基于GMS软件对某污染厂区地下水污染规律研究

杨元旭，柴建华，徐世光,

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093；2.云南地矿工程勘察集团公司，昆明 650041)

我国地下水污染正面临着由点到面、由浅到深、由城市到农村不断扩展和污染程度日益严重的趋势,地下水污染防治迫在眉睫[1]。对于地下水污染问题的研究，目前主流的方法是通过计算机软件建立地质模型，以此来模拟预测地下水污染状况[2]。GMS软件在地下水溶质运移模拟方面应用已比较成熟[3]，可用于处理本次研究问题。

本文以某污染厂区受污染地下水为研究对象，利用GMS软件建立了厂区区块的地下水流场，并在分析厂区污染源的基础上模拟验证了厂区地下水污染过程，最终依据验证的溶质运移模型分析研究了污染场地特征污染物在松散层地下水中的污染规律。为其他类似性质的场地在工业选址污染防控以及对已污染场地的地下水修复提供可借鉴的研究方法和参考依据。

1 研究区水文地质条件

研究区位于一个断陷盆地内，海拔在1 280～1 350 m间，盆地内地势相对平坦，年平均降雨量815.8 mm，属于亚热带季风气候。盆地内主要沉积第四系地层。区域水文地质图如图1所示。

研究区水文地质条件较为复杂，含水层(组)类型展布与区域主体构造密切相关，而次一级构造主要控制着地下水的运移和富集[4]。盆地周边及盆地基底主要发育碳酸盐岩，且岩溶十分发育，富水性较好，是区内主要的含水层。

第四系松散层主要接受大气降雨补给，同时盆地周边的岩溶水及裂隙水会通过岩溶通道及裂隙通道侧向径流补给盆地第四系孔隙水。地下水主要以径流方式向盆地内最低点长桥海和大屯海排泄；其次，地下水还通过地表蒸发进行排泄，但是盆地地下水主要为承压水，其蒸发强度较弱。

图1 区域水文地质图

2 第四系地下水流场特征

2.1 水文地质概念模型

通过场地水文地质钻探、民井调查以及已有资料分析，本次研究将盆地内第四系地层从上至下依次分为粉质黏土层(弱透水层)，中层砂砾石层(含水层)，下层粘土层(相对隔水层)。

盆地西部、南部、东部地区主要发育碳酸盐岩类灰岩、白云岩，富水性较强。这些碳酸盐岩地层岩溶裂隙都十分发育，且这些地层直接与上覆第四系地层接触，盆地周边的岩溶裂隙水会通过岩溶裂隙通道补给盆地第四系地层的孔隙水，故本次将盆地周边碳酸盐岩发育地区概化为向盆地内第四系补给的定流量边界；盆地东南部及东部部分地区发育有砂岩地层，其富水性较弱，本次研究将其概化为隔水边界；大屯海和长桥海两个天然湖泊为盆地内的最低水平面，盆地内第四系地下水在接受大气降雨补给和盆地周边基岩区侧向补给后，以径流方式最终排泄于两个天然湖泊内。因此将盆地内两个天然湖泊概化为定水头边界(详见图1)。

2.2 研究区数学模型

分析整个盆地的区域水文地质条件，本次研究将研究区第四系地下水流概化为稳定的均质各项异性的地下水流系统，并选择三维承压水含水层地下水稳定流运动方程进行概化分析，见式(1)。

(1)

其中，Kxx为x方向渗透系数主值，m/d；Kyy为y方向渗透系数主值，m/d；Kzz为z方向渗透系数主值，m/d；Us为弹性释水系数；W为垂直方向补给强度。

求解上述地下水数学模型偏微分方程需要初始条件和边界条件等一系列条件，初始条件为零时刻的边界条件。

(1) 第一类边界(已知水头边界)

(2)

其中，H(x，y，z，t)表示三维条件下边界段Si上点(x，y，z)在t时刻的水头，是Si上的已知函数。

(2) 第二类边界(已知流量边界)

(3)

其中，n为边界Si的外法线方向。qi为已知函数，表示Si上单位面积的侧向补给量。

(3) 第三类边界(混合边界)

(4)

其中，α、β为已知函数；H为潜水含水层水头，m。

2.3 源汇项

(1) 补给项

盆地内第四系地下水主要接受大气降雨补给及盆地周边山区基岩裂隙岩溶水侧向补给。据统计，当地多年平均降雨量815.8 mm，降雨入渗系数为0.03～0.25。基于本次野外工作期间属旱季-平季水位，故本次选择降雨入渗补给量稍小，调整为0.002 6 m/d。

侧向径流补给量采用达西公式(式5)进行计算。

Q=KIHL

(5)

式中,Q为侧向径流补给量，m3；K为剖面含水层的平均渗透系数，m/d；I为地下水的平均水力坡度，无因次；H为含水层厚度，m；L为垂直于地下水流方向的断面长度，m。

