徐 亞,劉玉強(qiáng),胡立堂,劉景財(cái),董 路,能昌信

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填埋場(chǎng)井筒效應(yīng)及其對(duì)污染監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)效果的影響

徐 亞1,2,3,劉玉強(qiáng)1,2,胡立堂3*,劉景財(cái)1,董 路1,能昌信1

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,土壤與固廢研究所,北京 100012；3.北京師范大學(xué),地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心,北京 100875)

構(gòu)建了填埋場(chǎng)滲漏條件下,含水層-監(jiān)測(cè)井系統(tǒng)水流和污染物運(yùn)移的代表性概念模型.利用等效滲透系數(shù)法描述雙重介質(zhì)系統(tǒng)中的水流運(yùn)動(dòng)和水頭分布,而多孔介質(zhì)溶質(zhì)運(yùn)移的ADE方程和管流的一維溶質(zhì)運(yùn)移方程被分別用來(lái)模擬污染物在含水層和井孔中的遷移和分布,最終形成了描述滲濾液滲漏條件下監(jiān)測(cè)井-含水層系統(tǒng)中污染物遷移分布的控制方程.基于Fortan平臺(tái),編制了該方程的有限差分求解程序,應(yīng)用該程序模擬分析了填埋場(chǎng)滲漏條件下,地下水監(jiān)測(cè)井內(nèi)部及周邊水流和溶質(zhì)的運(yùn)動(dòng)、井筒存在對(duì)水流和溶質(zhì)運(yùn)移的影響.結(jié)果表明:井筒效應(yīng)影響井孔周邊的局部地下水流場(chǎng)和濃度場(chǎng),導(dǎo)致井孔內(nèi)下部區(qū)域污染物濃度增大,井筒外一定區(qū)域濃度減小;井筒效應(yīng)的影響隨著徑距增加而減小,當(dāng)徑距大于2倍含水層厚度時(shí),井筒效應(yīng)導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)誤差最大不超過(guò)20%.井徑對(duì)井筒效應(yīng)的影響較為復(fù)雜,并非單調(diào)增加.在本案例中,井徑小于0.1m時(shí),井筒效應(yīng)隨著井徑增大而增大;反之,當(dāng)井徑大于0.1m后,井筒效應(yīng)導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)誤差隨著井徑增大而減小.含水層滲透系數(shù)和比單位彈性貯水系數(shù)越大,井筒效應(yīng)的影響越小.因此具有強(qiáng)滲透性且孔隙度更大的卵、礫石含水層中,井筒效應(yīng)的影響更小;而對(duì)于弱滲透性或中等滲透性的砂土、砂黏土含水層,井筒效應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)效果的影響更大.

數(shù)值模擬；井筒效應(yīng)；填埋場(chǎng)；雙重介質(zhì)

填埋是固體廢物集中處置的主要手段[1],同時(shí)也是固體廢物環(huán)境危害集中產(chǎn)生的主要場(chǎng)所,而滲濾液滲漏污染地下水和惡臭氣體污染正是其環(huán)境危害表現(xiàn)的兩種主要表現(xiàn)形式[2-3].填埋場(chǎng)中的滲濾液包含重金屬及多種有毒有害有機(jī)污染組分,一旦滲漏不僅污染地下水,通過(guò)飲用地下水途徑長(zhǎng)期慢性暴露還將對(duì)周?chē)用竦娜梭w健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[4-5].通過(guò)建立科學(xué)的填埋場(chǎng)地下水污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng),填埋場(chǎng)運(yùn)營(yíng)單位及管理部門(mén)可跟蹤填埋場(chǎng)周邊地下水環(huán)境質(zhì)量的變化,及早識(shí)別和確定滲濾液滲漏,為其地下水污染控制爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間[6].

