数值模拟在地下水环境影响评价中的应用

2022-03-22 10:48:41 | 浏览次数：

摘要：本文利用地下水数值模拟软件Visual Modflow，在详细研究某电厂周边水文地质条件的基础上，建立了研究区的地下水流动模型和地下水溶质运移模型，对电厂事故工况下泄露到地下水中轻质柴油的运移规律进行了模拟研究，就其对地下水的影响进行了分析评价。结果表明：模拟期内柴油对含水层造成了污染，并且存在超标现象，但没有对保护目标造成明显影响。结合数值模拟过程，提出了数值模拟在地下水评价应用中的一些注意事项，可为今后的地下水评价提供参考。

关键词：数值模拟；地下水；环境影响评价

中图分类号：X820.3

随着我国经济社会的发展，人们对环境质量的要求越来越高[1]，而同时，我国的环境污染问题，尤其是地下水环境污染的问题越来越严重。作为重要的环境因子，地下水已经成为城市和工农业用水的主要水源[2]。在经济社会可持续发展的前提下，防治地下水环境污染已引起人们的重视，全面、准确地评价建设项目对地下水环境的影响对于保护地下水资源意义重大[3]。环保部2011年6月发布了《环境影响评价技术导则—地下水环境》（HJ610-2011）[4]（以下简称《导则》）正式作为我国建设项目地下水环境影响评价工作的规范和指导，这就对地下水环境影响评价提出了更高的要求。

随着科学技术的发展，数值法越来越成为解决地下水问题的重要方法，数值模拟技术以其方便、灵活和高效的特点在水文地质领域得到广泛应用[5-7]。而《导则》要求，对于地下水环境影响一级评价，必须采用数值法进行预测和评价，对于地下水环境影响二级评价，可选择采用数值法或者解析法进行预测和评价。可见，数值法在地下水环境影响评价中占有重要地位。然而，由于自《导则》开始实施以来的时间较短，数值模拟在地下水环境影响评价中的应用还存在诸多方面的问题。本文拟通过建立某电厂厂址区域的地下水数值模型，利用Visual Modflow软件模拟事故工况下污染物在地下水中的迁移规律，进而就本工程对该区域地下水环境的影响进行预测和评价。在此基础上，对数值模拟在地下水环境影响评价应用中的一些问题进行分析，并给出应用中应注意的事项。

1 研究区概况

研究区位于桂林市西南部，属于低山丘陵地貌，位于低山丘陵冲积扇的中部和下部，地形北高南低，紧邻相思江。研究区的东、北部连绵土丘形成的孤形地下水和地表水分水岭，与西部大溪河，南部相思江一起形成一个典型的水文地质单元区。区内由第四系残坡积物及冲积层形成潜水含水系统，是可能受到工程污染的主要含水层。该层底板埋深一般在10～33m，在靠近丘陵地带为由粉质粘土混角砾组成的残坡积物，在靠近相思江和大溪河部分主要淤泥、砂砾及粉质粘土组成的冲积层。

研究区的计算面积为3.41km2，区内，潜水含水层分布广、厚度大，在常温常压下符合达西定律。地下水系统的输入和输出随时间、空间变化，故地下水为非稳定流；参数随空间的变化体现了系统的非均质性，同时具有明显的方向性，所以参数概化成各向异性。

2 地下水污染数值模型

2.1 数学模型的建立

2.3 地下水源汇项

模型源汇项包括补给项和排泄项。补给项主要包括降雨入渗量，排泄项主要为向河流排泄量和蒸发量。

2.4 定解条件的设定

研究区潜水流向由北向南，垂向上顶部潜水面接受大气降雨的补给，为一补给边界，同时地下水又通过其蒸发，是一排泄边界，将其概化为自由面边界。侧向上，研究区北部分为水岭边，可作为隔水边界；接受地下水排泄的相思江及西北部溪流伸出分水岭外，与地下水联系密切，水位变动不大，可概化为定水头边界。底部下伏泥页岩硅质岩，导水性弱，将其概化为隔水边界。

初始水位以丰水期（2012年5月）统测的地下水水位进行计算。以枯水期（2012年12月）统测的地下水流场作为模拟流场。

3 模型识别与校正及参数选取

参数确定是建立数值模型的关键[11]。水文地质参数分区原则主要参考地层和钻孔抽水试验资料，按含水介质的特征并考虑初始流场渗流特征进行划分。模型中水文地质参数主要为渗透系数K和给水度μ值，各水文地质参数按研究区内进行的水文地质试验的结果给出，并结合岩性特征和经验值给定初始值，通过模型模拟校正，最终获得模拟所需的水文地质参数。

经识别、验证，各含水层水文地质等效参数分区见图2，各区参数值见表1，观测值和计算值拟合程度见图3。

根据当地多处进行的弥散试验，弥散系数基本跟渗透系数成正比，推测评价区的纵向弥散系数为2.50 m2/d，横向弥散系数为0.25 m2/d，垂向弥散系数为0.025 m2/d。同时设定有效孔隙度为0.4～0.5。

4 污染物源强的确定

本文考虑厂址区可能出现的污染事故点对地下水造成污染的因素较复杂，在设计可能出现的事故情景时，重点考虑发生污染危险可能性较大的工况以及由不同污染物迁移对周围地下水环境产生影响的排泄点。为了便于模拟分析污染物对地下水产生的影响，本文选取电厂柴油点火系统发生突发泄漏的情形进行模拟分析。

