地下水监测井铝污染溯源及运移模拟_张洋.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 019地下水监测井铝污染溯源及运移模拟张洋，童林林，李先瑞，杨国建(天津华北地质勘查局核工业二四七大队，天津 301800)摘要我国大部分的城市地下水受到不同程度的污染，开展城市地下水污染调查，对特征污染物进行溯源和溶质运移模拟十分迫切。文章利用前人的基本理论和研究成果，结合监测井水文地质特点，建立三维稳定流数学模型，采用地下水流动模型 Visual Modflow 和多组分溶质运移模型 MT3DMS 耦合，选取铝为特征污染物进行溯源，预测其迁移对土壤及地下水造成的影响。研究结果表明，距离超标井西南侧地下水上游约 150 m 处污染源铝浓度为14 8 mg/L，未来 100 a 监测井中铝因子向东运移约 85 m。总体来看，污染物需要在百年时间量级上才可能形成一定规模扩散，对地下水环境的影响在可接受范围内。关键词Visual Modflow;地下水;铝;污染溯源;运移模拟中图分类号P641 74;P641 2文献标识码A文章编号1004 1184(2023)03 0058 02收稿日期2023 02 20基金项目天津华北地质勘查局科研项目(HK2022 B5)作者简介张洋(1987 )，男，山东沂水人，工程师，主要从事水工环地质及水土污染防治工作。Contaminant traceability and migration simulationof aluminum in a groundwater monitoring wellZHANGYang，TONG Lin lin，LI Xian rui，YANG Guo jian(Nucleus Industry No 247 Brigade of Tianjin North China Geological Exploration Bureau，Tianjin 301800)Abstract:Most of the urban groundwater in China is polluted to different degrees It is urgent to carry out urban groundw-ater pollution survey，trace the source of characteristic pollutants and simulate solute transport Based on the basic theories andresearch results of predecessors，combined with the hydrogeological characteristics of monitoring wells，this paper establishes athree dimensional steady flow mathematical model，uses the groundwater flow model Visual Modflow and multi componentsolute transport model MT3DMS coupling，selects aluminum as the characteristic pollutant for tracing，and predicts the impactof its migration on soil and groundwater The research results show that the aluminum concentration of the pollution source is14 8 mg/L at about 150 meters upstream of the groundwater in the southwest of the well exceeding the standard，and the alu-minum factor in the monitoring well will move about 85 meters to the east in the next 100 years In general，pollutants need tospread on a certain scale in a hundred years，and the impact on groundwater environment is within an acceptable rangeKey words:Visual modflow;Groundwater;Aluminum;Contaminant traceability;Migration simulation0引言地下水资源是水资源的重要组成部分，也是山水林田湖草沙共同体的基本组成部分1。由于人类建设活动剧增，生活、工业、农业污染增多，地下水资源存在不同程度的破坏，尤其是华北地区城市，地下水污染程度较为严重，污染元素多且超标率高。为保护生态环境，需要分析特征污染物对地下水环境的影响，提出合理的预防和管控措施2。1模拟软件选择地下水污染溯源和预测常采用解析法和数值法。目前，国内外已经发展了一系列地下水污染物运移模拟软件，如BIOSCEEN、AT123D、MT3D 和 FEMWATE 等(表 1)。比较而言，数值法更能精确地刻画污染物的迁移转化规律，而Visual Modflow 软件是分析地下水渗流和溶质运移最常用的数值模拟工具。本次模拟在 Visual Modflow 水流模型基础上，利用 MT3DMS 建立溶质运移概念模型。污染质运移计算处于保守考虑，只采用对流、弥散、点源、运移观测组件和GCG 组件，即模拟过程主要考虑污染物在地下含水层中对流和离散作用下的迁移情况，不考虑其在含水层中的吸附、挥发、生物化学反应等衰减过程。