数值模拟在污染地下水抽出-处理-回灌修复技术中的应用.pdf
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1、数值模拟在污染地下水抽出-处理-回灌修复技术中的应用杜川1,2,陈素云1,2,李厚恩1,2(1.北京市勘察设计研究院有限公司,北京100038;2.北京市环境岩土工程技术研究中心,北京100038)摘要:受污染地下水对人体健康和生态环境有较深影响,采取经济合理的地下水修复技术尤为关键。抽出-处理-回灌技术是修复污染地下水的典型代表,溶质运移数值模拟是研究地下水污染物迁移转化的重要技术支撑手段。以北京某地块石油类污染地下水为研究对象,针对重污染区域采用中心抽水-四周回灌和对整个污染区采用逐排处理两种方案,运用数值模拟分析不同模式下地下水中污染物的时空迁移规律,确定污染物去除效果。结果表明:针对重
2、污染区优先处理时,将污染物处理达标需要约 23d;针对整个污染区采用逐排处理时,则需要 67 个处理周期(每周期 24d)。对重污染区域优先处理的模式可短期内使污染物浓度大幅降低,有效削减高浓度峰值,结合逐排抽出-回灌的修复模式,可更有效地使全区污染物浓度达到修复目标,两种模式结合使用具备技术可行性与高效性。关键词:地下水污染修复;抽出-处理-回灌技术;数值模拟;污染物运移预测中图分类号:X523文献标志码:ADOI:10.16803/ki.issn.10046216.2022090004Application of numerical simulation in pump-treat-rec
3、harge remediation technology ofpolluted groundwaterDUChuan1,2,CHENSuyun1,2,LIHouen1,2(1.BGIENGINEERINGCONSULTANTSLTD,Beijing100038,China;2.TheEnvironmentalGeotechnicalEngineeringTechnologyResearchCenterofBeijing,Beijing100038,China)Abstract:Pollutedgroundwaterhadaseriousimpactonhumanhealthandecologi
4、calenvironment,soitscriticaltoadopteconomicandreasonablegroundwaterremediationtechnology.Pump-treat-rechargetechnologywasatypicalrepresentativemethodfortheremediationofcontaminatedgroundwater,andnumericalsimulationofsolutetransportwasanimportanttechnicalsupportmeanstostudythemigrationandtransformati
5、onofgroundwaterpollutants.Takingthepetroleum-contaminatedgroundwaterofacertainsiteinBeijingastheresearchobject,twoschemeswereadoptedfortheheavilypollutedarea,namely,centralpumpingandperipheralreinjection,andthewholepollutedareawastreatedrowbyrow.Numericalsimulationwasusedtoanalyzethetemporalandspati
6、almigrationofpollutantsingroundwaterunderdifferentmodesanddeterminedthepollutantremovaleffect.Theresultsshowedthat23daysweretakenaboutforpollutantstoreachthestandardwhenprioritytreatmentwasgiventotheheavilypollutedarea,and67treatmentcycles(24dayspercycle)wererequiredwhenadoptingrow-by-rowtreatmentin
