地下水?dāng)?shù)值模擬在某污染修復(fù)項(xiàng)目中的應(yīng)用

李梅

【摘 要】國(guó)外基本每個(gè)修復(fù)工程的方案設(shè)計(jì)階段都會(huì)用到數(shù)值模型，國(guó)內(nèi)環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域尚處于起步階段，數(shù)值模擬方法在環(huán)境修復(fù)項(xiàng)目中應(yīng)用較少。本文以上海某污染場(chǎng)地為例，利用GMS軟件中的Modflow和MT3DMS模塊進(jìn)行地下水流場(chǎng)和污染溶質(zhì)運(yùn)移模擬，預(yù)測(cè)地下水中污染物的遷移分布情況。同時(shí)，利用GMS中的HFB軟件包模擬了在場(chǎng)地東側(cè)設(shè)置不同滲透性能的垂直阻隔屏障后的隔離效果。結(jié)果表明，場(chǎng)地所在區(qū)域地下水流向由西向東，若不采取措施加以控制，污染物會(huì)很快影響場(chǎng)地東側(cè)的地表河流水質(zhì)，從而對(duì)河流周邊及下游居民區(qū)造成危害；在場(chǎng)地東側(cè)設(shè)置垂直阻隔屏障，如隔離屏障的滲透系數(shù)達(dá)到10-7cm/s，短期內(nèi)可起到阻隔效果，達(dá)到10-8cm/s及以上時(shí)，隔離屏障的長(zhǎng)期阻隔效果較好。實(shí)際施工時(shí)因水泥土攪拌樁銜接處較難以做到完全無縫對(duì)接，為保障隔離效果，建議在場(chǎng)地東側(cè)靠近河流處設(shè)置雙排水泥土攪拌樁隔離墻，隔離墻底部進(jìn)入第⑥層暗綠色粉質(zhì)粘土層1～2m。上述模擬結(jié)果對(duì)該場(chǎng)地隔離修復(fù)方案設(shè)計(jì)和比選提供了重要依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】地下水?dāng)?shù)值模擬；污染遷移；環(huán)境修復(fù)；阻隔屏障

Application of Numerical Simulation of Groundwater in a Pollutant Remediation Project

LI Mei

（1.Shanghai Geotechnical Investigations& Design Institute Co.， Ltd， No.385， Yongjia Rd.， Xuhui District， Shanghai 200031，China；

2.Environmental geotechnical engineering technology research center of Shanghai， No.681， Xiaomuqiao Rd.， Xuhui District，Shanghai 200032，China）

【Abstract】Numerical simulation of groundwater is so helpful that it was normally used in almost every pollutant remediation plan design abroad. However， domestic environmental remediation is still in its infancy， application of numerical simulation method is less. In this paper， a contaminated site in Shanghai was taken as an example to introduce the numerical simulation of groundwater flow and solute transport. Migration tendency of pollutants in groundwater was predicted， using the Modflow and MT3DMS module of GMS software. Moreover， a vertical barrier was set on east side of this site to block the pollutants migration in the HFB module. Its blocking effect under different values of permeability was also simulated. The results show that groundwater of this area flows from west to east. Pollutants in groundwater will be soon transported into river on the east side of this site， that will cause harm to water quality of river and also to the residents who live around and downstream. If permeability coefficient of the vertical blocking barrier reaches 10-7 cm/s， pollutants in groundwater will be obstructed in the short term while they could be blocked in the long term when the permeability reaches 10-8 cm/s or more. As the variable construction quality， double rows of cement-soil mixing wall were suggested to set nearby the river in order to ensure blocking effect. Bottom of the walls was suggested to insert 1 or 2 meters into the dark green clay layer （⑥ layer）. The above simulation results provide an important basis for pollutant remediation plan design of this contaminated site.

【Key words】Numerical simulation of groundwater； pollutants transportation； environmental remediation；Blocking barrier

地下水因其流動(dòng)性，其污染問題相較土壤污染更加復(fù)雜，危害也更大，因此，地下水環(huán)境污染問題成為環(huán)保領(lǐng)域最為頭痛的難題。國(guó)外基本每個(gè)地下水污染修復(fù)工程的方案設(shè)計(jì)階段都會(huì)用到數(shù)值模型[1-2]，一方面可以更清楚地展示修復(fù)區(qū)的地質(zhì)和流場(chǎng)特征，分析污染來源及遷移方向問題，另一方面也可以用來衡量哪種修復(fù)方案更為經(jīng)濟(jì)有效，比選提出推薦方案，甚至于模擬分析結(jié)果可以用于法律訴訟的重要依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域尚處于起步階段，數(shù)值模擬方法通常主要應(yīng)用在地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)和地下水資源優(yōu)化管理中，而在環(huán)境修復(fù)項(xiàng)目中應(yīng)用較少[3]。

