基于VM-MT3D的污染物质运移数值模拟预测分析

王成文

(宁夏回族自治区水文环境地质勘察院，宁夏 银川 750011)

地下水作为宝贵的供水资源和重要的生态环境因子，在保证城市生活用水、工业农业生产用水和生态环境平衡等方面扮演着不可替代的角色，同时也是保持“大气降水—地表水—地下水”三水转化、循环的主要参与者，对于保障社会经济发展和安全供水具有十分重要的作用。近些年，随着城镇一体化的快速发展， 地下水开发利用过程中存在着水资源供需矛盾，地下水过度被开采、地下水水位下降和地下水污染等多种问题[1-3]。

Visual Modflow是地下水水流和溶质运移模拟软件，广泛应用于地下水流场和污染溶质运移分析中。借助Visual Modflow 软件， 赵明明等[4]分析了玉井煤矿对地下浅含水层会产生较大影响，影响范围达到了 5 000 m。张韵等[5]建立了某经济开发区地下水流和溶质运移的可视化模型，并预测出Cr6+10年后运移112 m。赵娜[6]在对某仓库进行了前期水文地质条件的了解和资料的准备，建立相应的 GMS 数值模型，对铅酸蓄电池中的硫酸根离子的运移特征进行了预测研究，并提出适合研究区当地的污染防护措施。李丹等[7]研究对预测地下水污染发展趋势和地下水溶质迁移机制，选择最佳防治措施，制定相关地下水保护政策，具有重要的实际意义。

本次研究借鉴于地区开展供水水文地质勘察资料，结合研究区的实际特征，利用Visual Modflow软件MT3DMS模型(简称VM-MT3D)[8-10]进行污染物质运移模拟预测，建立稳定流数学模型，采用地下水流动模型选取氨氮(NH3-N)为特征污染物，预测NH3-N的运移对土壤及地下水造成的影响，为地下水资源的安全和管理提供依据。

1 研究区地下水流数值模型

1.1 研究区概况

研究区为某生活垃圾焚烧发电三期扩建厂区，所在的微水文地质单元边界外扩形成的面积约为20 km2的矩形区域。研究区所在地形为低山丘陵地形，含水层类型主要为火山岩类孔洞裂隙含水层，地下水的径流条件受地形地势的影响明显，地下水径流方向和地形一致，区域地下水是受地势相对较高的地形影响，形成局部的地下水流动系统，整体由南部低山丘陵向西北流动，研究区基本情况见图1。

图1 研究区基本状况

1.2 水文地质概念模型

1.2.1水文地质条件

在研究区域内广泛分布含水层为火山岩类孔洞裂隙含水层，均为潜水含水层，岩性主要是火山碎屑岩石、玄武岩、蜂窝状-气孔状玄武岩为主，含水层直接出露地表，属于裸露行火山岩孔洞裂隙水，研究区水文地质剖面见图2。

地下水主要来源为大气降水入渗补给和侧向补给，还有少量灌溉回渗补给；主要排泄方式为地下水的侧向径流排泄，其次为蒸发。研究区域周边地下水开采利用程度较低，地下水的径流条件受地形地势的影响明显，多以三维流的形式径流，由地势相对较高的颜春岭低山丘陵向四周径流，地下水径流方向和地形一致，但水力梯度小于地形坡度，水力梯度1‰～6‰。地下水总体流动方向为南东流向北西，研究区水位等值线见图3。

因此，本次水文地质模型概化仅将火山岩、玄武岩类孔洞裂隙含水层概化为一层，作为模拟预测层位，厚度一般在10～75 m，其中火山岩类地下水含水层厚度为1～30 m，玄武岩含水岩层厚度30～70 m。所在区水位等值线见图3。

图2 研究区水文地质剖面

图3 研究区水位等值线

图4 研究区模拟边界条件

1.2.2边界概化

结合研究区水文地质特征，由于东侧边界和西侧边界垂直于等水位线，设置为零通量边界；南侧边界为地下水的补给边界，北侧边界为地下水的排泄边界；在垂向上，潜水含水层自由水面作为模型上边界，通过该边界潜水与系统外发生垂向上的水量交换，如大气降水入渗补给、蒸发排泄，模拟区边界条件见图4。

