浅议地下水模型在环评中的应用

[摘要] 该文首先介绍了适用于地下水环境影响评价的数学模型，然后探讨了其在地下水环境影响评价中的应用，并重点分析了其应用的主要思路，同时指出了在应用时需要加以注意的几个问题。

[关键词] 地下水 环境影响评价 模型 环境

随着经济社会的快速发展和城市化进程的不断加快，对地下水的需求也越来越高，由此造成的地下水环境污染问题也日趋严重。地下水污染严重损害了地下水资源的使用价值，除了给人类带来了种种不良后果，有损人体健康外，还损害了工业产品的质量；使农作物减产和土地盐化；减少了地下水可采资源的数量，致使整个水源地废弃。

要改变地下水的环境状况，首先要从环境影响评价工作做起。我国的环境影响评价工作最早开始于20世纪70年代，至今已有约40年的历史，在环境保护方面取得了突出的成就，不过依然存在很多不足。主要体现在企业进行环评工作时的动机不足，缺乏专业的环评机构和人员以及环境影响评价的方法不当等。就环评方法而言，地下水方面环评的方法就很匮乏。

目前，在建设项目的环境影响评价中，地下水的环评还比较薄弱。许多企业或者污水处理厂的废水、污水一般是经过处理达标后排入地表水体，而不是直接排入地下水中，加上水文地质条件的复杂性，以致于在现在的环评工程师的培训时，还很少有包括地下水环评的相关内容，而且在环境保护行业的标准也不够全面。在环境保护行业标准的“环境影响评价的技术导则”中，也没有包括地下水环境。而不少项目恰恰由于没有进行地下水环评或者环评出现重大失误，可能引起严重的环境污染问题，而造成重大的经济损失。

为贯彻执行《中华人民共和国环境保护法 (试行)》、《中华人民共和国矿产资源法》、《中华人民共和国水污染防治法》及《建设项目环境保护管理办法》规定的环境影响报告书制度，我国仅在地质矿产行业标准中制定了《建设项目地下水环境影响评价规范》(DZ0225—2004)。而其它行业均未做规定，虽然也可参照执行，不过难免存在一些问题。

在开展地下水环评的过程中，首先要根据水文地质条件、污水排放量、水质复杂程度、地下水质量要求类别以及环境敏感区等确定地下水的评价等级，接着需要对地下水的环境质量现状进行调查，对地下水的影响进行识别，然后还需要对地下水的环境影响进行预测、评价，最后提出地下水环境保护措施和不良影响的防治对策。其中在地下水的环境影响预测中主要是通过数学模型来求得，下面简要探讨地下水模型在地下水环境影响预测中的应用。

1 地下水模型

地下水预测分析应用于环境学科研究的模型现在已经比较成熟，也是一种比较常用的方法。国际上常用的地下水数值模拟软件有基于有限单元法的FE—FLOW (Finite Element subsurface FLOW system)、Visual MODFLOW；基于有限差分的GMS(Groundwater Modeling System)、PMWIN (Procee- ding MODFLOW for Window)等。这类软件具有较强的功能、与外部GIS数据的接口具有比较好的可视化效果，在地下水的环境评价和管理工作中起着重要的作用。在国内，地下水模型与GIS的集成开发处于起步阶段，主要体现在利用GIS软件进行图层信息的分层管理、自动绘制等值线图、控制点的添加、空间查询等方面，为地下水资源的合理开发和利用提供了科学依据。

Visual MODFLOW在地下水的流动分析和预测方面应用比较广泛，而对于环境影响预测和评价方面应用的比较少。MODFLOW程序设计的独特之处，是利用了地下水模型与GIS的集成，利用各类GIS工具对地下水模型输入数据进行处理。在地下水的环境影响预测中主要是对通过地下水的数据进行综合处理后得出相应结论，因此MODFLOW是比较适合应用于地下水模型预测的。

1.1地下水模型建设的思路

地下水模拟系统所涉及的模拟要素主要包括含水层、大气降雨滞后入渗、潜水蒸发排泄、河流和水库及各种井孔、泉等。而河流及井孔等地下水主要受降雨、蒸发、灌溉、河流补给、开采量和横向补排的影响，因此模型的一切分析都要围绕上述因素来进行。各因素的关系通过地下水概念模型表示，如图1所示。

