刘玉利;贾超
【摘 要】使用地下水数值模拟系统GMS的MODFLOW模块和MT3D模块对山东某地危险废物处置中心进行地下水流场和有机污染质运移数值模拟.建立了水文地质概念模型,含水层概化为潜水含水层和承压水含水层两层,考虑了非正常工况和事故工况两种情景模式,将危险废物填埋库区渗滤液收集和导排系统概化为点源.分析预测,两种工况下污染羽有较大差距,虽然COD浓度超过Ⅲ类地下水的标准限值,但污染范围十分有限,对周边地下水环境的影响较小. 【期刊名称】《水科学与工程技术》
【年(卷),期】闪光棒2016(000)005
【总页数】5页(P78-82)
【关键词】地下水;GMS;危险废物;数值模拟;含水层
【作 者】刘玉利;贾超
【作者单位】山东大学土建与水利学院,济南250061;山东大学土建与水利学院,济南250061
【正文语种】中 文
【中图分类】X703
机控网GMS是由美国Brighan Young University的环境模型研究实验室在综合已有地下水模型基础上研发而成的一套综合性的三维可视化有限差分数值模拟软件，是目前国际上最先进的、使用最广泛的地下水水流模型［1］。该软件整合了众多地下水流模型和程序包，包括MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、RT3D、SEEP2D、SEAM3D、UTCHEM、PEST、UCODE等［2］。该软件应用极其普遍，目前已被成功用于三维水文地质结构建模、地下水资源评估、基坑涌水量预测、地下水污染物运移模拟、热量运行及含水层贮能问题、地下水开发利用方案优选等各个方面［3-4］。运用MODFLOW和MT3DMS模块，对山东某产业园危险废物处置中心填埋场渗滤液进行地下水流场模拟和有机污染质运移预测，为防止地下水污染提供了理论依据。
1.1 基本情况
研究区属于黄河冲积平原，第四系地层的缓平坡地，场地原为耕地，地形坡度小于1/1000，地形平缓，自然地面标高均在5.60～6.70m之间。地貌呈西南高，东北低。由初勘资料提供，场址区地层成层性较好，地层结构较简单，层位、厚度较稳定，强度一致。区域内第四系及新近系较为发育，且分布普遍，区内古近系在广大地区分布普遍，但由于新近纪本区断裂活动强烈，各地发育程度和厚度变化较大。
1.2 水文地质
受黄河长期冲积影响，研究区内水文地质比较复杂，小清河以北地区，埋深150～200m范围内一般分布有中浅层咸水层，200m以下一般为淡水层。场区位于冲积平原，含水岩层皆为第四纪沉积物，地下水类型为孔隙水，地下水的补径排条件主要受气象条件、地形地貌、地表岩性的影响，补给来源主要受大气降水的垂直下渗、河道补给及上游地下水的侧向补给。据调查，近几年研究区地下水水位有下降趋势。
2.1 地下水非稳定流数学模型
地下水污染质运移需要建立在地下水渗流模型的基础上，在综合分析研究区域内水文地质
和工程地质条件之后，确定研究区的边界条件及进行参数分区等，调查获取并计算研究区地下水源汇项，进而建立水文地质概念模型。 地下水数值模拟数学模型［5］采用下列方程式表示：
式中Kx，Ky，Kz为x，y，z方向渗透系数（m/d）；h为水位标高（m）；W为源汇项；S为含水介质的贮水率；H0为初始水位；B2为第二类边界；n为Γ2边界的外法线方向；q（x，y，t）为第二类边界上已知流量函数；Ω为研究区域。
洗肾机显然仅仅根据该方程是不能刻画某地区地下水流动的特殊规律，还必须补充说明该研究区域的范围，研究区以外对研究区地下水流的影响—边界条件；对于地下水非稳定流动问题，还涉及研究区域地下水的初始状态—初始条件。
2.2 溶质运移数学模型
地下水的溶质运移十分复杂，溶质在地下水中运移的主要机制有对流扩散、弥散、吸附解析及生物降解等。Paul F.Hudak将运移机制归结为对流和水动力弥散两种［6］。
三维瞬态地下水流系统中污染物的迁移和去向以用以下形式控制方程用来描述：
清理废旧钢筋
式中θ为地下介质的孔隙度（无量纲）；Ck为物质k的溶解浓度（mL-3）；t为时间（T）；xi，xj分别为沿x，y坐标轴的距离（L）；Dij为水动力弥散系数张量（L2T-1）；vi为渗流或线性孔隙水流速度（LT-1）；qs为单位体积含水层源汇的体积流量（T-1）；源汇流中物质k的浓度（mL-3）；∑Rn为化学反应项（mL-1）。