该情形假设柴油储罐发生爆炸，破坏地下防渗层，导致柴油污染地下水，对地下水环境产生影响。

5 模拟结果分析及地下水影响评价

在事故工况下，柴油点火系统发生突发泄漏，对地下水污染进行预测。分别选取柴油泄漏100天、10年、30年、61年的预测结果，预测结果如图4。从图中可以看出，在柴油泄露初期，柴油的污染羽垂直于泄露处等水位线向东北方向扩散（如图4a）；柴油泄露10年后，污染羽到达平行于相思江的等水位线区域，开始向相思江扩散（如图4b）；柴油泄露30年后，污染羽整体形状已经垂直于相思江，并逐步接近相思江（如图4c）；在柴油泄露61年后，污染物已经渗入相思江（如图4d）。整个预测期间，污染物整体向相思江扩散，而没有向敏感目标风水塘村和彭庄运移。事故工况下柴油对潜水含水层的具体影响状况参见表3。

从图4结合以上分析可以看出，在模拟期内柴油对含水层造成污染，并且存在超标现象。泄漏的柴油在预测期间对枫水塘村和彭庄没有造成影响。柴油泄漏61年后污染范围到达厂区边界及相思江并进入相思江，但污染物渗入相思江缓慢，且由于相思江多年平均流量较大，为1.53×106m3/d，相思江水对污染物的稀释作用使得江水受影响很小。

6 相关问题探讨

采用数值模拟的方法对地下水进行预测和评价，其关键是能够建立正确的水文地质概念模型及其相应的数值模型。水文地质概念模型是把含水层实际的边界性质、内部结构、渗透性质、水力特征和补给排泄等条件进行概化，便于进行数学与物理模拟[15]。

水文地质条件的概化是基于评价范围的确定，在确定评价范围时，不能拘泥于《导则》规定的评价范围大小，而应更多的考虑工程所在完整水文地质单元的范围和大小。本文选取的评价范围，即是完整的水文地质单元，这不仅有助于明确评价区地下水的补给、径流、排泄的条件，而且使得评价区边界条件的概化更加方便和准确。对于没有明显完整水文地质单元或者所在水文地质单元过大的评价区，应根据《导则》规定的评价范围大小、地下水流向确定评价范围的大小及形状，尽可能使评价区形状规则且有尽可能多的边平行于地下水流方向。

各水文地质参数的确定是模型预测准确与否的另一关键因素。对于渗透系数、给水度、有效孔隙度等参数，一般通过野外试验或室内试验就能较准确的获取。而弥散度由于其典型的尺度效应，室内试验获取的结果与野外试验相差达4～5个数量级，而野外弥散试验一般周期较长，单次精度差，所以应尽可能结合当地已有弥散试验资料确定弥散度；对于没有条件做野外弥散试验的，可参考李国敏、陈崇希等[16]综合世界范围内百余个水质模型中所使用的纵向弥散度与空间尺度的关系，根据评价范围的尺度大小来确定弥散度。进而根据弥散度和水流速度确定弥散系数大小。

本次数值模拟采用的软件是由加拿Waterloo水文地质公司在原MODFLOW 软件和MT3D软件的基础上应用现代可视化技术开发研制的Visual Modflow软件，其他类似的地下水数值模拟软件包括美国Brigham Young University环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站在综合已有地下水模型而开发的可视化三维地下水模拟软件包GMS，以及同样由加拿大Waterloo水文地质公司开发的地下数据和地下水模拟结果三维可视化与动画软件Visual Groundwater等。在进行地下水环境影响评价时，可以根据需要选择这些软件。

7 结论

本文利用数值方法建立了某电厂厂址区域的地下水数值模型，利用Visual Modflow软件模拟了事故工况下轻质柴油在地下水中的迁移规律，进而对该区域地下水环境的影响进行预测和评价，在此基础上，对数值模拟在地下水环境影响评价应用中的一些问题进行分析，结果显示：

（1）模拟期内柴油对含水层造成污染，并且存在超标现象；柴油的泄漏在预测期间对枫水塘村和彭庄没有影响；柴油泄漏61年后污染范围到达厂区边界及相思江，但流量较大的相思江水对污染物的稀释作用使得江水所受影响很小。

（2）在确定地下水评价范围时，为了建立模型的方便和准确，应尽可能选取完整的水文地质单元作为计算区；弥散度的选取尽可能结合以往当地弥散试验情况进行野外试验，如确实没有条件，可参考前人经验选取弥散度，进而确定弥散系数。

参考文献：

[1]蔡艳荣，丛俏，曲蛟.环境影响评价[M].北京：中国环境科学出版社，2004.

[2]龚星，陈植华，孙璐.地下水环境影响评价若干关键问题探讨[J].安全与环境工程，2013，20（2）：95-99.

[3]Shu Long-Cang.Groundwater overdraft vulnerability and environmental impact assessment in Arusha[J]. Environmental Geology， 2007，51（7）：1171-1176.

[4]HJ610—2011.环境影响评价技术导则-地下水环境[S].2011.

[5]郭晓东，田辉，张梅桂，朱威，崔健.我国地下水数值模拟软件应用进展[J].地下水，2010，32（4）：5-7.

[6]薛禹群.中国地下水数值模拟的现状与展望[J].高校地质学报，2010，1：1-6.

[7吴剑锋，朱学愚.由MODFLOW浅谈地下水流数值模拟软件的发展趋势[J].工程勘察，2000，2（11）：12-15.