中試尺度下可滲透反應(yīng)墻位置優(yōu)化模擬
——以鉻污染地下水場地為例

呂永高，蔡五田，楊 驪，邊 超，李敬杰

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

可滲透反應(yīng)墻(permeable reactive barrier，PRB)是指在地下水流動路徑上設(shè)置反應(yīng)材料的墻體，當(dāng)污染物流經(jīng)反應(yīng)墻體時(shí)，與墻體內(nèi)材料發(fā)生吸附、氧化還原、降解等一系列物理、化學(xué)及生物作用，污染組分被轉(zhuǎn)化為無毒組分，或者滯留在墻體中，達(dá)到地下水修復(fù)的目的[1]。在PRB設(shè)計(jì)階段，合理確定墻體尺寸、位置與填充材料是該項(xiàng)技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵問題之一。利用地下水?dāng)?shù)值模擬能夠快速、靈活、準(zhǔn)確地模擬墻體內(nèi)外水流運(yùn)動和溶質(zhì)運(yùn)移反應(yīng)問題，為工程實(shí)施提供設(shè)計(jì)依據(jù)[2]。國外地下水PRB修復(fù)技術(shù)已發(fā)展成為一種成熟技術(shù)，有大量結(jié)合數(shù)值模擬指導(dǎo)墻體設(shè)計(jì)的案例，并取得良好效果。Starr 等[3]基于FLONET程序在某場地設(shè)計(jì)了堰壩式PRB尺寸并評價(jià)了反應(yīng)材料滲透變化對墻體的影響。Shikaze等[4]利用FRAC3DVS程序模擬了不同情景下懸掛堰壩式PRB周邊地下水流場的變化，用于指導(dǎo)PRB設(shè)計(jì)施工。Gavaskar等[5]基于MODFLOW和FLOWPATH程序歸納了均質(zhì)含水層中連續(xù)式PRB和非均質(zhì)各向同性含水層中堰壩式PRB捕獲區(qū)的分布特征。Xu等[6]利用改進(jìn)的MODFLOW和MT3DMS程序模擬反應(yīng)材料滲透系數(shù)變化對墻體運(yùn)行的影響。Zingelmann等[7]基于FEFLOW和PHREEQC程序合理設(shè)計(jì)了PRB的安裝位置和尺寸，評估其有效性，以減小礦山開采的影響。但實(shí)際運(yùn)用中，污染場地水文地質(zhì)條件不同，目標(biāo)污染物種類不同，PRB墻體選用的類型、尺寸、安裝位置和填充材料均有所不同[8]。其中，若墻體位置、填充材料滲透系數(shù)設(shè)計(jì)不合理，可導(dǎo)致PRB修復(fù)效果不佳，甚至引起墻體失效。因此，在不同水文地質(zhì)條件的污染場地實(shí)施PRB修復(fù)技術(shù)，有必要開展墻體位置優(yōu)化模擬。此外，以往研究中多以全尺度PRB墻體為研究對象，選取捕獲區(qū)寬度和滯留時(shí)間作為確定墻體位置的參考指標(biāo)，但是中式尺度下PRB墻體不能完全截獲污染羽，如何選取有效指標(biāo)衡量不同布設(shè)方案的差異性，進(jìn)而使墻體達(dá)到最佳修復(fù)效果的研究較少。

本文以Cr6+污染地下水場地為例，基于場地水文地質(zhì)概念模型，以及室內(nèi)試驗(yàn)確定的PRB墻體尺寸和填充材料配比，采用地下水流數(shù)值模擬手段，將PRB設(shè)置在不同地下水水流和污染濃度環(huán)境中，對比分析4種情景設(shè)置下PRB在捕獲區(qū)寬度、滯留時(shí)間和Cr6+通量的處理能力，優(yōu)選出PRB墻體的放置位置，為中式尺度下PRB工程實(shí)施提供技術(shù)依據(jù)。

1 場地水文地質(zhì)概念模型

場地位于河南省北部某市郊區(qū)，原為一鄉(xiāng)辦鉻鹽廠，20世紀(jì)80 年代末期開始生產(chǎn)，90 年代初期關(guān)停，停產(chǎn)時(shí)鉻渣堆殘量約2×104t，鉻渣堆位于生產(chǎn)車間北部約100 m，占地約6 000 m2(圖1)。由于鉻渣堆長期露天堆放且無防滲處理，已經(jīng)對周邊土壤及地下水造成了嚴(yán)重污染。

