中试尺度下可渗透反应墙位置优化模拟<br/>——以铬污染地下水场地为例

中试尺度下可渗透反应墙位置优化模拟
——以铬污染地下水场地为例

2020-09-27吕永高蔡五田李敬杰

水文地质工程地质 2020年5期

吕永高，蔡五田，杨骊，边超，李敬杰

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定 071051)

可渗透反应墙(permeable reactive barrier，PRB)是指在地下水流动路径上设置反应材料的墙体，当污染物流经反应墙体时，与墙体内材料发生吸附、氧化还原、降解等一系列物理、化学及生物作用，污染组分被转化为无毒组分，或者滞留在墙体中，达到地下水修复的目的[1]。在PRB设计阶段，合理确定墙体尺寸、位置与填充材料是该项技术实施的关键问题之一。利用地下水数值模拟能够快速、灵活、准确地模拟墙体内外水流运动和溶质运移反应问题，为工程实施提供设计依据[2]。国外地下水PRB修复技术已发展成为一种成熟技术，有大量结合数值模拟指导墙体设计的案例，并取得良好效果。Starr 等[3]基于FLONET程序在某场地设计了堰坝式PRB尺寸并评价了反应材料渗透变化对墙体的影响。Shikaze等[4]利用FRAC3DVS程序模拟了不同情景下悬挂堰坝式PRB周边地下水流场的变化，用于指导PRB设计施工。Gavaskar等[5]基于MODFLOW和FLOWPATH程序归纳了均质含水层中连续式PRB和非均质各向同性含水层中堰坝式PRB捕获区的分布特征。Xu等[6]利用改进的MODFLOW和MT3DMS程序模拟反应材料渗透系数变化对墙体运行的影响。Zingelmann等[7]基于FEFLOW和PHREEQC程序合理设计了PRB的安装位置和尺寸，评估其有效性，以减小矿山开采的影响。但实际运用中，污染场地水文地质条件不同，目标污染物种类不同，PRB墙体选用的类型、尺寸、安装位置和填充材料均有所不同[8]。其中，若墙体位置、填充材料渗透系数设计不合理，可导致PRB修复效果不佳，甚至引起墙体失效。因此，在不同水文地质条件的污染场地实施PRB修复技术，有必要开展墙体位置优化模拟。此外，以往研究中多以全尺度PRB墙体为研究对象，选取捕获区宽度和滞留时间作为确定墙体位置的参考指标，但是中式尺度下PRB墙体不能完全截获污染羽，如何选取有效指标衡量不同布设方案的差异性，进而使墙体达到最佳修复效果的研究较少。

本文以Cr6+污染地下水场地为例，基于场地水文地质概念模型，以及室内试验确定的PRB墙体尺寸和填充材料配比，采用地下水流数值模拟手段，将PRB设置在不同地下水水流和污染浓度环境中，对比分析4种情景设置下PRB在捕获区宽度、滞留时间和Cr6+通量的处理能力，优选出PRB墙体的放置位置，为中式尺度下PRB工程实施提供技术依据。

1 场地水文地质概念模型

场地位于河南省北部某市郊区，原为一乡办铬盐厂，20世纪80 年代末期开始生产，90 年代初期关停，停产时铬渣堆残量约2×104t，铬渣堆位于生产车间北部约100 m，占地约6 000 m2(图1)。由于铬渣堆长期露天堆放且无防渗处理，已经对周边土壤及地下水造成了严重污染。

图1 铬渣堆周边土地利用类型Fig.1 Land use around the chromium-slag dumping site

依据场地详细调查建立的污染水文地质概念模型见图2。图2表明，研究区埋深50 m以浅存在两个含水层，地下水水位埋深2～3 m。铬渣堆在降水淋滤作用下，Cr6+垂向迁移至第一含水层，在地下水对流弥散作用下迁移扩散引起下游地下水污染。由于区内农灌井为混合开采，Cr6+迁移至混合井处发生串层迁移，造成第二含水层污染。此外，研究区主要接受侧向径流补给，自北向南径流，排泄于侧向径流和少量的农业开采，地下水流场基本处于天然状态。

