基于地下水?dāng)?shù)值模型的未知污染源預(yù)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500(2025)06-0213-08

DOI: 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.06.063

Prediction of Unknown Pollution Sources Based on Groundwater Numerical Model

LIURongqin，WANGXianghui (Shanghai SUS Environmental Remediation Company Limited， Shanghai 2O17O3，China)

Abstract:Theprimarytask inremediating contaminated site groundwater is to pinpoint polution source locations and achievecompleteremoval.Withtheintroductionofthe“Dual Carbon”goals，economicallyandaccuratelydetermining the locationand concentration ofpollution sources has becomeparamount.Groundwater solute transport simulation，valued foritseectiveness，flexiilityandost-ciency，asmergedasaciticalmethodologyigoundwateresearchUsing ahigh-precision machining factory in Guangdong provinceasacase study，Perchloroethylene (PCE)was selectedas the simulation factor.Visual MODFLOW software was employed for numerical modeling and parameter calibration of the site.Simulationresults indicated hidden point source contamination near monitoring welsMW-B7，W3，and W9，with contamination intensitiesof5，20，and5Omg/L，respectively.Tovalidatemodelreliability，fieldsampling monitoring compared simulation outputs with actual monitoring data.Results demonstrated high consistency，with the model sucessfullypredicting contaminationleakage pathwaysnear the threewells—findings thataligned withthesite'shistorical productionrecords.This successful predictionof hidden polution sources establishesavaluable reference forsimilar remediation projects.

Keywords:groundwater;numerical simulation;unknown pollution source

在污染場(chǎng)地地下水治理中，若無(wú)法識(shí)別并準(zhǔn)確定位隱伏污染源，會(huì)影響后續(xù)修復(fù)，導(dǎo)致修復(fù)成本增加[1-2]。氯代烴屬污染場(chǎng)地地下水較為常見(jiàn)的污染物，因其在地下水中有一定的溶解度，易在地下水中形成高濃度自由相污染物，成為持續(xù)污染源釋放至地下水中，若無(wú)法準(zhǔn)確判斷該污染源的位置及釋放濃度，將會(huì)給場(chǎng)地的修復(fù)治理帶來(lái)極大的難度。

隱伏污染源的確定方法有數(shù)值模擬法、地球物理方法等，而數(shù)值模擬法逐漸成為地下水研究領(lǐng)域的重要方法[3-5]。數(shù)值模擬法可以對(duì)苯[、填埋場(chǎng)滲濾液[、自由相污染物[8-9]、 Cr^6+[10] 、石油烴[]NH₃-N^[12] 、氯代烴[13]、硝酸鹽[4]、六氯丁二烯[15]氘[等污染因子進(jìn)行模擬。另外，有研究者對(duì)修復(fù)及風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)或工況條件進(jìn)行數(shù)值模擬。張楠[17]模擬了污染物在地下水中的運(yùn)移情況；李梅[18]以市某污染場(chǎng)地為例，預(yù)測(cè)了地下水中污染物的遷移分布情況；張帥等[19預(yù)測(cè)了防滲帷幕修建前后受污染地下水的遷移情況，并評(píng)估防滲帷幕污染控制效果；袁昊辰等[2選取廣州市某地下水污染場(chǎng)地作為研究區(qū)，運(yùn)用VisualMODFLOW軟件建立了污染場(chǎng)地地下水流模型；王燕[21]及牛浩博等[22]利用數(shù)值模擬軟件模擬溶質(zhì)的運(yùn)移情況，并對(duì)抽水并進(jìn)行優(yōu)化研究；RAMASAMY等[23]通過(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)酸性廢水對(duì)高密度聚乙烯（HighDensityPolyethylene，HDPE）膜的影響。目前，少有學(xué)者利用數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)測(cè)地塊中的隱伏污染源。