在建设地下水模型的时候，首先应根据面向对象的分析方法，将地下水系统作为一个整体，称为地下水对象。地下水对象又是一个聚合对象，或称容器对象，它包含了多种成分对象，整个地下水对象可细分为点对象、网格单元对象、含水层对象、透水层对象、算法对象等。用户再对这些对象进行描述和建模，这就是地下水模型建设的基本思路。

1.2 地下水模型的计算方法

在地下水模型中又可分为二维模型和三维模型，其中二维模型通常采用二元结构二维非稳定流数值模型，上部潜水基本方程如下：

而在三维模型中有限差分地下水流模型是整个系统的核心。为了模拟三维地下水的状况，整个地下水流模拟系统中都应用到了有限差分模型和相关的计算程序。含水层中的地下水流，通过区块中心有限差分法来模拟。水流的模拟要与外部的条件相联系，如井、区间补给、蒸发、排水等因素都要考虑。地下水三维运动数学模型通过下列偏微分方程来描述：

式中:Kxx、Kyy和Kzz是沿着X、Y、Z轴方向白水力传导系数（m/s），h是势能水头（m），W是单位体积的过水流量（l/s），Ss是单位释水系数或单位储水量（l/m），t是时间（s）。

2 地下水模型在地下水环境影响评价中的应用

2.1 地下水环境影响评价的主要任务

环境是人类的栖息地，各项环境要素如空气、水、土地、生物等都是人类生存的必要条件；环境具有净化污染物和自我调节的能力，是人类社会生存发展的依托。地下水属于环境的一部分，因此也是建设项目环境影响评价的有机组成部分。

地下水环评着重对影响地下水质量变异的各种环境因素(工业布局、污染源的分布与变化)和地质因素(地质地貌、地下水埋藏条件、水化学特征及实际污染程度)分别作系统的分析。环境因素主要包括地下水污染源类型及其分布情况；地质因素主要包括含水层的岩性、分布范围、埋藏条件、渗透性、导水性与富水性；隔水层的岩性、结构、厚度、埋藏条件、连续性；地下水类型、补给、径流、排泄条件；饱气带岩性、结构、厚度、渗透性与隔污性能；地下水水位、水量、水质、水温动态特征；水文地球化学资料等。

地下水环境影响评价的主要任务是预测和评价建设项目实施过程各阶段对地下水环境可能造成的直接影响和间接危害，并针对这种影响和危害提出防治对策，控制地下水环境恶化，保护地下水环境，为建设项目选址决策、工程设计和环境管理提供科学依据。

2.2 地下水环境影响评价的主要技术方法

通常地下水环境影响预测与评价的方法有数学模型法、物理模型法、类比调查法和专业判断法。其中物理模型法在地下水环境影响预测中，主要是指以物理装置为手段进行的单元物理模式和整体物理模拟。一般只在解决个别特定问题或无法利用数学模型法预测，而又有现成物理模型可利用的情况下采用，实用性较低。类比调查法只能做半定量或定性预测。对评价等级较低或由于评价工作时间短等原因，无法取得足够的参数、数据时，才选用类比调查法。但是在预测时，类比调查的对象与拟建预测对象之间，必须满足：二者环境水文地质条件、水动力场条件和水质状况类似；二者工程特征及对地下水环境的影响具有相同或相似性。因此实用范围局限性比较大。专业判断法只能做定性预测。只是针对某些评价等级较低或某些难以定量表示的环境因子（如地质环境的破坏、水质中的感官性状），目前尚无实用的定量预测方法，且没有条件进行类比调查时，可采用专业判断法。该方法是根据专家经验定性推断建设项目对地下水环境的影响，因此准确系数较低。

而数学模型法可给出定量的预测结果，不过需具备一定的计算条件和必要的参数、数据。一般此方法可借助地下水动力学中较成熟的地下水水量、水位、水质数学模式，应首先考虑选用。