2原理与方法2 1地下水流动模型法国工程师达西于1856 年通过实验获得达西定律关系式 2:Q=KHl或=Q=KI(1)式中:Q 是渗流量;是过水断面面积，包括砂颗粒和孔隙所占面积;H 是在渗流路径水头损失值;l 是渗流路径长度;I 是水力坡度，I=H/l，在实际地下水流中，水力坡度往往各处不同，水力坡度表示为 I=dH/dl;K 是渗透系数;v是地下水渗流速度，当水力坡度为 1 时，渗透速度数值上等于渗透系数。在达西定律和质量守恒定律基础上，可以得到地下水运动基本微分方程如下:xKxH()x+yKyH()y+zKzH()z+W=sHt(2)式中:K 是渗透系数(下标 x、y 和 z 代表流动方向)，s852023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3代表储水率，H 是水位，t 是时间，W 是源汇项。表 1地下水污染物运移模拟软件软件名称开发者求解方法可模拟过程可视化程序BIOSCEEN美国环境保护局解析法可模拟一维稳定流场中污染物的对流、弥散、吸附以及耗氧降解和一阶反应过程ExcelAT123DYeh G T解析法模拟污染物、放射性物质及热量在均质含水层中、稳定流条件下一维、二维、三维对流 弥散运移SEVIEW、DelfDGPlume 等MT3DZHENG C M数值法适用于模拟污染物在地下水中的对流、弥散、扩散作用和一些基本的反应降解过程GMS、VisualMODFLOW 等FEMWATEYeh G T数值法将饱和 非饱和带作为一个整体，模拟变饱和流场中变密度条件下的污染物运移问题GMSFEFLOW德国 WASY公司数值法模拟变饱和流场中变密度条件下的多相流、热量运移及多组分反应的有限元模型FEFLOWTOUGH2Pruess K数值法模拟三维孔隙或裂隙介质中多相流、多组分及非等温的水流及热量运移Petrasim2 2溶质运移模型根据监测井所处的环境水文地质条件，以非稳定流形式进行参数识别，溶质运移可用如下迁移控制方程来描述4:ct=xiDijCx()jxi(viC)WCs WC 1C 2bC(3)式中:是迟滞系数;b是介质密度;是介质孔隙度;C是组分的浓度;C 是介质骨架吸附的溶质浓度;t 是时间;Dij是水动力弥散系数张量;vi是地下水渗流速度张量;W 是水流的源和汇;Cs是组分的浓度;1是溶解相一级反应速率;2是吸附相反应速率。3污染物溯源及运移模拟3 1监测井概况该地下水监测井位于某工业园区，井深为 18 0 m。潜水水位标高 2 31 1 89 m，结合场地标高情况，埋深约 0 80 m以上地带为包气带，包气带土层主要为人工填土层素填土，粉质粘土，包气带综合垂向渗透系数为 3 99 10 5cm/s(0 034 m/d)，其下为粉质粘土(1)，垂向极微透水，是阻碍污染物向深层下渗的较好隔水层。潜水含水层为第四系松散岩类，厚度为 15 0 18 7 m，岩性主要为粉质粘土、粘土、粉土、淤泥质粘土，该部分潜水含水量较小，其下分布粉质粘土()，无论是水平渗透系数，还是垂直渗透系数，都在10 7 10 8cm/s 数量级5，是地下潜水良好的隔水底板。3 2模型剖分及模型参数以监测井为中心 2 公里范围建立模型区，将三维含水层系统剖为一个三维的网格系统，横向、纵向、垂向分别剖分为40 40 3 的网格单元，垂向上由上至下分别为包气带、潜水含水层、弱透水或隔水层。模型建立中，涉及的地下水流动模型参数包括:水头、高程、补给强度、储水率、渗透系数等;溶质运移模型参数包括:组分浓度、孔隙度、弥散度、扩散系数等。潜水含水层参数主要是根据模型区的水文地质条件、岩土实验、野外抽水试验等工作成果来确定，经过不断调整优化水文地质参数，确定潜水含水层水平渗透系数(Kh)介于0 05 0 20 m/d 之间，将垂直渗透系数(Kv)设置比水平渗透系数小一个数量级。由于没有现场实测数据，本次模型的有效孔隙度和弥散度采用前人总结的经验值。模型区含水层岩性主要为孔隙含水岩层，有效孔隙度设置为 0 3;其它参数包括:纵向弥散度值为 15 m，横向弥散度为纵向弥散度的 1/3。3 3污染溯源与运移预测地下水监测井铝含量为 0 55 mg/L。根据前期调查，选定距离超标井西南侧地下水上游约 150 m 处某化工企业作为污染源位置。基于最优化算法，经过大量模型反演工作，确定了给定污染点源处铝浓度为 14 8 mg/L(图 1)。随着时间的推移，污染物铝沿水流方向继续向东运移，迁移范围以监测井为偏圆心，往外浓度不断减小，由于流速相对较慢，污染物扩散速度极其缓慢。模拟 100 a 后，污染物最远运移了约 85 m，影响面积总共 1 0 104m2;500 a 后，污染物最远运移了约 900 m，影响面积总共 1 3 106m2;800 a后污染物最远运移了约 1 600 m，影响面积总共 6 6 106m2;1 000 a 后，污染物最远运移了约 2 700 m，影响面积总共9 9 106m2(图 2)。图 1污染源铝浓度反演图图 21000 年内污染物扩散范围4结语(1)Visual Modflow 所用的数值模拟方法能够较好地结合水文地质条件，有效地模拟地下水渗流和溶质运移过程。(2)由于地下水流速相对较慢，污染物扩散速度极其缓慢，特征污染因子铝 100 a 后运移了约 85 m，影响面积总共 1 0 104m2。总体来看，污染物需要在百年时间量级上才可能形成一定规模扩散，对地下水环境的影响在可接受范围内。(3)对铝污染源开展详细调查，查明场地污染现状。针对超标监测井，开展定期监测，并积极采取有效措施防止其对地下水环境产生进一步影响。参考文献 1薛丹 地下水的污染与修复J 环境与发展 2017 29(10)2彭华 地下水环境影响评价的必要性浅析J 河南水利与南水北调 2013(3)3王金婷 基于 Visual Modflow 的地下水污染物运移模拟J 华北国土资源 2018(06)4陈峰 基于 Visual Modflow 软件的地下水污染物运移模拟研究J 煤炭与化工 2021 44(02)5刘景兰 基于 GMS 的某典型石化园区地下水污染运移研究J能源与环保 2022 44(05)95第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月