考虑到沿地下水流向，含水层厚度逐渐增大，PRB墙体施工难度大，拟在铬渣堆下游200 m处，即PRB修复技术示范区第2排与第3排监测井之间安装PRB墙体(平面位置见图1，剖面位置见图2)。

图2 场地污染水文地质概念模型(据文献[9]改编)Fig.2 Hydrogeological conceptual model of the contaminated site

PRB修复技术示范区0～8 m和12～15 m岩性为粉质黏土至黏土，可概化为相对隔水层；8～12 m为中细砂，为第一含水层。根据第一含水层顶板和底板岩性、厚度及地下水埋藏特征，可将本层概化为无降水入渗和蒸发，无越流补给，流场基本处于天然状态的弱承压含水层。

2 地下水流数值模型

2.1 水流方程

基于水文地质概念模型，可将第一含水层地下水概化为平面二维稳定流。利用地下水数值模拟软件Visual Modflow 4.2建立第一含水层地下水流数值模型[10-12]：

(1)

式中：H——第一含水层地下水的水头/m；

Kx、Ky——x、y方向上的渗透系数/(m·d-1)。

2.2 模型确定

由于在孔隙介质污染场地地下水流数值模拟中，模型范围通常难以到达天然边界，可以人为划定边界并赋予其意义，常用的处理方法为绘制地下水流场，分别在垂直和平行等水位线的方向上确定模拟范围[13-14]。基于PRB修复技术示范区22眼监测井绘制地下水流场，根据流场形状确定模型东西边界垂直地下水流向，南北边界平行地下水流向，模型范围见图3。

平行于地下水位等水位线方向，可以将该边界概化为给定水头边界、定流量边界及通用水头边界；垂直于地下水等水位线方向的边界，可以作为隔水边界或者极小流量边界[15]。因此，模型中北部边界、南部边界处理为通用水头边界，东西边界定义为零流量边界。

图3 模型范围与边界条件Fig.3 Extent and boundary conditions of the model

一般网格剖分大小为1 m×1 m，但考虑墙体尺寸小，模拟精度要求高，墙体拟布设位置所在行列的网格剖分大小为0.2 m×0.2 m。

2.3 水文地质参数

基于slug-test试验求得22 眼监测井的渗透系数，利用Surfer13.0进行克里金插值。渗透系数分区与赋值情况见图4。

图4 渗透系数分区与赋值Fig.4 Division and values of hydraulic conductivity

2.4 模型识别

采用试估-校正法对模型进行识别与检验，流场拟合情况见图5，22眼监测井水位拟合情况见图6。图5、图6表明模拟流场与实测流场趋势吻合，监测井模拟值与观测值的绝对误差均小于5 cm，所建模型基本符合实际情况，满足使用精度。

图5 地下水流场拟合情况Fig.5 Fitting results of the groundwater flow field

图6 监测井水头拟合情况Fig.6 Fitting results of hydraulic head of the monitoring wells

3 不同墙体位置布设方案对比

3.1 墙体位置布设方案

为便于后期监测与评估，结合场地地下水流向，拟按4 个方案布设PRB墙体位置，即各方案下墙体垂直于地下水流向，墙体类型均为连续式，且墙体尺寸大小一致，均为长20 m×宽2 m×深12 m，仅平面布设位置不同，模型中不同方案的墙体位置见图7。其中，墙体渗透系数K是影响墙体运行的重要参数之一[16]，其填充材料由铸铁、活性炭和河沙按照一定比例混合组成[17]，由室内试验测得K值为80 m/d。

