基于GMS的湖口县工业园扩区B区地下水环境影响预测

付检根

(江西省核工业地质调查院,江西 南昌 330008)

1 项目概况

湖口县工业园扩区B区主要布局新材料、精细化工、新型装备制造等产业项目,同时保留现状已有其他企业及相关配套服务设施。建设期及运营期地下水污染源主要是化工类企业运营期的生产废水。

2 研究区地质背景

2.1 地形地貌

该工业园扩区B区属侵蚀堆积垄岗地貌,主要由第四系上更新统柘矶组、新港粘土以及中更新统进贤组成,其次为志留系茅山组碎屑岩组成。垄岗顶部高程一般为20～90 m,相对高差一般8～15 m。坡度5°～15°。岗顶浑圆,垄岗多呈条带状、馒头状,剥蚀较强烈,小冲沟发育,沟谷开阔,植被稀疏。该扩区B区总体东、北东东较高,西、南西西较低。

2.2 地层岩性

该扩区B区出露地层为第四系新港粘土(Qp3x)、志留系茅山组(S3m)。第四系新港粘土分布于研究区绝大部分区域,岩性主要为褐黄、棕黄色铁锰质膜发育的重粘土,其粘结性和可塑性好,透水性差。与下伏第四系进贤组呈渐变过渡关系。下伏进贤组未出露于地表,岩性下部为棕红色砾质轻粘土,由粘粒、砾石及砂粒组成,蠕虫状或网格状构造发育;上部为棕红色网纹状重粘土。志留系茅山组分布于东、北东东等小片区域,岩性主要为暗紫灰色、灰绿色中厚层状细粒岩屑石英杂砂岩、细粒岩屑杂砂岩与中—薄层状粉砂质泥岩、泥质粉砂岩呈不等厚互层。

2.3 地质构造

该扩区B区位于扬子陆块下扬子地块中部,区内大部分地区第四系覆盖层较厚,为轴向北东的短袖状隔档式或隔槽式褶皱的核部、轴面。该扩区B区北侧分布一般性断裂F1,发育一组北东向的压扭性断裂,断裂走向为北40°～50°,与水系走向一致,倾向北西,倾角70°左右,断裂面较弯曲,走向延伸14 km,断裂带宽10余m,带内岩石硅化破碎强烈,且节理、裂隙发育。

2.4 水文地质特征

该扩区B区以第四系松散岩类孔隙水为主,第四系新港粘土中地下水赋存量较少,富水性较差,透水性差,部分区域地下水为半承压～承压状态。地下水主要赋存于下伏第四系进贤组的砾石、砂粒以及茅山组的风化残坡积层碎石层之中。地下水的相对隔水底板为茅山组碎屑岩中风化层。地下水为大气降水补给为主。地下水位埋深介于1.50～6.53 m,地下水位标高为13.95～34.37 m,地下水位年际变幅约为1～5 m。该扩区B区的第四系松散岩类孔隙水由东、北东东向西、南西方向径流至西侧黄茅潭之中。

3 地下水影响预测

3.1 水文地质模型

3.1.1 地下水数学模型

根据该扩区B区地下水类型,在不考虑水密度变化的前提下,建立下列多孔介质中潜水三维非稳定流水流问题的数学模型:

(1)

式中:Kxx,Kyy,Kzz为各渗透主方向的渗透系数,(LT-1);h为水头(L);W为单位面积垂向流量,[LT-1],用以表示源汇项;μ为多孔介质的给水度(或饱和差);z为潜水含水层底板标高,[L];t为时间(T)。

方程加上相应的初始条件和边界条件,就构成了描述地下水运动体系的数学模型。本次模拟的定解条件可表示为:

初始条件:H(x,y,z,0)=H0(x,y,z)

第一类边界条件:H(x,y,z,t)|Γ1=H1(x,y,z,t)

式中:H0(x,y,z)为研究区各层初始水头值,H1(x,y,z,t)为研究区各层第一类边界上的实测水头值,q(x,y,z,t)为研究区各层第二类边界上的单位面积流量。

3.1.2 水文地质模型概化

水文地质概念模型是在准确认识研究区的地质构造、地形地貌、水文地质条件以及所建立起来的水文地质结构模型的基础上,根据研究重点,确定以概化模拟区边界条件及参数,针对研究区实际情况而建立起来的概念模型。水文地质概念模型的建立主要包括:研究区范围、含水层类型及空间分布、边界条件、源汇项以及地下水流态等[1-3]。

1)模拟范围及边界确定

根据地形地貌和含(隔)水层空间分布,模拟区域可划分独立的水文地质单元。如图1、图2所示,扩区B区模拟范围总地势为东、北东东较高,西、南西西较低,其中北部山脊线位置以及区域内部分山峰高程最高,能达到100～150 m,大部分区域海拔高程为-10～40 m,模拟区上边界为潜水面,在垂向上水量接受大气降水入渗等补给和侧向径流等补给、排泄,上部边界概化为补给边界,取海拔高程-50 m为模拟区域的下边界,并将其概化为隔水边界。模拟区西部与黄茅潭相接处取为定水头边界(Dirichlet边界),其余边界均根据地表山脊线等信息作为区域分水岭(Neumann边界)。模拟区域内包含多个水文地质勘探钻孔可供模型进行参数识别和水位校准[4]。