1.3 地下水数学模型

a)水流模型。根据水文地质概念模型，地下水流概化为非均质水平各向同性、空间三维结构、非稳定地下水流系统，可用如下方程的定解问题来描述[11-12]：

b)溶质模型。三维溶质运移可用以下微分方程的定解问题描述[12-14]：

x、y、z∈Ω,t≥0

(2)

污染物在地下水中的运移转化过程是极其复杂的[15]，本次模拟研究不考虑污染物运移过程中的吸附、化学反应和生物降解等作用，只考虑对流弥散作用对污染物运移的影响，弥散系数与孔隙的平均流速呈线性关系，其比值为弥散度，在模型中流速是自动计算的，溶质运移模型需要给定纵向弥散度，横向弥散度为纵向弥散度的1/10。本次评价纵向弥散度根据前人的研究成果和一些类似水文地质条件的模拟结果确定[16]：纵向弥散度取10 m，横向弥散度取1 m。溶质运移参数见表1。

表1 NH3-N溶质运移模型参数

1.4 数值模拟相关参数

1.4.1水文地质参数

研究区含水层主要以气孔状、火山碎屑岩石为主，水文地质条件较为均匀，渗透系数空间变化较小，将渗透系数和给水度等含水层参数分区值以面状形式导入模型中，渗透系数为0.09～0.14 m/d，给水度为0.05～0.15，水文地质参数见表2。

表2 不同历时时间NH3-N对地下水的影响情况

1.4.2源汇项概算

研究区源汇项比较简单，地下水的主要补给来源为大气降水入渗补给，主要排泄途径为蒸发排泄、少量人工开采及地下水侧向径流流出。

a)补给项。模拟区源汇项比较简单，补给主要为大气降水补给，大气降水量取多年平均降水量1 700 mm，当地降雨入渗系数0.09～0.13，因此，研究区大气降水入渗补给地下水量根据式计算[17]可得，大气降水入渗速率为0.000 42～0.000 61 m/d。

V=α·P·10-3/365

(3)

式中V——降雨入渗速率，m/d；α——降雨入渗系数；P——降雨量，mm/a。

b)排泄项。地下水排泄主要为侧向流出和蒸发。研究区及周边区域地下水水位埋藏深度较浅，地下水水位一般在1.93～7.74 m，当地蒸发极限深度为3.5 m，因此在水位埋藏深度较浅的区域，地下水会以蒸发的方式排泄，蒸发是项目所在区域地下水的排泄方式之一。蒸发量取当地多年平均蒸发量1 524.3 mm，蒸发极限深度取3.5 m；侧向流出量根据达西定律计算得到，地下水年变幅源汇项见表3。

表3 地下水源汇项概算变化量 单位：亿m3/a

1.5 模型识别与检验

通过模型的识别和验证，使模型达到所需的精度的情况下进行模拟预测。通过模拟的水位等值线和水文地质勘查过程中6个水文地质钻孔的实测水位和模型的模拟水位进行模型的识别验证。研究区域地下水基本处于无开采状态，地下水水位年际动态变化幅度较小，水位较稳定。因此，本次模拟采用非稳定流模型进行水位的识别，模型地下水流场见图5，可知模拟区水位等值线和实际水位等值线相比，水位值变化不大，水位等值线的形状基本一致，水力梯度基本不发生变化，污染物质随地下水流向径流，研究区水位可以反映出真实地下水中NH3-N浓度随水流的历时变化过程。