圖1 鉻渣堆周邊土地利用類型Fig.1 Land use around the chromium-slag dumping site

依據(jù)場地詳細(xì)調(diào)查建立的污染水文地質(zhì)概念模型見圖2。圖2表明，研究區(qū)埋深50 m以淺存在兩個(gè)含水層，地下水水位埋深2～3 m。鉻渣堆在降水淋濾作用下，Cr6+垂向遷移至第一含水層，在地下水對流彌散作用下遷移擴(kuò)散引起下游地下水污染。由于區(qū)內(nèi)農(nóng)灌井為混合開采，Cr6+遷移至混合井處發(fā)生串層遷移，造成第二含水層污染。此外，研究區(qū)主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，自北向南徑流，排泄于側(cè)向徑流和少量的農(nóng)業(yè)開采，地下水流場基本處于天然狀態(tài)。

考慮到沿地下水流向，含水層厚度逐漸增大，PRB墻體施工難度大，擬在鉻渣堆下游200 m處，即PRB修復(fù)技術(shù)示范區(qū)第2排與第3排監(jiān)測井之間安裝PRB墻體(平面位置見圖1，剖面位置見圖2)。

圖2 場地污染水文地質(zhì)概念模型(據(jù)文獻(xiàn)[9]改編)Fig.2 Hydrogeological conceptual model of the contaminated site

PRB修復(fù)技術(shù)示范區(qū)0～8 m和12～15 m巖性為粉質(zhì)黏土至黏土，可概化為相對隔水層；8～12 m為中細(xì)砂，為第一含水層。根據(jù)第一含水層頂板和底板巖性、厚度及地下水埋藏特征，可將本層概化為無降水入滲和蒸發(fā)，無越流補(bǔ)給，流場基本處于天然狀態(tài)的弱承壓含水層。

2 地下水流數(shù)值模型

2.1 水流方程

基于水文地質(zhì)概念模型，可將第一含水層地下水概化為平面二維穩(wěn)定流。利用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件Visual Modflow 4.2建立第一含水層地下水流數(shù)值模型[10-12]：

(1)

式中：H——第一含水層地下水的水頭/m；

Kx、Ky——x、y方向上的滲透系數(shù)/(m·d-1)。

2.2 模型確定

由于在孔隙介質(zhì)污染場地地下水流數(shù)值模擬中，模型范圍通常難以到達(dá)天然邊界，可以人為劃定邊界并賦予其意義，常用的處理方法為繪制地下水流場，分別在垂直和平行等水位線的方向上確定模擬范圍[13-14]。基于PRB修復(fù)技術(shù)示范區(qū)22眼監(jiān)測井繪制地下水流場，根據(jù)流場形狀確定模型東西邊界垂直地下水流向，南北邊界平行地下水流向，模型范圍見圖3。

平行于地下水位等水位線方向，可以將該邊界概化為給定水頭邊界、定流量邊界及通用水頭邊界；垂直于地下水等水位線方向的邊界，可以作為隔水邊界或者極小流量邊界[15]。因此，模型中北部邊界、南部邊界處理為通用水頭邊界，東西邊界定義為零流量邊界。

圖3 模型范圍與邊界條件Fig.3 Extent and boundary conditions of the model

一般網(wǎng)格剖分大小為1 m×1 m，但考慮墻體尺寸小，模擬精度要求高，墻體擬布設(shè)位置所在行列的網(wǎng)格剖分大小為0.2 m×0.2 m。

2.3 水文地質(zhì)參數(shù)

基于slug-test試驗(yàn)求得22 眼監(jiān)測井的滲透系數(shù)，利用Surfer13.0進(jìn)行克里金插值。滲透系數(shù)分區(qū)與賦值情況見圖4。