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非常重視,開(kāi)展了大量的研究.早在1993年美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)出版的《固體廢物處置設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》中就對(duì)固體廢物填埋場(chǎng)地下水監(jiān)測(cè)井提出了具體要求,包括監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)量、點(diǎn)位、成井方式、地下水樣品分析和測(cè)試流程、污染濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等諸多方面.加拿大、歐盟等也有類似標(biāo)準(zhǔn)[7].近年來(lái),國(guó)外學(xué)者開(kāi)始應(yīng)用地下水?dāng)?shù)學(xué)模型、統(tǒng)計(jì)學(xué)、空間插值、Monte Carlo模擬等方法[8-12]量化研究地下水監(jiān)測(cè)井布設(shè)和監(jiān)測(cè)效果評(píng)估,地下水監(jiān)測(cè)井優(yōu)化布設(shè)方法取得極大進(jìn)展.國(guó)內(nèi)方面,自2000年以后逐漸重視地下水監(jiān)測(cè),但該時(shí)期主要關(guān)注監(jiān)測(cè)井的數(shù)量[13].近10年來(lái),開(kāi)始逐漸重視監(jiān)測(cè)井的質(zhì)量-監(jiān)測(cè)效果,開(kāi)展了大量的監(jiān)測(cè)井網(wǎng)優(yōu)化研究[14-17],相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也逐步建立并完善.

地下水監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)效果的影響因素包括2類,即井網(wǎng)因素(如監(jiān)測(cè)井方位、數(shù)量、間隔)和井孔因素(如井筒大小、長(zhǎng)度、濾管長(zhǎng)度等).針對(duì)井網(wǎng)對(duì)地下水監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)效果的研究已經(jīng)大量開(kāi)展,基于模擬模型-優(yōu)化模型耦合的模擬-優(yōu)化方法已經(jīng)發(fā)展較為成熟,不僅可有效識(shí)別監(jiān)測(cè)井點(diǎn)位、數(shù)量因素對(duì)監(jiān)測(cè)效果的影響,通過(guò)反演優(yōu)化還能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)(如最大檢出概率、最小監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)、最及時(shí)監(jiān)測(cè)以及監(jiān)測(cè)費(fèi)用)約束條件下的最佳井網(wǎng)方案.另一方面,盡管井孔特性對(duì)監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)效果的影響同樣重要,相關(guān)研究卻相對(duì)匱乏.Bennett等[18]首先提出監(jiān)測(cè)井井筒的存在會(huì)導(dǎo)致含水層中出現(xiàn)優(yōu)先流影響監(jiān)測(cè)井周邊水頭和溶質(zhì)濃度的分布,即井筒效應(yīng).Church[20]通過(guò)對(duì)比分析測(cè)壓計(jì)式監(jiān)測(cè)井和常規(guī)監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),證實(shí)了常規(guī)監(jiān)測(cè)井可能導(dǎo)致的水位觀測(cè)誤差和對(duì)周邊流場(chǎng)的影響.在上述試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,Giddings[19]通過(guò)數(shù)學(xué)模型模擬分析了監(jiān)測(cè)井濾管長(zhǎng)度對(duì)地下水位分布的影響.陳等[21-23]發(fā)展了模擬井孔-含水層雙重介質(zhì)系統(tǒng)的EHC理論,并基于該理論系統(tǒng)模擬并分析了單層含水層系統(tǒng)中,監(jiān)測(cè)井井筒特性對(duì)地下水天然流場(chǎng)分布的影響;在此基礎(chǔ)上,徐亞等[24]進(jìn)一步分析了多層含水層系統(tǒng)中井筒特性對(duì)地下水天然流程分布及地下水位采樣的影響.

