张　韵，龚继文，程艳茹，赵　丽，邓春光

(1.重庆市环境科学研究院，重庆 401147；2. 重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆 400045)



基于Visual Modflow的某化工园区地下水污染预测

张韵1，龚继文2，程艳茹1，赵丽1，邓春光1

(1.重庆市环境科学研究院，重庆 401147；2. 重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆 400045)

[摘要]根据长寿经济技术开发区水文地质条件，应用Visual Modflow软件建立研究区地下水水流和溶质运移数值模型，对表面处理园污水处理站污水处理池池底泄露后Cr6+在地下水中的迁移趋势和环境影响进行预测评价。结果表明: Cr6+向河流方向运移，10后运移距离为112 m，污染停止泄露后浓度由30 mg/L降至9 mg/L。虽然污染范围相对较小且无居民区及环境敏感点，但对地下水水质影响严重。针对化工园区企业数量较多、企业类型多样、废水污染物种类繁多且危害性大等特点，需加强园区地下水监管。

[关键词]Visual Modflow；数值模拟；地下水；化工园区；污染

长寿经济技术开发区是重庆市集天然气化工、石油化工、生物质化工、精细化工和新材料产业于一体的综合性经济技术开发区。园区不采用当地地下水水源，后期建设和发展不会引起地下水流场和地下水水位变化，但园区入驻企业增多会导致地下水环境污染风险增加。而且园区的污染物以有机污染和重金属为主，一旦发生泄漏，可能导致更为严重的后果[1]。为有效防范地下水污染，保护地下水环境，应根据园区的地下水环境特征、水文地质条件等，预测和评价园区污染源对地下水环境可能造成的污染程度，提出防治措施。

利用数值模拟软件对地下水流场和溶质运移等问题进行计算分析，是目前研究地下水流动、评价地下水环境状况的主要技术之一[2]。地下水数值模拟软件主要有基于有限差分原理的GMS(Groundwater Modeling System)、Visual Modflow和基于有限元原理的FEFLOW等[3]。本文采用国际上最为流行的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统——Visual Modflow软件[4-6]模拟长寿经济技术开发区园区污染源非正常工况下泄漏废水在地下水的污染迁移过程。

1研究区概况

1.1水文地质概况

地下水赋存类型主要为松散岩类孔隙水、基岩浅层风化带中的网状裂隙水和含水层层间裂隙水。地下水主要接收区域独立水文单元范围内大气降雨补给，以基岩裂隙为通道下渗至泥岩和页岩等隔水层顶板排泄，或透水层层间流动排泄，在地形较陡地段基岩裸露条件下以泉眼、河流排泄，一般径流途径较短，具有就近补给、就近排泄的特点。

1.2地下水质量现状

研究区地下水矿化度多在500 mg/L以下，水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型水和HCO3-Ca型水。根据单项组分评价，研究区地下水水质不满足《地下水质量标准》(GB/T14848-93)Ⅲ类标准，超标指标主要为高锰酸盐指数、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、锰。农业面源和居民生活废水影响导致地下水生活类因子超标；根据《多目标区域地球化学调查报告(重庆市)》，规划区域为地球化学背景锰分布异常地带，背景值锰含量较高导致地下水锰超标。

2水流模型的建立

2.1水文地质概念模型

2.1.1边界概化

将模拟区域的边界扩展至一个相对独立水文地质单元，边界设置为：西侧为自然分水岭边界；西北侧为明月山，由于明月山距离评价区远，地势远远高于评价区且处于评价区上游，故在西北侧以评价区外1 000 m保守影响范围为分水岭和流量边界；东侧以菩提山和牛心山为自然分水岭边界；南侧以长江为定水头边界；晏家河干流(蓝色)为河流边界，晏家河支流(绿色)用排水渠来概化[7]，如图1。

图1　模拟区位置及边界

2.1.2含水层概化

研究区地层中素填土、砂岩、灰岩和白云岩为含水层，是地下水的主要赋存场所；粉质粘土、泥岩、泥页岩、页岩为相对隔水层。受岩性和地形地貌影响，地下水主要赋存于浅层风化带、含水层层间裂隙中，属潜水，在该面上存在大气降水入渗、地表水入渗补给及潜水蒸发排泄等垂向水量交换；含水层底部分布较为完整且连续的泥岩，概化为潜水含水层隔水底板。因此，本次模型区地下水系统可概化为非均质各向异性、空间三维结构、非稳定流潜水地下水系统。

