基于GMS的某污染區(qū)地下水1,2-二氯乙烷的自然運移規(guī)律研究

摘 要：以上海市普陀區(qū)某1，2-二氯乙烷地下水污染場地為研究對象開展地下水污染相關(guān)研究，通過數(shù)值模擬分析污染物在自然條件下及抽水條件下的污染擴散趨勢。根據(jù)場地前期環(huán)境調(diào)查結(jié)果，收集分析污染點位、濃度、深度及場地水文地質(zhì)信息，利用GMS地下水模型系統(tǒng)中的MODFLOW與MT3DMS模型分別模擬該區(qū)域的地下水流場及1，2-二氯乙烷在不同抽提條件下的運移情況，分析污染物的運移規(guī)律。研究表明，初始污染濃度為7.2 mg/L的1，2-二氯乙烷在自然流場作用下，污染擴散主要受地下水流方向影響，經(jīng)10 a擴散，污染點位中心污染物的濃度仍能達到2.7 mg/L，污染物擴散范圍不斷增大。抽提井的抽水作用能顯著影響污染物的自然擴散，隨著抽提井數(shù)量的增多，經(jīng)700 d的抽提，污染羽中心污染濃度可降低至0.03 mg/L以下，滿足《地下水質(zhì)量標準》的第Ⅳ類篩選值的要求。

關(guān)鍵詞：1，2-二氯乙烷；數(shù)值模擬；GMS；地下水；運移情況

中圖分類號：X52 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）04-00-07

0 引言

隨著工業(yè)農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，地下水面臨嚴重的污染問題。地下水污染對生態(tài)及人類健康造成威脅，其關(guān)注與研究迫在眉睫。數(shù)值模擬憑借靈活度高、結(jié)果精確等特點成為目前研究地下水水量、水質(zhì)的主要方法。地下水模型系統(tǒng)Groundwater modeling system，簡稱GMS，是在現(xiàn)有的地下水模型MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT和UTCHEM等的基礎上，由美國楊百翰大學的環(huán)境模擬研究實驗室和美國軍方排水工程試驗站共同開發(fā)的綜合性地下水模擬軟件[1]。與其他軟件系統(tǒng)（Visual MODFLOW、FEFLOW）相比，GMS的優(yōu)勢在于可使用的模塊多、模擬功能全面、可應用范圍廣、建模過程直觀、使用方便等[2]。它可用于預測各類的地下水污染，如礦山、工業(yè)場地、垃圾填埋場、有機污染場地、土壤中的農(nóng)藥殘留、廢水灌溉和修復方案設計等。

通過應用GMS中合適的地下水模型可實現(xiàn)遠距離、長周期內(nèi)的地下水污染遷移模擬，找出污染擴散規(guī)律，加強對地下水資源的管理并指導對地下水的修復。王敏[3]等人早在2009年就東武水源地由于地下水開采導致的水位下降、水質(zhì)退化等問題利用GMS的MODFLOW模塊和MT3DMS模塊對水源地周邊的地下水流運動和污染物的溶質(zhì)運移進行數(shù)值模擬，預測地下水流場的狀態(tài)和對后續(xù)污染擴散趨勢。王喆[4]等人不僅利用GMS對南水北調(diào)工程后某垃圾填埋場地下水的污染物的擴散進行預測，并對現(xiàn)有的采水方案從污染擴散的角度進行評價，但研究并未對采水方式和模擬賦值的過程進行詳細闡述，不利于對該方法進行深入研究。蘭斐[5]等人對某油井石油污染物的泄露進行模擬判斷污染走勢。GMS軟件系統(tǒng)在地下水環(huán)境中更多應用于污染物泄露時的趨勢模擬，是一種預測工具，本研究從地下水抽提修復的角度，不僅模擬預測污染物在自然條件下的擴散情況，還模擬了不同抽提井條件下污染物的擴散情況，可為后續(xù)地下水修復的抽出處理的布設提供新的思路和輔助方法。

