基于三维数值模拟的地下水污染防治措施研究

刘 莉

(济南天下第一泉风景区服务中心，山东 济南 250000)

1 环境概况

项目所在区域属于黄河、小清河冲积平原，地形开阔平坦，地势平缓，起伏较小。区域第四系厚45～50 m，地下水类型为松散岩类孔隙水，无好的含水层。勘查深度(30 m)内粉土层为相对含水层，埋藏较浅，富水性差；粉质粘土层为相对隔水层，局部有粘土层或粘土透镜体，厚度不稳定，透水性差。50 m以下为基岩裂隙水。

工作区地下水位埋深1.0～3.0 m，埋藏较浅，年内、年际水位动态较稳定，多年水位变幅在1.5 m左右，目前无开发利用。地下水主要接受大气降水补给、径流及蒸发排泄，地下水流向受地形、地势控制，基本流向为由北向南，排泄于南侧的小清河中。

2 区域水土环境分析

2.1 化工厂附近水土污染情况

铬盐是重要的无机化工产品，广泛应用于化工、轻工、冶金、纺织、机械等行业。2001年之前因我国缺少危险废物贮存和填埋污染控制技术标准，大多数铬渣堆场未采取有效的环境风险防护措施[1]。铬渣露天堆放、退役铬盐厂浸出车间环保措施管理不到位，造成附近区域土壤和地下水受到污染。

工作区西侧化工厂自1959年开始生产铬盐产品，经过长达半个世纪的铬盐生产、铬渣堆放、产品原料运输等行为，使得厂区内及周边的土壤及地下水受到了较为严重的铬污染。该化工厂相关污染调查报告指出，Cr污染与铬渣堆存、运输撒落及含Cr废水排放等有关，土壤和地下水污染情况具体如下：

2.1.1 土壤污染情况

场地内土壤中六价铬污染严重，最高浓度达到18 900 mg/kg，污染主要分布在北部原铬渣堆场、东部原铬渣堆场、东南部原铬盐车间及污水处理厂等区域。铬渣堆、铬渣填埋场、铬盐车间地段土壤中Cr(Ⅵ)含量总体上随土层深度增加而显著降低，地表下0～3 m土中Cr(Ⅵ)超标非常严重，整个厂区超标最大深度到地表下12 m。

2.1.2 地下水污染情况

厂区地下水中六价铬浓度超标监测井位主要分布在铬渣堆、铬渣填埋场、铬盐车间地段，以原铬渣堆场西南部和原铬渣填埋场中部浓度最高。

浅层地下水(深度<10 m)中六价铬浓度均>4 000 mg/L，深层地下水(<16 m)中六价铬浓度亦在200 mg/L以上；铬渣堆和铬渣填埋场两个区域的边界区域及铬盐车间的六价铬浓度在100～600 mg/L之间，深层地下水浓度较低，均在2 mg/L以下。其他地段地下水中六价铬浓度低于检出限(0.01 mg/L)。

综上，化工厂铬污染集中在铬渣存放、生产场地及周边小范围内，远离铬渣地段土壤和地下水中铬污染不明显。化工厂建于1919年，距今已有百年的历史，铬渣无防渗堆放也已存在几十年，但整体看土壤和地下水中铬超标仍集中在小范围内，说明铬类重金属受粘性土颗粒的吸附作用强，在地层中迁移速度慢、迁移难度大。

2.2 项目区附近水土环境分析

对项目区周边土壤和地下水进行了采样监测，结果表明：项目区土壤环境质量满足《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准；地下水中未检出六价铬，但高锰酸钾指数、总硬度、氨氮、亚硝酸盐氮、总大肠菌群、氯化物、硫酸盐、溶解性总固体部分指标存在不同程度的超标现象，分析原因主要是受场区内及周边人类活动等综合污染所致，已不符合饮用水标准。据水质腐蚀性评价，区域地下水具有弱腐蚀性。周边土壤和地下水中铬未出现超标现象，说明化工厂铬污染未扩展到周围土壤和地下水中。

3 帷幕工程设计

地下水污染治理技术归纳起来主要有：物理处理法、水动力控制法、抽出处理法 原位处理法[2，3]。物理屏蔽法作为一种永久性的封闭方法，主要用于处理小范围的剧毒、难降解污染物。其中的阻水帷幕法最早用在解决水电工程领域水电站岩体裂隙或土体孔洞等导水作用引起的破坏性作用[4]。幕墙能够优化原有土体或岩体裂隙等防渗功能，阻断由原有地层缺陷等造成的污染，隔断污染通道使地下水及土壤等免受大范围污染，从而达到堵水防渗目的[5，6]。