2.2数值模型

利用Visual Modflow建立地下水流和溶质运移的数值模型。

2.2.1模型离散

模型空间范围x方向11.0 km，y方向13.0 km，总面积为62.3 m2。将其平面剖为25×25 m的单元格，共计440行×489列，215 160个单元格，其中有效单元格105 503个。

模型为非稳定流，模拟预测期为2014年1月至2024年1月。2014年1月调查的水位作为初始流场，2014年8月调查的水位作为模型参数识别校正流场。模型模拟的时间单位为3 650 d。

2.2.2模型识别与验证

根据研究区地层岩性、抽水和渗水试验等，在平面上将潜水含水层分为3个参数分区并给定初始值(分区见图2)。通过反演计算，求得各分区水文地质参数，见表1。潜水顶部接受大气降雨补给，本次计算将大气降雨入渗补给和地下水蒸发综合考虑，结合地形地貌和岩性特征，大气降雨入渗系数见表2。

这第二种“正在形成或者继续重建”的结构与存在论中的建构结构似乎具有某些相通之处。前提是，如果我们以存在主义观点而非生物主义观点来给这第二种结构定下基调——从人的活动即“此在”结构出发，就可以将“民间故事活动”看成一个“开放的活的”结构系统，始终处于未封闭的形成过程中，并通过不断的交流进行调节达到暂时平衡。[注]此观点详见张琼洁《当代民间故事活动价值发生研究》，《民族文学研究》，2018年，第1期。

表1　模型水文地质参数

表2　有效大气降雨入渗系数

图2为模型模拟末期水位观测值与计算值的拟合图。9个观测井的水位观测值与计算值的拟合误差的归一化均方根为4.8 %，即模拟的地下水水位拟合效果较好，模拟出的研究区地下水流场(图3)可较为真实的反应研究区地下水水位。根据图3可知，研究区地下水流向由北向南，地下水流场流向基本与地表水径流流向相似；表面处理园污水处理站临近晏家河支流和晏家河干流，受地形地貌和水文条件控制，该区域地下水向河流方向流动。

图2　观测井水位观测值与计算值拟合图

图3　模拟区地下水流场

3溶质运移模型的建立

溶质运移模拟的范围和边界位置与水流模型一致，边界性质按已知浓度边界处理，浓度值按当地水中本底值输入。正常工况下，园区所有污水经污水处理厂处理达标排放，污染物下渗污染地下水可能极小。本次模拟考虑非正常工况下，污水处理厂污水处理池底破裂发生泄漏从而导致污染物持续污染污染地下水的情况。

园区内有表面处理园污水处理站、MDI事故池、中法污水处理站、川维污水处理厂等多个污水处理厂，考虑废水排放量、污染物浓度及其危害性，选取表面处理园污水处理站开展模拟，六价铬(Cr6+)为模拟因子。处理站日处理含铬废水700 m3，Cr6+浓度114 mg/L。假设污水处理池出现破损后，100 d内被发现采取措施后，停止泄露。

本次模拟将上述污染源以点源形式设定浓度边界，污染源位置按实际设计概化(位置见图1)。模拟采取Visual Modflow和MT3D进行计算，模拟过程采取保守参数，过程不考虑吸附、化学反应等因素，重点考虑对流、弥散作用。

4地下水环境影响预测分析

参照《地下水质量标准》(GB/T14848-93)，Cr6+检出下限0.004 mg/L，III类标准为0.05 mg/L。由于本底值中未检出Cr6+，故设检出下限为运移平面图污染烟羽的外边界等浓度线值。Cr6+泄露后运移100 d、1 000 d、3 650 d的情况见表3和图4。

表3　Cr6+运移影响统计

图4　Cr6+运移影响平面图

在非正常工况下，受地形地貌及水文地质条件的限制，Cr6+沿地下水流场水流方向向晏家河运移(图6)，污染迁移扩散相对较慢。如表3所示，在Cr6+泄露发生100 d时，Cr6+最大运移距离为65 m，而模拟泄露10 a后，Cr6+最大运移距离仅扩大到112 m。泄露初期，随时间推移，Cr6+浓度和污染面积逐渐增加，但100 d停止泄露后，Cr6+随地下水流运移并不断被稀释，浓度均呈减小趋势。100天时Cr6+污染影响面积达到9 414 m2，超标范围6 902 m2，最大浓度为30 mg/L；模拟末期(10a)，影响范围为22 506 m2，超标范围12 874 m2，但最大浓度减小为9 mg/L。

