某电厂地下水环境影响预测与评价

15地下水环境影响预测与评价拟建项目为二级评价，按照《环境影响评价技术导则地下水环境》（HJ610-2011）要求，采用数值法对项目区地下水环境质量变化和影响范围进行预测，并给出污染物正常排放和事故排放工况下的预测结果。由于电厂区和灰场区的水文地质条件迥然不同，采用地下水数值法进行地下水环境影响预测与评价时，需要分别建立地下水系统的概念模型，并在此基础上建立地下水流动、水质数学模型进行现状和规划期地下水环境质量模拟和预测，进而达到评价目的。5.1计算范围根据区内地下水的赋存条件及运动特征，拟建项目对地下水的影响范围，本次模拟预测范围与调查评价范围相同，面积61.1km2，其中电厂区38.0km2，灰场区23.1km2。5.2地下水位预测与评价5.2.1水文地质概念模型5.2.1.1含水层结构概化电厂区地处还乡河、陡河（滦河早期）冲积倾斜平原，垂向上分为四个含水组，根据各含水组的水动力性质、岩性及开采利用条件，将第四系孔隙含水层系统划分为①潜水含水层（第Ⅰ+Ⅱ含水组）、②隔水层、③深层承压水含水层（第Ⅲ+Ⅳ含水组），本次模拟的目标层2是①层。潜水含水层与深层承压水含水层之间有10~40m粘土层阻隔，水力联系不密切，其概念模型如图5-1。由于含水层岩性分布不均，造成不同地段含水层的渗透性能也不同，含水层的非均质性用含水层参数分区概化处理，给出各区的参数均值作为数值计算的初值，经过模型调试和识别，最终将试验参数系统转化为模型参数系统。含水层为孔隙含水介质，其透水性随方向变化不明显，概化为各向同性含水层。图5-1电厂区水文地质概念模型示意图灰场区位于丘陵水文地质区，第四系松散岩类孔隙水基本不发育，地下水主要为奥陶系灰岩岩溶裂隙水。区内奥陶系灰岩上部风化裂隙发育程度较高，含水层透水性近似于孔隙含水介质，随方向变化不明显，概化为各向同性含水层。5.2.1.2边界条件概化电厂区内的含水岩组在水平方向上与区外含水层存在着密切水力联系，故将模型四周处理成通用水头边界。各断面流入、流出量，根据断面处含水层渗透系数、水力坡度和断面面积，由Darcy公式求出。3灰场区南部奥陶系与石炭-二叠系岩层之间的隔水层作为模型的隔水边界。西北部的陡河断裂切穿了开平向斜西北翼的中生代地层，断层两侧由于差异性升降运动形成明显的基岩陡坎和第四系梯度带，断层两侧第四系厚度差达80m以上，概化为通用水头边界。东部和西部均与区外含水层存在着密切的水力联系，也概化为通用水头边界。5.2.2地下水流数学模型根据水文地质概念模型，可将电厂区潜水含水层和灰场区岩溶裂隙含水层概化为两个非均质各向同性的三维非稳定地下水水流系统。其数学模型为：式中：Ω－渗流区域；h－含水层的水位标高（m）；K－渗透系数（m/d）；Kn－边界面法向方向的渗透系数（m/d）；S－自由面以下含水层储水系数；222000,,,0,,,0(,,,)thhhhSKKKxyzttxxyyzzhhhhhKKKKppxyzttxyzzhxyzth121,,,00,,,0(,,)nxyzthxyztnhKqxytn323(31),,,0()0,,,0rnxyzthhhKxyztn4μ－潜水含水层在潜水面上的重力给水度；ε－含水层的源汇项（1/d）；p－潜水面的蒸发和降水等（1/d）；h0－含水层的初始水位分布（m）；Γ0－渗流区域的上边界，即地下水的自由表面；Γ1－渗流区域的水位边界；Γ2－渗流区域的流量边界；ñ－边界面的法线方向；q(x,y,z,t)－定义为二类边界的单宽流量（m2/d.m），流入为正，流出为负，隔水边界为0。5.2.3地下水流数值模型的识别5.2.3.1单元剖分建立地下水流数学模型后，要对计算区进行离散化处理，将复杂的渗流问题转化为剖分单元内简单的规则的渗流问题。