基于GMS软件的某工业园区地下水水质影响的数值模拟预测.pdf

第11期2023年11月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)11-0 0 9 6-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.11November,2023基于GMS软件的某工业园区地下水水质影响的数值模拟预测高孟宁，杨力伟，石闯（安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，安徽蚌埠2 330 0 0）摘要以安庆市高新技术产业开发区某厂区为例，基于CMS软件的MODFLOW和MT3DMS模块模拟分析污染物中模拟预测因子（COD、氨氮）在正常工况、非正常工况条件下在地下水中的运移路径、影响范围及浓度分布情况，评估其泄露可能引起的地下水污染风险。结果表明：正常工况下，2 0 年后COD和氨氮在第一含水层最大迁移距离分别为12 2.6 m和7 1.3m，在第一弱透水层最大迁移距离分别为10 0.1m和54.3m；正常工况下,2 0 年后COD和氨氮在第一含水层最大迁移距离分别为19 4.3m和159.8 m，在第一弱透水层最大迁移距离分别为17 9.7 m和146.1m，均小于污染源与下游方向最敏感点石门湖之间最短距离。因此，在污染泄露得到及时的处理后，对敏感点处地下水环境污染风险低。【关键词GMS软件；地下水；数值模拟【中图分类号X52【文献标识码BNumerical Simulation and Prediction of Groundwater Quality in an Industrial ParkBased on GMS SoftwareGao Mengning,Yang Liwei,Shi Chuang(The First Institute of Hydrologic and Engineering Geological prospecting Anhui Geological prospecting Bureau,Bengbu,233000,Anhui)Abstract:Taking a factory in Anqing High-tech Industrial Development Zone as an example,MODFLOW andMT3DMS modules based on GMS software simulated and analyzed the migration path,influence range and concentrationdistribution of simulated predictors of pollutants(COD and ammonia nitrogen)in groundwater under normal and abnormalworking conditions,and assessed the groundwater pollution risk caused by their leakage.The results show that the maximummigration distances of COD and ammonia nitrogen in the first aquifer are 122.6 m and 71.3 m,respectively,and 100.1 m and54.3 m,respectively,in the first weak permeable layer after 20 years under normal working conditions.Under normal workingconditions,after 20 years,the maximum migration distances of COD and ammonia nitrogen in the first aquifer are 194.3 m and159.8 m,and the maximum migration distances in the first weak permeable layer are 179.7 m and 146.1m,respectively,whichare smaller than the shortest distance between the pollution source and Shimen Lake,the most sensitive point downstream.Therefore,after the pollution leakage is treated in time,the risk of groundwater environmental pollution at sensitive points islow.Key words:GMS software;ground water;numerical simulation随着人口的快速增长、经济及工业事业的高速发展，污染物的排放量日益增多，众多工业园区出现地下水污染问题，园区地下水污染迁移对地下水使用功能和价值的影响及其引起的环境风险和安全问题日益突出-3。地下水污染的隐蔽性、长期性、广泛性与不确定性，加之其环境系统及运动特征复杂性，使得地下水一旦受到污染，造成的生态破坏和环境安全问题往往难以恢复和逆转。我国对地下水污染问题的研究主要集中在大江大河的冲击三角洲地区，通过对监测数据的统计结果分析得出污染物的时空演化趋势。