廣東省某高精密機(jī)加工廠的地下水污染物主要是氯代烴，項(xiàng)目組采用原位多相抽提技術(shù)對(duì)地下水進(jìn)行修復(fù)，但在暫停抽提后，氯代烴濃度顯著反彈，且污染范圍顯著擴(kuò)大，可能存在氯代烴污染源的持續(xù)補(bǔ)給。在項(xiàng)目資金和時(shí)間受限的情況下，無(wú)法通過(guò)補(bǔ)充調(diào)查捕捉隱伏污染源。為快速找到污染源，本研究利用數(shù)值模擬法，基于VisualMODFLOW軟件的MT3D模塊對(duì)地下水進(jìn)行溶質(zhì)運(yùn)移模擬。利用數(shù)值模型成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)氯代烴污染源的預(yù)測(cè)，彌補(bǔ)了數(shù)值模擬技術(shù)在該方面的應(yīng)用缺陷，可為其他同類(lèi)修復(fù)工程項(xiàng)目提供借鑒。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省惠州市，地塊原始地貌為山丘溝洼，后經(jīng)人工機(jī)械推填整理，較為平坦。水文地質(zhì)勘查結(jié)果表明，地層自上而下分別為第四系人工填土層（ ）、第四系殘積土層（ Q₄^el ）、第三系泥質(zhì)粉砂巖（E）。除第四系填土層屬?gòu)?qiáng)透水層外，其他巖土層屬弱透水層。地塊內(nèi)地下水類(lèi)型為第四系孔隙混合潛水，水位埋深為 1.2～4.6m 。地塊地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水及灌溉入滲補(bǔ)給，排泄主要為蒸發(fā)排泄、人工開(kāi)采排泄及側(cè)向徑流排泄。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，該地區(qū)多年平均降水量為 1770mm ，集中在4\\~9月。

研究區(qū)主要從事高精密機(jī)加工，企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中需使用多種溶劑型表面清洗劑，清洗后的工業(yè)廢水通過(guò)地下管道輸送至地下4個(gè)水泥砌筑的污水儲(chǔ)存池。經(jīng)污染識(shí)別，污水儲(chǔ)存池存在不同程度的開(kāi)裂及污水泄漏痕跡，通過(guò)分析得出研究區(qū)潛在污染源空間位置，如圖1所示。根據(jù)地塊調(diào)查，地塊存在較為嚴(yán)重的氯代烴污染，位于A棟廠房西北面墻外的池A和池B是地塊含氯有機(jī)物污染的主要泄漏源。拆除這4個(gè)污水儲(chǔ)存池后，采用多相抽提技術(shù)進(jìn)行地下水修復(fù)治理。

2預(yù)測(cè)工況及預(yù)測(cè)模型建立

2.1水文地質(zhì)概念模型

2.1.1模型參數(shù)與初始條件

研究區(qū)地塊范圍較小，結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查資料以及場(chǎng)地利用情況，因建設(shè)廠房對(duì)地基的影響，同一地層滲透系數(shù)存在較大的差異，因此將含水層概化為非均質(zhì)、各項(xiàng)異性含水層。根據(jù)前期場(chǎng)地調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，地下水氯代烴有機(jī)物主要分布在第一層含水層中，含水層下部為泥質(zhì)砂巖層，滲透性較差，能起到較好的隔水作用，因此將含水層概化為一層。地下水的水動(dòng)力條件概化為穩(wěn)定的三維流。滲透系數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，有效孔隙度、補(bǔ)給及入滲參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及模型校驗(yàn)確定。

結(jié)合研究區(qū)長(zhǎng)期實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)井的水位資料，將實(shí)測(cè)水位以散列點(diǎn)的形式輸入模型，利用Kriging插值即可得到含水層各節(jié)點(diǎn)的初始水位值。繪制研究區(qū)在初始時(shí)刻的等水頭線，確定初始流場(chǎng)。

2.1.2 模型空間及平面離散

將整個(gè)研究地塊設(shè)為模型范圍，根據(jù)研究場(chǎng)地的大小，將研究區(qū)平面上分為40行 ×40 列，每個(gè)單元長(zhǎng)寬都是 8m ，寬度為 6m ，垂向上分為1層，即潛水含水層1層，地形高程以散列點(diǎn)的形式輸入模型，運(yùn)用Kriging插值法進(jìn)行賦值。

2.1.3 模型邊界條件

本地塊地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律受人為活動(dòng)控制，地塊北側(cè)邊界為高速公路，其設(shè)置的阻隔措施可將模型北側(cè)邊界設(shè)置為隔水邊界。地塊東西兩側(cè)分別設(shè)有擋土墻，墻上有排水孔，且地面高差較大，可將場(chǎng)地東西兩側(cè)邊界設(shè)置為給定水頭邊界，水位由地下水位長(zhǎng)期觀測(cè)資料插值獲得。地塊南側(cè)的含水層較薄，水位較高，將其概化為隔水邊界。因此，將研究區(qū)四周邊界定義為第一類(lèi)邊界條件。

2.1.4模型時(shí)間離散

將本地塊風(fēng)險(xiǎn)管控的開(kāi)工時(shí)間設(shè)為模擬的起始時(shí)間，即2018年11月8日，模擬10年，2028年11月8日為模擬的終止時(shí)間。每年為一個(gè)應(yīng)力期，應(yīng)力期內(nèi)每10d作為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，嚴(yán)格控制每次迭代的誤差。在每個(gè)應(yīng)力期保持含水層補(bǔ)給和排泄強(qiáng)度不變。