3.1 模型建立
3.1.1 模拟范围及地面高程
在水文地质概念模型中，结合水文地质条件和地下水动力特征，东南方向以支脉河为边界，东北方向以二干河为边界，北部以北支新河为边界，西南方向以引黄济青渠为边界，西部和西北边界取与地下水大致垂直方向为边界，由此确定的模拟范围面积58.22km2，该范围要包含京博农化所有敏感目标。
3.1.2 含水层概化
根据研究区地质勘察资料，在勘查深度内呈现黏土与粉质黏土互层，在垂向上概化为两层，第1层为潜水含水层，厚7.5~10m，第2层为承压含水层，厚17.5~25m。研究区内潜水
含水层渗透系数根据野外抽水试验获得为6.16m/d，野外弥散试验计算得纵向弥散度αL=1.25m，纵向弥散系数DL=2.625m2/d。根据实地勘察资料［7］，勘察期间场区地下水埋深0.53～2.93m，参考GWI-D1《地下水流数值模拟技术要求》［8］，降雨入渗系数0.14。根据场区地下水埋深和地层岩性，潜水蒸发系数取经验值0.06。
3.1.3 边界条件概化
冰壶制作根据水文地质概念模型模拟范围及区域地下水水动力特征，模型北部边界和东南部边界为定水头边界，西南边界、西北边界和东北边界为流量边界，其中西北边界大体与地下水等水位线垂直，为零流量边界，西南边界和东北边界与地下水等水位线平行，分别为地下水入流边界和出流边界。由于大气降水入渗和地表水渗漏为地下水的主要补给来源，补给量受季节性大气降水影响较大，因此所有流入、流出边界流量在6~9月份最大，12月~次年3月份最小。
将水文地质概念模型中的地面高程及各含水层组顶板、底板高程输入GMS，划分网格可得到数值模型的几何模型机剖分网格。数值模型网格剖分情况如图1（纵轴已放大50倍），该模型共划分成42082网格进行计算。
3.2 模型识别与验证
研究区地下水按埋藏条件划分为潜水，按含水介质类型划为第四系孔隙水。勘察钻孔完成后于2015年7月23日统一量测了各钻孔的地下水位，水位变化受季节影响明显，水位埋深平均值2.01m，年水位变化幅度在2.00m；丰水期水位埋深0.75m。
模拟范围内有康坊、吴家和阎坊3个水位长测点的水位监测资料。根据水位监测资料，将2013年1月～2013年12月作为模型拟合期，2014年1月～2014年12月作为模型检验期，模型识别检验后的研究区内地下水枯水期（5月）和丰水期（9月）流场如图2，图3。利用模型拟合水位监测数据进行参数反演，利用模型检验期水位监测数据进行模型检验，模型承压含水层渗透系数反演参数场如图4。
对比丰枯期地下水流场图，下部承压含水层在丰水期时，边界补给量的增大使地下水水位明显高于枯水期。并呈周期性波动下降规律变化；地下水整体流向与水文地质图中一致，为自西南向东北流。
根据模型检验主要原则［9］，研究区模拟的地下水流场与实际地下水流场形状相似，基本
一致；模拟得到的地下水水位动态变化如图5，可见呈现较为明显的波动下降趋势，与实测的地下水位动态变化较为吻合；模拟的各源汇项的均衡量要与实测这符合规范精度；参数反演的水文地质参数与实地实验计算值差距不大。地下水流场数值模型计算结果达到规范精度要求，可正确反映研究区地下水系统的动力特征，能够用于地下水溶质运移模拟。
利用由GMS中MODFLOW模块模拟得到的地下水流场分布，使用MT3D模块导入源强、弥散系数等参数进行计算，即可得到污染物溶质运移模拟的结果。
4.1 情景设置
本危险废物填埋场渗滤液主要来自降雨，另外还受废物自身含水、周边地表水侧渗、地下水侧渗等多方面影响。本次研究给出污染物非正常运行和事故排放两种工况的预测结果。由于危险废物填埋库区面积仅占研究范围的0.1045%，将污染源概化为点源，污染源强均根据工程分析确定。本次预测从安全角度出发，本着风险最大原则，在模拟污染物运移时不考虑吸附和生物降解等作用，主要考虑对流、弥散作用。
开关柜门锁
4.1.1 非正常工况
非正常工况是指危险废物填埋场防渗系统出现破裂并无法修复，渗滤液发生持续性泄漏。填埋中心渗滤液持续渗漏强度0.075m3/d，污染因子选取渗滤液中具有代表性的COD，浓度为500mg/L。
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