7、thewholepollutionarea.Theprioritytreatmentmodeforheavilypollutedareascouldsignificantlyreducethepollutantconcentrationinashortperiod.Itcouldreducethepeakvalueofhighconcentration,andincombinationwiththerow-by-rowrepairmode,thepollutantconcentrationcaneffectivelyreachtheremediationgoal.Thecombinationo
8、fthetwomodesshowedtechnicalfeasibilityandefficiency.Keywords:remediationofgroundwaterpollution;pump,treatandrechargeremediationtechnique;numericalsimulation;pollutanttransportpredictionCLC number:X523 收稿日期:20220901录用日期:20221018作者简介:杜川(1989),男,硕士、工程师。研究方向:污染地下水修复、地下水科学与工程。E-mail:引用格式:杜川,陈素云,李厚恩.数值模拟在
9、污染地下水抽出-处理-回灌修复技术中的应用J.环境保护科学,2023,49(4):113120.第 49 卷第 4 期2023 年 8月EnvironmentalProtectionScienceVol.49No.4Aug.2023石油应用于生活中方方面面。在石化生产区及加油站等地,由于油类物质及相关废水的排放、输送管线跑冒滴漏及防渗措施不完善等原因,往往造成地下水中石油类污染,并对当地的地下水环境造成严重威胁。人们已经意识到针对地下水中石油类污染开展治理工作的必要性和紧迫性,并将石油类污染物列为生态系统中应优先控制的潜在危险性大的毒害性污染物12。我国针对地下水中石油类污染的模拟工作与污染运
10、移相关问题的研究同步。20 世纪 80 年代,周维四等34对胜坨油田一区进行了数值模拟研究。随着地下水数值模拟研究的发展,人们更加专注与某一项污染物的运移特征及预测方面研究,如郑西来等5针对大庆油田对地下水中石油污染物运移的耦合模型开展了相关研究。这些前期研究在摸清地下水污染物运移机制、减少模型参数中的不确定性影响、提高模型模拟的精确度等方面对地下水石油类污染治理具有积极的意义;国外则越来越多的利用 GIS(地理信息系统)技术联合数值模拟技术对污染物运移进行专项研究,来系统的量化区域条件、环境影响以及健康影响6。在了解该项污染修复技术手段及国内外研究现状后,以北京市丰台区某石油化工地块为例,开
11、展了针对地下水中石油类污染物的运移模拟应用与研究。为获取真实的地块水文地质参数,先期开展了大量抽水与注水试验、弥散试验及抽出-曝气处理-回灌试验等现场工作78。在分析了地块的水文气象特征、水文地质条件等背景后,构建了地块水文地质概念模型,并利用地下水数值模拟软件对地块浅层地下水(即受污染含水层位)在修复过程中特征污染物(苯)的运移进行了数值模拟研究911。1 地块概况 1.1 水文地质条件根据勘察成果,地块地面以下 55m 深度范围内地层按沉积成因与年代划分为人工堆积层、新近沉积层及第四纪沉积层 3 大类,并按地层岩性及其赋水特性自上而下进一步划分为 8 个大层及其亚层。试验区三维地层结构,见
12、图 1。试验区地形较平坦,水位埋深在 24m 左右,水位年变幅较小。地下水类型为潜水,含水层介质以卵石、中砂为主。主要接受大气降水入渗和侧向径流补给,地下水径流条件较好,以侧向径流和人工开采为主要排泄方式。图 1 地块三维地质概念Fig.1 3D geological concept map of the site 1.2 污染现状地块的污染成因主要是油料在储存、运输、生产过程中的泄漏。地块地层以高渗透性砂、卵砾石层为主,易于污染物垂向迁移,经过长期的雨水淋溶、下渗等作用形成地块内的污染现状。地块地下水样品中苯超标率最大、超标倍数最高,因此选择苯作为模拟的目标污染物。地块主要污染源及苯浓度分布
13、,见图 2。图 2 地块地下水苯浓度分布Fig.2 Distribution map of benzene concentration ingroundwater of the plot 2 数值模拟技术概况数值模拟利用 VisualModflow 软件开展。该软件专门用于孔隙介质中地下水流动及溶质运移数值模拟,具体包括 Modflow(水流评价)、Modpath(平、剖面流线示踪)和 MT3D(溶质运移)3 部分。2.1 水流数学模型与模拟区地下水系统水文地质概念模型相对应的数学模型,见式(1):114环境保护科学第49卷Sht=x(Khx)+y(Khy)+z(Khz)+x,y,z ,t 0