上述研究?jī)H限于分析井筒效應(yīng)對(duì)井周水流分布及水位監(jiān)測(cè)影響,而對(duì)井筒效應(yīng)對(duì)污染物運(yùn)移和分布的影響,還沒(méi)有對(duì)應(yīng)的模擬方法.需進(jìn)一步分析水流重分布之后井周局部區(qū)域內(nèi)污染物的時(shí)空重分布,以及由此引起的污染監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化和偏差.為此,本文擬以典型地下水污染源-填埋場(chǎng)滲漏為模擬監(jiān)測(cè)對(duì)象,基于填埋場(chǎng)的實(shí)際特征,構(gòu)建填埋場(chǎng)滲漏條件下監(jiān)測(cè)井內(nèi)部及周邊水流和污染物運(yùn)移的概念模型,利用等效EHC模型模擬水流運(yùn)動(dòng);在此基礎(chǔ)上耦合多孔介質(zhì)溶質(zhì)運(yùn)移的ADE方程和管流的一維溶質(zhì)運(yùn)移方程以分別模擬溶質(zhì)在地下水含水層和井管中的運(yùn)動(dòng),采用有限差分法對(duì)上述方程進(jìn)行求解,并基于Fortran平臺(tái)編制了其求解程序.應(yīng)用該程序,分析了填埋場(chǎng)滲漏條件下,地下水監(jiān)測(cè)井內(nèi)部及周邊水流和污染物的遷移、井筒存在對(duì)水流和污染物分布和運(yùn)移的影響,最后基于模型模擬結(jié)果提出了填埋場(chǎng)地下水監(jiān)測(cè)井設(shè)置的一些建議.

1 模型和方法

1.1 概念模型

我國(guó)填埋場(chǎng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中均明確規(guī)定應(yīng)在填埋場(chǎng)下游設(shè)置2~3口污染監(jiān)測(cè)井,其目的是盡早發(fā)現(xiàn)滲濾液滲漏,以便及時(shí)提出污染控制和應(yīng)急處理措施.同時(shí)滲濾液滲漏一般通過(guò)防滲膜上漏洞垂直滲漏,相對(duì)于整個(gè)填埋場(chǎng)漏洞面積較小,因此可處理為點(diǎn)源連續(xù)滲漏.如此就可將滲濾液滲漏后污染物在含水層以及監(jiān)測(cè)井中的運(yùn)動(dòng)概化如圖1a所示.滲濾液滲漏后,穿過(guò)包氣帶垂直下滲進(jìn)入其下方的承壓含水層中,在天然水力梯度作用下,向下游的地下水監(jiān)測(cè)井遷移擴(kuò)散.假設(shè)滲濾液中目標(biāo)污染物濃度為0,以定流量發(fā)生滲漏.同時(shí),為集中分析監(jiān)測(cè)井井徑、及其與滲漏源之間相對(duì)距離的影響,本文暫不涉及污染物的吸附解析、化學(xué)反應(yīng)等問(wèn)題.

圖1 模型概化和網(wǎng)格剖分示意

a-模型概化示意;b-水平網(wǎng)格剖分示意;c-垂向網(wǎng)格剖分示意

1.2 水流運(yùn)移方程

上述概念模型可視為由類似裂隙的井孔和含水層構(gòu)成的雙重介質(zhì)系統(tǒng),含水層介質(zhì)中的水流運(yùn)動(dòng)采用基于達(dá)西定律的承壓水非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的基本微分方程描述;井管中的水流運(yùn)動(dòng),可采用管流方程來(lái)描述,但需要解決不同流場(chǎng)邊界的耦合以及邊界分區(qū)的問(wèn)題.為此,Chen等[21-23]提出了等效EHC方法,將基于管流的能量損失方程,將井管中的水流方程改寫(xiě)成達(dá)西定律的形式,從而將井孔-含水層中的水流統(tǒng)一到一個(gè)控制方程下.基本思路如下:

根據(jù)流體力學(xué)圓柱管中水流的水頭損失(m)方程:

式中:Δ為水頭損失,m;為摩擦系數(shù),無(wú)量綱;為管長(zhǎng),m;為管內(nèi)直徑,m;為管內(nèi)平均流速,m/d;為重力加速度,m/d2.

