粉细、中细砂为主，局部可见中砂，富水性中等，深层含水层顶板为厚度4 m～12 m的亚黏土，分布较为稳定，隔水性能较好，与上覆浅层含水层组水力联系微弱。

2  概念模型和介绍

2.1  概念模型

模拟区范围为台前县西白岭村汇流区域，面积约为22.56 km2。结合模拟区水文地质条件与地下水环境保护目标，确定主要含水层为第四系松散岩类孔隙含水层，本研究主要为模拟污染物在地下水中的迁移，对地下水本身的流动没有影响，黄河与区域内地下水关系密切，无论是枯水期还是丰水期均补给地下水，概化为水头边界;北侧流出模拟区部分概化为定水头边界;西侧和东侧由于补给排泄水量平衡，概化为零流量边界。模拟区顶部边界为潜水含水层的自由水面，整个含水层系统通过这个边界可接受大气降水入渗补给、蒸发排泄等，与外界进行垂向的水力联系。模型的底部边界是粘土及粉质粘土弱透水层，为零流量边界。

2.2  地下水流数学模型

区域内地下水运动符合达西定律，根据实际的水文地质边界条件，地下水流场特征和不同渗透要素的改变，把此研究区域概化为非均质各向异性、二维、稳定的地下水流系统[2]。用下列数学模型进行表述：

对于二维、非均质、各向异性、稳定地下水流系统，可用如下偏微分方程的定解问题来描述：

式中：Ω为渗流区域;h为含水层水位标高（m）;Kxx为x方向渗透系数（m/d）;Kyy为y方向渗透系数（m/d）;Kn为边界法向量的渗透系数（m/d）;w为源汇项（1/d）;h0（x，y）为含水层的初始水位分布（m）;Γ2为渗流区域的二类边界;（x，y）为平面位置坐标;n为边界面的法线方向;q（x，y，t）为二类边界上已知流量函数。可用有限拆分法求解该渗流数学模型。有限差分是将时间和空间进行离散化。本次研究区划分为矩形，南北向长度为2.0 km，分为50行;东西向长度为2.2 km，分为50列。

2.3  模型识别

模型的识别和验证是整个模拟中极为重要的一步工作，需要反复地调整参数才能达到较为理想的拟合效果。模型识别和验证采用的方法也称为试估-校正法[3]。在给定的水文地质参数和各项均衡条件下的模拟地下水流场，通过拟合时期的统测流场，识别水文地质参数和其他均衡项，使建立的模型更加符合模拟区的水文地质条件[4]。

根据以上原则，以2016年6月流场作为初始流场，得出地下水初始流场图，如图2所示。识别时间为2016年7月到2017年1月，验证期为2017年2月到2017年6月，地下水拟合效果如图3所示，误差都在95%置信区间之内，符合模拟的基本要求精度。

3  溶质运移模型

此次地下水污染模拟不考虑污染物在含水层的吸附、挥发以及生物化学反应，应用Visual Modflow中的MT3D模块对污染物运移进行模拟[5]。

3.1  地下水中溶质运移的数学模型

地下水中溶质运移的数学模型可表示为：

式中：Dij为含水层的弥散度;C为模拟污染质的浓度（mg/L）;t为时间（d）;nε为有效孔隙度;n为介质孔隙度;W为源汇单位面积上的通量;Vi为渗流速度（m/d）;C′为源汇的污染质浓度（mg/L）。

初始条件为：

3.2  污染物模拟情形设定

根据厂区平面设计，结合工程项目相关资料，确定地下水污染源主要是苯存儲罐，模拟非正常状态下防渗不正常情景。厂区具有完备的污染物泄漏预警系统，因此设置不正常状态为100 d，根据入渗系数、多年平均降水量以及其他参数，计算出两种情况下苯污染物的源强大小，如表1所示。

综合考虑地下水流向、厂区周围敏感点的分布有针对性地开展模拟计算。模拟结果以浅色范围表示地下水污染物超标的浓度范围，深色范围表示存在污染但污染不超标的浓度范围，限值为检测指标的检出限，当预测结果小于检出限时则视为对地下水环境几乎没有影响。苯标准值参照《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）Ⅲ类标准值。

3.3  预测结果

在非正常状态下发生泄漏，苯污染物的影响范围如图4所示、超标范围及最大运移距离如表2所示。从预测结果看出苯发生泄漏在地下水100 d后影响范围为3 160 m2，超标范围659 m2，最大运移距离为51 m。泄漏发生1 000 d后影响范围为5 345m2，超标范围324 m2，最大运移距离为128 m。泄漏发生3 650 d后影响范围为7 695 m2，超标范围65 km2，最大运移距离为163 m。泄漏发生7 300 d后影响范围为14 300 m2，超标范围0 m2，最大运移距离为210 m。

随着地下水的流动，苯污染物的影响范围越来越大，但超标浓度越来越小，由此可以看出，在实施完善的防渗措施以及应急措施后，可以有效地降低污染物影响范围，使污染物影响范围降低到环境可以接受的范围之内。

4  结  论

本研究以黄河滩区某工业园为研究区，结合当地的水文地质和地形地貌特点，利用有限差分法数学思想结合地下水数值模拟软件Visual Modflow建立地下水流场模型，并根据监测资料对模型进行参数调整和校正。在模拟精度达到要求之后，模拟苯污染物在非正常条件下泄漏到潜水含水层以后的污染物运移情况，将地下水流数值模拟与溶质运移模拟相结合，分析苯污染物在设计情形中的地下水受污染状况。

模拟结果显示，污染物首先向四周扩散，而后主要沿着地下水水流方向进行扩散，7 300 d最大影响范围达到14 300 m2，最大运移距离为210 m。随着时间的推移，污染的影响范围越来越大，但由于岩土的吸附和生成难溶化物而滞留于土壤中，污染浓度随之减少。

地下水环境复杂，污染物的泄漏不易被察觉，而且随着时间的推移，污染范围也在不断扩大，而且地下水污染难以修复，治理更加困难，因此建立良好的污染事故预警系统以及定时监测地下水污染状况是行之有效的方法。

参考文献：

[1] 武强，董东林，武钢，等.水资源评价的可视化专业软件（Visual Modflow）与应用潜力 [J].水文地质工程地质，1999（5）：23-25.

[2] 李平，卢文喜，马洪云，等.Visual MODFLOW在地下水数值模拟中的应用——以公主岭市黄龙工业园水源地为例 [J].工程勘察，2006（3）：24-27+36.

[3] 郭晓东，田辉，张梅桂，等.我国地下水数值模拟软件应用进展 [J]. 地下水，2010，32（4）：5-7.

[4] 尉鹏翔. Visual Modflow在地下水污染物运移模拟中的应用 [J].水资源保护，2011，27（4）：19-21+41.

[5] 冯洁.可视化地下水数值模拟软件（VISUAL MODFLOW）在国内的应用 [J].地下水，2013，35（4）：34-36.