本文選取上海市某污染場(chǎng)地作為研究區(qū)，在分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立了研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型及地下水流數(shù)值模型，并在模型識(shí)別及驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了該研究區(qū)的污染溶質(zhì)遷移模型，模擬分析了該場(chǎng)地地下水中污染物的遷移分布趨勢(shì)。因該場(chǎng)地?cái)M采取封閉隔離工程控制措施（包括垂直阻隔屏障和水平覆蓋阻隔系統(tǒng)），利用上述數(shù)值模型也研究了垂直隔離屏障對(duì)場(chǎng)內(nèi)污染物遷移的阻隔效果，從而為研究區(qū)地下水污染修復(fù)方案設(shè)計(jì)提供重要的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

模擬場(chǎng)地位于上海市嘉定區(qū)，屬濱海平原相，地勢(shì)平坦，區(qū)內(nèi)含水層主要接受大氣降水補(bǔ)給，多年平均降水量約1100mm。場(chǎng)地淺部地基土屬第四紀(jì)晚更新世Q3至全新世Q4沉積物，由淺至深分布有第①層填土、第②層粘土、第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，③夾層黏質(zhì)粉土、第④淤泥質(zhì)黏土、第⑤層黏土、第⑥層暗綠色粉質(zhì)黏土（見圖1）。其中第③夾層黏質(zhì)粉土層厚度范圍為0.3m～2.7m，由西向東逐漸增厚，水平向滲透性較好。

本場(chǎng)地東側(cè)瀕臨地表河流，河道寬約36～45m，調(diào)查期間水面標(biāo)高約為2.5～2.7m，河流自南向北流動(dòng)。場(chǎng)地內(nèi)潛水含水層與承壓含水層之間存在相對(duì)隔水層，聯(lián)系不密切，故本項(xiàng)目主要關(guān)注的含水層為潛水含水層。含水層中地下水流動(dòng)以水平方向?yàn)橹鳎瓜蜻\(yùn)動(dòng)微弱。潛水含水層補(bǔ)給來源主要有大氣降水入滲及地表水徑流側(cè)向補(bǔ)給，其排泄方式以蒸發(fā)消耗為主。本次調(diào)查期間測(cè)得鉆孔中地下水穩(wěn)定水位埋深約0.5m～1.3m，相應(yīng)標(biāo)高為3.6m～4.4m，地下水總體上由西側(cè)地勢(shì)相對(duì)較高處向東側(cè)地表河流方向流動(dòng)。

由于受長(zhǎng)期工業(yè)生產(chǎn)影響，場(chǎng)地內(nèi)土壤和地下水受到不同程度的揮發(fā)性、半揮發(fā)性有機(jī)污染物污染，污染范圍和污染深度均較大。

2 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件，將研究區(qū)內(nèi)地下水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)、各向異性、三維穩(wěn)定地下水流模型，垂向上逐層精細(xì)刻畫、賦值。位于評(píng)價(jià)區(qū)西側(cè)平行于區(qū)域地下水位等值線的邊界設(shè)為定水頭邊界，場(chǎng)地東側(cè)的地表河流設(shè)為河流邊界，底部為隔水邊界。模型上部接受降雨補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄，概化為有效凈補(bǔ)給，補(bǔ)給量取年均降雨量的5%～15%。場(chǎng)地水文地質(zhì)概念模型見圖2a。

根據(jù)本項(xiàng)目的阻隔方案，場(chǎng)地周圍設(shè)置垂直阻隔屏障，為了達(dá)到阻止地下水遷移的目的，垂直阻隔墻的滲透性必須非常低；垂直阻隔屏障深度至第⑥層粉質(zhì)黏土層頂部，底層利用滲透性比較低的黏土作為底部阻隔防滲層。頂部設(shè)置黏土和HDPE土工膜水平覆蓋的區(qū)域，降雨補(bǔ)給設(shè)為零?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)方案的概化模型見圖2b。

3 地下水水流數(shù)值模型構(gòu)建

3.1 數(shù)學(xué)模型

模擬區(qū)地下水流系統(tǒng)可用下列數(shù)學(xué)模型表述：

Ω—地下水滲流區(qū)域；

H—地下水位標(biāo)高（m）；

K—滲透系數(shù)（m/d）；

t—時(shí)間（d）；

h0—初始水位標(biāo)高（m）；

h1—第一類（定水頭）邊界水位標(biāo)高（m）；

Г—一類邊界；

Г1—二類邊界；

n—邊界的外法線方向；

T—潛水含水層的導(dǎo)水系數(shù)（m2/d）；

q—第二類（定流量）邊界流量（m3/d）；

W—源匯項(xiàng)，單位時(shí)間在垂向上單位面積含水層中補(bǔ)給（排泄）的水量（m/d）。

上述數(shù)學(xué)模型包括偏微分方程、初始條件、一類邊界條件和二類邊界條件，共同組成定解問題，可應(yīng)用三維有限差分法，將該數(shù)學(xué)模型離散為有限差分方程組。這里采用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件GMS中的MODFLOW模塊對(duì)本項(xiàng)目評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)的地下水流模型進(jìn)行模擬。