根据调查，此模拟条件下Cr6+10年的污染影响范围内无居民区及环境敏感点(泉井)。因此，非正常工况下污水渗漏对研究区环境敏感点无影响。然而表面处理园污水处理站Cr6+初始浓度较高，Cr6+泄露进入地下水中后虽然被不断迁移、稀释，但浓度至模拟期结束时依然超标，甚至可能存在部分污染物地形较陡地段基岩裸露条件下以泉眼、河流排泄流入晏家河或其支流。因此，表面处理园污水处理站渗漏不仅对研究区地下水环境总体影响较大，还可能影响地表水，需做好基本防渗措施，并加强日常监管，一旦发现泄露要及时采取应急措施。

5结论与建议

本文应用Visual Modflow模拟软件结合园区的水文地质条件开展园区地下水环境污染预测，该方法可用于同类型工况场地的地下水污染预测，为环境污染防治、应急、日常监管提供依据。

5.1结论

(1) 受地形地貌和水文地质条件控制，研究区地下水流向由北向南，地下水流场流向基本与地表水径流流向相似；表面处理园污水处理站附近地下水向临近的晏家河支流和晏家河干流方向流动。

(2) Cr6+沿地下水流场水流方向向晏家河运移，污染迁移扩散相对较慢，10 a后最大运移距离仅扩大到112 m；随时间推移，Cr6+污染面积逐渐增加，但污染停止泄露后，Cr6+继续扩散，浓度由30 mg/L降至9 mg/L。

(3) 影响范围相对较小，且影响范围内无居民区及环境敏感点，但园区污染源源强补给大，Cr6+初始浓度较高，一旦发生泄漏进入地下水将会严重影响地下水水质，导致地下水污染超标。

5.2建议

(1) 重视已建项目对地下水环境的影响，加强运行管理，设备维护，防治跑冒漏滴情况的发生；认真规划拟建项目，规范工程防渗、分区防渗。

(2) 根据项目建设类型，从环境保护角度出发，加强项目建设区周边环境地下水监测，尤其是项目建设区下游方向及可能受到环境影响的敏感区域。建议在工程项目修建和运营期间按相关规范布设观测点，对易污染地下水的项目建设区实施实时动态地下水监测，确保区内地下水环境保持良好状态。

(3) 建立应急响应机制，一旦发生事故，则启动应急预案。

参考文献

[1]蔡琢,蒋军成,丁晓晔.化工园区安全及环境危险性分析[J].工业安全与环保.2008,43(1):24-26.

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

[4]王庆永,贾忠华,刘晓峰. Visual MODFLOW及其在地下水模拟中的应用[J].水资源与水工程学报.2007,18(5):9-92.

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Forecast of Groundwater Pollution in a Chemical Industrial Park by Visual Modflow

ZHANGYun1，GONG Ji-wen2，CHENG Yan-ru1，ZHAOLi1，DENG Chun-guang1

(1.Chongqing Research Institute of Environmental Sciences, Chongqing 401147, P. R. China；2.Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, China)

Abstract:According to the hydrogeological conditions of Changshou Economic and Technological Development Zone, the groundwater flow and solute transport models were established by the Visual Modflow software, which was used to conduct a numerical simulation that forecast the transport process and the environmental impacts of Cr6+ in groundwater after sewage leakage happened in sewage treatment pond bottom of the surface treatment Park. The results show that the contamination plume of Cr6+ transports towards the river, the distance of contamination transport is 112m in 10 years, the concentration of Cr6+ in groundwater from the 30 mg.L-1 to 9 mg.L-1 after pollution stopped leaking. Although the scope of pollution is relatively small，no residential and environmentally sensitive point in this scope, but a serious impact on groundwater quality. The companies of the Chemical Industrial Park are numerous and diverse，pollutants of wastewater are hazardous. Therefore, the Chemical Industrial Park need to strengthen supervision of groundwater.

Key words:Visual Modflow；numerical simulation；groundwater；chemical industrial park and pollution

[中图分类号]X523

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)02-0088-03

[作者简介]张韵(1984-)，女，重庆涪陵人，工程师，主要从事水环境污染防治工作。

[基金项目]环保重大专项全国地下水基础环境状况调查评估(N0.2110302)

[收稿日期]2015-11-16