2.2數(shù)學(xué)模型

2.2.1地下水水流模型研究區(qū)地下水流系統(tǒng)可以表示為

式中： Ω 表示地下水滲流區(qū)域； h 表示地下水位標(biāo)高， m ： $k _ { x } ， \\ k _ { y } 、$ （ k_z 表示滲透系數(shù)在 x，y，z 方向的分量， m/d ; t 表示時(shí)間，d; h₀ 表示初始水位標(biāo)高， m h₁ 表示第一類(lèi)（給定水頭）邊界水位標(biāo)高， m ： Γ₀ 表示一類(lèi)邊界； W 表示源匯項(xiàng)， m/d. 0

式（1）包括偏微分方程、初始條件、一類(lèi)邊界條件，共同組成定解問(wèn)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。通過(guò)VisualMODFLOW軟件模擬研究區(qū)內(nèi)的地下水流模型。

2.2.2 污染物運(yùn)移模型

根據(jù)研究區(qū)的具體條件，在模擬污染物擴(kuò)散時(shí)，考慮地下水的對(duì)流、彌散、流體匯源項(xiàng)、平衡吸附作用以及一級(jí)不可逆反應(yīng)，單一化學(xué)組分的三維溶質(zhì)遷移數(shù)學(xué)模型為

式中： c 表示地下水中組分的溶解相濃度， mg/m³ θ 表示含水介質(zhì)的孔隙度，無(wú)量綱； x_i 表示沿直角坐標(biāo)系軸向的距離， m ： D_ij 表示水動(dòng)力彌散系數(shù)張量，m²/d u_i 表示孔隙水平均實(shí)際流速， m/d ; q_s 表示含水層內(nèi)源匯的體積流量， 1/d ； C_s 表示源或匯水流中組分的濃度， mg/m³ ： λ₁ 表示溶解相的反應(yīng)速率常數(shù)， 1/d λ₂ 表示吸附相的反應(yīng)速率常數(shù)， 1/d ： ρ_b 表示孔隙介質(zhì)的體積密度， mg/m³ ; 表示吸附濃度， mg/m³ 。

初始濃度 C₀ 定為2018年11月8日各監(jiān)測(cè)井的污染物濃度，具體表述為

C(x，y，z，0)=C₀(x，y，z)

溶質(zhì)運(yùn)移模擬將含水層各個(gè)邊界均看作二類(lèi)邊界條件（Neumann邊界），因本項(xiàng)目含水層為飽和帶，因此越過(guò)潛水面的彌散通量為0，具體可表述為

式中： Γ₂ 表示Neumann邊界； f_i(x，y，z) 表示一個(gè)正交于邊界 Γ₂ 的彌散通量。

將式（4）離散為有限差分方程組，采用Visual

MODFLOW軟件的MT3DMS模塊對(duì)研究區(qū)內(nèi)的地下水溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行模擬。

2.3模型參數(shù)識(shí)別與驗(yàn)證

地下水模型的建立是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，為保證預(yù)測(cè)模型可信度，以各期觀測(cè)孔的實(shí)測(cè)數(shù)值與模型相應(yīng)位置相同時(shí)刻的計(jì)算數(shù)值間的相關(guān)性最大為目標(biāo)來(lái)進(jìn)行模型調(diào)參。在地下水水流數(shù)值模擬階段，對(duì)比觀測(cè)孔實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位，判斷所用水文地質(zhì)參數(shù)及分區(qū)是否合理，并在此階段獲得地層滲透系數(shù)、孔隙度等地質(zhì)參數(shù)及補(bǔ)給排泄參數(shù)。在地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬階段，對(duì)比觀測(cè)孔實(shí)測(cè)濃度與計(jì)算濃度，判斷地下水溶質(zhì)運(yùn)移環(huán)境是否存在補(bǔ)給或排泄，以獲得溶質(zhì)補(bǔ)給或排泄?jié)舛燃八谖恢谩?/p>

經(jīng)反復(fù)調(diào)整參數(shù)，觀測(cè)井實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位相關(guān)系數(shù)為 90% ，說(shuō)明所取參數(shù)合理（見(jiàn)表1），能夠較真實(shí)地反映研究區(qū)的地下水運(yùn)動(dòng)特征，可運(yùn)用到地下水水質(zhì)模型中。

2.4模擬情景

結(jié)合前期的場(chǎng)地調(diào)查風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)管控過(guò)程中補(bǔ)充調(diào)查的結(jié)果，本研究選定污染最嚴(yán)重、具有代表性的污染因子四氯乙烯（Perchloroethylene，PCE）為模擬因子，分兩種情景預(yù)測(cè)污染物運(yùn)移情況。