當(dāng)管流為層流時(shí):

式中:為水力坡度,無(wú)量綱;為流體的重度,N/m3;

對(duì)于管流來(lái)說(shuō),其空隙率=1,依滲透流速=的關(guān)系,則=,故有

將此式與達(dá)西定律=×相對(duì)比,可得出井管層流狀態(tài)等效滲透系數(shù)K的表達(dá)式:

當(dāng)管流中的水流呈紊流狀態(tài)時(shí),管流方程可改寫(xiě)為:

這樣,整個(gè)井孔-含水層系統(tǒng)中的滲透系數(shù)就可以表達(dá)成如下形式:

如此,監(jiān)測(cè)井-含水層系統(tǒng)的水流運(yùn)動(dòng)便可耦合為一個(gè)方程,即承壓水非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的基本微分方程:

式中:為()處水頭降深,m;,源匯項(xiàng),T-1;s為比彈性儲(chǔ)水系數(shù),L-1;K為等效滲透系數(shù),m/d;為含水層滲透系數(shù),m/d;L和N分別為水流為紊流和層流時(shí)的井管水流的等效滲透系數(shù),m/d..

1.3 溶質(zhì)運(yùn)移方程

假設(shè)含水層系統(tǒng)中的溶質(zhì)運(yùn)移服從Fick遷移,那么其對(duì)流-彌散方程可表述如下:

式中:xx、yy和zz-分別為、和方向的水動(dòng)力彌散系數(shù),L2/T;v,v和v是地下水實(shí)際流速,m/d.

對(duì)于監(jiān)測(cè)井中的溶質(zhì)運(yùn)移,由于相較于長(zhǎng)度其井徑很小,同時(shí)井管內(nèi)軸向流速也遠(yuǎn)較徑向流速為大,可以忽略徑向的分子擴(kuò)散.因此在不考慮溶質(zhì)反應(yīng)的前提下,可得管段內(nèi)水質(zhì)一維的遷移方程為:

式中:為井孔深度處時(shí)刻的溶質(zhì)濃度(g/L);z為井管中垂向水流流速(m/d).

1.4 邊界條件和初始條件

模型上下和四周均無(wú)補(bǔ)給,因此邊界設(shè)為不透水邊界;初始時(shí)刻假設(shè)水頭面是水平的,各處降深均為0.

模型范圍,為保證模型外邊界不對(duì)模型內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生影響,需保證模擬時(shí)刻末外邊界處降深為零,故取模型徑距須足夠大,本研究先取為18km;根據(jù)計(jì)算結(jié)果,若外邊界處降深不為0則適當(dāng)增大.

1.5 模型求解方法

采用有限差分法對(duì)上述方程進(jìn)行求解,并基于Fortran平臺(tái)編制其程序代碼.

2 實(shí)例分析

如圖1所示,假設(shè)填埋場(chǎng)發(fā)生滲漏,滲濾液通過(guò)漏洞以864m3/d 的流量注入含水層中,漏洞下游若干距離處設(shè)置有1口監(jiān)測(cè)井.假設(shè)井徑分別為0,0.02, 0.05,0.1,0.2m,其中井徑為0m時(shí)可認(rèn)為該井為測(cè)壓計(jì)式監(jiān)測(cè)井,井筒不對(duì)周?chē)苜|(zhì)運(yùn)移產(chǎn)生影響,其他井徑的監(jiān)測(cè)井則為常規(guī)監(jiān)測(cè)井,井筒會(huì)對(duì)周?chē)骱腿苜|(zhì)運(yùn)移產(chǎn)生影響.

2.1 模型參數(shù)

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,填埋場(chǎng)下游監(jiān)測(cè)井應(yīng)該設(shè)置在填埋場(chǎng)邊界30~50m處,本文取38m.對(duì)于滲漏源強(qiáng)設(shè)置,美國(guó)EPA針對(duì)全美近百家填埋場(chǎng)的調(diào)查表明,基本所有填埋場(chǎng)防滲膜均存在破損和漏洞,形成滲濾液滲漏的優(yōu)先通道.以累積概率曲線估計(jì)破損頻率的中位值約為8.2個(gè)/hm2(以半徑1mm計(jì)算).中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院針對(duì)國(guó)內(nèi)填埋場(chǎng)調(diào)查研究表面,國(guó)內(nèi)填埋場(chǎng)防滲膜施工質(zhì)量較差,中位值可達(dá)27個(gè)/ hm2(以半徑1mm計(jì)算),將其等效為1個(gè)27mm的大漏洞.對(duì)于庫(kù)底面積為1hm2的填埋場(chǎng),通過(guò)該漏洞的滲漏速率可以根據(jù)下式計(jì)算,約0.01m3/s,即864m3/d.其他參數(shù)取值見(jiàn)表1.