目前对地下水污染研究通常以行政区域为收稿日期2 0 2 3-0 1-0 6【作者简介高孟宁（19 9 5-），女，安徽宿州人，助理工程师，主要从事水工环地质研究工作。96.第11期2023年11月单位，针对工业园区地下水污染的时空分布研究较少。因此，研究工业园区地下水污染迁移特点，掌握其污染的时空分布特征，对消减工业园区地下水污染危害、保障周围生态环境安全具有重要的意义。GMS作为被广泛认可的地下水三维数值模拟软件，具备强大的可视化与模拟功能。本文选取安庆市高新技术产业开发区某材料有限公司厂区为研究区，通过GMS软件的MODFLOW和MT3DMS模块模拟研究区的地下水流场和污染物时空分布特征，给出模拟污染因子COD和氨氮在地下水中的运移、扩散和浓度变化，从而为研究区地下水污染风险评估提供依据。1研究区概况研究区位于安徽省安庆高新技术产业开发区。属暖温带半湿润季风气候，多年平均气温16.6，多年平均降水量1363mm。地处长江丘陵平原区，总体地势呈东高西底、北高南低的趋势，最高点位于石门湖北侧，标高为12 6 m，最低点位于石门湖东岸，标高为10 m。研究区在大地构造的分区上属扬子准地台（）下扬子台坳（I2）沿江拱断褶带（I）安庆凹断褶束（I2-2）,其西北部发育有三组断裂，研究区及地表出露地层新生届第四系（Q4）和白垩系上统赤山组（K2c）。区内地下水类型主要陕西水利Shaanxi Water Resources项,1/d；h o 为初始水位,m；I,为一类边界；I,为二类边界；n为边界面的法线方向；p(x,y,z)为一类边界水头,m；q(x,y z)为二类边界的单宽流量,m/（d m），流入为正流出为负，隔水边界为零。c_cDxD+xaya(u,c)a(u.c)oyc(x.y,z,t)l-o=co(a.y,z,to)式中：右端前三项为弥散项；后三项为对流项；Da、D mvDa为、y、z 三个主方向的弥散系数；uuy、u 为x、y、z方向的实际水流速度；c为溶质浓度；co为初始浓度；为边界溶质通量。2.3模型的概化及网格划分本次模拟采用GMS软件的3Dgrid模块对研究区进行离散化处理，并利用矩形网格进行剖分，在污染源强位置进行网格加密，最小网格间距为2 m2m,最大为15m15m。本模拟根据钻探资料将含水层概化为两层，见图1。-axls(x1No.11November,2023cca(u,c)Dayz(x,y,zE,t 0)为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，水化学类型以HCO3-Ca型、HCO-CaNa型和HCOs-CaMg型为主。大气降水和季节性河水人渗是地下水的主要补给来源，由西北向东南径流，最终汇入石门湖和杨湖。2地下水流与溶质运移耦合的数值模型2.1水文地质概念模型研究区面积约为2 6.2 2 万m，地貌类型以低山丘陵为主，东南两侧紧邻地表水体，地下水总径流方向为自西北向东南径流。根据周边地形条件划定模型边界，将西南侧边界概化为定水头边界，其余概化为隔水边界。模拟渗漏区地下水类型为松散岩类孔隙水和“红层”风化带网状裂隙水，按含水层的渗透性可进一步划分为含水层组、一个弱透水层组和一个隔水层。2.2数值模型的建立综合研究区域的实际状况，利用GMS软件的MODFLOW和MT3DMS模块对模拟预测因子进行模拟分析。假定地下水运动是三维稳定流，并且溶质运移主要是通过对流和水动力弥散两种作用实现，从而建立水流模型和溶质运移模型：h)aahKKxxyh(x,y,z)=ho(x,y,z)h(x,y,z)/ri=p(a,y,z)ahKIr2=q(x,y,z)n式中：为渗流区域；h为含水体的水位标高,m；t 为时间,d;K、K、K,分别为x、y、z 方向的渗透系数,m/d；K,为边界面法向方向的渗透系数,m/d；u 为重力给水度；为源汇494.5图1研究区网格划分图2.4水文地质参数的确定考虑到研究区的地层岩性情况，本模型将第一含水层划分为两个参数分区，并根据本次野外抽水试验、试坑渗水试验、土壤测试及以往经验值等获得各层水文地质参数，见表1。表1模型采用的主要参数概化含水层参数分区第一含水层第一弱透水层1区2.77水平渗透系数/(m/d）2区1区垂直渗透系数/（m/d）2区1区有效孔隙度2区3污染泄露对地下水环境影响的模拟观测分析ahhK+8=u十z(x,y,zE Q)(x,y,2EF.)(x,y,zET2)495.0X-axls(10r3)(x,y,zE2)at495.53.1污染泄露预测情景及源强根据研究区内地下水水质现状及污染源的分布与类型，选取对地下水环境质量影响符合较大的COD、氨氮作为预测因子。参考环境影响评价技术导则地下水环境（HJ610-2016）对研究区开展正常与非正常工况两种情景下模拟预测因子的运移进行预测分析，设定厂区内污水处理设施为模拟泄露点。根据给排水水管道工程施工及验收规范（CB50268-97496.00.650.450.130.3890.31.520.750.38第11期2023 年11 月2008）中表5.1.3条规定，钢筋混凝土水池渗水量不得超过2L/（m.d），初期雨水池防渗面积48 4.35m，泄漏量为968.7L/d，非正常工况下污染物泄漏量以允许泄漏量的10 倍计，其泄漏量为9 6 8 7 L/d。结合项目工程分析，确定研究区模拟渗漏点中COD浓度为8 56 mg/L,氨氮浓度为2 5mg/L。3.2地下水环境风险预测评价根据建设项目的过程特点及可能出现的污染事故，对正常工况、非正常工况条件下地下集水池污染物泄露10 0 天、1000天、7 30 0 天污染物的运移进行模拟预测。