依据公式(式5)，计算可得盆地侧向净补给总量为931.7 m3/d。

(2) 排泄项

盆地内第四系地下水，主要以地下径流集中向盆地北部大屯海及长桥海排泄。基于盆地地下水主要为承压水，其蒸发强度较弱，故本次模型不考虑地下水的蒸发排泄方式。

2.4 参数分区与取值

盆地内各区块的渗透性能表现出一定的差异性，为了提高数值模拟的准确性，就需要对各区块赋以不同的渗透系数。本次研究主要通过抽水试验来获取研究区的渗透系数，对未进行抽水试验的民井等根据含水层的性质给以经验值。最终将模拟区砂砾石层含水层分为13个不同渗透系数的小区域(图2)，渗透系数分区赋值见表1。

表1 渗透系数分区表

图2 渗透系数分区图

2.5 流场模型的建立与验证

(1) 模型建立

本次模拟主要以第四系中的砂砾石层含水层为主要研究对象。利用GMS软件将整个盆地第四系概化成一个18 177 m×17 851 m范围的模拟区。首先将其剖分成100×100×3的单元格，其次将地层分层数据及野外地质调查点(民井)、水文地质钻探点数据导入到软件中，运用反距离差值的方法建立研究区三维有限差分网格模型，最后将模型边界条件、水文地质参数导入至三维有限差分网格模型中，从而建立研究区的地下水三维稳定流流场数值模型。

(2) 模型验证

为了验证建立的模型与研究区实际地下水流场的吻合性，需要对研究区的的实际观测水位与模拟的计算水位做拟合验证[5]。其验证原理是在模型内的已有观测水位点处设置误差检测棒，同时设置误差控制值，然后将观测点的实际观测水位导入模型中，系统就会根据模拟水位与实际水位进行拟合比较[6]。若观测水位与计算水位之差在误差控制值之内，误差棒显示为绿色；若超出误差控制值，但小于控制值的200%，误差棒显示为黄色；若超出误差控制值的200%以上，误差棒显示为红色[7]，如图3。

图3 误差棒示意图

研究区内共布设有20个观测孔作为本次模拟的验证依据。本次模拟研究拟合验证误差控制值选择2 m，经拟合后发现，20口观测民井中有17口民井水位与模型能够拟合，有3口民井水位超过2 m的误差控制值，但控制在200%的控制值(4 m)内，拟合结果见图4。

由地下水流场模拟图可知，本次建立的研究区第四系地下水流场模型与实际地下水位拟合较好，基本能够反映盆地第四系地下水的流场情况。从地下水流场模型图可以看出，盆地内第四系地下水呈南高北低趋势，地下水整体由东南向西北方向径流，最终排泄于长桥海和大屯海。

为了更精确的反映厂区及其周边第四系松散层的地下水流场特征，本次研究将依据整个盆地的地下水流场特征再进一步模拟厂区及周边范围第四系地下水流场特征。

图4 地下水流场模拟图

3 厂区地下水流场特征

3.1 水文地质概念模型

第四系地下水流场的建立，为厂区区域水文地质单元边界的划定提供了重要依据。本次研究将厂区区域单独划分成一个由东南部边界补给、西北部边界排泄的定水头水文地质单元。其中，将垂直于等水位线的东西两侧边界视为等效隔水边界。边界条件概化后的概念模型如图5。

图5 厂区第四系水文地质单元概念模型图

3.2 流场模型的建立与验证

厂区区域地下水流场模型建立的过程与第四系地下水流场模型相似。基于本次模拟区范围较小，考虑到精度问题，本次模拟研究拟合验证误差控制值选择1.5 m，经拟合后发现，本次共设置的12个监测点水位中有11个监测点水位能够与模型计算水位相拟合(显示为绿色)，仅有厂区内1个孔的监测水位1.5 m的误差控制值，但只低于计算水位的1.558 m，在200%的控制值(3 m)内(显示为黄色)，拟合结果见图6。

总体上，本次模拟计算水位与实际观测水位整体拟合较好，基本能够反映厂区区域的地下水流场特征。

图6 厂区区域地下水流场模拟图

4 地下水污染规律研究

该厂区污染方式主要是废渣污染物伴随降雨入渗扩散。污染物主要通过上层粉质粘土迁移至中层粉细砂层承压含水层，最终在承压含水层中顺水流向北扩散。本次研究利用GMS软件的MODFLOW和MT3D模块，结合厂区流场模型建立厂区区域溶质运移模型并对模型进行验证。以验证过的模型为基础，深入分析污染物在降雨入渗扩散方式下在不同介质和不同源强条件下的运移规律。

4.1 高浓度下污染物的迁移规律

本次选择在氨氮泄露工况下，模拟研究污染物在降雨入渗方式下在粉质粘土层中的迁移规律。将氨氮污染源强设置为250 000 mg/l，将其注入ZK3处，任其自由扩散，模拟结果显示，在这种超高浓度的污染物泄露工况下，污染物仅5 d就能渗透穿过粉质粘土层进入第二层含水层，见图7。据钻孔资料显示，ZK3处粉质粘土层层厚约7.8 m，故在这种超高浓度工况下，污染物在粉质粘土含水层垂向上的平均迁移速率为1.56 m/d。