圖4 滲透系數(shù)分區(qū)與賦值Fig.4 Division and values of hydraulic conductivity

2.4 模型識別

采用試估-校正法對模型進(jìn)行識別與檢驗(yàn)，流場擬合情況見圖5，22眼監(jiān)測井水位擬合情況見圖6。圖5、圖6表明模擬流場與實(shí)測流場趨勢吻合，監(jiān)測井模擬值與觀測值的絕對誤差均小于5 cm，所建模型基本符合實(shí)際情況，滿足使用精度。

圖5 地下水流場擬合情況Fig.5 Fitting results of the groundwater flow field

圖6 監(jiān)測井水頭擬合情況Fig.6 Fitting results of hydraulic head of the monitoring wells

3 不同墻體位置布設(shè)方案對比

3.1 墻體位置布設(shè)方案

為便于后期監(jiān)測與評估，結(jié)合場地地下水流向，擬按4 個(gè)方案布設(shè)PRB墻體位置，即各方案下墻體垂直于地下水流向，墻體類型均為連續(xù)式，且墻體尺寸大小一致，均為長20 m×寬2 m×深12 m，僅平面布設(shè)位置不同，模型中不同方案的墻體位置見圖7。其中，墻體滲透系數(shù)K是影響墻體運(yùn)行的重要參數(shù)之一[16]，其填充材料由鑄鐵、活性炭和河沙按照一定比例混合組成[17]，由室內(nèi)試驗(yàn)測得K值為80 m/d。

圖7 墻體布設(shè)方案Fig.7 PRB’s layout scheme

3.2 評價(jià)指標(biāo)確定

總結(jié)國內(nèi)外PRB墻體設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，捕獲區(qū)寬度Dcap和滯留時(shí)間Tres是衡量墻體設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵評價(jià)指標(biāo)[18-19]，其定義見表1。Dcap的物理意義是平面上墻體可截獲的污染羽范圍，Tres的物理意義是污染物與反應(yīng)材料的接觸時(shí)間。Dcap和Tres是墻體完全截獲污染羽條件下考慮的重要指標(biāo)參數(shù)，但本次研究是中試尺度，不能完全截獲污染羽，需引入另一個(gè)評價(jià)指標(biāo)，即墻體Cr6+通量Mflu，其定義見表1，用于表征PRB墻體去除污染物能力。

3.3 指標(biāo)值計(jì)算

3個(gè)評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法見表1。Dcap主要利用MODPATH模塊計(jì)算墻體上游可以進(jìn)入墻體的最大污染羽寬度。墻體長度為20 m，通過PARTICLES模塊每2 m設(shè)置1個(gè)粒子，模型運(yùn)行后11個(gè)粒子跡線見圖8，求得平均滯留時(shí)間Tave：

(2)

式中：Tave——粒子平均滯留時(shí)間/d；

t1、t2、…、t11——每條流線上粒子的滯留時(shí)間/d。

表1 評價(jià)指標(biāo)定義及計(jì)算方法

圖8 捕獲區(qū)寬度與滯留時(shí)間示意圖Fig.8 Schematic diagram of the width of the capture zone and residence time

由于場地介質(zhì)的非均勻性，PRB修復(fù)技術(shù)示范區(qū)Cr6+濃度空間分布復(fù)雜，用溶質(zhì)運(yùn)移模塊擬合實(shí)際的污染物濃度分布存在一定難度。

本研究計(jì)算Mflu采用的方法為：根據(jù)墻體上游5眼監(jiān)測井(PRB07至PRB11)，每眼監(jiān)測井5個(gè)深度(2，4，6，8，10 m)的Cr6+濃度繪制等值線(圖9)。分別求取4種布設(shè)方案下捕獲區(qū)寬度內(nèi)Cr6+的平均濃度Cave：

(3)

式中：Cave——Cr6+平均濃度/(mg·L-1)；

s1、s2、…、sn——離散為n個(gè)單元后每個(gè)單元的面積/m2；

c1、c2、…、cn——分別為s1、s2、…、sn對應(yīng)的Cr6+濃度/(mg·L-1)。

利用ZONEBUDGET模塊計(jì)算各方案下單位時(shí)間內(nèi)通過墻體的地下水體積，即墻體水流通量Qflu；Cave與Qflu相乘得到Mflu。

圖9 PRB07-PRB11監(jiān)測剖面Cr6+濃度等值線Fig.9 Contour map of chromium concentration of the PRB07 to PRB11 monitoring profile