图1 地下水模拟评价范围

2)三维水文地质模型与时空离散

三维实体模型主要通过DEM数据插值得到,首先根据区域边界将模拟区域划分成三角网格,根据地表高程数据插值得到地面,再将地形面挤压至海拔高度-50 m的平面生成三维实体模型。模拟范围内总地势为东高西低。根据三维实体模型将模型离散化成有限差分网格,网格划分结果以及网格岩性分区如图3、图4所示。在水平方向上,模型网格尺寸为100 m×100 m。研究区域内钻孔揭示的主要地层岩性,因此数值模型中将含水层在垂向上剖分为4层。在模拟时段上,由于资料和数据有限,区域水流仅考虑稳定流模拟。溶质运移模拟过程中按照预测时间进行非稳定流模拟。

图3 三维地形面

3)源汇项概化和初始地下水流场

研究区气候温和、雨量充沛、日照充足、四季分明、无霜期长、严冬期短。根据近十年(2008-2018年)研究区气象资料,3-7月降雨量917.58 mm,占全年降雨量的64%,月平均降雨量183.52 mm,为丰水期;12至翌年1年降雨量107.27 mm,占全年降雨量的7.5%,月平均降雨量53.64 mm,为枯水期;2、8、9、10、11降雨量407.51 mm,占全年降雨量的28.5%,月平均降雨量81.5 mm,为平水期。如图5所示,将区域分别划分成6个和7个降雨分区,各个分区赋予独立的入渗补给强度值。

图5 模拟区域降雨入渗强度分区

根据模型区域内的调查点的勘测水位数据,通过三角网格TIN差值的方法可以近似得出模拟区域内的初始水位分布,具体模型的水位分布后续还需通过模型参数反演得出,钻孔水位插值结果如图6所示。从图中可以看出,模拟区域内地下水位分布大致为由东向西流动,地下水位在15～32 m之间。

3.2 污染运移预测模拟

3.2.1 预测情景设计

本次评价以2021年作为评价基准年,将地下水环境影响预测时段定为10 a。结合园区环境特征,预测污染发生100 d、365 d、1 000 d和3 650 d时污染物迁移情况,地下水风险源为湖口县化工企业的废水调节池,预测因子为CODcr和氟化物。预测情景设计为:非正常状况下,废水调节池防渗系统破裂情况下废水泄漏。

3.2.2 预测源强概化

非正常工况下,预测源强因工艺设备或地下水环境保护措施因系统老化或腐蚀,设定为正常状况的100倍。废水调节池在非正常工况下污染物泄漏对地下水产生污染的风险较大,废水产生源强中CODcr的最大产生浓度为1 000 mg/L、氟化物最大产生浓度为50 mg/L,泄露量按照非正常工况下0.2 m3/d计算。

3.2.3 地下水污染运移参数选取

含水层有效孔隙度取为0.25～0.39,本次评价取小值作为污染运移模型参数。弥散度根据经验取值为18 m,横向弥散度和垂向弥散度按照比例选取,其中横向弥散度/纵向弥散度=0.31,垂向弥散度/纵向弥散度为0.03。因模型缺乏其他相关参数如等温吸附系数和反应参数,因此按照最不利风险预测原则,不考虑污染物的吸附和降解。

3.2.4 地下水污染运移预测结果

模拟期考虑污染源持续泄露3 650 d,不同预测因子分别在100 d、365 d、1 000 d和3 650 d超标范围如图7、图8所示。在第100 d、365 d、1 000 d和3 650 d的时刻,超标范围呈现逐渐增大的趋势,且污染区域中心浓度逐渐降低。由于区域地下水渗流场水流梯度较大,地下水流动速度较快,两种污染物在第100 d、365 d、1 000 d和3 650 d的时刻运移距离大概为21.5 m、62.5 m、172.1 m及616.3 m,如表1所示。据源强概化假设为面源污染,图中显示随着时间增加污染羽沿着地下水流方向持续扩大。污染物超标范围呈现椭圆污染羽向四周扩散,CODcr泄露浓度较大,因此污染羽中心的浓度也比氟化物污染物大一些。

表1 污染物沿地下水方向运移最大距离统计 m

图7 CODcr在不同预测时间的污染羽分布图

图8 氟化物在不同预测时间的污染羽分布图

4 结语

(1)本研究区与黄茅潭相邻,污染物一旦发生渗漏,长时间后可能会对黄茅潭水、其他地表水以及地下水环境造成影响。根据前期地下水调查结果显示,研究区潜水埋深1.5～4.1 m,潜水含水层有易污的特征,污染风险较大。此外,湖口县化工企业的废水调节池泄漏后对项目周边植被生态和环境也有较大影响。本项目结合数值模拟方法对废水调节池在非正常工况下进行了预测。选择废水调节池中浓度较高的CODcr和氟化物作为预测因子,污染物的最大运移距离达到616.3 m,距离黄茅潭尚有一段距离。CODcr污染物的释放浓度大于氟化物污染物,在同一时间,其污染范围及浓度要稍大于氟化物。总体而言,污染物短时泄露工况下危害风险较小;对于长时泄露工况,在十年以后污染超标范围较大。

(2)考虑到研究区包气带厚度很小,污染物一旦泄露将直接污染到潜水含水层,因此应采取严格的源头控制和防治措施,对工业园内企业的工艺、管道、设备、渗滤液收集和储存采取相应措施,将污染物泄漏的环境风险事故降到最低程度。同时在不同企业的污水处理设施正下游设立跟踪型污染监测点位,并建立应急响应机制,预防污染物持续泄露。