14、ht=K(hx)2+K(hy)2+K(hz)2hz(K+p)+px,y,z a,t 0h(x,y,z,t)|t=0=h0 x,y,z ,t 0h n?r1=0 x,y,z 1,0Knh n?rx=q(x,y,t)x,y,z 2,t 0(hh)Knh n?r2=0 x,y,z 2,t 0(1)式中:为渗流区域;h 为含水层的水位标高,m;K 为渗透系数,md1;Kn为边界面法向方向的渗透系数,md1;S 为自由面以下含水层储水系数;为潜水含水层在潜水面上的重力给水度;为含水层的源汇项,d1;p 为潜水面的蒸发和降水等,d1;h0为含水层的初始水位分布,m;0为渗流区域的上边界,即地下水的自由表面
15、;1为渗流区域的水位边界;2为渗流区域的流量边界;3为混合边界;n为边界面法线方向;q(x,y,t)定义为二类边界的单宽流量/m3(dm)1。2.2 溶质运移数学模型利用上述地下水流模型建立模拟区的溶质运移模型。含有对流、弥散和源汇项、一级动力学衰减作用的溶质运移可采用以下的微分方程的定解问题表示12,见式(2):RCt=xi(DiCxj)xi(u,C)+qsnCsCxi,y,z ,t 0C(x,y,z,t)|t0=C0(x,y,z)x,y,z ,t 0C(x,y,z,t)|T1=C1(x,y,z)x,y,z j,t 0 DiCxj?2=fi(x,y,z)xi,y,z 2,t 0(2)式中:为
16、渗流区域;c 为污染组分浓度/mgL1;ui为 3 个方向下水实际流速,md1;Dij为水动力弥撒张量的 9 个分量;R 为阻滞因子,其值常1;c0为污染组分的初始浓度/mgL1;1为一类边界;c1为类浓度边界值,即在该边界上浓度值已知/mgL1;2为二类边界;fi为二类边界值,即通过该边界的溶质通量已知/mgm2;qs为源汇项单位流量;cs为源汇项溶质浓度;为一级反应系数。以上是 VisualModflow 软件的理论基础。3 数值模拟技术应用与分析为了确定合理的抽出-处理-回灌运行模式,在前期试验及抽灌井井间距、排间距确定的基础上,以地块潜水的代表性污染物苯为例,采用数值模拟技术对抽出-处
17、理-回灌过程中苯的水平向运移进行模拟,为确定地下水抽出-处理-回灌运行模式提供技术支撑。首先结合水文地质勘察成果,概化处理模拟区内含水层、边界及源汇项等特征条件,建立地块所在区域的水文地质特征模型,并建立水流模型及溶质运移模型1315,针对两种不同的地下水修复设计方案进行模拟预测。3.1 水文地质概念模型考虑到模型精度的需要,水文地质概念模型的建立利用了前期地块环境调查阶段勘察资料,经过一定分析和筛选后,最终选定了地质钻孔 22 个(孔深在 45m 深度范围内,深度以第一层含水层隔水底板以下 0.5m 为准)。模拟区地下水流从空间角度分析,地下水系统符合质量守恒定律和能量守恒定律;地块内地下水
18、为非稳定流并符合达西定律,可概化为三维流;含水层系统具有非均质性;地下水流。故可将模拟区概化为非均质各向同性的三维非稳定地下水流系统1516。3.2 地下水数值模型建立3.2.1模拟区空间离散数值模型模拟范围总面第4期杜川等:数值模拟在污染地下水抽出-处理-回灌修复技术中的应用115积约 638400m2。根据模拟区的含水层分布、边界条件和地下水流场等,在平面上剖分成大小为2100m1900m 的矩形单元,共 151 行、162 列,单元格总计 24462 个。其中模拟区域分为非活动单元格和活动单元格,对污染修复地块进行网格加密处理。网格剖分,见图 3。图 3 模拟区网格剖分图Fig.3 Me
19、sh division diagram of simulation area3.2.2模拟区垂向分层结合地块钻孔记录,将区域内地层概化为 7 层,其中第 7 层为含水层,也是修复目标层。数值模拟范围中地层垂向结构概化信息,见表 1。表 1 模拟区地层分布Table 1 List of stratum distribution in simulation area成因年代地层岩性模型层位人工堆积层黏质粉土填土1新近沉积层粉质黏土2细砂、卵石3第四纪沉积层粉质黏土4细砂5粉质黏土6卵石7注:卵石为潜水赋存层位。3.2.3边界条件模型以完整水文地质单元边界作为模型边界,模拟范围地下水水力梯度变化不大
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