东北某企业地下水中挥发酚运移模拟

翟 勇 黄 亮 甄占胜

(1.中国昆仑工程有限公司吉林分公司；2.中国石油天然气股份有限公司辽河石化分公司)

0 引 言

化工工业水平是一个国家工业化程度的重要标志，作为东北地区的主导行业，其快速发展加快了东北经济的发展。也因此造成了能源、生态、环境、资源等方面的危机[1-5]。酚类主要来自于炼油、煤气洗涤、炼焦、造纸、合成氨、化工等过程[6]，挥发酚通常是指沸点在230℃以下的酚类物质，属于一元酚。挥发酚是世界各国严格控制的饮用水有机污染物，长期饮用被该物质污染的水极有可能引起慢性中毒。关于地下水的污染，国家先后出台了《水污染防治行动计划》《全国地下水污染防治规划(2011—2020)》等一系列法规，国内也有很多学者开始着手对地下水中挥发酚类物质进行调查、评估及评价等研究。本文以东北某化工企业场地地下水为例，研究其地下水中挥发酚类物质的溶质运移规律。

1 场地概况

该场地位于东北某化工企业厂区内，2013年完成了某项目的主体工程建设，并投产使用。在项目所涉及到的含酚废水处理池周边建设5眼地下水监测井，对地下水中的酚类、COD、氨氮等指标进行长期监测。对5眼井中的地下水进行检测后发现，地下水中的酚类物质最高可达0.94 mg/L。

该场地位于松嫩平原，地形地貌主要受区域地质构造和新构造运动控制和影响，地势由西北向东南缓缓降低，海拔一般145～155 m，最高点位于西北部高岗地，海拔161.2 m，最低点位于东南部河谷侵蚀基准面，海拔141.8 m。厂区内包气带为粉质黏土，上部黑褐色，下部褐黄色，分布连续，厚度6～8 m，渗透系数0.1～0.46 m/d。厂区内包气带岩性共有3层，即杂填土、黑褐色粉质黏土、褐黄色粉质黏土，其中杂填土厚度1.2～1.8 m，黑褐色黏土厚度2.05～5.5 m，褐黄色粉质黏土厚度2.0～3.5 m。

2 所用地下水数值模拟软件简介

地下水数值模拟采用GMS地下水数值模拟软件。国际通用标准GMS有良好的使用界面，强大的前处理、后处理功能和优良的三维可视效果，是目前世界上应用最广泛的地下水数值模拟软件之一。

地下水数值模拟的步骤一般如下：①建立研究区域地下水系统的概念模型；②将概念模型转化为数学模型；③模型校正；④通过预测结果与观测结果进行模型的验证；⑤使用验证后准确模型进行预测。实体模型建立方法有网格法、概念模型法、钻孔法(Solid法)。求解地下水模型的方法有解析法、数值法和物理模拟法。数值法是目前求解模型的主要方法。数值法包括有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)、有限分析法(FAM)和边界单元法等，其中应用最广泛的是有限差分法和有限单元法。

本次模拟采用钻孔法(Solid法)，利用软件中的Boreholes软件包进行实体模型的建立。

3 概念模型的建立

3.1 工作区域

水文地质资料来自于水文地质钻探，区内共布设钻孔25个，并根据钻孔绘制钻孔综合柱状图，工作区钻孔点位布置情况如图1所示。

图1 钻孔点位布置情况

3.2 含水层概化

根据地下水含水介质特征和赋存条件，地层情况大体分为冲积层，主要成分为粉质黏土，含石块，砾石，砖头；湖积层，主要由灰白—灰黄色含砾中粗砂、粉细砂组成，顶部分布有不连续的暗灰及暗绿色粉质黏土及灰黑色淤泥质粉质黏土；冲积湖积层，由灰、深灰、灰黑色及褐色含砾中砂、粗砂、含砾细砂组成，局部夹少量砾砂、圆砾、粉砂、细砂或粉土透镜体；湖积层，灰、灰黑色粉质黏土，局部夹粉土或粉质黏土透镜体；湖积层，主要分布灰绿色、黄绿色微胶结或半胶结的细砂、砾砂、圆砾，结构疏松。

由于地层中第一层冲积层厚度较小，且大部分为杂填土，因此将本区地层概化为四层，分别为湖积层、冲积湖积层、湖积层、湖积层四层。通过查看钻孔柱状图可以得出各地层的顶底板标高，如表1所示。

通过钻孔数据应用GMS软件中的Boreholes软件包得出三维水文地质概念模型，见图2。

表1 钻孔数据中的地层顶底板数据整理结果

图2 三维水文地质概念模型

3.3 边界条件

研究区东北方向为河流，与研究区存在补排关系，其他方向由于研究区较小，不存在独立的水文地质单元，没有天然的水头边界，研究采用了以地下水监测数据插值等值线为参考，建立边界条件的方法。

