基于GMS的某高寒场区地下水环境影响研究_郑立博.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 007基于 GMS 的某高寒场区地下水环境影响研究郑立博，李阳(安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，安徽 蚌埠 233000)摘要地下水数值模拟是进行地下水环境影响定量评价的重要手段，运用 GMS 三维数值模型手段，可高效评价地下水污染物的迁移规律。以西藏日喀则市某危废处理项目为研究对象，合理进行概化，建立地下水渗流模型和溶质运移数学模型，模拟场区污染物运移情况，对研究区污染泄露后特征污染因子的扩散进行预测，预测该危废处理项目运行后对地下水环境的影响。结果表明:研究区污染物迁移受地下水水流方向影响，方向为由近西向近东方向，污染物迁移距离较小，对场区下游地下水造成影响较小。COD 污染物在水平方向上主要向地下水下游扩散，非正常状况下，洗车区废水收集池泄漏 20 年后 COD 的污染晕沿地下水流方向上的最远运移距离为 500 m，最大影响范围 62 590 m2，最大超标范围 25 960 m2;污染物泄漏浓度随时间先增加后逐渐减小。模拟结果为场区地下水环境影响评价和污染应对提供科学依据。关键词GMS;模型;运移;地下水环境中图分类号P641 2;X143文献标识码A文章编号1004 1184(2023)03 0022 04收稿日期2022 11 14作者简介郑立博(1985 )，男，山东郓城人，高级工程师，主要从事水工环地质调查、地质灾害防治、矿山生态环境保护与修复和岩土工程勘察等方面工作。A GMS based study on the environmentalimpact of groundwater in an alpine fieldZHENG Li bo，LIYang(The First Hydrological Engineering Geological Survey Institute of Anhui Geological Survey Bureau，Bengbu 233000，Anhui Province)Abstract:Numerical groundwater modelling is an important tool for quantitative groundwater environmental impact assess-ment Using GMS 3D numerical modelling tools，the migration patterns of groundwater contaminants can be efficiently evalua-ted Taking a hazardous waste treatment project in ikaze，Tibet as the research object，a reasonable generalization was madeto establish a groundwater seepage model and a solute transport mathematical model to simulate the transport of pollutants in thesite area，to predict the dispersion of characteristic pollutants after pollution leakage in the study area，and to predict the im-pact of this hazardous waste treatment project on the groundwater environment after its operation The results show that thetransport of pollutants in the study area is influenced by the direction of groundwater flow，which is from the near west to theNear East，and the pollutant transport distance is small，causing less impact on the groundwater downstream of the site CODpollutants in the horizontal direction mainly spread downstream to the groundwater，under abnormal conditions，the