地下水数值模拟在某污染修复项目中的应用

李梅

【摘 要】國外基本每个修复工程的方案设计阶段都会用到数值模型，国内环境修复领域尚处于起步阶段，数值模拟方法在环境修复项目中应用较少。本文以上海某污染场地为例，利用GMS软件中的Modflow和MT3DMS模块进行地下水流场和污染溶质运移模拟，预测地下水中污染物的迁移分布情况。同时，利用GMS中的HFB软件包模拟了在场地东侧设置不同渗透性能的垂直阻隔屏障后的隔离效果。结果表明，场地所在区域地下水流向由西向东，若不采取措施加以控制，污染物会很快影响场地东侧的地表河流水质，从而对河流周边及下游居民区造成危害；在场地东侧设置垂直阻隔屏障，如隔离屏障的渗透系数达到10-7cm/s，短期内可起到阻隔效果，达到10-8cm/s及以上时，隔离屏障的长期阻隔效果较好。实际施工时因水泥土搅拌桩衔接处较难以做到完全无缝对接，为保障隔离效果，建议在场地东侧靠近河流处设置双排水泥土搅拌桩隔离墙，隔离墙底部进入第⑥层暗绿色粉质粘土层1～2m。上述模拟结果对该场地隔离修复方案设计和比选提供了重要依据。

【关键词】地下水数值模拟；污染迁移；环境修复；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

地下水因其流动性，其污染问题相较土壤污染更加复杂，危害也更大，因此，地下水环境污染问题成为环保领域最为头痛的难题。国外基本每个地下水污染修复工程的方案设计阶段都会用到数值模型[1-2]，一方面可以更清楚地展示修复区的地质和流场特征，分析污染来源及迁移方向问题，另一方面也可以用来衡量哪种修复方案更为经济有效，比选提出推荐方案，甚至于模拟分析结果可以用于法律诉讼的重要依据。目前，国内环境修复领域尚处于起步阶段，数值模拟方法通常主要应用在地下水环境影响评价和地下水资源优化管理中，而在环境修复项目中应用较少[3]。

本文选取上海市某污染场地作为研究区，在分析研究区水文地质条件的基础上，建立了研究区水文地质概念模型及地下水流数值模型，并在模型识别及验证的基础上，构建了该研究区的污染溶质迁移模型，模拟分析了该场地地下水中污染物的迁移分布趋势。因该场地拟采取封闭隔离工程控制措施（包括垂直阻隔屏障和水平覆盖阻隔系统），利用上述数值模型也研究了垂直隔离屏障对场内污染物迁移的阻隔效果，从而为研究区地下水污染修复方案设计提供重要的技术支撑。

1 研究区概况

模拟场地位于上海市嘉定区，属滨海平原相，地势平坦，区内含水层主要接受大气降水补给，多年平均降水量约1100mm。场地浅部地基土属第四纪晚更新世Q3至全新世Q4沉积物，由浅至深分布有第①层填土、第②层粘土、第③层淤泥质粉质黏土，③夹层黏质粉土、第④淤泥质黏土、第⑤层黏土、第⑥层暗绿色粉质黏土（见图1）。其中第③夹层黏质粉土层厚度范围为0.3m～2.7m，由西向东逐渐增厚，水平向渗透性较好。

本场地东侧濒临地表河流，河道宽约36～45m，调查期间水面标高约为2.5～2.7m，河流自南向北流动。场地内潜水含水层与承压含水层之间存在相对隔水层，联系不密切，故本项目主要关注的含水层为潜水含水层。含水层中地下水流动以水平方向为主，垂向运动微弱。潜水含水层补给来源主要有大气降水入渗及地表水径流侧向补给，其排泄方式以蒸发消耗为主。本次调查期间测得钻孔中地下水稳定水位埋深约0.5m～1.3m，相应标高为3.6m～4.4m，地下水总体上由西侧地势相对较高处向东侧地表河流方向流动。

由于受长期工业生产影响，场地内土壤和地下水受到不同程度的挥发性、半挥发性有机污染物污染，污染范围和污染深度均较大。

2 水文地质概念模型

根据场地水文地质条件，将研究区内地下水系统概化为非均质、各向异性、三维稳定地下水流模型，垂向上逐层精细刻画、赋值。位于评价区西侧平行于区域地下水位等值线的边界设为定水头边界，场地东侧的地表河流设为河流边界，底部为隔水边界。模型上部接受降雨补给和蒸发排泄，概化为有效净补给，补给量取年均降雨量的5%～15%。场地水文地质概念模型见图2a。