情景一：假設(shè)地塊不存在地下水污染源或污染源已清除，利用工程設(shè)計(jì)的抽提工藝參數(shù)模擬PCE溶質(zhì)的運(yùn)移情況，模擬時(shí)間為10年，時(shí)段分別在1、257、432、1095、1825、3650d。

情景二：基于情景一的模擬結(jié)果，在抽提結(jié)束后，將模型預(yù)測(cè)的地下水觀測(cè)井中PCE的濃度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的PCE濃度進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)模型的調(diào)參來(lái)調(diào)整濃度差異，從而預(yù)測(cè)地塊可能存在PCE污染源，并推斷污染源所在位置及釋放濃度。模擬時(shí)間為10年，時(shí)段為1、257、432、1095、1825、3650d。

3 結(jié)果分析

3.1抽提工況下PCE 溶質(zhì)運(yùn)移模擬（情景一）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽提井及注入井的布置情況，在MODFLOW模型中分布相同數(shù)量的抽提井與注入井，將抽提注入?yún)^(qū)概化為30個(gè)活動(dòng)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格設(shè)置一口井，共設(shè)置15對(duì)抽提注入井。抽提速率根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際抽提量計(jì)算得出每口井抽提的速率均為 0.04m³/d

實(shí)際抽提工況PCE溶質(zhì)運(yùn)移預(yù)測(cè)結(jié)果如2所示。在地塊開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)管控第1天，PCE的影響范圍（濃度大于 0mg/L ）為 2 144m² ，超標(biāo)范圍（濃度大于1.99mg/L ）為 654m² ；第257天，開(kāi)始抽提時(shí)，PCE的影響范圍為 6488m² ，超標(biāo)范圍為 553m² ；第432天，抽提結(jié)束后，PCE的影響范圍為 6855m² ，超標(biāo)范圍為 383m² ；第1095天，PCE的影響范圍為 6919m² ，超標(biāo)范圍為 114m² ；第1825天，PCE的影響范圍為7211m² ，無(wú)超標(biāo)范圍；第3650天，PCE的影響范圍為 7016m² 。模型結(jié)果表明，自第1天至第3650天，PCE的影響范圍逐漸擴(kuò)大，而其超標(biāo)范圍逐漸縮小，并在3.5年后PCE濃度全部降至修復(fù)目標(biāo)值以下；在3650天后，PCE的影響范圍出現(xiàn)縮小的趨勢(shì)。

本項(xiàng)目要求2年內(nèi)完成地下水PCE治理，而在目前抽提工況下需3.5年才能夠完成達(dá)標(biāo)治理，因此為使本地塊風(fēng)險(xiǎn)管控在合同約定的工期內(nèi)達(dá)標(biāo)，還需要進(jìn)一步優(yōu)化抽提的工藝參數(shù)，如增加抽提井、抽提時(shí)間或抽提速率等。

3.2污染源預(yù)測(cè)模擬（情景二）

基于情景一，假定地下水中無(wú)PCE污染源或PCE污染源已清除，在模型參數(shù)識(shí)別與驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)，抽提結(jié)束前觀測(cè)井實(shí)測(cè)PCE的濃度與模型預(yù)測(cè)的濃度相關(guān)系數(shù)可達(dá) 100% ，表明模型的運(yùn)行結(jié)果基本能反映抽提結(jié)束前的PCE溶質(zhì)運(yùn)移情況。但是，在停止抽提后，觀測(cè)井實(shí)測(cè)PCE的濃度與模型預(yù)測(cè)的濃度相關(guān)系數(shù)迅速下降，僅為 74% ，表明模型運(yùn)行結(jié)果無(wú)法反映停止抽提后溶質(zhì)的運(yùn)移情形。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)井進(jìn)行逐一排查，發(fā)現(xiàn)井W9、W3及MW-B7濃度誤差最大，其觀測(cè)井的實(shí)測(cè)濃度明顯大于模型預(yù)測(cè)的濃度，且分別高出2.65、3.00、 0.45mg/L ，表明在該3點(diǎn)處可能存在未知污染源。抽提井布設(shè)及監(jiān)測(cè)井W9、W3、MW-B7位置如圖3所示。

