基于VM-MT3D的污染物質運移數值模擬預測分析

王成文

(寧夏回族自治區水文環境地質勘察院，寧夏 銀川 750011)

地下水作為寶貴的供水資源和重要的生態環境因子，在保證城市生活用水、工業農業生產用水和生態環境平衡等方面扮演著不可替代的角色，同時也是保持“大氣降水—地表水—地下水”三水轉化、循環的主要參與者，對于保障社會經濟發展和安全供水具有十分重要的作用。近些年，隨著城鎮一體化的快速發展， 地下水開發利用過程中存在著水資源供需矛盾，地下水過度被開采、地下水水位下降和地下水污染等多種問題[1-3]。

Visual Modflow是地下水水流和溶質運移模擬軟件，廣泛應用于地下水流場和污染溶質運移分析中。借助Visual Modflow 軟件， 趙明明等[4]分析了玉井煤礦對地下淺含水層會產生較大影響，影響范圍達到了 5 000 m。張韻等[5]建立了某經濟開發區地下水流和溶質運移的可視化模型，并預測出Cr6+10年后運移112 m。趙娜[6]在對某倉庫進行了前期水文地質條件的了解和資料的準備，建立相應的 GMS 數值模型，對鉛酸蓄電池中的硫酸根離子的運移特征進行了預測研究，并提出適合研究區當地的污染防護措施。李丹等[7]研究對預測地下水污染發展趨勢和地下水溶質遷移機制，選擇最佳防治措施，制定相關地下水保護政策，具有重要的實際意義。

本次研究借鑒于地區開展供水水文地質勘察資料，結合研究區的實際特征，利用Visual Modflow軟件MT3DMS模型(簡稱VM-MT3D)[8-10]進行污染物質運移模擬預測，建立穩定流數學模型，采用地下水流動模型選取氨氮(NH3-N)為特征污染物，預測NH3-N的運移對土壤及地下水造成的影響，為地下水資源的安全和管理提供依據。

1 研究區地下水流數值模型

1.1 研究區概況

研究區為某生活垃圾焚燒發電三期擴建廠區，所在的微水文地質單元邊界外擴形成的面積約為20 km2的矩形區域。研究區所在地形為低山丘陵地形，含水層類型主要為火山巖類孔洞裂隙含水層，地下水的徑流條件受地形地勢的影響明顯，地下水徑流方向和地形一致，區域地下水是受地勢相對較高的地形影響，形成局部的地下水流動系統，整體由南部低山丘陵向西北流動，研究區基本情況見圖1。

圖1 研究區基本狀況

1.2 水文地質概念模型

1.2.1水文地質條件

在研究區域內廣泛分布含水層為火山巖類孔洞裂隙含水層，均為潛水含水層，巖性主要是火山碎屑巖石、玄武巖、蜂窩狀-氣孔狀玄武巖為主，含水層直接出露地表，屬于裸露行火山巖孔洞裂隙水，研究區水文地質剖面見圖2。

地下水主要來源為大氣降水入滲補給和側向補給，還有少量灌溉回滲補給；主要排泄方式為地下水的側向徑流排泄，其次為蒸發。研究區域周邊地下水開采利用程度較低，地下水的徑流條件受地形地勢的影響明顯，多以三維流的形式徑流，由地勢相對較高的顏春嶺低山丘陵向四周徑流，地下水徑流方向和地形一致，但水力梯度小于地形坡度，水力梯度1‰～6‰。地下水總體流動方向為南東流向北西，研究區水位等值線見圖3。

因此，本次水文地質模型概化僅將火山巖、玄武巖類孔洞裂隙含水層概化為一層，作為模擬預測層位，厚度一般在10～75 m，其中火山巖類地下水含水層厚度為1～30 m，玄武巖含水巖層厚度30～70 m。所在區水位等值線見圖3。

圖2 研究區水文地質剖面

圖3 研究區水位等值線

圖4 研究區模擬邊界條件

1.2.2邊界概化

結合研究區水文地質特征，由于東側邊界和西側邊界垂直于等水位線，設置為零通量邊界；南側邊界為地下水的補給邊界，北側邊界為地下水的排泄邊界；在垂向上，潛水含水層自由水面作為模型上邊界，通過該邊界潛水與系統外發生垂向上的水量交換，如大氣降水入滲補給、蒸發排泄，模擬區邊界條件見圖4。