在两个计算区的平面上均采用矩形网格剖分，边长为50m×50m，电厂区共160行160列25600个矩形单元网格，灰场区总计90行140列12600个矩形单元网格，计算节点位于单元中心（计算区剖分网格见图5-2，图5-3）。5.2.3.2源汇项处理电厂区源汇项包括大气降水入渗量、灌溉入渗补给量、河流渗漏补给量、侧向径流补给量、地下水开采量、侧向径流流出量。灰场区源汇项包括大气降水入渗量、侧向径流补给量、地下水开5采量、矿坑疏干量、侧向径流流出量。图5-2电厂区网格剖分图比例尺1:40000图5-3灰场区网格剖分图比例尺1:40000（1）大气降水入渗补给量6电厂区的潜水含水层和灰场区的岩溶裂隙含水层均接受大气降水入渗补给。降水入渗补给条件的不均匀性用入渗分区概化处理。依据有关降水资料，并参考包气带岩性、潜水位埋深、地形、植被等因素，绘出降水入渗系数分区图，分别给出各区降水入渗系数平均值，加在模型对应的剖分网格单元上。根据各区面积、降水量、降水入渗系数来计算降水入渗补给量。当降水量较小时，难以补给地下水，所以当月降水量小于10mm时，不计入有效降水量，评价区2013年降水量统计见表5.2-1。表5.2-1评价区降水量统计表单位：mm月份123456789101112降水总量2013年0.52.23.47.08.0177.2138.2140.280.020.2576.9多年平均3.44.39.524.640.293.1190.6164.149.229.111.23.9623.2（2）灌溉入渗补给量灌溉入渗补给量包括渠系渗漏补给量和田间灌溉入渗补给量。计算时将这种补给综合在一起，用灌溉入渗系数分区概化处理。各区的灌溉入渗系数均值，根据灌区的土壤、包气带岩性及潜水位埋深分析给出初值，最终由模型识别确认。（3）地下水开采量计算区地下水开采主要是农业灌溉面状开采和农村居民生活用水分散开采，模拟计算时，依据开采井的密度和单井抽水量进行分区，分别给出各区开采强度，加在模型对应的剖分网格单元上。（4）矿坑疏干量7计算区内的矿坑疏干排水的现象仅存在与煤矿开采区，疏干水量占地下水总开采量的5%。5.2.3.3模拟期及初始条件设置根据所掌握的资料，本次模拟期选为2013年3月到2013年9月，其中以2013年3月到2013年4月作为模型识别期、2013年5月到2013年9月作为模型验证期，时间步长为月。初始水位以2013年3月水位为基础，对其余地区进行外推概化，然后按照内插法和外推法得到电厂区潜水含水层和灰场区岩溶裂隙含水层的初始流场，参见图5-4和5-5。图5-4电厂潜水初始流场图（2013年3月）比例尺1:40000图5-5灰场岩溶裂隙水初始流场图（2013年3月）比例尺1:4000085.2.3.4模拟识别与验证模型的识别与验证过程是整个模拟中极为重要的一步工作，通常要在反复修改参数和调整某些源汇项基础上才能达到较为理想的拟合结果。此模型的识别与检验过程采用的方法称为试估—校正法，属于反求参数的间接方法之一。为了确保模型求解的唯一性，在模型调试过程中充分利用各种定解条件，也就是用那些靠得住的实测资料，如边界断面流量、生产井开采量等来约束模型对原形的拟合。在模型调试过程中，还充分利用水文地质调查中获得的有关信息及计算者对水文地质条件的认识，来约束模型的调试和识别。本次模拟首先进行了稳定流计算，以便拟合潜水和岩溶裂隙水的初始流场（见图5-6和图5-7），这样做避免了直接建立非稳定流模型多参数识别的不便，通过建立相对于非稳定流模型输入输出简单的稳定流模型，运用了模型反求参的方法获得含水层渗透系数。另外，概化的含水层的结构也在建立稳定流模型时确定下来，直接运用于非稳9定流模型。这样非稳定流模型的参数识别过程就可以只确定给水度的大小，因此增加了此次模型的可信性。