=bp2(2w)1/2(12)

式中:為滲漏速率,m3/s;為漏洞半徑,m;b為形態(tài)系數(shù),取0.6;w為飽和液位高度,m,取3m;為重力加速度,m/s2.

表1 模型參數(shù)值

2.2 網(wǎng)格和時(shí)段剖分

時(shí)段剖分:采取變時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置,變時(shí)間步長(zhǎng)因子為1.05,模擬時(shí)段為127,總時(shí)段長(zhǎng)10d.

網(wǎng)格剖分:坐標(biāo)軸及網(wǎng)格剖分示意圖參見(jiàn)圖1b和圖1c.平面上采用不等距的結(jié)點(diǎn)(變網(wǎng)格)設(shè)置,結(jié)點(diǎn)距隨著與抽水井的徑向距離增大而增大,軸向總計(jì)設(shè)置個(gè)49結(jié)點(diǎn)(圖1b);垂向上,設(shè)置了21個(gè)等距結(jié)點(diǎn),單層結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為289個(gè),單層單元個(gè)數(shù)為584個(gè);整個(gè)模型結(jié)點(diǎn)數(shù)為289×21個(gè),單元數(shù)為584′21個(gè)(圖1c).

3 結(jié)果與討論

3.1 監(jiān)測(cè)井內(nèi)部濃度分布的影響

圖2為考慮井筒效應(yīng)下監(jiān)測(cè)井內(nèi)污染物濃度垂向分布情況.從圖2可知,當(dāng)井徑不為0時(shí),監(jiān)測(cè)井內(nèi)污染物濃度的垂向分布與井徑為0時(shí)存在明顯差異.同時(shí)隨著井徑發(fā)生變化,不同井徑條件下濃度的分布也有所差異.以圖2c為例,在地下水面處(深度=0m)處,不同井徑(0,0.02,0.05,0.10,0.20m)監(jiān)測(cè)井,井孔中心濃度均為3.8mg/L左右,而到深度10m處,不同井徑(0,0.02, 0.05,0.10,0.20m)監(jiān)測(cè)井,井孔中心濃度分別變?yōu)?.51, 0.69,0.73,2.51mg/L.顯然,當(dāng)井徑為0時(shí),監(jiān)測(cè)井內(nèi)不同深度位置處的濃度差異較大;而當(dāng)井徑不為0時(shí),監(jiān)測(cè)井內(nèi)不同深度位置處的濃度差異減小.在三維承壓含水層中,監(jiān)測(cè)井井筒內(nèi)會(huì)出現(xiàn)明顯的垂向水流,水流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)了污染物的垂向運(yùn)移和擴(kuò)散,使得垂向濃度梯度差減小[26].對(duì)于穿過(guò)多層承壓含水層的混合監(jiān)測(cè)井,井筒內(nèi)垂向水流可能更為明顯,由此導(dǎo)致的污染物垂向?qū)α骺赡芨鼮槊黠@[27].

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),井筒效應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)井內(nèi)垂向濃度分布的影響并非隨井孔直徑增加而單調(diào)增加.以圖2a為例,井徑從0.01m增大至0.1m時(shí),其井筒內(nèi)濃度垂向分布與井徑為0時(shí)差異逐漸增大,但從0.1m增大至0.2m時(shí),差異反而減小.徐亞等人研究[27]表明井筒內(nèi)垂向流量隨著井徑增大而增大,據(jù)此推測(cè)井筒效應(yīng)也應(yīng)該更為明顯才對(duì),筆者推測(cè)可能是井徑增大導(dǎo)致井筒體積成倍增加,因此盡管垂向流量也隨之增大,但污染物濃度經(jīng)過(guò)更大的井筒體積平均后井筒內(nèi)的垂向濃度反而有所減小.