图7 墙体布设方案Fig.7 PRB’s layout scheme

3.2 评价指标确定

总结国内外PRB墙体设计经验，捕获区宽度Dcap和滞留时间Tres是衡量墙体设计的两个关键评价指标[18-19]，其定义见表1。Dcap的物理意义是平面上墙体可截获的污染羽范围，Tres的物理意义是污染物与反应材料的接触时间。Dcap和Tres是墙体完全截获污染羽条件下考虑的重要指标参数，但本次研究是中试尺度，不能完全截获污染羽，需引入另一个评价指标，即墙体Cr6+通量Mflu，其定义见表1，用于表征PRB墙体去除污染物能力。

3.3 指标值计算

3个评价指标的计算方法见表1。Dcap主要利用MODPATH模块计算墙体上游可以进入墙体的最大污染羽宽度。墙体长度为20 m，通过PARTICLES模块每2 m设置1个粒子，模型运行后11个粒子迹线见图8，求得平均滞留时间Tave：

(2)

式中：Tave——粒子平均滞留时间/d；

t1、t2、…、t11——每条流线上粒子的滞留时间/d。

表1 评价指标定义及计算方法

图8 捕获区宽度与滞留时间示意图Fig.8 Schematic diagram of the width of the capture zone and residence time

由于场地介质的非均匀性，PRB修复技术示范区Cr6+浓度空间分布复杂，用溶质运移模块拟合实际的污染物浓度分布存在一定难度。

本研究计算Mflu采用的方法为：根据墙体上游5眼监测井(PRB07至PRB11)，每眼监测井5个深度(2，4，6，8，10 m)的Cr6+浓度绘制等值线(图9)。分别求取4种布设方案下捕获区宽度内Cr6+的平均浓度Cave：

(3)

式中：Cave——Cr6+平均浓度/(mg·L-1)；

s1、s2、…、sn——离散为n个单元后每个单元的面积/m2；

c1、c2、…、cn——分别为s1、s2、…、sn对应的Cr6+浓度/(mg·L-1)。

利用ZONEBUDGET模块计算各方案下单位时间内通过墙体的地下水体积，即墙体水流通量Qflu；Cave与Qflu相乘得到Mflu。

图9 PRB07-PRB11监测剖面Cr6+浓度等值线Fig.9 Contour map of chromium concentration of the PRB07 to PRB11 monitoring profile

3.4 方案筛选

4种布设方案求取的评价指标值见表2。理论上，墙体捕获区宽度越大，粒子滞留时间越长，处理的污染物越多，则为最优方案。但实际上墙体捕获区宽度与滞留时间一般成反比[13]，原因为反应材料渗透系数增大，墙体捕获区宽度增大，粒子在墙体内部的滞留时间相对减小。因而方案筛选时，首先需要满足污染物在墙体内的滞留时间，若滞留时间不能保证，即使墙体能够截获整个污染羽，污染物也不能达到有效去除。室内柱实验求得Cr6+初始浓度250 mg/L、进水流速0.3 m/d条件下，满足滞留时间大于0.5 d，污染物去除率可高达99%。4种方案计算的滞留时间4.0～4.2 d，均可满足Cr6+与反应材料充分反应。若修复目标侧重墙体运行期间截获的污染羽范围，即捕获区宽度，由表2可知方案1在4种方案中较优；若修复目标侧重墙体对Cr6+的处理能力，即Cr6+通量，由表2可知方案2在4 种方案中较优。为确定最终布设方案，统计各评价指标平均值与变异系数，结果见表3。由表3可知，捕获区宽度、滞留时间平均值与实际值相差不大，变异系数小于2%，是因为场地含水层厚度、渗透系数等参数相差不大，水流模型求解结果相似；墙体Cr6+通量变异系数高达76.32%，是因为通过墙体的水流通量相差不大，但Cr6+浓度分布极不均匀，故Cr6+通量相差悬殊。因此在做方案筛选时，墙体Cr6+通量的权重应大于捕获区宽度。