图5-62012年3月电厂潜水等水位线拟合图(稳定流拟合)比例尺1:10000图5-72012年3月灰场岩溶裂隙水等水位线拟合图(稳定流拟合)比例尺1:10000接着用稳定流拟合的潜水（2013年3月流场）作为非稳定流模拟的初始值（和实测的初始等水位线比起来，稳定流模拟计算得出的10流场能更明显地表现出工作区的水文地质条件），运行计算程序，通过拟合同时期的流场，识别水文地质参数、边界值和其它均衡项，使建立的模型更加符合模拟区的水文地质条件。模型的识别和验证主要遵循以下原则：①模拟的地下水流场要与实际地下水流场基本一致，即要求地下水模拟等值线与实测地下水位等值线形状相似；②从均衡的角度出发，模拟的地下水均衡变化与实际要基本相符；③识别的水文地质参数要符合实际水文地质条件。根据以上三个原则，对模拟区地下水系统进行了识别和验证。通过反复模拟、识别验证后的水文地质参数较好的刻划了地下水系统的水文地质特征，基本反映了地下水随时间和空间的变化规律，使水位拟合误差较小，达到预期效果。识别验证后的平面流场（图5-8至5-11）和优化调整后确定的电厂区含水层参数分区图5-12，分区参数值见表5.2-2。灰场区含水层渗透系数依据野外抽水试验成果，确定为71.8m/d。表5.2-2电厂区潜水含水层水文地质参数分区表分区号渗透系数(m/d)给水度142.50.20228.30.15321.40.12412.70.10图5-82013年5月电厂潜水等水位线拟合图(识别)11比例尺1:40000图5-92013年9月电厂潜水等水位线拟合图(验证)比例尺1:40000图5-102013年5月灰场岩溶裂隙水等水位线拟合图(识别)12比例尺1:40000图5-112013年9月灰场岩溶裂隙水等水位线拟合图(验证)比例尺1:4000013图5-12电厂潜水含水层参数分区图5.3地下水污染模拟预测根据拟建项目的工程特点及可能出现的污染事故，设计正常工况和事故工况两种情景进行预测评价。污染物在地下水系统中的迁移转化过程十分复杂，本次地下水污染模拟过程未考虑污染物在含水层中的吸附、挥发、生物化学反应，模型中各项参数予以保守性考虑。这样选择的理由是：①从保守性角度考虑，假设污染质在运移中不与含水层介质发生反应，可以被认为是保守型污染质，只按保守型污染质来计算，即只考虑运移过程中的对流、弥散作用。②有机污染物在地下水中的运移非常复杂，影响因素除对流、弥散作用以外，还存在物理、化学、微生物等作用，这些作用常常会使14污染浓度衰减。目前国际上对这些作用参数的准确获取还存在着困难。③在国际上有很多用保守型污染物作为模拟因子的环境质量评价的成功实例，保守型考虑符合工程设计的思想。5.3.1溶质运移数学模型地下水中溶质运移的数学模型可表示为：-ijisijiCCDvCWCtxxx),,,(),,,(0tzyxCtxyxC式中：b—介质密度（mg/dm3）；—介质孔隙度（无量纲）；C—组分的浓度（mg/L）；t—时间（d）；x，y，z—空间位置坐标（m）；Dij—水动力弥散系数张量（m2/d）；Vi—地下水渗流速度张量（m/d）；W—水流的源和汇（1/d）；sC—源汇项组分的浓度（mg/L）；C0—组分的初始浓度（mg/L）。联合求解水流方程和溶质运移方程即可获得污染物空间分布关系。污染运移模型的参数设定主要是以野外试验为参考，弥散度是15研究污染物在土壤及地下水中迁移转化规律的最重要参数之一，弥散系数D是反映渗流系统弥散特征的一个综合参数，忽略分子扩散时，它是介质弥散度仅和孔隙流速V的函数。根据近邻区域类似含水层的弥散试验结果，结合计算区含水层渗透系数和流场的水流速度，确定电厂区纵向弥散系数为2.16m2/d，横向弥散系数为0.216m2/d，纵向弥散度1.39m；灰场区纵向弥散系数为1.25m2/d，横向弥散系数为0.125m2/d，，纵向弥散度2.48m。5.3.2电厂区地下水环境影响预测评价5.3.2.1建设期电厂地下水环境影响预测评价项目建设期的