图5 模拟地下水流场渗流方向

在水位点的识别验证中，研究区6个水位地质钻孔的模拟预测水位和实际水位情况见表4，水位点模拟水位和真实水位的拟合情况见图6。

通过分析可知，6个水文地质钻孔模拟水位水位和实际水位差均在0～1.2 m，水位误差较小，满足模拟预测所需精度要求，可以用做地下水溶质运移模拟预测。

表4 研究区观测点模拟水位与实际水位对比

图6 水位观测点拟合

2 模型预测结果与分析

2.1 模拟预测设定

根据扩建工程渗漏事故发生后污染羽的变化情况和服务年限划分模拟预测周期，利用Visual Modflow软件MT3D模型进行数值模拟。在网格剖分中，大区域上将模拟区剖分为10 m×10 m的网格，为了详细刻画项目区地下水流动特征、模拟预测事故工况下污染物对区域地下水环境的影响情况，模型共分为415行×411列，其中有效单元格共119 414个，网格剖分见图4。

根据研究区地下水流场特征、含水层的分布情况和水文地质单元的边界情况，确定本次模拟预测的范围为包含扩建三期工程单元及下游区域的面积约12 km2的区域，模拟预测单元为焚烧厂垃圾池渗液处理站，选择污染物质因子为NH3-N，设定污染源强浓度为20 000 mg/L，模拟预测的情景为垃圾池的垃圾渗滤液连续渗漏90天，每天渗漏1.0 m3的情况，该情景设计是基于渗滤液处理站每天处理的垃圾能力和容载能力而定，并参照曾经渗漏检测的污染物质浓度值。

2.2 污染物运移预测结果分析

在模型识别验证的基础上，将污染源输入模型，预测时间分别为渗漏事故后100天、1 000天、10年、20年、25年(扩建工程服务期满)和30年(服务期满后5年)共6个时段，模拟NH3-N污染羽的分布情况，渗漏事故发生后NH3-N污染羽变化情况见图7。

a)100天

b)1 000天

c)10年

d)20年

e)25年

f)30年

结合表5可知，渗漏事故发生后，受渗漏的高浓度的渗滤液的影响NH3-N污染羽影响距离随时间不断增长，污染羽范围随时间逐渐增大，渗漏事故发生30年后，NH3-N最远影响距离为496.2 m；污染羽范围为36 800 m2；污染羽范围内NH3-N浓度随时间逐渐减小，渗漏事故发生30年后，研究区NH3-N最大浓度为2.19 mg/L，高于GB/T 14848—2017《地下水质量标准》[18]中NH3-N的Ⅲ类标准限值。

表5 不同历时点NH3-N对地下水的影响情况

渗滤液处理站渗漏事故发生处和渗滤液处理站下游厂界处NH3-N浓度历时曲线见图8、9，可知渗漏事故发生后，渗滤液处理站渗漏处NH3-N随时间逐渐减小，渗漏事故发生7.4年后NH3-N降至地下水Ⅲ类NH3-N 0.5 mg/L标准限值；渗滤液处理站下游厂界处NH3-N随时间先增大后逐渐减小，渗滤液渗漏事故发生后1.1～14.8年，NH3-N的污染浓度高于地下水质量标准限值，渗漏事故发生30年后，渗滤液处理站下游厂界处NH3-N降为0.002 3 mg/L。

图8 处理站渗漏处地下水中NH3-N浓度历时曲线

图9 处理站下游厂界处地下水中NH3-N浓度历时曲线

3 主要结论

a)利用Visual Modflow软件MT3D模型进行地下水NH3-N溶质运移数值模拟，研究区渗漏处理站的NH3-N污染羽影响距离随时间不断增长，范围不断增大；模拟预测渗漏事故发生30年后，NH3-N最大浓度为2.19 mg/L，最远影响距离为496.2 m，污染羽范围为36 800 m2。

b)渗滤液处理站渗漏处NH3-N随时间逐渐减小，渗漏事故发生7.4年后NH3-N降至地下水Ⅲ类标准；处理站下游厂界处NH3-N随时间先增大后逐渐减小，渗滤液渗漏事故发生后1.1～14.8年，NH3-N的污染浓度高于地下水质量标准限值，直到30年后下游厂界处NH3-N降为0.002 3 mg/L。

c)通过对地下水水位的验证识别，发现此次地下水溶质模拟预测可靠，可以为更复杂的地下水溶质运移研究提供一定参考。