進(jìn)一步對(duì)比井MW-B7、W3、W9實(shí)測(cè)的PCE初始濃度、連續(xù)抽提3個(gè)月及抽提暫停2個(gè)月后的濃度發(fā)現(xiàn)，在暫停抽提后，PCE濃度均有反彈，濃度分別增加0.09、2.36、 2.88mg/L ，如表2所示。由圖3所知，井MW-B7位于A棟廠房，W3和W9分別鄰近原污水池B和原污水池 A 。結(jié)合該地塊的歷史狀況及現(xiàn)場(chǎng)隱患排查發(fā)現(xiàn)，廠房A內(nèi)車(chē)間地面存在開(kāi)裂現(xiàn)象，含氯清洗廢水可能通過(guò)縫隙下滲至土壤及地下水中，從而導(dǎo)致MW-B7在停止抽提后的濃度增長(zhǎng)。另外，原池A及池B為水泥磚砌污水中轉(zhuǎn)池，雖在實(shí)施地下水多相抽提前已拆除該池，但可能存在清理不徹底的情況，從而導(dǎo)致仍有污染物持續(xù)釋放至土壤及地下水中，使得W3、W9停止抽提后濃度增長(zhǎng)。因此，模型的運(yùn)行結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符，推斷的未知污染源所在位置較合理。

為進(jìn)一步推斷未知污染源的補(bǔ)給濃度，根據(jù)圖4校正調(diào)參流程，將表2觀測(cè)的不同時(shí)期濃度代人模型，調(diào)整MW-B7、W3、W9觀測(cè)井的PCE補(bǔ)給濃度，經(jīng)反復(fù)調(diào)參發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MW-B7、W3、W9補(bǔ)給濃度值分別為5、20、 50mg/L 時(shí)，模型的相關(guān)性最高，在第427天、第489天模型運(yùn)行的相關(guān)系數(shù)分別為 93% /86% ，總體相關(guān)系數(shù)為 90% ，表明各觀測(cè)井的濃度計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合很好，充分驗(yàn)證所取參數(shù)的合理性。

將模型校驗(yàn)獲得的MW-B7、W3、W9補(bǔ)給濃度值輸入模型。在地塊開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)管控第1天，PCE的影響范圍為 2017m² ，超標(biāo)范圍為 593m² ；第257天，PCE的影響范圍為 6355m² ，超標(biāo)范圍為 756m² 第432天，PCE的影響范圍為 7328m² 、超標(biāo)范圍為802m² ；第 1095 天，PCE的影響范圍為 7537m² 超標(biāo)范圍為 914m² ；第1825天，PCE的影響范圍為8375m² ，超標(biāo)范圍為 1158m² ；第3650天，PCE的影響范圍為 8 995m² ，超標(biāo)范圍為 1278m² 。模型模擬結(jié)果表明，隨著模擬時(shí)間的推移，PCE的影響范圍及超標(biāo)范圍均不斷擴(kuò)大，并有擴(kuò)散出廠區(qū)的趨勢(shì)（見(jiàn)圖5），若不及時(shí)清理3處的污染源，PCE的污染范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析佐證

根據(jù)模擬結(jié)果，在井MW-B7、W3和W9附近鉆探或利用光離子化氣體檢測(cè)器（PhotoIonizationDetector，PID）快速檢測(cè)氯代烴濃度，開(kāi)展?jié)撛谖廴驹次恢眉皾舛鹊某醪津?yàn)證。

PID 檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，W3和W9井附近存在多處重污染點(diǎn)位，其中W3附近多口監(jiān)測(cè)井氯代烴氣體總量超 1000mg/m³ ；W9及MW-B7周邊多口監(jiān)測(cè)井氯代烴氣體總量超 5000mg/m³ 。根據(jù)濃度分布明顯可見(jiàn)，原池A、池B所在區(qū)域?yàn)槲廴驹搭^。在初步驗(yàn)證后，取MW-B7、W3、W9地下水?dāng)?shù)據(jù)送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步檢測(cè)分析。測(cè)得W3及W9的氯代烴總量分別為13、41mg/L ，與模型預(yù)測(cè)的氯代烴總量12.5、 42.3mg/L 基本一致。

4結(jié)論

根據(jù)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，井MW-B7、W3和W9附近存在未知污染源，且補(bǔ)給濃度值分別為5、20和50mg/L 。模型運(yùn)行結(jié)果與地塊歷史生產(chǎn)狀況及現(xiàn)場(chǎng)隱患排查結(jié)果符合，并且與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，模型建立可信。在后續(xù)修復(fù)工程中，需盡快清除池A、池B處、MW-B7仍存在的污染源，以降低工程成本，提高治理效率。同時(shí)，為保證地塊在合同約定的工期內(nèi)達(dá)標(biāo)，還需要增加抽提井布設(shè)量，提高抽提速率，延長(zhǎng)抽提時(shí)間。

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