安宁市黄金产业园地下水环境预测评价

安宁市黄金产业园地下水环境预测评价

宰家宪

（云南黄金矿业集团股份有限公司 云南 昆明 650000）

摘要：本成果利用Feflow软件，将安宁市黄金产业园评价区概化成非均质、各向异性、三维非稳定流的地下水系统概念模型，进行数值模拟。对地下水水位及重金属、无机污染物在地下水中的运移进行了模拟预测，并对预测结果进行分析，为地下水资源的保护提供依据。非正常情况下生产废水收集池泄露污染物在地下水中的扩散主要受水动力场控制，逐步向南扩散，污染面积及迁移距离在最终预测时间达到最大，污染物（镍）迁移距离及污染晕面积分别为475m、112441 m2。

关键词：Feflow；地下水渗流模型；溶质运移模型

1.预测评价工作概述

在对评价区水文地质条件综合分析的基础上确定模拟范围，通过合理概化边界条件、地下水流动特征及含水层系统结构，采用Feflow软件，建立评价区的水文地质概念模型，进一步通过对模拟区三角剖分、空间离散、高程插值及非均质分区后进行水文地质参数赋值，从而构建地下水渗流数值模型，利用已有的水位观测资料，完成水流模型的识别验证，得到天然情况下模拟区地下水初始流场[4]。针对项目工程特点，选取典型预测因子，设计非正常情景状况，在地下水渗流数值模型的基础上耦合污染物运移方程，得到地下水溶质运移模型，使用此模型对情景状况进行预测，并利用水质标准进行评价，最终得到地下水环境评价结论。[1] [2]

2.水文地质概念模型

水文地质概念模型是把含水层或含水系统实际的边界性质、内部结构、渗透性能、水力特征和补给排泄等条件进行合理的概化，以便可以进行数学与物理模拟。科学、准确地建立水文地质概念模型是地下水环境影响预测评价的关键[3] [4]。

根据评价区水文地质条件，四周以地表分水岭设定的零通量边界，南侧内部以地表水为给定水头边界，面积约4.4km2，将模拟区概化成非均质、各向异性、三维非稳定流的地下水系统概念模型。

3.地下水渗流模型的建立

3.1初始网格及地质模型

基于FEFLOW平台，利用Advancing Front剖分方法，将区域离散为不规则三角剖分网格 [7]。地质概化模型共分为一层（layer）两片（slice）。模拟区地面高程数据采用测绘数据，利用ArcGIS软件处理得到。输入FEFLOW后得到评价区三维地质模型，如图1所示，其中结点数7695个，有限单元数9774个。通过对水文地质概念模型的分析，依据渗流连续性方程和达西定律，建立模拟区地下水系统水文地质概念模型相对应的三维非稳定流数学模型[5][6]。

图1 三维网格剖分图

3.2边界条件及初始参数

根据前述水文地质概念模型结合已有各类水文地质资料，确定本次模拟评价区边界条件如下：

（1）四周边界：

四周以地表分水岭设定的零通量边界，南侧内部以地表水为给定水头边界。

（2）上边界为降水补给、蒸发，下边界等效定义为相对隔水边界。

本次模拟工作所用到的初始水文地质参数主要依据水文地质勘查成果，按风险最大化原则，选取试验结果中较大值（0.2036）作为水文地质初始参数取值，评价区地处山区，按照经验，Kyy、Kzz调整为Kxx的1/5。详见表1。

3.3 初始条件

初始流场采取的技术方法是将模拟区参数分区及初始参数取值表输入模型，经过稳定流计算得到模拟区稳定流条件下的天然流场，然后根据实际观测水位对天然非稳定流场进行参数拟合。将模拟水位值与6个勘探孔水位实测值进行拟合分析，可以看到6个拟合点基本均匀分布在标准线附近（图2），反应了模拟结果与实际测量值拟合情况较好，初始流场水位拟合折线图也清楚反应了模拟值与实际值总体变化规律的一致性。识别后的参数见表2。