根据本项目的阻隔方案，场地周围设置垂直阻隔屏障，为了达到阻止地下水迁移的目的，垂直阻隔墙的渗透性必须非常低；垂直阻隔屏障深度至第⑥层粉质黏土层顶部，底层利用渗透性比较低的黏土作为底部阻隔防渗层。顶部设置黏土和HDPE土工膜水平覆盖的区域，降雨补给设为零。基于上述设计方案的概化模型见图2b。

3 地下水水流数值模型构建

3.1 数学模型

模拟区地下水流系统可用下列数学模型表述：

Ω—地下水渗流区域；

H—地下水位标高（m）；

K—渗透系数（m/d）；

t—时间（d）；

h0—初始水位標高（m）；

h1—第一类（定水头）边界水位标高（m）；

Г—一类边界；

Г1—二类边界；

n—边界的外法线方向；

T—潜水含水层的导水系数（m2/d）；

q—第二类（定流量）边界流量（m3/d）；

W—源汇项，单位时间在垂向上单位面积含水层中补给（排泄）的水量（m/d）。

上述数学模型包括偏微分方程、初始条件、一类边界条件和二类边界条件，共同组成定解问题，可应用三维有限差分法，将该数学模型离散为有限差分方程组。这里采用地下水数值模拟软件GMS中的MODFLOW模块对本项目评价区内的地下水流模型进行模拟。

3.2 三维地层模型精确刻画

Modflow模块中可利用网格法和实体法刻画三维地质模型，但是网格法只适用于较为简单的地质模型，对于复杂的地层结构就显得力不从心。因此，本项目充分发挥场地中百余个钻孔数据优势，采用实体法较为精确地刻画了场地的三维地质模型，见下图3和图4。

3.3 参数取值及模型识别

调查期间，现场采集土壤样品送土工实验室开展了室内渗透试验，根据试验结果，同时结合上海地区各土层参数经验值，确定了该场地各土层的渗透系数。根据水文地质模型所建立的数值模型，必须反映实际流场的特点。因此，在进行模拟预测前，先对数值模型进行校正（识别），即校正其参数以及边界条件等是否能确切地反映计算区的实际水文地质条件。将评价区内地下水位作为模型识别的主要标志，结合场地水文地质条件，通过计算水位和实测水位拟合分析，反复调整参数，最终得到了含水层参数（见下表1）。模型计算和实测地下水位等值线对比情况如图5与图6所示，模型识别取得了较为理想的效果，说明建立的模型是可靠的。

在场地周围设置垂直阻隔屏障、顶部覆盖HDPE土工膜后，场地内部降雨补给设为零，场地及周边地下水流场形态发生显著改变（见图7）。设置阻隔屏障之后，场地西侧隔离墙外地下水位高出墙内约1.2m。

4 溶质运移数值模型构建

4.1 溶质运移数学模型

（1）控制方程

在模拟污染物扩散时，不考虑吸附作用、化学反应等因素，重点考虑对流、弥散作用。溶质运移的三维对流-弥散方程的数学模型如下：

式中：

C—地下水中组分的溶解相浓度，mg/m3；

θ—含水介质的孔隙度，无量纲；

t—时间，d；

xi—沿直角坐标系轴向的距离，m；

Dij—水动力弥散系数张量，m2/d；

Vi—孔隙水平均实际流速，m/d；

qs—含水层内源/汇的体积流量，1/d；

Cs—源或汇水流中组分的浓度，mg/m3；

（2）初始条件

初始浓度定为0mg/L，具体表述为：

C（x，y，0）=0

（3）边界条件

本次模拟将含水层各个边界均看做二类边界条件（Neumann边界），且穿越边界的弥散通量为0，具体可表述为：

-Dij=0（在Г2，t>0）

式中：Г2为Neumann边界。

4.2 弥散参数

含水层弥散度具有明显的空间尺度效应[4-6]，通常介质中的弥散度随着溶质运移距离的增加而加大，因此仅仅通过室内弥散试验难以获得真实的弥散度数据。为更加真实的分析研究场地弥散参数，现场开展了针对第③和③夹层的野外弥散试验，共布置了三口间距为2m的试验井，井深10m，井径200mm，滤管段为3.1～8.6m。依据试验成果，配线所得Peclet数为8（图8），纵向弥散度αL=0.5m。本次模拟根据现场弥散试验数据，结合前人的研究成果，设置第③和③夹层的弥散度为0.5m，第①层填土的纵向弥散度为2m，第②、④、⑤、⑥层黏土层纵向弥散度均设为0.1m，水平横向弥散度与纵向弥散度的比值设为0.1，垂向横向弥散度与纵向弥散度比值设为0.01。5 污染溶质迁移模拟分析