本工程为了防止因项目区施工基坑降水，改变地下水流场，阻止受污染的水土向东迁移影响项目区域，在项目区内设置阻水幕墙，阻挡地下水向东迁移，控制地下水污染扩散。

3.1 项目区概况

工作区涉及四处基坑，分别为A、B、C、D、E，具体参数见表1。这四处基坑与化工厂东界距离分别为：215 m、135 m、76 m、330 m和530 m

整个工作区南侧紧邻河流，与F和G两地块毗邻，目前这两个地块基坑已建设完成。工作区与化工厂相对位置见图1。

图1 评价地块相对位置图

3.2 帷幕工程设计

由于工作区与西侧化工厂距离较近，为了防止因区内基坑降水改变区域地下水流场，使得化工厂附近受到污染的地下水向东侧径流，导致地下水中铬污染扩散。沿工作区西边界设计了一条阻水帷幕，并于沿帷幕西侧间隔设置3眼回灌井，见图2。

3.2.1 帷幕位置及长度

考虑场地空间环境实际情况，结合水文地质条件及以往工作经验，区域地下水由北向南流动，北侧基坑距离化工厂相对较远，南侧基坑相对较近，认为北侧受基坑降水的影响比南侧小。将阻水帷幕设置在开发地块与化工厂之间，帷幕西侧留出设置监测井和回灌井的空间，帷幕与基坑之间留出降水井和基坑支护工程的空间。

考虑到帷幕两端的绕流问题，设计在主帷幕南北两端分别向东延伸，北端向东延伸约120 m到A地块中部，南端向东延伸约380 m到C地块的东边界。此设计方案避开了市政管线的穿越，保持了帷幕的完整性，更好的阻挡西侧污水渗流。

3.2.2 帷幕墙的深度

本工作区内相对含水层为粉土层，最大层底埋深为12.8 m，其下为粉质粘土及粘土层，为隔水层。根据阻水帷幕相关设计规范要求，帷幕桩进入下部隔水层(粉质粘土～粘土层)，3～5倍的桩径，即2.5～4.0 m，本次设计为3 m。

结合各基坑开挖深度及降水深度，设计帷幕深度如下：

A和B地块的西侧(bc段)及东延长段(ab段)、D地块南侧(ef段)设计帷幕深度为为16 m，C地块西侧(cd段)及南侧(de段)设计帷幕深度为18 m(见图2)。

图2 阻水帷幕设计平面示意图

3.2.3 施工工艺

常用帷幕阻水方法主要有：地下连续墙、钻孔咬合桩、高压旋喷桩帷幕截水、水泥搅拌桩、SMW施工法(Soil Mixing Wall)等[7]。高压旋喷桩帷幕截水由70年代由日本首先提出[8]，国内常用方法有：单管旋喷(水泥浆)、二重管旋喷(水泥浆+气)和三重管旋喷(水泥浆+气+水)[7]。高压旋喷桩由于价格低廉，阻水效果较好，在地下水控制工程中已占据主导地位[9]。

本工程采用高压旋喷桩施工工艺，见图3。高压旋喷桩桩长16.0 m和18.0 m，直径800 mm，桩间搭接200 mm，桩距600 mm，咬合宽度(有效厚度)530 mm，桩顶标高为自然地坪，采用隔行跳打形式，单排桩咬合形成帷幕墙。

图3 高压旋喷桩设计图

高压旋喷桩采用三重管法施工。根据土质条件通过试验确定高压喷射注浆的施工参数，高压水射流的压力大于20 MPa，气流压力0.7 MPa，水泥浆灌注压力1～5 MPa，提升速度为0.05～0.25 m/min，旋转速度为10～20 r/min。

帷幕工程的设计寿命：在无外力破坏—如地震或人工破坏条件下，高压旋喷桩阻水帷幕30～50 a内是有效的。

3.3 回灌井设置

为了便于日常监测地下水位的变化情况，在帷幕西侧施工6眼监测-回灌井(见图2中HG1～HG6)。基坑施工排水的同时，将帷幕内侧的排水注入回灌井，用来补充地下水，从而保证帷幕外测地下水位不产生较大的变化。