圖2 不同徑距、井徑條件下監(jiān)測(cè)井井孔中溶質(zhì)濃度分布

a.徑距為2.18m;b.徑距為4.47m;c.徑距為38.53m;d.徑距為78.98m

另外,對(duì)于井徑相同的監(jiān)測(cè)井,井筒效應(yīng)隨著徑距增加而減小.以圖2中井徑0.1m的監(jiān)測(cè)井為例,徑距2.18,4.47,38.53,78.98m處,其第12層節(jié)點(diǎn)處(深度38.5m)濃度值分別為3.28,2.78,2.66,0.74mg/L;而對(duì)應(yīng)井徑為零的監(jiān)測(cè)井,其徑距為2.18,4.47,38.53, 78.98m時(shí),第12層節(jié)點(diǎn)處濃度值分別為0.37,0.38, 0.44,0.59mg/L;不同距離處,零井徑與有限井徑的濃度差值分別為2.91,2.42,2.22,0.15mg/L.顯然,井筒效應(yīng)的影響隨著徑距增大而逐漸減小.當(dāng)徑距大于含水層厚度時(shí),井筒效應(yīng)的影響急劇減小,如在78.98m處,有限井徑監(jiān)測(cè)井與零井徑監(jiān)測(cè)井的誤差僅為20%.詹紅兵等[28]研究也表明,當(dāng)徑距足夠大,井筒效應(yīng)導(dǎo)致的差異可以忽略.分析其原因,一方面因?yàn)閺骄嘣酱?距離滲漏源越遠(yuǎn),因此濃度越小;另一方面可能是由于距離滲漏源越遠(yuǎn),垂向滲漏引起的三維流越小,因而井孔內(nèi)的垂向水流也越小,井筒內(nèi)垂向的對(duì)流-擴(kuò)散減弱,井筒效應(yīng)影響降低.

3.2 監(jiān)測(cè)井周邊濃度分布

研究表明,井筒效應(yīng)的存在不僅導(dǎo)致井筒內(nèi)出現(xiàn)垂向水流,引發(fā)井筒內(nèi)垂向上水頭的重分布;同時(shí)由于井筒內(nèi)水頭的重分布進(jìn)而引起井筒內(nèi)外水頭和流場(chǎng)的重分布[26,29].而污染物的遷移擴(kuò)散是受水流影響的,因此可以合理推測(cè)井筒存在引起的水頭重分布會(huì)進(jìn)一步引起污染物濃度在井筒內(nèi)部及其周邊的重分布.上文已分析并證實(shí)了井筒內(nèi)垂向上濃度的重分布,那么井筒周邊的污染物濃度是否存在呢?本文進(jìn)一步模擬了零井徑及有限井徑下井筒周邊濃度的x-z剖面分布,以分析井筒對(duì)井筒周邊污染物濃度分布的影響.

零井徑和有限井徑條件下周邊污染物濃度分布的比較見(jiàn)圖3b.從圖3可以看出,在井筒存在條件下,井筒內(nèi),尤其是井筒內(nèi)的下部污染物濃度高于零井徑條件下;但在井筒外部的局部區(qū)域,污染物濃度低于零井徑條件下的.分析原因,這是由于井筒效應(yīng)的存在,井筒內(nèi)底層不斷接受上層高濃度地下水的垂向補(bǔ)給,導(dǎo)致井筒內(nèi)底部污染物濃度較同等情形下的零井徑的高.同時(shí),由于井筒內(nèi)垂向水流的存在,井筒內(nèi)上層的污染物不斷向下遷移,導(dǎo)致在井筒-含水層系統(tǒng)的上部,井筒內(nèi)外的水頭梯度和濃度梯度相較于井徑為零時(shí)增大,該深度處井筒內(nèi)外的污染物水平對(duì)流和擴(kuò)散增加,導(dǎo)致井筒外部局部區(qū)域的污染物濃度降低.

a.井徑為0的監(jiān)測(cè)井;b.井徑為0.2m的監(jiān)測(cè)井

3.3 參數(shù)敏感性分析

地下水在含水介質(zhì)中運(yùn)動(dòng),其流動(dòng)規(guī)律必然受含水層參數(shù)的影響,為此進(jìn)一步分析了不同含水層滲流參數(shù)(滲透系數(shù),比單位彈性貯水系數(shù)S)條件下監(jiān)測(cè)井井筒效應(yīng)的影響,模擬結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5.