3.4 方案篩選

4種布設(shè)方案求取的評價(jià)指標(biāo)值見表2。理論上，墻體捕獲區(qū)寬度越大，粒子滯留時(shí)間越長，處理的污染物越多，則為最優(yōu)方案。但實(shí)際上墻體捕獲區(qū)寬度與滯留時(shí)間一般成反比[13]，原因?yàn)榉磻?yīng)材料滲透系數(shù)增大，墻體捕獲區(qū)寬度增大，粒子在墻體內(nèi)部的滯留時(shí)間相對減小。因而方案篩選時(shí)，首先需要滿足污染物在墻體內(nèi)的滯留時(shí)間，若滯留時(shí)間不能保證，即使墻體能夠截獲整個(gè)污染羽，污染物也不能達(dá)到有效去除。室內(nèi)柱實(shí)驗(yàn)求得Cr6+初始濃度250 mg/L、進(jìn)水流速0.3 m/d條件下，滿足滯留時(shí)間大于0.5 d，污染物去除率可高達(dá)99%。4種方案計(jì)算的滯留時(shí)間4.0～4.2 d，均可滿足Cr6+與反應(yīng)材料充分反應(yīng)。若修復(fù)目標(biāo)側(cè)重墻體運(yùn)行期間截獲的污染羽范圍，即捕獲區(qū)寬度，由表2可知方案1在4種方案中較優(yōu)；若修復(fù)目標(biāo)側(cè)重墻體對Cr6+的處理能力，即Cr6+通量，由表2可知方案2在4 種方案中較優(yōu)。為確定最終布設(shè)方案，統(tǒng)計(jì)各評價(jià)指標(biāo)平均值與變異系數(shù)，結(jié)果見表3。由表3可知，捕獲區(qū)寬度、滯留時(shí)間平均值與實(shí)際值相差不大，變異系數(shù)小于2%，是因?yàn)閳龅睾畬雍穸?、滲透系數(shù)等參數(shù)相差不大，水流模型求解結(jié)果相似；墻體Cr6+通量變異系數(shù)高達(dá)76.32%，是因?yàn)橥ㄟ^墻體的水流通量相差不大，但Cr6+濃度分布極不均勻，故Cr6+通量相差懸殊。因此在做方案篩選時(shí)，墻體Cr6+通量的權(quán)重應(yīng)大于捕獲區(qū)寬度。

表2 不同布設(shè)方案求取的評價(jià)指標(biāo)

綜上所述，方案2確定為布設(shè)墻體位置的最佳方案。該布設(shè)方案下，墻體內(nèi)部填充材料滲透系數(shù)為周邊含水層滲透系數(shù)的10～15倍，捕獲區(qū)寬度為21.9 m；粒子平均滯留時(shí)間為4.1 d，可滿足墻體內(nèi)Cr6+與填充材料充分發(fā)生反應(yīng)，墻體對Cr6+的去除能力可實(shí)現(xiàn)最大化。

表3 評價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值

4 結(jié)論

(1)中試尺度下PRB墻體不能完全截獲污染羽，在滯留時(shí)間和捕獲區(qū)寬度評價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)上，將通過墻體的Cr6+通量作為不同方案篩選的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。

(2)不同布設(shè)方案模擬的滯留時(shí)間和捕獲區(qū)寬度取值差異性不大，變異系數(shù)均小于2%。通過墻體的Cr6+通量差異性較大，變異系數(shù)高達(dá)76.32%，主要由地下水中的Cr6+濃度空間分布不均引起。

(3)方案2計(jì)算的滯留時(shí)間滿足污染物與填充材料充分反應(yīng)，確定的捕獲區(qū)寬度內(nèi)可實(shí)現(xiàn)墻體對Cr6+去除效率最大化，求得的捕獲區(qū)寬度為21.9 m，粒子滯留時(shí)間為4.1 d，Cr6+去除量可達(dá)127.7 mg/d，可作為最佳布設(shè)方案。該研究為后期PRB修復(fù)技術(shù)的工程實(shí)施提供了理論依據(jù)。