5.1 未设隔离屏障的污染迁移模拟分析

在地下水流模型的基础上，建立了研究区地下水流和污染物迁移耦合数值模型，利用该模型预测分析了场地内由于污染物泄漏对周边地下水环境可能造成的影响。

根据场地环境调查结果，本场地中部分布有较大范围的DNAPL类有机污染物，密度比水大，泄漏后易向下迁移，最后聚集在水平和垂向渗透性均较差的第④淤泥质黏土层顶。通过溶质迁移模拟分析可知，场地内地下水中污染物随水流向场地东侧迁移，且迁移1年后即会影响至东侧的地表河流，浅部地下水中污染物在迁移过程中因降雨淋滤和生物降解作用，污染物浓度逐渐降低（见图9），深层污染物迁移范围很小，浓度始终保持较高水平。第①层填土和第③夹层黏质粉土层由于渗透性相对较好，污染物水平扩散范围较大（见图10）。通过污染溶质迁移模拟分析可知，本场地内污染物浓度较高，范围较大，若不采取隔离措施加以控制，污染物会很快影响场地东侧的地表河流水质，继而对河流下游居民造成严重的污染。

5.2 垂直隔离屏障对场地污染迁移的阻隔效果分析

为分析垂直阻隔屏障的阻隔效果，在Modflow模型中利用HFB模块在场地东侧靠近河流处设置隔离屏障，隔离屏障的渗透系数分别取K=1.0e-006 cm/s、K=1.0e-007cm/s、K=1.0e-008cm/s和K=1.0e-009cm/s。通过模拟分析可知，当K=1.0e-006cm/s时，距离隔离墙25m远的污染源迁移400天后即可穿透隔离墙（图11）；K=1.0e-007cm/s，距离隔离墙25m远的污染源迁移2300天后开始穿透隔离墙（图12）；K=1.0e-008cm/s，污染物不再穿透隔离墙，而是在迁移约2000天后绕流到隔离墙后（图13）；K=1.0e-009cm/s，污染物的迁移规律与K=1.0e-008cm/s时基本类似（图14）。可见，隔离屏障的渗透系数达到1.0e-007cm/s，短期内可起到阻隔效果，达到1.0e-008 cm/s及以上时，隔离屏障的长期阻隔效果较好。

6 结论

1）利用GMS軟件中的Modflow和MT3DMS模块进行地下水流场和污染溶质运移模拟，预测分析地下水中污染物的迁移分布情况。结果表明，场地所在区域地下水流向由西向东，若不采取措施加以控制，污染物会很快影响场地东侧的地表河流水质，从而对河流周边及下游居民区造成危害，必须采取隔离措施控制污染进一步扩散。

2）该场地拟采取封闭隔离工程控制措施（包括垂直阻隔屏障和水平覆盖阻隔系统），利用GMS中的HFB软件包模拟了在场地东侧设置不同渗透性能的垂直阻隔屏障后的阻隔效果。发现隔离屏障的渗透系数达到1.0e-007cm/s，短期内可起到阻隔效果，达到1.0e-008 cm/s及以上时，隔离屏障的长期阻隔效果较好。

3）根据已有研究，常规水泥土搅拌桩隔离墙的渗透系数可以达到10-7～10-8cm/s（水泥掺量15%），但实际施工过程中由于水泥土搅拌桩衔接处较难以做到完全无缝对接，为保障隔离效果，建议在场地东侧靠近河流处设置双排水泥土搅拌桩隔离墙，隔离墙底部进入第⑥层暗绿色粉质粘土层1～2m。上述模拟结果对该场地隔离修复方案设计和比选提供了重要依据。

【参考文献】

[1]郑春苗，Gordon D.Bennett著，孙晋玉，卢国平译.地下水污染物迁移模拟[M]. 北京：高等教育出版社.2009： 240-280.

[2]C.W.Fetter著，周念清，黄勇译.污染水文地质学[M].北京：高等教育出版社. 2011：87-93.

[3]薛禹群，2010.中国地下水数值模拟的现状与展望[J].高校地质学报，16（1）：1-6.

[4]Geihar，L.W.，C. Welty， and K.W.Rehfeldt，1992.A critical review of data on field-scale dispersion in aquifers[J].Water Resour. Res.，28（7）：1955-1974.

[5]Neuman，S.P.，1990.Universal scaling of hydraulic conductivities and dispersivities in geologic media[J].Water Resour. Res.， 26（8）：1749-1758.

[6]李国敏，陈崇希，1995.空隙介质水动力弥散尺度效应的分形特征及弥散度初步估计.《地球科学： 中国地质大学学报》，20（4）：405-409.

[责任编辑：朱丽娜]