水文地质勘察中数值法在地下水环境影响评价的实例应用

党延旭

新疆城乡勘察设计研究院有限责任公司 新疆 乌鲁木齐 830000

近年来，随着化工建设项目数量的逐年增长，环境影响评价报告中地下水章节对项目选址及相关保护方案的建立有决定性因素。在环评工作中，数值法模拟计算对项目水文地质勘察成果质量及可信度密切相关。下面选取某化工项目对数值法进行实例分析。

1 .项目概况

拟建项目属于有可能对地下水造成污染的I类建设项目。地下水主要为潜水及承压水，按含水层岩性结构划分为第四系松散岩类孔隙水、中新生界碎屑岩类裂隙孔隙水、古生界及前古生界基岩裂隙水，项目区下游存在分散式饮用水水源地及自流井，地下水环境敏感程度为较敏感。选取取水点作为主要保护目标进行分析评价。

2 .建立模型

水文地质概念模型是对地下水系统的科学概化，是为了适应数学模型的要求而对复杂的实际系统的一种近似处理，把研究对象作为一个有机的整体，综合各种信息，根据系统工程技术的要求概化而成。其核心为边界条件、内部结构、地下水流态三大要素。

2.1 模拟范围

模拟区边界取项目区范围并向周边适当扩大，由于模拟区位于山前冲洪积扇区，主要含水层岩性较为复杂，综合考虑数值模型构建需要，将地下水含水层垂向概化为上部潜水含水层、中部弱透水层及下部承压含水层三部分。取第1层卵石层作为包气带，第2层砾石层作为潜水含水层，第3层粉土亚黏土层作为中部弱透水层，第4层粗砂砾石层作为承压水含水层。

模型下游边界按区域内等水位线设为排泄边界，上游边界按地下水等水位线设为补给边界，两侧按流线取零通量处作为边界。垂向上边界为地下水潜水面，考虑降水补给、蒸发；下边界为承压水底板零通量边界。

模拟区地下水系统符合质量守恒定律，且地下水运动方式符合达西定律，因此将模拟区地下水含水系统概化为稳定流。地下水系统参数与空间位置相关，但系统的输入、输出不随时间变化，系统为非均质性，没有明显的方向性，所以参数概化成各向同性。模拟区概化为非均质各向同性、稳定地下水流系统。

2.2 数学模型

2.2.1 地下水水流三维模型

对于非均质、各向同性、空间三维结构、非稳定地下水流系统，可用下列微分方程的定解问题来描述：

2.2.2 地下水水质三维模型

而一般情形下的溶质运移可通过如下数学模型刻画：

联合求解水流方程和溶质运移方程就可得到污染质的运移结果。需要注意的是，上述方程为通用方程，应用时须根据实际情况做相应的调整。

2.3 数值模型

本次模拟采用Visual MODFLOW 4.2软件进行模拟，软件将MODFLOW、MODPATH和MT3D同图形用户界面结合在一起，可直观的了解到地下水运移状况及污染物质点运移情况。

在模拟区单元网格剖分时对项目区位置进行了加密剖分：平面上网格间距为30～100m，每一层的平面上剖分了21120个单元；垂向上，对弱透水层采用2层单元格进行概化，即在数值模型中，第1层为潜水含水层，第2、3层为弱透水层，第4层为承压水层，因此垂向上共剖分了4层。

地下水流动模型参数包括含水层介质水平渗透系数、垂向渗透系数，给水度以及降雨入渗补给系数和潜水蒸发系数。参数取值参考项目现场工作中抽水试验成果及收集到的周边水文地质资料。

地下水溶质运移模型参数主要包括弥散系数、有效孔隙度和岩土密度。有效孔隙度根据勘察的实测的孔隙率数据确定，岩土密度根据现场工作的实测数据确定。弥散系数取值较为复杂，其值受渗透系数空间变化影响，考虑到弥散系数的尺度效应问题，参考孔隙介质解析模型LogαLLogLS，结合本次评价的模型研究尺度大小，综合确定弥散度的取值应介于1～10之间，按照偏保守的评价原则，弥散度取10。

模型赋值后需进行识别与校正。运行模拟程序后，可得到概化后的水文地质概念模型在给定水文地质参数和各均衡项条件下的地下水流场空间分布，通过拟合现场测定的地下水流场，校正结果为模型地下水等水位线与现场实测结果相近，且模型水文地质参数也符合实际水文地质条件。

3 .污染物预测模拟

通常情况下，污染物由地表堆积逐渐向包气带渗漏，最终进入潜水含水层中。为考虑最不利风险情况，假设污染物由泄漏通量大、浓度最大的装置区发生爆炸等突发事件，石油类污染物泄漏后，由厂区内的井孔或未知裂隙等优势通道而未过包气带迁移迅速进入地下水。

本情景下装置区污水排放量为159m3/h，其中石油类物质的浓度含量1000mg/L。假定泄漏持续发生48小时后进行了妥善处理，装置区的污水泄漏量按流通量或贮存量的20%直接进入含水层中，即直接进入含水层中的石油类污染物质量共计1526kg。

在此情景下得到石油类污染物运移的预测结果，污染物进入了潜水含水层、浸润了弱透水层但未进入承压含水层，根据预测结果分别给出了污染物开始进入潜水含水层后的100天、1000天和30年的石油类污染物的运移范围（石油类污染物的限值为0.05mg/L），具体统计结果见下表。

表1 石油类污染物在含水层中运移结果统计表

由预测结果可知，污染物直接进入含水层时， 0-48小时内持续注入污废水。48小时后浓度降为0mg/L，因此污染晕中心区域浓度降低速度较快，100天后污染晕中心浓度已降为12.6mg/L,污染晕面积为0.15km2；1000天后，污染晕中心浓度变为4.53mg/L，污染晕面积变为0.58km2；至30年后，污染晕中心浓度已下降至0.49mg/L，面积增大至1.25km2；模拟运算至135年后，污染晕中心浓度在地下水稀释自净作用下已降至0.05mg/L以下，可不考虑对环境造成的影响，在此期间污染晕最大迁移距离为8898m，污染晕最大面积为1.32km2。

图1 装置区污废水泄漏后30年至120年期间造成的污染晕图

在模拟期内，污废水对项目区及周边潜水含水层中的地下水产生长时间的影响，在平面上主要向北东方向运移，始终未对下游的集中供水井或泉点以及承压含水层造成影响。

根据预测结果，建议对区域内可能影响到的取水点进行迁移，避免污染物对居民日常生活的危害，在污染物运移路线下游布设水质监测点，及时发现可能出现的轻微渗漏，同时可针对性的提前布设应急抽水井点，事故工况下，在污染物未扩散前就排出含水层，有效避免对自然环境的破坏。

4 .结论

通过数值法运算，可对现场水文地质情况进行模拟分析，提前准备应急预案，并且对发生事故工况下损害情况提前做出评估，有助于尽快控制现场情况。同时可直观的了解到建设项目可能对环境造成的影响，对项目建设的选址及周边环境的防护工作也具指导意义。