1.3 地下水數學模型

a)水流模型。根據水文地質概念模型，地下水流概化為非均質水平各向同性、空間三維結構、非穩定地下水流系統，可用如下方程的定解問題來描述[11-12]：

b)溶質模型。三維溶質運移可用以下微分方程的定解問題描述[12-14]：

x、y、z∈Ω,t≥0

(2)

污染物在地下水中的運移轉化過程是極其復雜的[15]，本次模擬研究不考慮污染物運移過程中的吸附、化學反應和生物降解等作用，只考慮對流彌散作用對污染物運移的影響，彌散系數與孔隙的平均流速呈線性關系，其比值為彌散度，在模型中流速是自動計算的，溶質運移模型需要給定縱向彌散度，橫向彌散度為縱向彌散度的1/10。本次評價縱向彌散度根據前人的研究成果和一些類似水文地質條件的模擬結果確定[16]：縱向彌散度取10 m，橫向彌散度取1 m。溶質運移參數見表1。

表1 NH3-N溶質運移模型參數

1.4 數值模擬相關參數

1.4.1水文地質參數

研究區含水層主要以氣孔狀、火山碎屑巖石為主，水文地質條件較為均勻，滲透系數空間變化較小，將滲透系數和給水度等含水層參數分區值以面狀形式導入模型中，滲透系數為0.09～0.14 m/d，給水度為0.05～0.15，水文地質參數見表2。

表2 不同歷時時間NH3-N對地下水的影響情況

1.4.2源匯項概算

研究區源匯項比較簡單，地下水的主要補給來源為大氣降水入滲補給，主要排泄途徑為蒸發排泄、少量人工開采及地下水側向徑流流出。

a)補給項。模擬區源匯項比較簡單，補給主要為大氣降水補給，大氣降水量取多年平均降水量1 700 mm，當地降雨入滲系數0.09～0.13，因此，研究區大氣降水入滲補給地下水量根據式計算[17]可得，大氣降水入滲速率為0.000 42～0.000 61 m/d。

V=α·P·10-3/365

(3)

式中V——降雨入滲速率，m/d；α——降雨入滲系數；P——降雨量，mm/a。

b)排泄項。地下水排泄主要為側向流出和蒸發。研究區及周邊區域地下水水位埋藏深度較淺，地下水水位一般在1.93～7.74 m，當地蒸發極限深度為3.5 m，因此在水位埋藏深度較淺的區域，地下水會以蒸發的方式排泄，蒸發是項目所在區域地下水的排泄方式之一。蒸發量取當地多年平均蒸發量1 524.3 mm，蒸發極限深度取3.5 m；側向流出量根據達西定律計算得到，地下水年變幅源匯項見表3。

表3 地下水源匯項概算變化量 單位：億m3/a

1.5 模型識別與檢驗

通過模型的識別和驗證，使模型達到所需的精度的情況下進行模擬預測。通過模擬的水位等值線和水文地質勘查過程中6個水文地質鉆孔的實測水位和模型的模擬水位進行模型的識別驗證。研究區域地下水基本處于無開采狀態，地下水水位年際動態變化幅度較小，水位較穩定。因此，本次模擬采用非穩定流模型進行水位的識別，模型地下水流場見圖5，可知模擬區水位等值線和實際水位等值線相比，水位值變化不大，水位等值線的形狀基本一致，水力梯度基本不發生變化，污染物質隨地下水流向徑流，研究區水位可以反映出真實地下水中NH3-N濃度隨水流的歷時變化過程。