farthesttransport distance of CODs pollution halo along the groundwater flow direction after 20 years of leakage from the wastewatercollection pond in the car wash area is 500 m，with a maximum impact area of 62 590 m2and a maximum exceedance area of25 960 m2;The concentration of spilled pollutants increases and then decreases over time The simulation results provide ascientific basis for groundwater environmental impact assessment and pollution response at the siteKey words:GMS;Models;Transport;Groundwater environment0引言地下水数值模拟是反映地下水运动客观规律，进行地下水环境影响定量评价的重要手段。为保证地下水环境预测的准确性和地下水污染防治措施的可靠性，数值模拟模型的建立需要有翔实的背景资料和大量的试验数据。本文以某高寒场区危废处理工程为研究对象，通过建立数值模型，进行非正常状况下地下水污染预测，为场区地下水环境影响预测和污染应对提供科学指导。1研究区概况1 1项目背景项目区位于西藏自治区日喀则市，占地面积 588 84 亩(图 1)，新建液废预处理车间、氮气管线、化验室、甲类仓库、丙类仓库、危险废物接收卸货区、制氮设备间、事故应急处理池、雨水收集池、消防水池及泵房等设施。项目危险废物经过实验室进行物理、化学性质分析和相容性测试，进行预处理和入窑处置。场区严格雨污分流设222023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3计，危险废物储存、预处理和处置设施均为室内布置。固态危废含水率低，预处理产品为块状危废，不会产生渗滤液;半固态危废接收、储存时均为桶装，预处理时与固态废物按一定比例混合形成固态成品，不会产生渗滤液。1 乡镇、2 村落、3 普通道路、4 318 国道、5 水系、6 项目区范围、7 研究区范围图 1研究区范围图1 2研究区水文地质条件研究区位于青藏高原区，地貌类型包含中起伏极高山、冲洪积扇和河漫滩。区内地形起伏较大，相对高差 880 m，坡降约为 880/5 000，总体地形由西向东倾斜。研究区地层属于冈底斯 腾冲地层区日喀则分区，主要发育白垩系昂仁组及第四系沉积地层，除河谷、冲沟及山前外，基岩地层均出露地表。区内地下水可分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水两类。白垩系砂页岩至全新世冲积物可划分为第一含水层(潜水含水层)、第一弱透水层(潜水含水层)和第一隔水层(图 2)1 2 1第一含水层主要由全新世的粉质砂土、粉细砂、砂砾、卵砾石层、碎石层、角砾石层等组成，厚度大于 50 m，山前、河谷地带广泛分布。河谷地带富水性中等，抽水试验获取本层渗透系数为 3 31m/d;山前扇形地富水性贫乏。河谷地带地下水水位埋深 1 5010 20 m，山前扇形地地下水水位埋深 8 0 52 0 m。1 2 2第一弱透水层主要赋存于白垩系昂仁组的砂岩、长石砂岩及页岩等的风化裂隙中，区内广泛分布，富水性中等。抽水试验获取渗透系数为 1 91 m/d。地下水水位埋深随地形变化较大，山前地带水位埋深约 8 10 m。1 2 3第一隔水层主要由白垩系昂仁组新鲜基岩组成，岩石结构完整，全区分布。裂隙局部发育且多被充填，透水性差，可作为相对隔水层。图 2研究区水文地质剖面图1 3污染源1 3 1车辆冲洗废水项目危险废物运输车辆卸载完成后进行车辆清洗，清洗废水经卸车平台导流沟收集后进入事故池，定期泵送入窑焚烧处置，不外排。运输车辆清洗用水按 120 L/(辆次)，清洗用水为 0 12 m3/d，清洗废水产生量约 0 11 m3/d(产污系数取 0 9)。1 3 2实验室废液实验室废液主要是危险废物样品检测过程产生的废液，以废酸、碱液为主，其中重金属含量较高，每天用水量约为 25L，废水产生量为每天 22 5 L(产污系数取 0 9)。实验室废液经收集后送至水泥窑焚烧处置，零外排。1 3 3初期雨水项目区初期雨水量为 4 130 m3/a。初期雨水经雨水池收集后送至水泥窑焚烧处置，零外排。