李梅

【摘 要】國外基本每個修復工程的方案設計階段都會用到數(shù)值模型，國內(nèi)環(huán)境修復領域尚處于起步階段，數(shù)值模擬方法在環(huán)境修復項目中應用較少。本文以上海某污染場地為例，利用GMS軟件中的Modflow和MT3DMS模塊進行地下水流場和污染溶質(zhì)運移模擬，預測地下水中污染物的遷移分布情況。同時，利用GMS中的HFB軟件包模擬了在場地東側(cè)設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，污染物會很快影響場地東側(cè)的地表河流水質(zhì)，從而對河流周邊及下游居民區(qū)造成危害；在場地東側(cè)設置垂直阻隔屏障，如隔離屏障的滲透系數(shù)達到10-7cm/s，短期內(nèi)可起到阻隔效果，達到10-8cm/s及以上時，隔離屏障的長期阻隔效果較好。實際施工時因水泥土攪拌樁銜接處較難以做到完全無縫對接，為保障隔離效果，建議在場地東側(cè)靠近河流處設置雙排水泥土攪拌樁隔離墻，隔離墻底部進入第⑥層暗綠色粉質(zhì)粘土層1～2m。上述模擬結(jié)果對該場地隔離修復方案設計和比選提供了重要依據(jù)。

【關鍵詞】地下水數(shù)值模擬；污染遷移；環(huán)境修復；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

地下水因其流動性，其污染問題相較土壤污染更加復雜，危害也更大，因此，地下水環(huán)境污染問題成為環(huán)保領域最為頭痛的難題。國外基本每個地下水污染修復工程的方案設計階段都會用到數(shù)值模型[1-2]，一方面可以更清楚地展示修復區(qū)的地質(zhì)和流場特征，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方案更為經(jīng)濟有效，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，國內(nèi)環(huán)境修復領域尚處于起步階段，數(shù)值模擬方法通常主要應用在地下水環(huán)境影響評價和地下水資源優(yōu)化管理中，而在環(huán)境修復項目中應用較少[3]。

本文選取上海市某污染場地作為研究區(qū)，在分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎上，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，并在模型識別及驗證的基礎上，構建了該研究區(qū)的污染溶質(zhì)遷移模型，模擬分析了該場地地下水中污染物的遷移分布趨勢。因該場地擬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場內(nèi)污染物遷移的阻隔效果，從而為研究區(qū)地下水污染修復方案設計提供重要的技術支撐。

1 研究區(qū)概況

模擬場地位于上海市嘉定區(qū)，屬濱海平原相，地勢平坦，區(qū)內(nèi)含水層主要接受大氣降水補給，多年平均降水量約1100mm。場地淺部地基土屬第四紀晚更新世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。

本場地東側(cè)瀕臨地表河流，河道寬約36～45m，調(diào)查期間水面標高約為2.5～2.7m，河流自南向北流動。場地內(nèi)潛水含水層與承壓含水層之間存在相對隔水層，聯(lián)系不密切，故本項目主要關注的含水層為潛水含水層。含水層中地下水流動以水平方向為主，垂向運動微弱。潛水含水層補給來源主要有大氣降水入滲及地表水徑流側(cè)向補給，其排泄方式以蒸發(fā)消耗為主。本次調(diào)查期間測得鉆孔中地下水穩(wěn)定水位埋深約0.5m～1.3m，相應標高為3.6m～4.4m，地下水總體上由西側(cè)地勢相對較高處向東側(cè)地表河流方向流動。

由于受長期工業(yè)生產(chǎn)影響，場地內(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，垂向上逐層精細刻畫、賦值。位于評價區(qū)西側(cè)平行于區(qū)域地下水位等值線的邊界設為定水頭邊界，場地東側(cè)的地表河流設為河流邊界，底部為隔水邊界。模型上部接受降雨補給和蒸發(fā)排泄，概化為有效凈補給，補給量取年均降雨量的5%～15%。場地水文地質(zhì)概念模型見圖2a。

根據(jù)本項目的阻隔方案，場地周圍設置垂直阻隔屏障，為了達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。頂部設置黏土和HDPE土工膜水平覆蓋的區(qū)域，降雨補給設為零?；谏鲜鲈O計方案的概化模型見圖2b。

3 地下水水流數(shù)值模型構建

3.1 數(shù)學模型

模擬區(qū)地下水流系統(tǒng)可用下列數(shù)學模型表述：

Ω—地下水滲流區(qū)域；

H—地下水位標高（m）；

K—滲透系數(shù)（m/d）；

t—時間（d）；

h0—初始水位標高（m）；

h1—第一類（定水頭）邊界水位標高（m）；

Г—一類邊界；

Г1—二類邊界；

n—邊界的外法線方向；

T—潛水含水層的導水系數(shù)（m2/d）；

q—第二類（定流量）邊界流量（m3/d）；

W—源匯項，單位時間在垂向上單位面積含水層中補給（排泄）的水量（m/d）。

上述數(shù)學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，可應用三維有限差分法，將該數(shù)學模型離散為有限差分方程組。這里采用地下水數(shù)值模擬軟件GMS中的MODFLOW模塊對本項目評價區(qū)內(nèi)的地下水流模型進行模擬。