圖5 模擬地下水流場滲流方向

在水位點的識別驗證中，研究區6個水位地質鉆孔的模擬預測水位和實際水位情況見表4，水位點模擬水位和真實水位的擬合情況見圖6。

通過分析可知，6個水文地質鉆孔模擬水位水位和實際水位差均在0～1.2 m，水位誤差較小，滿足模擬預測所需精度要求，可以用做地下水溶質運移模擬預測。

表4 研究區觀測點模擬水位與實際水位對比

圖6 水位觀測點擬合

2 模型預測結果與分析

2.1 模擬預測設定

根據擴建工程滲漏事故發生后污染羽的變化情況和服務年限劃分模擬預測周期，利用Visual Modflow軟件MT3D模型進行數值模擬。在網格剖分中，大區域上將模擬區剖分為10 m×10 m的網格，為了詳細刻畫項目區地下水流動特征、模擬預測事故工況下污染物對區域地下水環境的影響情況，模型共分為415行×411列，其中有效單元格共119 414個，網格剖分見圖4。

根據研究區地下水流場特征、含水層的分布情況和水文地質單元的邊界情況，確定本次模擬預測的范圍為包含擴建三期工程單元及下游區域的面積約12 km2的區域，模擬預測單元為焚燒廠垃圾池滲液處理站，選擇污染物質因子為NH3-N，設定污染源強濃度為20 000 mg/L，模擬預測的情景為垃圾池的垃圾滲濾液連續滲漏90天，每天滲漏1.0 m3的情況，該情景設計是基于滲濾液處理站每天處理的垃圾能力和容載能力而定，并參照曾經滲漏檢測的污染物質濃度值。

2.2 污染物運移預測結果分析

在模型識別驗證的基礎上，將污染源輸入模型，預測時間分別為滲漏事故后100天、1 000天、10年、20年、25年(擴建工程服務期滿)和30年(服務期滿后5年)共6個時段，模擬NH3-N污染羽的分布情況，滲漏事故發生后NH3-N污染羽變化情況見圖7。

a)100天

b)1 000天

c)10年

d)20年

e)25年

f)30年

結合表5可知，滲漏事故發生后，受滲漏的高濃度的滲濾液的影響NH3-N污染羽影響距離隨時間不斷增長，污染羽范圍隨時間逐漸增大，滲漏事故發生30年后，NH3-N最遠影響距離為496.2 m；污染羽范圍為36 800 m2；污染羽范圍內NH3-N濃度隨時間逐漸減小，滲漏事故發生30年后，研究區NH3-N最大濃度為2.19 mg/L，高于GB/T 14848—2017《地下水質量標準》[18]中NH3-N的Ⅲ類標準限值。

表5 不同歷時點NH3-N對地下水的影響情況

滲濾液處理站滲漏事故發生處和滲濾液處理站下游廠界處NH3-N濃度歷時曲線見圖8、9，可知滲漏事故發生后，滲濾液處理站滲漏處NH3-N隨時間逐漸減小，滲漏事故發生7.4年后NH3-N降至地下水Ⅲ類NH3-N 0.5 mg/L標準限值；滲濾液處理站下游廠界處NH3-N隨時間先增大后逐漸減小，滲濾液滲漏事故發生后1.1～14.8年，NH3-N的污染濃度高于地下水質量標準限值，滲漏事故發生30年后，滲濾液處理站下游廠界處NH3-N降為0.002 3 mg/L。

圖8 處理站滲漏處地下水中NH3-N濃度歷時曲線

圖9 處理站下游廠界處地下水中NH3-N濃度歷時曲線

3 主要結論

a)利用Visual Modflow軟件MT3D模型進行地下水NH3-N溶質運移數值模擬，研究區滲漏處理站的NH3-N污染羽影響距離隨時間不斷增長，范圍不斷增大；模擬預測滲漏事故發生30年后，NH3-N最大濃度為2.19 mg/L，最遠影響距離為496.2 m，污染羽范圍為36 800 m2。

b)滲濾液處理站滲漏處NH3-N隨時間逐漸減小，滲漏事故發生7.4年后NH3-N降至地下水Ⅲ類標準；處理站下游廠界處NH3-N隨時間先增大后逐漸減小，滲濾液滲漏事故發生后1.1～14.8年，NH3-N的污染濃度高于地下水質量標準限值，直到30年后下游廠界處NH3-N降為0.002 3 mg/L。

c)通過對地下水水位的驗證識別，發現此次地下水溶質模擬預測可靠，可以為更復雜的地下水溶質運移研究提供一定參考。