通过对钻孔的水位观测，得出各钻孔水位高程值如表2所示。

将各监测点的水位监测数据采用反距离权重插值法进行了数据插值，反距离权重法是进行散点插值比较常用的一种方法，它假定某一点的值受距离较近的已知点的值影响较大，相反受距离较远的已知点的值影响较小，影响程度也就是权重点之间的距离平方的倒数。反距离权重法的计算公式为：

表2 研究区各钻孔水位高程值 m

(1)

式中：zi(x，y)为已知点高程,m；di为某一个水位监测点距周围不同监测点的距离,m。

通过反距离权重插值得到地下水流场图，如图3所示。

图3 地下水流场模拟

根据地下水流场模拟图可知，该区域地下水流向为由北西方向向下游河流补给。

沿地下水位等值线描绘模拟区域的边界，如图4所示，其中紫色为下游河流补给边界，黄色为零流量边界，蓝色为定水头边界，构成闭合区域。

图4 边界条件的设定

3.4 地下水流模型

1)数学模型

根据HJ 610—2016《环境影响评价技术导则 地下水环境》，地下水渗流场的数学模型为：

(2)

(3)

式中：μs为贮水系数，1/m；h为水位，m；Kx，Ky，Kz为分别为x，y，z方向上的渗透系数，m/d；t为时间，d；W为水流的源和汇，1/d。

2)网格剖分

研究区地形垂向最大高程161.8 m，最小103.06 mm，相对高差58.2 m。根据项目区含水层结构特征及富水性，将项目区模型分为4层，每层以100 m×100 m的网格剖分，模拟区三维离散网格如图5所示。

图5 区内网格剖分

3)水文地质参数

模型的渗透系数主要根据项目区的抽水试验结果确定，其他参数取值根据区域相关水文地质资料及文献类比确定。根据不同地层、不同风化条件进行模型渗透系数分区，取值见表3。

表3 模型水文地质参数

4)流场模拟

将概念模型的各项参数导入地质模型中，使用 LPF(Layer Property Flow，分层属性流体计算)模块进行流场运算，形成研究区地下水流场如图6所示。

图6 地下水流场

4 地下水溶质运移模型

4.1 数学模型

4.1.1 控制方程(对流-弥散方程)

地下水中污染物的迁移机制主要包括对流和弥散，本文采用MT3DMS进行污染物在地下水中的运移模拟计算。弥散方程包含了对流、弥散、流体的汇/源、平衡吸附作用和一级不可逆速率化学反应，其一般式如下：

(4)

延迟因子的定义为：

(5)

本研究中以各取样点中的挥发酚为主要溶质，其取样点的位置与挥发酚的浓度如表4所示，通过GMS中的MT3DMS软件包进行污染物分布三维插值，得到污染物分布结果如图7所示。

表4 污染物位置与浓度

图7 研究区酚污染物分布

4.1.2 定解条件

初始条件：在计算区域范围内给出浓度的初始分布：

C(x,y,z,t)/t=0=C0(x,y,z)

(6)

式中：t=0为任意给定的初始时刻；C0为位置的已知函数。

边界条件(即Dirichlet条件)，指定边界浓度：

C(x,y,z,t)/Γ1=C1(x,y,z,t)
(x,y,z)∈Γ1,t>0

(7)

式中：等式右端依次为弥散项、对流项、源汇项和化学反应项。

4.2 参数的确定

本次污染物溶质运移采用GMS中的MT3DMS模块进行模拟，溶质运移中主要模型参数如表5所示。

表5 溶质运移模型主要参数

4.3 污染物迁移预测

通过MT3DMS软件包输入溶质运移相关参数，并预测10 a后(3 650 d)的污染物运移情况，得出图8不同时段的污染物分布情况。

图8 不同时段污染物分布

通过对厂区内10 a的溶质运移模拟结果分析，可以判断现阶段的挥发酚主要集中在厂区废水处理池区域及其西南临近方向，最大浓度可达0.94 mg/L，其他区块浓度较低，甚至低于检出限。对比1，5，10 a后的浓度分布情况，可知该区域的挥发酚并不会影响到下游河流，并且通过10 a的模拟，挥发酚的浓度集中在0.002～0.1 mg/L，较现阶段发生明显的降解效应。

5 结 论

通过对东北某化工企业场区地下水进行调查，并分析其地下水中挥发酚类物质对环境的影响，主要得到以下结论：

该场地区域内地下水中污染物主要为挥发酚类物质，这与该化工企业的生产运行有关。

根据厂区内10 a的溶质运移模拟结果，可以判断现阶段的污染主要集中在厂区含酚废水处理池区域及其西南临近方向，最大浓度可达0.94 mg/L。

对比1，5，10 a后的挥发酚浓度分布情况，该区域的挥发酚并不会影响到下游河流。

通过10 a的模拟，挥发酚的浓度集中在0.002～0.1 mg/L，较现阶段发生明显的降解效应。

应对场区挥发酚高浓度中心地段采取削减或清除污染源的措施，降低挥发酚浓度。

应制定监测计划，对场区及周边地下水进行长期监测，监测挥发酚的长期变化趋势，进行风险管控。