Visual MODFLOW在地下水模拟中的应用分析

李强+于维坤+李腾飞+李伟华

【摘要】：采用Visual MODFLOW预测诸暨某厂区建成投产后流场的变化，建立地下水数值模型。在此基础上，利用Visual MODFLOW软件中的MT3DMS 模块，选取CODCr为溶质进行污染物运移模拟，预测地下水中污染物的运移情况。结果表明：拟建项目正常运行情况下，生产污水对地下水水质的影响很小；在非正常工况下，废水泄漏进入地下水，地下水中CODCr浓度达到最大值为16mg/L，最大迁移距离为180m。

【关键词】：地下水；数值模拟；Visual MODFLOW；CODCr

1、当前地下水流和溶质运移的研究中，常用的方法有解析法、数值法和实验法。水文地质领域的数值模拟方法主要有有限差分法、有限元法、边界单元法和有限分析法。地下水模拟在地下水研究中发挥着越来越重要的作用，目前流行的地下水模拟软件主要有GMS、Visual MODFLOW、FEFLOW、TOUGH2等。笔者采用Visual MODFLOW软件模拟研究诸暨某拟建厂区投产后废水泄漏对地下水的影响。

1.1 模拟范围

综合考虑拟建项目周围的区域地形地貌特征、水文特征、地质条件、水文地质条件和周围的地下水环境敏感目标等因素，结合本次实地勘探和水质分析结果，模拟计算范围约为1.8km2。根据区内钻孔资料，研究区地面高程范围为15～20m，浅层含水层大多集中在-3～-1m，其下为相对隔水层。该区域面积较小，水文地质条件差异性不大，可视为单一性质含水层。该区域含水层主要岩性为粉质黏土，渗透性能较差，含水层渗透系数为0.5m/d。

1.2 网格剖分

考虑到模拟精度尤其是溶质迁移模型精度的要求，根据模拟区水文地质条件，在垂向上将模拟区划为一层；各层南北长1.0km，东西长1.7km，在水平方向上用正交网格进行剖分，网格数目为100×200，单个网格大小为10m×8.5m。

1.3 边界条件

利用观测水位资料，确定研究区中部渠道为河流边界，并确定西部和南部定水头边界。将研究区概化为具有稳定的空间结构，地下水位连续三维非均值各向同性的非稳定流概念模型。

1.4 地下水数值模型

式中，μs表示储水率（1/m）； h表示含水层水位高程（m）；t表示模拟时间段内的时间（d）； K表示渗透系数（m/d）；W表示源汇项（m3/d）； h（x，y，z，t）表示边界上的已知水位函数（m）；q（x，y，z，t）为第二类边界流量函数（m3/d·m）； k表示三维空间上的渗透系数张量；Γ1为一类边界；Γ2为二类边界；n为边界Γ2的外法线方向。

1.5 污染运移模拟

1.5.1 潜在污染源分析

项目的废水主要为染整废水（包括前处理、染色）、地面冲洗水、设备冷却水、蒸汽冷凝水和员工生活污水。各股废水可划分为高浓度生产废水、低浓度生产废水及生活污水三种。项目产生的废水按分质收集后，分别经现有废水处理设施预处理，其中高浓度生产废水经预处理达标后纳管；低浓度生产废水部分经深度处理后通过供水系统回用；生活污水经化粪池、隔油池预处理后与生产废水一道纳管。

1.5.2 污染物迁移情景设置

正常状况下，废水经过现有废水处理设施处理后，纳入诸暨市污水处理厂集中处理。拟建项目对地下水环境可能产生的影响，主要为非正常状况。本次模拟设置模拟情景为非正常状况生产发生泄漏进入地下水含水层，预测废水中污染物在含水层中的浓度变化、影响范围和超标情况。

厂区污水处理站人工防渗层局部发生泄漏，污染物以200L/d的泄漏速度进入地下水含水层。泄漏污水中主要污染物浓度为CODCr2500mg/L。持续泄露7d，后经检修发现破裂后修补，污水不再渗入地下水。模拟总时长为5000d。

1.5.3 污染物运移数学模型

根据评价区地下水流实际情况和污染物运移的一般规律，可建立以下数学模型来表示污染物进入评价区含水层后在地下水中的迁移过程：

式中：R迟滞系数为1； 为土壤人孔隙率； 为组分浓度（mg/L）； 为弥散系数（m2/d）； 为地下水速度张量；W为水流的源汇项。

联立地下水流方程和污染物运移方程求解即可获得污染物在含水层中的浓度分布数据。本次采用数值模拟方法对联立的数学模型进行计算。污染物运移过程的模拟，将在Visual Modflow软件建立的水流数值模型的基础上，叠加该软件中的MT3D模块进行。

1.5.4 模拟预测

模拟非正常状况下，0-7d内，污染物持续进入地下水中，7d时，泄漏停止，此时泄漏中心点污染物浓度达到最大浓度為16mg/L。随着时间的推移和水流运动，污染晕以泄漏点为中心，向四周扩散。100d时，污染晕最大浓度为4mg/L。500d时，污染晕最大浓度为0.9mg/L。1000d时，污染晕最大浓度为0.6mg/L，5000d时，污染晕最大浓度为0.06mg/L。该区域水力坡度较大，地下水流交互作用强度一般，污染晕沿着水流方向最大迁移距离约180m。

1.5.5 污染风险预测分析

在非正常状况下，高浓度生产废水防渗层出现破裂，废水中的CODCr泄露排放进入地下水，不考虑包气带的滞留作用、包气带和饱和带对污染物的消减作用、污染物的自然降解作用等。该地区渗透性能较差，水力坡度较大，地下水流交互作用一般。5000d模拟期内地下水中CODCr浓度达到最大值为16mg/L，最大迁移距离约180m。污染晕范围较小，易于控制，采取垂直防渗墙和原位异位修复能有效控制和削减地下水中的浓度。

【参考文献】：

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[3]杨彪，罗周全，王益伟，谢乘煜. 基于Visual Modflow的矿山地下水流场分析及预测[J]. 矿冶工程，2013，（04）：11-15+21.