3.2 三維地層模型精確刻畫

Modflow模塊中可利用網(wǎng)格法和實(shí)體法刻畫三維地質(zhì)模型，但是網(wǎng)格法只適用于較為簡(jiǎn)單的地質(zhì)模型，對(duì)于復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)就顯得力不從心。因此，本項(xiàng)目充分發(fā)揮場(chǎng)地中百余個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，采用實(shí)體法較為精確地刻畫了場(chǎng)地的三維地質(zhì)模型，見下圖3和圖4。

3.3 參數(shù)取值及模型識(shí)別

調(diào)查期間，現(xiàn)場(chǎng)采集土壤樣品送土工實(shí)驗(yàn)室開展了室內(nèi)滲透試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)結(jié)合上海地區(qū)各土層參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，確定了該場(chǎng)地各土層的滲透系數(shù)。根據(jù)水文地質(zhì)模型所建立的數(shù)值模型，必須反映實(shí)際流場(chǎng)的特點(diǎn)。因此，在進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)前，先對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行校正（識(shí)別），即校正其參數(shù)以及邊界條件等是否能確切地反映計(jì)算區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)條件。將評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)地下水位作為模型識(shí)別的主要標(biāo)志，結(jié)合場(chǎng)地水文地質(zhì)條件，通過計(jì)算水位和實(shí)測(cè)水位擬合分析，反復(fù)調(diào)整參數(shù)，最終得到了含水層參數(shù)（見下表1）。模型計(jì)算和實(shí)測(cè)地下水位等值線對(duì)比情況如圖5與圖6所示，模型識(shí)別取得了較為理想的效果，說明建立的模型是可靠的。

在場(chǎng)地周圍設(shè)置垂直阻隔屏障、頂部覆蓋HDPE土工膜后，場(chǎng)地內(nèi)部降雨補(bǔ)給設(shè)為零，場(chǎng)地及周邊地下水流場(chǎng)形態(tài)發(fā)生顯著改變（見圖7）。設(shè)置阻隔屏障之后，場(chǎng)地西側(cè)隔離墻外地下水位高出墻內(nèi)約1.2m。

4 溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模型構(gòu)建

4.1 溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

（1）控制方程

在模擬污染物擴(kuò)散時(shí)，不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)等因素，重點(diǎn)考慮對(duì)流、彌散作用。溶質(zhì)運(yùn)移的三維對(duì)流-彌散方程的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：

C—地下水中組分的溶解相濃度，mg/m3；

θ—含水介質(zhì)的孔隙度，無量綱；

t—時(shí)間，d；

xi—沿直角坐標(biāo)系軸向的距離，m；

Dij—水動(dòng)力彌散系數(shù)張量，m2/d；

Vi—孔隙水平均實(shí)際流速，m/d；

qs—含水層內(nèi)源/匯的體積流量，1/d；

Cs—源或匯水流中組分的濃度，mg/m3；

（2）初始條件

初始濃度定為0mg/L，具體表述為：

C（x，y，0）=0

（3）邊界條件

本次模擬將含水層各個(gè)邊界均看做二類邊界條件（Neumann邊界），且穿越邊界的彌散通量為0，具體可表述為：

-Dij=0（在Г2，t>0）

式中：Г2為Neumann邊界。

4.2 彌散參數(shù)

含水層彌散度具有明顯的空間尺度效應(yīng)[4-6]，通常介質(zhì)中的彌散度隨著溶質(zhì)運(yùn)移距離的增加而加大，因此僅僅通過室內(nèi)彌散試驗(yàn)難以獲得真實(shí)的彌散度數(shù)據(jù)。為更加真實(shí)的分析研究場(chǎng)地彌散參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)開展了針對(duì)第③和③夾層的野外彌散試驗(yàn)，共布置了三口間距為2m的試驗(yàn)井，井深10m，井徑200mm，濾管段為3.1～8.6m。依據(jù)試驗(yàn)成果，配線所得Peclet數(shù)為8（圖8），縱向彌散度αL=0.5m。本次模擬根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)彌散試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合前人的研究成果，設(shè)置第③和③夾層的彌散度為0.5m，第①層填土的縱向彌散度為2m，第②、④、⑤、⑥層黏土層縱向彌散度均設(shè)為0.1m，水平橫向彌散度與縱向彌散度的比值設(shè)為0.1，垂向橫向彌散度與縱向彌散度比值設(shè)為0.01。5 污染溶質(zhì)遷移模擬分析