本研究地塊為上海市歷史工業(yè)區(qū)，從20世紀80年代開始從事制毯、制筆、熱力等化工生產(chǎn)業(yè)。自2010年開始，生產(chǎn)活動改為藝術(shù)經(jīng)營類活動，到2020年園區(qū)內(nèi)化工企業(yè)陸續(xù)退場。經(jīng)場地調(diào)查，該區(qū)域存在地下水污染，污染物為1，2-二氯乙烷。氯代烴是常見的化工原料，隨著工業(yè)廢水和泄漏等方式進入地下水，成為常見的地下水污染物。大部分氯代烴都具有潛在致癌性、致畸性和致突變性，對周邊居民及生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅[6]。本研究的目的在于利用GMS地下水模型系統(tǒng)模擬該地塊內(nèi)污染含水層的污染擴散情況及影響區(qū)域。GMS包含MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、PHT3D等主要計算模塊。根據(jù)功能特點[7]，MODFLOW是專門用于空隙介質(zhì)中地下水流動的三維有限差分數(shù)值模擬軟件，可模擬均質(zhì)、非均質(zhì)及復雜邊界條件的水流系統(tǒng)；FEAWATER主要用于模擬飽和流和非飽和流環(huán)境下的水流和溶質(zhì)運移的三維有限元藕和模型。MT3DMS可模擬地下水中溶解成分的對流、彌散、源/匯和化學反應的三維溶質(zhì)運移模型，可有效處理各種邊界條件和外部源匯項，需要和MODFLOW

一起使用；PHT3D專注于多組分傳輸和地球化學反應，特別適合溶質(zhì)相互作用的分析。根據(jù)本研究污染場景和研究目標，以單一1，2-二氯乙烷為示蹤物，以前期場地環(huán)境調(diào)查測定的污染濃度為初始污染物模擬質(zhì)量濃度，模擬該單一污染物在不同條件下的運移情況，暫不考慮1，2-二氯乙烷與其他溶質(zhì)之間的相互作用，可選擇適用性更廣的MODFLOW模塊搭配MT3DMS模塊分別建立該場地的地下水流模型及污染溶質(zhì)運移模型以完成污染模擬分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究地塊用地面積約30000 m2，目前為空地，未來規(guī)劃為醫(yī)療衛(wèi)生用地和公共綠地。區(qū)域地貌屬長江三角洲堆積平原，地面高程2.3～3.7 m[8]，

地形較平坦。區(qū)域內(nèi)地下水流動情況復雜，區(qū)域500 m范圍內(nèi)無河流等水域，距離東部邊界600 m處存在一條南北走向的河流。地下水總的方向為由東北向西南流動，最終向模型研究區(qū)西南部排泄。研究地塊的地形、地貌及地質(zhì)構(gòu)造條件，決定了地下水的形成分布和運移規(guī)律，按含水層巖性特征及賦存條件，水力性質(zhì)，該地區(qū)地下水類型為第四系松散巖類孔隙水。根據(jù)上海市2009—2020年間地面沉降時空分布統(tǒng)計分析[9]數(shù)據(jù)，相比虹口區(qū)、楊浦區(qū)、黃浦區(qū)、浦東新區(qū)，普陀區(qū)的地面沉降速率較低，較大區(qū)域范圍內(nèi)未形成明顯的沉降漏斗，近年來有回升的趨勢，在所有行政區(qū)域中地下水位處于較高水平[10]（2022年地下水位標高達到0.68 m）。該調(diào)查結(jié)果說明該普陀區(qū)地下水開采量和回灌量在較長時間內(nèi)處于相對平衡的狀態(tài)，該區(qū)域的地下水污染可考慮采取抽出處理的方法。

該區(qū)域位于大陸東岸的中緯地帶，地下平坦，對來自北方的冷空氣和南方的海風均無阻擋，氣候受海洋影響明顯，是典型的亞熱帶季風氣候，溫和濕潤，雨量充沛，年平均氣溫16.1℃，年平均降水量為1200" mm。