由于污染物在地下水系统中的迁移转化过程十分复杂，本次地下水污染模拟过程未考虑污染物在含水层中的吸附、挥发及生物化学反应的影响。研究区包气带厚度较薄，计算中不考虑包气带的截留和自净作用，计算得出污染水进人地下水的时间为31天218天。COD和氨氮标准值参考地下水质量标准（GB/T14848-2017）中类标准值，最大运移距离的污染晕外围以检出限计。COD污染物标准限值为3.0 mg/L,检出限为0.5mg/L；氨氮污染物标准限值0.5mg/L,检出限为0.0 2 mg/L。3.2.1正常工况下COD和氨氮迁移模拟正常工况下，在初期雨水池下游设置观测井，观测井内监测到的COD浓度超过3.0 mg/L或氨氮浓度超过0.5mg/L立即采取措施，防治污染物泄露。正常工况下，COD和氨氮的浓度变化及迁移距离见表2。表2 不同时间COD和氨氮的最大影响范围及迁移距离第一弱透水层污染物工况运移时污染物勿最大影响可最大迁移多最大影响最大迁移间范围/m距离/m范围/m距离/mCOD144.6100天氮62.1正常工COD1158.21000天况氨氮505.3COD8055.17300天氮2820.1COD362.7100天氨氮238.8非正常COD2808.91000天工况COD20449.27300天氨13436.4由模拟预测结果表2 可知：模拟情景下，初期雨水池（模拟泄漏点）泄漏7 30 0 天（2 0 年）后COD在第一含水层的污染晕沿地下水流方向上的最远运移距离为12 2.6 m，最大影响范围8 0 55.1m，最大超标范围147 2.3m；在第一弱透水层运移方向上最远运移距离为10 0.1m，最大影响范围6 9 43.8 m,最大超标范围0 m；2 0 年后氨氮在第一含水层的污染晕沿地下水流方向上的最远运移距离为7 1.3m，最大影响范围2 8 2 0.1m,最大超标范围12 4.3m；在第一弱透水层运移方向上最远运移距离为54.3m，最大影响范围7 6 9.1，最大超标范围0 m。结果表明：正常工况下,2 0 年后COD和氨氮在第一含水层和.98.陕西水利Shaanxi WaterResources第一弱透水层中最远运移距离均小于污染源与下游方向最敏感点石门湖相距的最短距离（6 8 5.9 m）；最大影响范围和超标范围均未超出该园区范围内。因此，模拟泄漏点（初期雨水池）泄露在得到及时处理后，对附近敏感点处的地下水环境污染风险较低。3.2.2非正常工况下COD和氨氮迁移模拟非正常工况下，在初期雨水池及厂内各废水池下游设置观测井，观测井内约10 0 天监测到COD浓度超过3.0 mg/L或氨氮浓度超过0.5mg/L，应立即采取措施，终止污染物泄露。非正常工况下，COD和氨氮的浓度变化及迁移范围见表2。由模拟预测结果表2 可知：模拟情景下，初期雨水池泄漏2 0 年后COD在第一含水层的污染晕沿地下水流方向上的最远运移距离为19 4.3m，最大影响范围2 0 449.2 m，最大超标范围10 9 32.9 m；在第一弱透水层运移方向上最远运移距离为17 9.7 m,最大影响范围19 7 57.9 m,最大超标范围17 7 6 2.1m；20年后氨氮在第一含水层的污染晕沿地下水流方向上的最远运移距离为159.8 m，最大影响范围13446.4m，最大超标范围722.3m；在第一弱透水层运移方向上最远运移距离为146.1m，最大影响范围12 7 6 7.1m，最大超标范围0 m。结果表明：非正常工况下,2 0 年后COD和氨氮在第一含水层和第一弱透水层中最远运移距离均小于污染源与下游方向最敏感点石门湖之间最短距离；影响范围虽然有所扩展，但是最大影响范围和超标范围均未超出该园区范围内。4结果与讨论第一含水层在概化水文地质条件的基础上，利用GMS软件建立了地下水渗流和溶质运移的数学模型，对模拟渗漏点中污染因子COD和氨氮对第一含水层和第一弱透水层的污染情况进行了8.804.7030.329.321.90122.66943.871.3769.115.1011.7051.61719.91798.341.5194.3159.8No.11November,20230数值模拟预测，结果表明：1)污染物迁移的方向与地下水流0方向一致。2）正常工况下,2 0 年后COD和氨氮在第一含水层4.3最大迁移距离分别为12 2.6 m和7 1.3m，在第一弱透水层最大0迁移距离分别为10 0.1m和54.3m，均小于污染源与下游方向最100.1敏感点石门湖之间最短距离；3）非正常工况下，2 0 年后COD54.3和氨氮在第一含水层最大迁移距离分别为19 4.3m和159.8 m，0在第一弱透水层最大迁移距离分别为17 9.7 m和146.1m,均0小于污染源与下游方向最敏感点石门湖之间最短距离。总体44.9而言，模拟情景下预测2 0 年时，虽然污染影响范围有所扩展，624.329.919757.9179.712767.1146.1但是最大影响范围和超标范围均未超出该园区范围内，仍限于有效防护距离内。因此，在污染源泄露得到及时的处理后，对敏感点处地下水环境污染风险低，为该区域对下水的水质提供了保障。1】蜀光.地下水污染J.世界环境,19 8 9,3（2）.2罗兰.我国地下水污染现状与防治对策研究.中国地质大学学报：社会科学版，2 0 0 8,8（2）：4.3】黄宇，刘佳琦.城市地下水污染特征及治污策略研究J.环境科学与管理,2 0 17,42(11):3.4谭文清，孙春，胡婧敏，等，GMS在地下水污染质运移数值模拟预测中的应用.东北水利水电，2 0 0 8，（5）：3.参考文献