图7 高浓度氨氮污染物扩散图

在第一层粉质粘土含水层中，污染物在水平面上扩散缓慢，其扩散过程如图8。由模拟结果可知，在这种超高浓度污染泄露工况下，污染物从100 d～1 000 d扩散了4.5 m，1 000～2 000 d扩散了3.2 m，2 000～3 000 d扩散了2.5 m，3 000～4 000 d扩散了1.4 m，4 000～5 000 d扩散了1 m，平均扩散速率0.002 5 m/d。整体看来，随着时间推移和扩散范围的扩大，污染物在水平面上的扩散速率越来越慢。

图8 粉质粘土层高浓度氨氮污染物水平扩散图

污染物穿过第一层粉质粘土层后，污染物运移受第二层承压含水层水力作用，运移速度加快，主要顺水流沿水力梯度较低的西北方向呈长条状运移，如图9。

图9 粉细砂层高浓度氨氮污染物水平扩散图

由模拟结果可知，污染物从第2 d～500 d运移了46 m，500～1 000 d运移了37 m，1 000 d～1 500 d运移了32 m，从1 500～2 000 d运移了35 m，从2 000～2 500 d运移了38 m。其扩散统计结果见图10。由扩散统计图可知，该污染物在第二层含水层中大致呈匀速运移，平均迁移速率0.075 m/d。

图10 粉细砂层高浓度氨氮污染物扩散统计图

4.2 低浓度下污染物的迁移规律

本次选择厂区南侧废渣中的锰离子污染物在降雨入渗方式下，分析研究锰离子在粉质粘土中的迁移规律。在废渣污染物中，本次拟定的锰离子的污染源强为3 mg/l。模型显示，在这种低浓度工况下，锰离子通过降雨入渗作用穿过粘土层大约需要600 d。其迁移情况见图11。钻孔资料显示，厂区南部的粉质粘土层厚约8.5 m左右，则在低浓度下，锰离子在粉质粘土垂向上的平均迁移速率为0.014 m/d。

图11 低浓度锰污染物扩散图

在粉质粘土介质中，锰污染物在水平面上的扩散速度非常慢，经过5 000 d的时间，污染物仅向北边扩散了接近一个格子，约8 m左右，平均水平运移速率约为0.001 6 m/d，污染物扩散情况如图12。

综上，在降雨入渗方式下，低浓度的锰污染物在粉质粘土介质中主要以垂向运移为主，垂向运移速率约0.014 m/d，水平运移速率约0.001 6 m/d，垂向运移速率约为水平运移速率的10倍。

当污染物穿过第一层粉质粘土层进入第二层粉细砂含水层后，污染物运移受承压含水层水力作用，运移速度加快，主要顺水流沿水力梯度较低的西北方向呈长条状运移，如图13。

由模型可知，在第二层粉细砂含水层中，污染物从1 000 d～2 000 d运移了43 m，从2 000 d～30 00 d运移了49 m，从3 000 d～4 000 d运移了60 m，从4 000 d～5 000 d运移了63 m，其扩散统计结果见图14。由统计结果折线图可知，该污染物在第二层含水层中大概呈匀速扩散趋势，平均扩散速率0.072 m/d。

综上，本次模拟研究了在降雨入渗扩散方式下，污染物以不同污染源强在粉质粘土和粉细砂两种介质地下水中的迁移规律，统计结果见表2。

表2 污染物扩散速率统计表

由统计结果可知，降雨入渗扩散方式下污染物在地下水中的迁移速率与污染物的浓度及地下水介质密切相关，总结规律如下：

(1) 在粉质粘土潜水含水层中污染物主要以垂向运移为主，并且受污染源强影响较大，污染物浓度越高，其垂向运移速率越快。

(2) 在垂向上，污染物扩散速率还与污染物载体有关。

(3) 在粉质粘土潜水含水层中，污染物在水平面上的扩散速率受污染源强的影响较小。

(4) 在污染物穿过上层粉质粘土层进入粉细砂承压含水层后，污染物主要顺水流向水力梯度较低的方向运移，其运移速率受浓度影响较小，主要以机械弥散为主。

图12 粉质粘土层低浓度锰污染物水平扩散图

图13 粉细砂层低浓度锰污染物水平扩散图

图14 粉细砂层低浓度锰污染物水平扩散图

5 结语

(1) 将该盆地第四系地层作为一个独立的水文地质单元，第四系含水层地下水主要接受大气降雨补给以及东部、南部及西部的山区基岩碳酸盐岩裂隙岩溶水的侧向补给，经地下径流最终向北部长桥海和大屯海排泄。

(2) 在盆地区域地下水流场的基础上圈定了盆地内厂区地块地下水流场边界，建立了污染厂区区块地下水流场，整体拟合结果较好。

(3) 通过验证的溶质运移模型分析研究了污染物在历史污染过程中不同工况下在地下水中的迁移规律。降雨入渗扩散方式下，污染物在地下水中的迁移速率与污染物的浓度及地下水介质密切相关。在潜水含水层中，污染物主要以垂向运移为主，并且受污染源强影响较大，污染物浓度越高，其垂向运移速率越快，污染物在水平面上的扩散速率受污染源强的影响较小；在承压含水层中，污染物沿水流方向迁移，并且呈现匀速扩散趋势。