2020年在對該區(qū)域的環(huán)境調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，地下水14個監(jiān)測井中僅存在一處1，2-二氯乙烷超標，濃度為7.12 mg/L，污染深度為表層，檢出濃度超過《地下水質(zhì)量標準》中的第Ⅳ類標準限制（0.04 mg/L）。經(jīng)詳細加密調(diào)查，地下水35個監(jiān)測井中僅存在一處1，2-二氯乙烷超標，濃度為7.2 mg/L。超標點位示意圖如圖1所示。

1.2 分析方法

1.2.1 地下水流模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型可寫出如下數(shù)學模型：

式中：Ω—地下水滲流區(qū)域；S1—模型的第一類邊界；S2—模型的第二類邊界；kxx， kyy， kzz—

表示x， y， z主方向的滲透系數(shù)（m/s）；w—源匯項，包括降水入滲補給、蒸發(fā)、井的抽水量和其他排泄量（m3/s）；μs—含水層或弱透水層的單位儲水系數(shù)（1/m）；H0（x，y，z）—初始地下水水頭函數(shù)（m）；H1（x，y，z）—第一類邊界已地下水水頭函數(shù)（m）；q（x，y，z，t）—第二類邊界單位面積流量函數(shù)（m3/s）。

降水補給是該區(qū)域的地下水主要補給源，年平均降水量1200 mm，地區(qū)平均入滲系數(shù)為0.01，平面補給區(qū)的入滲速率為0.00003288 m/d。根據(jù)水文地質(zhì)資料分析，模型采用三維地下水流動模型，深度為6 m，區(qū)域垂向概化為3層，分別為填土（0～1.8 m）、粉質(zhì)黏土（1.8～4.0 m）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（4.0～6.0 m）。地表根據(jù)實際資料高程信息進行控制，模型底層為-2 m高程面。模型長228 m，寬239 m，表面采用地表高程。通過3D Grid工具進行網(wǎng)格劃分，將研究區(qū)域設置為40行40列，垂向共3層，共4800個網(wǎng)格（對于單個網(wǎng)格，X方向上的邊長為5.7 m，Y方向上的邊長為6.0 m）。通過前期場地環(huán)境調(diào)查的資料收集區(qū)域內(nèi)地下水鉆孔數(shù)據(jù)、地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)和土工模擬試驗數(shù)據(jù)，整理得到本次模擬中所需要的地表高程數(shù)據(jù)、各地層底板數(shù)據(jù)以及各點位初始水頭數(shù)據(jù)。

MODFLOW是一個三維有限差分數(shù)值模擬模型[11]，用于模擬多孔介質(zhì)環(huán)境中的地下水流動。選擇水流模型LPF，求解方式選擇強隱式法，選擇Recharge、Well軟件包。研究區(qū)內(nèi)為活動單元，研究區(qū)外圍均設置為不活動網(wǎng)格，不參與計算。研究區(qū)域的東部、北部及東南角為定水頭邊界。以2D散點形式導入?yún)R集的高程數(shù)據(jù)及水頭數(shù)據(jù)，在MODFLOW中依次對含水層的頂板、第一層底板、第二層底板、第三層底板及初始水頭進行賦值。

1.2.2 污染溶質(zhì)傳輸模型

（1）自然條件下的污染擴散

MT3DMS是一個三維溶質(zhì)傳輸模型，模擬地下水系統(tǒng)的對流、擴散和化學反應[12]，在已創(chuàng)建的MODFLOW模型上，新建MT3DMS模型。定義污染組分為1，2-DAC（1，2-二氯乙烷），污染點位的污染初始濃度為7.12 mg/L，應力期為3650 d（10 a），輸出時間步長為50 d；選擇對流、離散、點源及觀測組件。根據(jù)場地地質(zhì)勘測和前期場調(diào)資料，得到模擬所涉及的其他參數(shù)如表1所示。

（2）抽提井條件下的污染擴散

在上述自然條件污染擴散的模擬基礎上，在污染區(qū)域附近設置抽提井，模擬抽提井在較低抽提條件下對污染物的擴散及抽提影響。分別設置6組、44組抽提井，為避免局部區(qū)域的地下水全部抽干，根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗的經(jīng)驗，設置較低的抽提速率為-0.003 m3/d，討論未抽干情況下污染物的擴散情況。