1 3 4生活污水项目生活用水量约为 0 54 m3/d，计算生活污水产生量约为 0 486 m3/d(产污系数取 0 9)，主要污染因子为 COD、BOD5、SS、氨氮等。生活污水依托污水处理站处理达标后综合利用于生产、降尘及绿化等，零外排。2模型概化2 1水文地质条件概化2 1 1含水层结构特征概化研究区含水层可概化为一个含水层组、一个弱透水层组和一个隔水层(图 3)。其中，项目区与第一含水层直接接触。图 3水文地质概化模型示意图2 1 2地下水流场概化研究区地下水流向严格受地形控制，由于重力作用，地下水向河谷地带运移。项目区地处山前扇形地，地下水径流方向为近自西向东，部分地段随地形变化而略有偏移。2 1 3边界条件概化研究区三面环山，周边山脊线为天然分水岭，地下水整体向夏布曲径流，夏布曲是常年性河流，是研究区的侵蚀基准面。污染源均位于项目区内，污染物运移扩散方向与地下水流向一致，均朝向夏布曲。本次将研究区北、西、南侧地表分水岭概化为隔水边界，东侧夏布曲概化为定水头边界，东南侧歇曲概化为流量边界。垂向水量交换主要来自降雨入渗与潜水蒸发作用，采用多年平均降雨与蒸发资料确定面状入渗补给量。2 2数学模型建立2 2 1地下水渗流数学模型基于以上概念模型，建立数学模型如下:xKxh()x+yKyh()y+zKzh()z+=htx，y，zh(x，y，z)=h0 x，y，zh(x，y，z)1=(x，y，z)x，y，z1Knh n2=q(x，y，z)x，y，z2式中:为渗流区域;x、y、z 为笛卡尔坐标(m);h 为含水32第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月体的水位标高(m);t 为时间(d);Kx、Ky、Kz分别为 x、y、z 方向的渗透系数(m/d);Kn为法向渗透系数(m/d);为重力给水度;为源汇项(1/d);h0为初始水位(m);1为一类边界;2为二类边界;n为边界面的法线方向;(x，y，z)为一类边界水头(m);q(x，y，z)为二类边界单宽流量(m3/d/m)。2 2 2地下水溶质运移数学模型通过分析地下水流场特征和溶质运移规律，建立溶质运移方程如下:ct=xDxxc()x+yDyyc()y+zDzzc()z(uxc)x(uyc)y(uzc)zc(x，y，z，t)t=0=c0(x，y，z，t0)(x，y，z，t0)式中:Dxx、Dyy、Dzz分别为 x，y，z 方向的弥散系数;ux、uy、uz分别为 x，y，z 方向的实际水流速度;c 为溶质浓度;c0为初始浓度;为边界溶质通量;对地下水流动模型采用 MODFLOW 进行求解，对溶质运移的对流弥散方程采用 MT3DMS 求解。2 3地下水流数值模型2 3 1单元格划分利用 GMS 软件进行矩形网格剖分，最大网格为 100 m 100 m。污染源强位置网格加密至 1 m 1 m。网格剖分见图4。2 3 2水文地质参数分区根据研究区地层岩性，将本模型第一层划分为三个参数分区，第二层划分为两个参数分区(图 5、图 6)，数据初始值均为野外实测。2 3 3地下水源汇项研究区第一含水层主要接受大气降水的入渗补给。根据地区经验数据，入渗系数取 0 15。降雨量采用年平均降雨量408 4 mm，蒸发量采用年平均蒸发量 2 150 mm。图 4网格剖分模型图图 5模型第一层水文地质参数分区2 3 4地下水流数学模型的求解数学模型可通过有限差分法转化为数值模型。设置矩形差分网格，转化进行有限值的比率计算。2 4污染源概化项目区各类水池废水浓度大，正常状况下按照防渗要求且防渗层完好，不会出现渗出;非正常状况下，若地下水的防渗系统在老化或腐蚀的情况下，则会出现泄露。假定泄漏面积为防渗面积的 5%，泄漏面积小，可将排放形式概化为点状污染源。泄露点位于地下且与监测井有一定距离，短期不会被监测到，可视为长期渗漏。图 6模型第二层水文地质参数分区2 5水文地质参数选取根据现场抽水、渗水试验，结合土工试验结果，确定研究区各含水层组渗透系数、释水系数、给水度、有效孔隙度和总孔隙度等水文地质参数(表 1、表 2、表 3)。表 1研究区含水层组渗透系数一览表概化含水层水力性质岩性名称渗透系数/m/d第一含水层潜水第一弱透水层潜水 1 区 2 区 3 区 1 区 2 区 3 区砂、卵砾石 碎石、角砾 砂岩、页岩3 311 910 001 1 区 2 区 1 区 2 区全 强风化砂岩、页岩1 910 001第一隔水层砂岩、页岩0 001表 2研究区含水层组释水系数、给水度一览表含水层位水文地质参数释水系数给水度第一含水层第一弱透水层 1 区 2 区 3 区 1 区 2 区 3 区0 150 10 000 10 250 250 01 1 区 2 区 1 区 2 区0 010 00010 180 01第一隔水层0 000 10 01表 3研究区含水层组有效孔隙度一览表含水层位水文地质参数有效孔隙度/%总孔隙度/%第一含水层第一弱透水层 1 区 2 区 3 区 1 区 2 区 3 区45 933 26551 036 955 1 区 2 区 1 区 2 区38 8543 15第一隔水层552 6初始流场根据水文地质参数分区，结合现场水井调查、钻孔实测水位，进行地下水稳定流模拟。