监测-回灌井设计井深13～15 m，井径300～400 mm，成井后抽水洗井。当基坑外侧水位降深超过0.5 m时进行回灌，回灌过程中保持井内水位高出静水位0.3 m。

4 数值模拟模型

为了验证帷幕工程阻隔地下水污染的效果，模拟分析基坑排水对区域地下水流场的影响，结合厂区水文地质条件，建立场地及周边(至影响范围外)地块的地下水渗流数值模型，加入基坑降水载荷，计算不同工况下地下水流场形态的变化，识别这种变化是否对化工厂地段形成影响，并对预测结果进行了分析研究。

4.1 数值模拟模型

采用Visual MODFLOW软件，建立地下水三维数值模拟模型。将面积为5 km2的模拟区剖分成50 m×50 m的矩形网格，并在拟建帷幕地段进行了加密处理，将帷幕地块加密到10 m×10 m的矩形网格(见图4)。

图4 模拟区网格剖分图

参考周边地块的岩土工程勘察报告，将评价区地层(30 m以内)概化为五层，分别是：(1)杂填土、(2)粉土、(3)粉质粘土、(4)粉土、(5)粘土—粉质粘土。采用2017年3月区内地下水流场作为模型初始条件，参照区域地下水流场图，模型东边界和西边界与地下水位线近垂直，概化为零流量边界，南边界为小清河，概化为定水头边界，北部边界为流量边界。

4.2 预测模型

模型预测范围即模型概化边界所包括的范围，重点预测评价区基坑附近、拟设帷幕墙周边等敏感位置。

4.2.1 模拟时段

基坑降水正常会在一年内结束，地下工程施工完毕后，地下水流场会逐渐恢复到初始状态。本次预测工作仅模拟施工期地下水流场变化，时段设置为1年，时间步长为5 d。

4.2.2 预测工况

本次工作设计了3种预测工况，分别为：

工况1：未设置阻水帷幕，且未设置地下水回灌井；

工况2：设置旋喷桩阻水帷幕，但未设置地下水回灌井；

工况3：设置旋喷桩阻水帷幕，且在帷幕西侧设置地下水6口地下水回灌井。

4.3 预测结果

4.3.1 工况1预测结果

由于长时间排水，四个地块内地下水已经疏干，受到基坑降水的影响，基坑西侧地下水流场出现了明显改变，水流方向改变较大，由原来的由北向南流动变为由西北流向东南，裕兴化工厂附近地下水会向东渗流，基坑排水的影响区域扩展到了裕兴化工厂区，西侧最大影响距离约400 m(见图5)。

图5 工况1下不同层位地下水等水位线图

4.3.2 工况2预测结果

经过1年的基坑降水，四个地块内地下水已经疏干，帷幕西侧地下水总体由北向南流动，帷幕基本阻挡了西侧地下水向基坑渗流，仅在帷幕附近等水位线略有上扬，即仍有少量渗流进入基坑，但影响范围较小，基坑降水的影响区域主要集中在帷幕东侧(见图6)。

图6 工况2下不同层位地下水等水位线图

4.3.3 工况3预测结果

增加了回灌井后，帷幕附近地下水位基本保持为初始水位，基坑降水未扩展至化工厂区，未造成污染扩散。此种工况能将基坑排水的影响范围控制到帷幕东侧的小范围内，西侧影响距离控制在帷幕附近20 m内，影响范围和影响程度达到最小(见图7)。

图7 工况3下不同层位地下水等水位线图

5 结语

(1)研究区水文地质条件相对简单，水土环境条件较差。为了防止化工区东侧施工因基坑降水导致地下水铬污染扩散，专门设计了阻水帷幕工程，为验证帷幕工程防护的有效性，采用Visual MODFLOW软件建立了工作区三维数值模型，经模拟验证，设置阻水帷幕后，帷幕基本阻挡了地下水向基坑渗流，增加了回灌井后，帷幕附近地下水位基本保持为初始水位，基坑降水未扩展至化工厂区，不会造成污染扩散。模拟结果与实际较为符合。

(2)三维数值模型能较好的刻画研究区水文地质条件，较精确的预测地下水流场形态变化，可推广应用于类似地下水防护工程防治效果预测。