2 模擬結(jié)果

2.1 地下水流場

經(jīng)過MODFLOW模型計算，得到研究區(qū)域的地下水流場分布。圖2所示的流場為地塊內(nèi)各點位的初始水頭值，這些水頭值來自于前期場地環(huán)境調(diào)查過程中的地質(zhì)勘察資料，通過該流場可知，北部的水頭普遍較高，西南角水頭最低，該區(qū)域內(nèi)地下水的主要流動方向為自東北向西南方向。圖3為地質(zhì)水文數(shù)據(jù)輸入后通過迭代和求值數(shù)值方程得到的最終流場結(jié)果，反映了模擬的最終狀態(tài)，受模擬過程中邊界條件等因素的影響，在研究場地范圍內(nèi)，迭代計算的最終流場與實際情況基本一致，地下水流動方向均為自東北向西南方向流動，西北角存在水頭最低處（根據(jù)1.2.1節(jié)3D grid的劃分結(jié)果，對于單個網(wǎng)格，X方向上的邊長為5.7 m，Y方向上的邊長為6.0 m）。圖中陰影部分為調(diào)查場地范圍，圖4為迭代求值的地塊內(nèi)地下水監(jiān)測井位置所處的模擬結(jié)果和監(jiān)測孔內(nèi)的實際水位的比較結(jié)果，水位值較接近，偏差在-0.07～0.061 m，模擬較接近實際值。

2.2 污染溶質(zhì)運移模擬

（1）自然條件下的污染擴散

地塊范圍內(nèi)存在一處污染點位，污染物為1，2-二氯乙烷，污染位于表層，污染濃度為7.12 mg/kg。當流場內(nèi)無任何其他地下水抽提活動，僅存在自然流場時，污染物在3650 d內(nèi)的溶質(zhì)運移模擬情況如圖5（污染物在第50 d的擴散情況，全局圖）、圖6（分別顯示污染物在第50、1000、2000、3650 d的擴散情況，局部放大圖）所示，污染物在自然情況下擴散較慢，經(jīng)10 a擴散，污染羽的中心污染濃度從7.12 mg/L降至2.7 mg/L，仍高于《地下水質(zhì)量標準》中該污染物的第Ⅳ類篩選值0.04 mg/L。污染主要向西擴散，其中污染羽在南北向的跨徑幾乎沒有變化，仍為18 m，東西向跨徑由15 m擴散至約31 m（根據(jù)1.2.1節(jié)3D grid的劃分結(jié)果，對于單個網(wǎng)格，X方向上的邊長為5.7 m，Y方向上的邊長為6.0 m）。地下水中污染物的自然擴散主要受地下水流的影響，污染擴散方向與地下水流方向相近，該結(jié)果與上海地區(qū)某非正規(guī)垃圾填埋場地下水污染模擬研究結(jié)論一致[13]。污染物在自然條件下，擴散速度慢，污染在地下水中的存積階段長。

（2）抽提井條件下的污染擴散

在設置抽提井的條件下，井的數(shù)量及流量都會改變污染物的抽提情況。為避免局部流域被抽干，在較低流的抽提速率條件下模擬（-0.003 m3/d）。

模擬結(jié)果如圖7、圖8所示。

在污染點位附近設置9個抽提井時（圖7），污染羽中心濃度在第1000 d有明顯降低，由3.45 mg/L降至2.6 mg/L。在第3650 d，污染羽的形態(tài)也發(fā)生了較大變化，南北向跨徑由18 m擴大為24 m，東西向跨徑由18 m擴大為31 m（根據(jù)1.2.1節(jié)3D grid的劃分結(jié)果，對于單個網(wǎng)格，X方向上的邊長為5.7 m，Y方向上的邊長為6.0 m）。相比自然擴散，污染物在南北向的分布跨徑在抽提井作用下有較大的延長，由自然條件下的18 m擴大為24 m，抽提井的存在不僅加速了地下水中污染物的抽提，也加速了其在水平空間上的擴散。但在抽提井數(shù)量較少、抽提流量較低的情況下，經(jīng)過同樣的擴散時間，污染羽的中心濃度的降低不明顯，僅比自然擴散情況降低0.1 mg/L。