2.3 地下水环境影响评价中的数学模型

在建设项目的不同阶段（主要分为建设过程、生产运行过程和服务期满后等阶段）应根据各自的具体情况，分别进行预测。

当定解条件简单、确定而且已取得足够的水文地质资料和弥散参数资料时，可采用解析解模型或数值解模型求解水动力弥散方程进行水质预测；当含水层的边界条件、结构和水文地球化学条件比较复杂，难以确定汇源项和求得弥散参数时，可采用径流函数法、水动力渗流网法等近似的水质模型加修正的方法进行预测；当影响水质的随机因素较多而又有较长时间的实测数据系列时，可采用回归分析、趋势外推、时序分析等随机模型进行水质预测。

3 地下水模型应用于环境影响预测的主要思路

地下水模型应用于环境影响预测的思路主要分为四个阶段进行。具体技术路线如图2所示。

第一阶段是明确地下水环境影响预测的范围，在预测范围内应布设适当数量的预测点，通过预测这些点所受的环境影响来全面反映建设项目对地下水环境的影响。接着选择预测时期，一般均应预测生产运行阶段对地下水环境的影响。对有废污水外排的建设项目，必要时应按污染物正常排放和事故排放两种情况进行预测。然后根据建设项目各时期拟预测的地下水水质参数，对地下水污染渗流场条件进行概化和污染源简化，构建地下水预测模型。

第二阶段是确定含水层的参数值及选择水量(水位)的预测模型。地下水水量(水位)预测所需用的含水层入渗系数、渗透系数、导水系数、释水系数、给水度等参数值，应从评价区以往水文地质勘查成果资料中选定，或根据相邻地区和类比区最新勘查成果资料确定。如果评价区内缺少可直接利用的参数值，可以选择有代表性的机、民井，开展抽水、渗水等试验，求取所需渗数值。对定解条件简单、确定而且已取得足够的水文地质资料时，可采用水均衡法、解析解模型和数值解模型。而对于含水层结构、边界条件比较复杂，又有较长时间的监测数据时，可采用数理统计模型。

第三阶段是利用地下水模型进行地下水环境影响预测。主要是根据水资源计算（包括地下水补给量、允许开采量、储存量等）和预测结果，按照激化开采、均衡开采、节制开采的原则和“三水”转化的观点，评价地下水的合理开发利用及可能出现水资源衰减、地面塌陷、地面沉降等环境水文地质问题的性质及其影响范围、程度、特征等。在具体评价因地下水位变化可能导致的环境水文地质问题时，可采用预测水位与初始水位比较的方法进行评价。最后根据地下水环评的总体要求和模型的具体目标，进行多方案模拟。

第四阶段对于建设项目对地下水环境影响评价的最终结果，应得出建设项目在不同实施阶段，能否满足预定的地下水环境质量要求的结论；正确说明建设项目对地下水环境的正、负影响的性质、特征、范围、程度以及对完善环保措施的对策与建议。

4 存在的主要问题及建议

地下水模型在环评中的应用有一定的基础和前提，因此具有一定的局限性。目前在环评的应用中主要存在以下问题：地下水数学模型需要得出定量的结果，因此模型所用水文地质资料的精确度要高，应当尽可能反映实际，否则模拟结果的可靠度会降低；浅层地下水与深层地下水之间存在着越流补给，在进一步分析中应当加以考虑；模型的率定资料应当采用长系列，并且要有多年的资料进行校验，以便形成最佳的参数组合；对于地下水水量、水位的关系研究，也是一个十分重要的问题，因为地下水的污染不仅表现在水质方面，如果水量较大的话，后果也是非常严重的；地下水与地表水是一个系统，水资源在其间相互转换，不应该将其割裂开来单独考虑，应该把地下水和地表水看成是一个有机的整体，充分结合区域、流域水资源情况，并且从水资源循环系统来考虑。

5 结语

综上所述，尽管地下水数学模型还存在一些不完善的地方，但是将数学模型应用于地下水环评是可行也是有效的，而且目前也在逐渐完善中。地下水数学模型可以有效地对地下水的环境影响进行分析预测，同时也是环评中间接影响评价的有效手段。数学模型应用于地下水环评中可以显著地改进地下水环评的定量分析能力，极大地提高地下水环评中多方案比选时的排序能力，有利于得出地下水环境保护的最优方案，为促进资源环境和经济的综合决策作出有力保障。

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