以距離滲漏點(diǎn)2.18m處,井徑0.02m的監(jiān)測(cè)井為例分析s及其變化對(duì)井筒效應(yīng)的影響.從圖4中可知,比單位彈性貯水系數(shù)為0.0001,0.00001,和0.000001m-1時(shí),監(jiān)測(cè)井中頂層污染物濃度分別為5.36,4.95,4.87mg/L,;而監(jiān)測(cè)井中第12層節(jié)點(diǎn)處(深度38.5m)濃度分別為0.27,0.69,1.30mg/L.隨著s減小,井筒內(nèi)頂?shù)撞康奈廴疚餄舛炔顝?.09mg/L,逐漸減小至4.26,3.57mg/L.而如上文所述,井筒效應(yīng)的主要影響就是使得井筒內(nèi)垂向方向上的濃度梯度減小,因此,可以判斷Ss的減小使得井筒效應(yīng)的影響更為明顯.

圖5是不同滲透系數(shù)條件下,井孔內(nèi)溶質(zhì)濃度的垂向分布.以距離滲漏點(diǎn)2.18m處,井徑0.02m的監(jiān)測(cè)井為例分析滲透系數(shù)及其變化對(duì)井筒效應(yīng)的影響.從圖中可知,滲透系數(shù)為3,30,300m/d時(shí),監(jiān)測(cè)井第12層節(jié)點(diǎn)處(深度38.5m)濃度值分別為1.82, 0.70,0.23mg/L;而對(duì)應(yīng)井徑為零的監(jiān)測(cè)井,其滲透系數(shù)為3,30,300m/d時(shí),第12層節(jié)點(diǎn)處濃度值分別為1.25,0.37,0.11,mg/L;不同滲透系數(shù)(3,30,300m/d)條件下,零井徑與有限井徑(0.02m)的濃度差值分別為0.57,0.32,0.12mg/L.顯然,井筒效應(yīng)的影響隨著滲透系數(shù)增大而逐漸減小.Chen等[26]研究表明,井筒效應(yīng)產(chǎn)生的本質(zhì)原因是雙重介質(zhì),即井筒和含水層多孔介質(zhì)的滲流特性造成的.相比含水層,井筒具有更大的滲透性,根據(jù)達(dá)西滲流定律,在相同的水頭梯度下,井筒內(nèi)會(huì)比井筒外產(chǎn)生更大的水流速度.而隨著含水層滲透系數(shù)增大,井筒和含水層之間滲流特性的差異減小,井筒效應(yīng)也隨之減小.因此可以推測(cè),井筒效應(yīng)在砂土、黏土等弱滲透性含水層介質(zhì)中的影響將更為明顯,而在卵石、礫石等強(qiáng)滲透性含水層介質(zhì)中影響相對(duì)較弱.

圖4 不同比單位彈性貯水系數(shù)條件下,井孔內(nèi)溶質(zhì)濃度的垂向分布

圖5 不同滲透系數(shù)條件下,井孔內(nèi)溶質(zhì)濃度的垂向分布

4 結(jié)論

4.1 在三維承壓含水層中,同一水平位置不同高度處的水頭降深不一樣,由此導(dǎo)致的垂直方向的水頭差會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)井內(nèi)產(chǎn)生垂向水流.垂向水流的存在導(dǎo)致井筒內(nèi)及周邊局部區(qū)域水頭和污染物濃度的重分布,這即是監(jiān)測(cè)井的井筒效應(yīng).井筒效應(yīng)影響井孔周邊的局部地下水流場(chǎng)和濃度場(chǎng),導(dǎo)致井孔內(nèi)下部區(qū)域污染物濃度增大,井筒外一定區(qū)域濃度減小.