在污染點位附近設置44個抽提井時（圖8），相比設置9個抽提井，污染羽中心濃度降低更快更多。在第200 d，中心的污染濃度已降低至2.43 mg/L；在第600 d，污染羽的形態(tài)發(fā)生較大變化，南北向跨徑由18 m擴大為30 m，東西向跨徑由18 m擴大為33 m（根據(jù)1.2.1節(jié)3D grid的劃分結(jié)果，對于單個網(wǎng)格，X方向上的邊長為5.7 m，Y方向上的邊長為6.0 m），中心最高濃度降至0.63 mg/L。在第700 d，中心濃度已降低至0.03 mg/L，低于《地下水質(zhì)量標準》中的第Ⅳ類篩選值（0.04 mg/L）。相比設置9個抽提井，污染羽在南北向的分布跨徑進一步延長，由24 m擴大為30 m；污染羽在東西向的分布跨徑由31 m擴大到33 m。由此推測，污染物在南北向、東西向擴散的最大跨徑與抽提井在南北向、東西向分布的最大跨徑有關(guān)。

該結(jié)果證明，抽提井對污染物的自然擴散有較深影響。隨著抽提井的增多，污染羽整體范圍會變大，在非地下水流方向上擴散顯著；此外，抽提活動加速了污染物的去除，當抽提井數(shù)量增加到一定值時，污染羽中心最高濃度可在較短時間內(nèi)降低至修復目標。

本研究與其他污染地下水污染擴散研究[14，15]相比，地下水中的污染物為非持續(xù)性污染源，為初始污染量固定的污染羽，是歷史工業(yè)生產(chǎn)活動造成的遺留污染。此外，污染地塊所處的水文環(huán)境相對封閉，距離污染地塊600 m范圍內(nèi)無水流等定水頭邊界，因此本研究以污染地塊邊界上的監(jiān)測水位默認為固定水頭值。本研究的污染情景屬于常見的建筑地塊污染，本研究的建模方法與研究結(jié)果可用于指導類似污染情景的地下水污染建模和抽提方案模擬。經(jīng)本實驗模擬研究，地下水抽出處理對該區(qū)域地下水的污染去除有效，建議后續(xù)該地塊在污染范圍內(nèi)均勻布設抽水井，抽水深度可覆蓋表層深度。本實驗抽水速率為模擬數(shù)據(jù)，實際的抽水速率應在現(xiàn)場布設抽水井進行抽水試驗測定，并結(jié)合工期要求進行確定。

3 結(jié)論

（1）利用GMS地下水模型系統(tǒng)中的MODFLOW模型對該地塊的地下水流場進行模擬，模擬結(jié)果與地下水監(jiān)測井的實際觀測值接近，模擬有效，該流場模型可用于后續(xù)污染物的運移模擬。

（2）利用GMS地下水模型系統(tǒng)中的MT3DMS模型對該地塊地下水污染物1，2-二氯乙烷的擴散進行模擬。自然條件下，1，2-二氯乙烷在地下水中的擴散主要受地下水流場影響，擴散方向與水流方向一致，擴散速度較慢，經(jīng)10 a的擴散，污染羽中心的污染濃度仍可達到2.7 mg/L。在抽提井存在條件下，1，2-二氯乙烷在地下水中的擴散受地下水流場與抽提井的雙重影響，不僅在地下水水流方向上（東西向）進行擴散，也在非地下水水流方向上（南北向）擴散；隨著抽提井數(shù)量增加，污染羽中心濃度迅速降低，當抽提井數(shù)量為44口、抽提速率為0.003 m3/d，抽提時間為700 d時，污染羽中心濃度可降低至0.03 mg/L以下，滿足《地下水質(zhì)量標準》中的第Ⅳ類篩選值。

（3）抽出處理對該區(qū)域地下水的污染去除有效，建議后續(xù)該地塊在污染范圍內(nèi)均勻布設抽水井，抽水深度可覆蓋表層深度，并根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗確定穩(wěn)定條件下的抽水速率，結(jié)合工期要求確定合適的抽水速率。

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