5.1 未設(shè)隔離屏障的污染遷移模擬分析

在地下水流模型的基礎(chǔ)上，建立了研究區(qū)地下水流和污染物遷移耦合數(shù)值模型，利用該模型預(yù)測(cè)分析了場(chǎng)地內(nèi)由于污染物泄漏對(duì)周邊地下水環(huán)境可能造成的影響。

根據(jù)場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查結(jié)果，本場(chǎng)地中部分布有較大范圍的DNAPL類有機(jī)污染物，密度比水大，泄漏后易向下遷移，最后聚集在水平和垂向滲透性均較差的第④淤泥質(zhì)黏土層頂。通過溶質(zhì)遷移模擬分析可知，場(chǎng)地內(nèi)地下水中污染物隨水流向場(chǎng)地東側(cè)遷移，且遷移1年后即會(huì)影響至東側(cè)的地表河流，淺部地下水中污染物在遷移過程中因降雨淋濾和生物降解作用，污染物濃度逐漸降低（見圖9），深層污染物遷移范圍很小，濃度始終保持較高水平。第①層填土和第③夾層黏質(zhì)粉土層由于滲透性相對(duì)較好，污染物水平擴(kuò)散范圍較大（見圖10）。通過污染溶質(zhì)遷移模擬分析可知，本場(chǎng)地內(nèi)污染物濃度較高，范圍較大，若不采取隔離措施加以控制，污染物會(huì)很快影響場(chǎng)地東側(cè)的地表河流水質(zhì)，繼而對(duì)河流下游居民造成嚴(yán)重的污染。

5.2 垂直隔離屏障對(duì)場(chǎng)地污染遷移的阻隔效果分析

為分析垂直阻隔屏障的阻隔效果，在Modflow模型中利用HFB模塊在場(chǎng)地東側(cè)靠近河流處設(shè)置隔離屏障，隔離屏障的滲透系數(shù)分別取K=1.0e-006 cm/s、K=1.0e-007cm/s、K=1.0e-008cm/s和K=1.0e-009cm/s。通過模擬分析可知，當(dāng)K=1.0e-006cm/s時(shí)，距離隔離墻25m遠(yuǎn)的污染源遷移400天后即可穿透隔離墻（圖11）；K=1.0e-007cm/s，距離隔離墻25m遠(yuǎn)的污染源遷移2300天后開始穿透隔離墻（圖12）；K=1.0e-008cm/s，污染物不再穿透隔離墻，而是在遷移約2000天后繞流到隔離墻后（圖13）；K=1.0e-009cm/s，污染物的遷移規(guī)律與K=1.0e-008cm/s時(shí)基本類似（圖14）?？梢?，隔離屏障的滲透系數(shù)達(dá)到1.0e-007cm/s，短期內(nèi)可起到阻隔效果，達(dá)到1.0e-008 cm/s及以上時(shí)，隔離屏障的長(zhǎng)期阻隔效果較好。

6 結(jié)論

1）利用GMS軟件中的Modflow和MT3DMS模塊進(jìn)行地下水流場(chǎng)和污染溶質(zhì)運(yùn)移模擬，預(yù)測(cè)分析地下水中污染物的遷移分布情況。結(jié)果表明，場(chǎng)地所在區(qū)域地下水流向由西向東，若不采取措施加以控制，污染物會(huì)很快影響場(chǎng)地東側(cè)的地表河流水質(zhì)，從而對(duì)河流周邊及下游居民區(qū)造成危害，必須采取隔離措施控制污染進(jìn)一步擴(kuò)散。

2）該場(chǎng)地?cái)M采取封閉隔離工程控制措施（包括垂直阻隔屏障和水平覆蓋阻隔系統(tǒng)），利用GMS中的HFB軟件包模擬了在場(chǎng)地東側(cè)設(shè)置不同滲透性能的垂直阻隔屏障后的阻隔效果。發(fā)現(xiàn)隔離屏障的滲透系數(shù)達(dá)到1.0e-007cm/s，短期內(nèi)可起到阻隔效果，達(dá)到1.0e-008 cm/s及以上時(shí)，隔離屏障的長(zhǎng)期阻隔效果較好。

3）根據(jù)已有研究，常規(guī)水泥土攪拌樁隔離墻的滲透系數(shù)可以達(dá)到10-7～10-8cm/s（水泥摻量15%），但實(shí)際施工過程中由于水泥土攪拌樁銜接處較難以做到完全無縫對(duì)接，為保障隔離效果，建議在場(chǎng)地東側(cè)靠近河流處設(shè)置雙排水泥土攪拌樁隔離墻，隔離墻底部進(jìn)入第⑥層暗綠色粉質(zhì)粘土層1～2m。上述模擬結(jié)果對(duì)該場(chǎng)地隔離修復(fù)方案設(shè)計(jì)和比選提供了重要依據(jù)。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]