以某化学肥料制造项目为例浅析FeFlow在地下水环境影响评价中的应用

李 芳，顾正聪，姜言欣

(云南湖柏环保科技有限公司，云南 昆明 650228)

0 引言

以某化工企业化学肥料生产项目为例，采用FeFlow软件对污染物进入地下水后造成的影响进行预测，对污染物在地下水中的运移规律和迁移特征进行分析，对区域地下水影响程度的分析有着重要意义，同时也为项目地下水污染防渗措施提供相关依据。

1 研究项目区概况

1.1 项目概况

研究项目在现有厂区内建设，产品为化学肥料，原辅材料涉及磷酸，暂存于装置区内磷酸储槽。拟建厂址位于划定的工业园区，下游约3.18km有集中式饮用水供水井。

1.2 项目区水文地质概况

1.2.1 项目区底层岩性

1.2.2 项目区水文地质条件

根据区域水文地质资料，项目区及周边内的地下水类型可分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。

项目区西侧岩溶水主要接受大气降水补给，总体上由西南向东北径流，在草铺镇与青龙哨之间形成Ⅱ28青龙哨富水块段，属于断块溶蚀潜流坡地型富水块段，多为第四系冲积层所覆盖，富水性较强。

青龙哨富水块段地下水类型以岩溶水为主，裂隙水赋存量少，含水层岩性主要为寒武系渔户村组(C1y4-5)、震旦系灯影组(Zbdn)白云质硅质灰岩、硅质灰质白云岩，为岩溶化中山。排泄区为强岩溶发育区，补给、径流区为中等岩溶发育区；碎屑岩分布区为侵蚀中山地貌。其补给径流区岩溶裂隙中等发育，且较均一，地表以溶沟、溶槽为主，地下以溶隙为主，地表径流差，补给条件中等。地下水赋存于呈网状交织的溶隙中，循环交替缓慢，泉水流量为4～43L/s。

青龙哨富水块段内(Ⅱ28)岩溶水主要接受西侧岩溶水的侧向补给和第四系松散层孔隙水的垂向补给，地下水总体上由东南向西北径流排泄，主要向青龙哨集中供水井和青龙哨龙潭径流排泄。

2 数值模型建立

2.1 水文地质概念模型

研究区模拟计算范围主要为青龙哨水文地质单元内碳酸盐岩含水层出露及埋藏区。模拟计算区域西侧和西南侧以地下水分水岭为界，北侧以禄脿-温泉-宗鲁箐断裂(F1)为界，东侧以拟建项目厂界外约2km为界，南侧以厂界外约1.3km为界。

根据确定的模拟区范围，模拟区西侧和西南侧、北侧、东侧概化为隔水边界，南侧概化为定流量边界。模拟计算区域内2号水井、下游集中供水井、龙潭是模拟范围内主要的地下水排泄点，概化为井边界。模拟区水文地质概念模型图见图1。

2.2 数学模型和软件选择

2.2.1 地下水流数学模型

假定评价区为非均质各向异性，则三维地下水流非稳定运动的数学模型可表示为：

式中：Ω为渗流区域；h为含水层的水位标高(m)；Kx、Ky、Kz分别为x、y、z方向的渗透系数(m/d)；μ为潜水含水层中潜水面上的重力给水度；ε为含水层的源汇项(1/d)；h0为含水层的初始水位分布(m)；Γ1为渗流区域的二类边界，包括承压含水层底部隔水边界和渗流区域的侧向流量或隔水边界；n为边界面的法向方向；Kn为边界面法向方向的渗透系数(m/d)；q(x,y,z,t)为定义为二类边界的单位面积流量(m/d)，流入为正、流出为负、隔水边界为0；Γ1为定流量边界。

2.2.2 污染物运移数学模型

溶质在地下水中的运移符合Fick定律，评价区的潜水污染数学模型由地下水水流模型和溶质运移模型通过运动方程耦合而成，即

式中：Dx、Dy、Dz为x、y、z方向的弥散系数；ux、uy、uz分别为x,y,z方向的流速分量；C为溶质浓度；I为溶质源汇项。方程右端前三项表示扩散效应引起的溶质运动，中间三项为水流引起的运动。

2.2.3 模拟软件选取

采用FeFlow(Finite Element Subsurface Flow System)软件模拟污染物在潜水含水层的迁移情况，为污染源的防渗措施提供相关依据。FeFlow软件是德国WASY水资源规划和系统研究所于20世纪70年代末开发的数值模拟软件，是迄今为止功能最为齐全的地下水模拟软件包之一，具有快速精确数值法、先进的图形可视化技术等特点。