模型流场的水位分布与研究区钻孔(水井)水位展布趋势基本一致时，可作为模型初始流场。42第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月3模型的识别校正与验证3 1水位识别采用研究区地下水水位监测井中的 15 个井进行拟合，其中 10 个井完全拟合(绿色)，3 个井较拟合(黄色)，2 个井不拟合(红色)，水位拟合匹配程度为 86 67%(图 7)。图 7第一含水层(潜水)水位识别等值线图3 2水均衡识别根据 Flow Budget 模块水均衡查询结果，模型中总补给量为 2 428 45 m3/d，其 中 水 头 边 界(夏 布 曲)的 补 给 量 为397 64 m3/d，降水补给量为 1 770 92 m3/d，模型总排泄量为2429 53 m3/d，其中水头边界(夏布曲)的排泄量为 1 629 53m3/d，地下水开采井排泄量为 800 00 m3/d，模型的地下水水均衡与实际基本相符。3 3参数识别对研究区水文地质模型进行校正，结果表明模型总体上较真实的反应研究区内的地下水流动特征，可用于预测和评价研究区内污染源对本区地下水环境的影响。各层水文地质参数见表 4。表 4模型各层水文地质参数含水层位水文地质参数水平渗透系数/m/d有效孔隙度/%第一含水层第一弱透水层 1 区 2 区 3 区 1 区 2 区 3 区3 201 900 0245 033 05 1 区 2 区 1 区 2 区1 800 0138 054环境影响预测地下水系统中的污染物迁移与转化过程是复杂的物理、化学及生物综合作用的结果。本次采用 MT3DMS 进行污染物运移模拟，对正常状况、非正常状况以及风险事故状况下进行预测，模拟过程不考虑污染物的挥发、吸附以及化学生物反应，并保守考虑各类参数。4 1污染物进入地下水时间预测本次预测不考虑包气带自身的过滤、吸附与自净功能。项目区包气带厚度 8 52 m，其中扩建危废项目区包气带厚度约 52 m，岩性结构为表层(0 0 2 m)为人工填土，渗透系数 0 18 m/d，下部为碎石和角砾层，渗透系数为 1 44 m/d;污染物进入地下水需要约 36 46 d。4 2环境影响预测结果模拟考虑环境最不利影响因素，本着风险最大化原则，将污染物扩散时间设为 20 a(7 300 d)。本次预测重点考虑对流和弥散作用，选取 COD 作为预测因子，确定研究区水文地质参数、初始流场和边界条件，联合运行地下水流和水质模型，获取洗车区废水收集池 COD 的预测运移结果。对非正常状况下洗车区废水收集池泄漏后 100 d、1 000d、7 300 d 进行预测，污染物水平运移范围如图 8。污染物在第一含水层中的迁移特征见表 4。图 8渗漏 100 天污染物浓度超标范围分布图(COD)表 4第一含水层污染物迁移特征表工况各污染物运移时间污染源位置污染物最大影响范围/m2最大超标范围/m2最大迁移距离/m非正常状况下100 d1 000 d7 300 d洗车区废水收集池COD49514020COD7 2202 635113COD62 59025 9605005结语运用 GMS 软件建立地下水数值模型，模拟结果较符合实际情况，模拟效果较好，可以直观的模拟污染物迁移及地下水环境影响程度，为研究区地下水环境保护提供决策依据。根据模拟结果，建议在研究区可能污染的设施下设置防渗、防泄漏等预防措施，有效控制项目区的污染物下渗或外溢，同时按照规范要求做好地下水长期监测，避免或减少对地下水环境的影响。参考文献 1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):12 15 2贺国平，邵景力，崔亚莉，等 FEFLOW 在地下水流模拟方面的应用J 成都理工大学学报(自然科学版)2003(4):356 361 3祝晓彬 地下水模拟系统(G M S)软件J 水文地质工程地质 2003(05):53 55 4朱玉水，段存俊 MT3D 通用的三维地下水污染物运移数值模型J 东华理工学院学报 2005(1):26 29 5龚旭龙 区域松散介质三维地质建模研究D 武汉:中国地质大学 2007:21 23 6黄静莉，王清 基于 GMS 的城市地下空间三维工程地质地层建模J 长春工程学院学报(自然科学版)2012(1):74 77 7祝晓彬 地下水模拟系统(GMS)软件J 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