通过以上技术工作，经过识别验证后的、可作为初始条件的地下水流场如图3所示，基本符合实际水文地质条件，基本反映了地下水流系统的流场特征，可以此为基础开展后续地下水环境影响预测评价工作。

图2 天然流场水位拟合图             图3 天然条件下初始流场模拟结果图

4溶质运移模型

4.1数学方程

溶质运移的三维水动力弥散方程的数学模型[8]如下：

式中，右端前三项为弥散项，后三项为对流项，最后一项为由化学反应或吸附解析所产生的溶质的增量；Dxx、Dyy、Dzz分别为x、y、z三个主方向的弥散系数；μx，μy、μz为x、y、z方向的实际水流速度；c为溶质浓度，量纲：ML-3；Ω为溶质渗流的区域，量纲：L

2；c0为初始浓度，量纲：ML-3。

本次溶质运移模型中弥散度的确定主要依据是Geihar等（1992）对世界范围内所收集的59个大区域弥散资料进行的整理分析。按照偏保守原则，最终确定的溶质运移模型参数见表3。

4.2预测因子及源强

本项目特征污染物，重金属标准指数从大到小依次为镍、铅、锌、砷、铜、汞、铬、镉，无机类标准指数从大到小依次为氯化物、耗氧量、硫化物、氨氮、氰化物，最终选取标准指数最大的镍作为预测因子。

模拟情景：生产废水收集池部分区域由于系统老化等问题，防渗效果达不到设计要求，出现非正常状况，污水下渗进入地下水。

模拟污染物源强：假定泄漏时间持续性30年。泄漏面积以20m2计。则年泄漏入渗量为0.076m/d×365d×20m2＝554.8m3；镍泄漏浓度： 7.8mg/L。

4.3地下水环境预测评价

镍污染物下渗进入地下水中，形成超标污染晕，其迁移方向主要受水动力场控制，污染范围持续扩大。模型运行10950天地下水中污染物在平面上地下水中污染晕整体向南部迁移，迁移距离为475m，污染晕面积约为112441m2（图4）。

图4 非正常状况镍超标污染物模拟结果图

5结语

本文选取生产废水收集池镍做为溶质运移模拟预测因子。模拟结果显示非正常状况下，污染物下渗进入地下水中，形成超标污染晕，其迁移方向主要受水动力场控制。生产废水收集池污染物逐步向南扩散，污染面积及迁移距离持续增大，在最终预测时间污染物迁移距离及污染晕面积达到最大，污染物（镍）迁移距离及污染晕面积分别为475m、112441 m2。

为最大限度保护地下水环境，建议在建设项目污染装置下布设防渗措施，并在下游布设监测井和应急抽排水井，防止事故条件下地下水污染物对场区外地下水环境造成影响。

参考文献

1沈媛媛.蒋云钟.雷晓辉等 地下水数值模型在中国的应用现状及发展趋势[J].中国水利水电科学研究院学报2009.7（1）：57～61

2王浩.陆垂裕等 地下水数值计算与应用研究进展综述[J]. 地学前缘

2010.17（6）：2～12

3孙志浩.王开章.孔凡亮 基于FEFLOW的浅层地下水水环境演化模拟[J].中国农村水利水电2009（10）：5～11

4吴琼.李宏卿.李绪谦  地下水数值模型建立及其拟合方法研究[J] 吉林地质2003.22（1）：44～47

5 徐艳萍.常利武.黄会平 FEFLOW在地下水数值模拟中的应用[J].华北水利水电学院学报2009.30（2）：86～88

6 徐晓明.郭中小等 FEFLOW在地下水数值模拟中的应用研究[J]. conference on Water in cold region2011：129～133

7王珊林.李杰.刘德峰 流域水资源配置模拟模型及实例应用研究[J]人民珠江2004.5：11～14

8成建梅.胡进武 饱和水流溶质运移问题数值解法综述[J].水文地质工程地质2003.2：99～105