2.2.4 模型参数取值

(1)渗透系数

引用项目周边区域钻孔的注水和抽水试验结果，灰岩层的渗透系数为0.15～2.6m/d。

(2)降雨量

年平均降雨量数据来自项目区气象站多年的常规气象观测资料统计结果，为898.7mm。

(3)弥散度

成建梅收集了大量国内外在不同试验尺度下和实验条件下分别运用解析方法和数值方法所得的纵向弥散度资料[2]。Zech等系统研究分析了最近50年全世界各地不同试验含水层和场地试验中弥散度和尺度、相关长度及非均质特征之间的关系并重新评估了弥散度与尺度关系，如图2所示[3]。从图中可以看出弥散度在千米尺度范围渐近于10m。因此，结合本次模拟范围，东西长约7.2km，南北长约6.6km，面积约43.86km2，对照图3所属的尺度范围，纵向弥散度取10m，横向弥散度取1m。

3 初始边界条件及模型识别与检验

3.1 区域离散

计算区域以项目所在地中心位置为坐标原点，正北方向为y轴正向，正东方向为x轴正向，垂直向上为z轴正向，垂向上考虑5大层，将模拟区域离散为个386574节点，643630个单元，区域剖分图见图3。

3.2 边界条件

边界条件：模拟区在自然条件下西侧和西南侧、北侧、东侧概化为隔水边界；南侧概化为定水头边界；公司2号水井、青龙哨集中供水井、青龙哨龙潭概化为井边界；顶部接受降水量的补给。

3.3 模型识别与检验

采用周边地下水1、2、3号监测井，1、2、3、4号水井，集中供水井，龙潭的水位作为初始水位，获得初始的地下水等水头线分布图(图4)。项目区地下水1号监测井、2号水井的水位作为模型识别和检验水位，水位观测值和计算值对比分析详见表1。

表1 地下水1号监测井、2号水井水位观测值和计算值对比分析情况表 (m)

从图4和表1可看出岩溶水流场总体拟合情况较好，总体模拟流场特征和实际观测流场接近，所建模型能整体反应区域的水文地质特征，可用于溶质或污染物迁移的预测评价。

4 地下水污染物模拟预测

4.1 模拟预测情景设置

研究项目装置区内设置有磷酸储槽，废水收集槽，根据对照分析，模拟预测情景设置为原料磷酸储槽防渗层发生破裂，持续向地下水中排放磷酸。磷酸中污染物氟化物的浓度相对较高，将氟化物作为预测因子，预测源强约为34400mg/L。

4.2 模拟条件概化

根据项目区污染源分布情况和污染物性质，考虑到磷酸储槽为地下槽，防渗层发生破裂后不易被发现，将污染源视为持续释放的点源，对污染物进行正向推算，分别预测计算1a、5a、10a、20a后污染物的最大迁移扩散距离和迁移扩散范围。

4.3 预测结果及评价

将污染源强排放数据导入软件，以《GB/T 14848-2017地下水质量标准》中氟化物III类标准1.0mg/L为包络线，预测磷酸储槽泄漏导致磷酸持续进入含水层中，运移1a、5a、10a、20a后，磷酸中的氟化物在地下水中的最大运移距离和扩散面积见图5～图8，表2。

表2 各预测时段氟化物运移情况

根据图5～图8及表2预测结果分析，当磷酸发生渗漏进入地下水中持续渗漏入含水层，运移1a、5a、10a、20a后，地下水环境受氟化物影响的最大距离分别约为79.2m、185.1m、296.6m、546.9m，最大扩散范围分别约为784.31m2、3137.25m2、13333.33m2、25098.04m2、62745.10m2。

项目距下游集中供水井约3.18km，根据预测结果，磷酸向地下水中持续渗漏20a，氟化物最大影响距离为546m，基本不会对下游集中供水井造成不利影响。

5 结论

本文以某化工企业化学肥料制造项目为例，采用FeFlow软件进行数值模拟的方法，预测项目磷酸储槽防渗层发生破裂，磷酸持续向地下水中渗漏的情景下，磷酸中氟化物在地下水中的运移规律和浓度分布情况。根据预测结果，以《GB/T 14848-2017地下水质量标准》中氟化物III类标准1.0mg/L为包络线，当磷酸储槽发生泄漏磷酸持续向地下水中渗漏20a后，氟化物最大超标距离为546.9m，基本不会对项目区下游3.18km处的集中供水井产生不利影响。

综上，采用FeFlow软件进行地下水数值模拟计算，可以客观的分析污染物在地下水中的运移规律及影响程度，也可以为项目地下水环境影响评价提供技术支持。