4.2 井筒效應(yīng)受監(jiān)測(cè)井與監(jiān)測(cè)對(duì)象的距離(即徑距)、監(jiān)測(cè)井井徑等因素影響.井筒效應(yīng)隨著徑距增加而減小,當(dāng)徑距大于2倍含水層厚度時(shí),井筒效應(yīng)導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)誤差最大不超過(guò)20%;井徑對(duì)井筒效應(yīng)的影響較為復(fù)雜,并非單調(diào)增加.在本案例中井筒效應(yīng)在井徑為0.1m時(shí)達(dá)到最大,井徑繼續(xù)增大井筒效應(yīng)導(dǎo)致的濃度監(jiān)測(cè)誤差反而減小.

4.3 井筒效應(yīng)還受含水層滲透系數(shù)、比單位彈性貯水系數(shù)影響.含水層滲透系數(shù)和比單位彈性貯水系數(shù)越大,井筒效應(yīng)的影響越小.因此具有強(qiáng)滲透性且孔隙度更大的卵、礫石含水層中,井筒效應(yīng)的影響更小;而對(duì)于弱滲透性或中等滲透性的砂土、砂黏土含水層,井筒效應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)效果的影響更大.

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Wellbore effect and its influence on contamination monitor well-a case study on groundwater monitor well around landfill.

XU Ya1,2,3, LIU Yu-qiang1,2, HU Li-tang3*, LIU Jing-cai1, DONG Lu1, NAI Chang-xin1

(1.Research Institute of Soil and soliid Waste, Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012, China；2.China State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.Engineering Research Center of Groundwater Pollution Control and Remediation of Ministry of Education, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)., 2018,38(8)：3113~3120

A representative conceptual model for water flow and contaminant transport in the aquifer-monitoring well system under the condition of leachate leakage was constructed. The Equivalent Hydraulic Conductivity (EHC) method was used to describe the water flow and head distribution in the dual-medium system, while the ADE equation and the 1-D solute transport equation for pipe flow were, respectively, used to simulate pollutants migration and distribution in the aquifer and in the wellbore, and eventually a governing equation describing the distribution of pollutants in the monitoring well-aquifer system under leachate emission conditions was constructed. A finite-difference method for this equation was developed based on the Fortan platform. This program was then used to simulate and analyze the effects of monitor well on the regional flow and solute movement in the interior and around the monitoring well, as well as its influence of the wellbore on the flow and solute transport. The results show that The wellbore effect affects the local groundwater flow field and the concentration field around the hole, which leads to the concentration increase in the inner and lower parts of the borehole, and the decrease of the concentration in the certain area outside the wellbore; the effect of the wellbore effect decreases with the increase of the distance. from well to leakage point. The monitoring error caused by the wellbore effect is not more than 20% when the distance is greater than 2times the thickness of the aquifer. The influence of well diameter on wellbore effect is rather complex, not monotonic. In this case, wellbore effect increases with the increase of well diameter, reaches the maximum at 0.1m, and then decreases. The greater the permeability coefficient of the aquifer and the greater the specific storativity, the smaller the influence of wellbore effect. Therefore, the effect of wellbore is less in the gravel and coarse gravel media aquifers with strong permeability and greater porosity, and the effect of wellbore effect on the monitoring effect is greater for the weakly osmosis or medium permeability sand and sand clay aquifers.

numerical simulation；wellbore effect；landfill；dual medium

X523

A

1000-6923(2018)08-3113-08

徐 亞(1985-),男,湖南岳陽(yáng)人,助理研究員,博士,主要從事固體廢物處置技術(shù)、污染探測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究.發(fā)表論文20余篇.

2017-11-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51708529;61503219);北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(8172048);中央級(jí)院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(2016YSKY14);山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2014DL008)

* 責(zé)任作者, 副教授, xuya@craes.org.cn