3.2 三維地層模型精確刻畫

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

3.3 參數(shù)取值及模型識別

調(diào)查期間，現(xiàn)場采集土壤樣品送土工實驗室開展了室內(nèi)滲透試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，同時結(jié)合上海地區(qū)各土層參數(shù)經(jīng)驗值，確定了該場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，必須反映實際流場的特點。因此，在進行模擬預測前，先對數(shù)值模型進行校正（識別），即校正其參數(shù)以及邊界條件等是否能確切地反映計算區(qū)的實際水文地質(zhì)條件。將評價區(qū)內(nèi)地下水位作為模型識別的主要標志，結(jié)合場地水文地質(zhì)條件，通過計算水位和實測水位擬合分析，反復調(diào)整參數(shù)，最終得到了含水層參數(shù)（見下表1）。模型計算和實測地下水位等值線對比情況如圖5與圖6所示，模型識別取得了較為理想的效果，說明建立的模型是可靠的。

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

4 溶質(zhì)運移數(shù)值模型構建

4.1 溶質(zhì)運移數(shù)學模型

（1）控制方程

在模擬污染物擴散時，不考慮吸附作用、化學反應等因素，重點考慮對流、彌散作用。溶質(zhì)運移的三維對流-彌散方程的數(shù)學模型如下：

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—時間，d；

xi—沿直角坐標系軸向的距離，m；

Dij—水動力彌散系數(shù)張量，m2/d；

Vi—孔隙水平均實際流速，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[4-6]，通常介質(zhì)中的彌散度隨著溶質(zhì)運移距離的增加而加大，因此僅僅通過室內(nèi)彌散試驗難以獲得真實的彌散度數(shù)據(jù)。為更加真實的分析研究場地彌散參數(shù)，現(xiàn)場開展了針對第③和③夾層的野外彌散試驗，共布置了三口間距為2m的試驗井，井深10m，井徑200mm，濾管段為3.1～8.6m。依據(jù)試驗成果，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)場彌散試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合前人的研究成果，設置第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為0.1m，水平橫向彌散度與縱向彌散度的比值設為0.1，垂向橫向彌散度與縱向彌散度比值設為0.01。5 污染溶質(zhì)遷移模擬分析

5.1 未設隔離屏障的污染遷移模擬分析

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

根據(jù)場地環(huán)境調(diào)查結(jié)果，本場地中部分布有較大范圍的DNAPL類有機污染物，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，場地內(nèi)地下水中污染物隨水流向場地東側(cè)遷移，且遷移1年后即會影響至東側(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較好，污染物水平擴散范圍較大（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，污染物會很快影響場地東側(cè)的地表河流水質(zhì)，繼而對河流下游居民造成嚴重的污染。

5.2 垂直隔離屏障對場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模塊在場地東側(cè)靠近河流處設置隔離屏障，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K=1.0e-006cm/s時，距離隔離墻25m遠的污染源遷移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時基本類似（圖14）?？梢?，隔離屏障的滲透系數(shù)達到1.0e-007cm/s，短期內(nèi)可起到阻隔效果，達到1.0e-008 cm/s及以上時，隔離屏障的長期阻隔效果較好。

6 結(jié)論

1）利用GMS軟件中的Modflow和MT3DMS模塊進行地下水流場和污染溶質(zhì)運移模擬，預測分析地下水中污染物的遷移分布情況。結(jié)果表明，場地所在區(qū)域地下水流向由西向東，若不采取措施加以控制，污染物會很快影響場地東側(cè)的地表河流水質(zhì)，從而對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一步擴散。

2）該場地擬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軟件包模擬了在場地東側(cè)設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)達到1.0e-007cm/s，短期內(nèi)可起到阻隔效果，達到1.0e-008 cm/s及以上時，隔離屏障的長期阻隔效果較好。

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)可以達到10-7～10-8cm/s（水泥摻量15%），但實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接，為保障隔離效果，建議在場地東側(cè)靠近河流處設置雙排水泥土攪拌樁隔離墻，隔離墻底部進入第⑥層暗綠色粉質(zhì)粘土層1～2m。上述模擬結(jié)果對該場地隔離修復方案設計和比選提供了重要依據(jù)。

【參考文獻】

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[責任編輯：朱麗娜]