基于GMS的某污染区地下水1,2-二氯乙烷的自然运移规律研究

摘 要：以上海市普陀区某1，2-二氯乙烷地下水污染场地为研究对象开展地下水污染相关研究，通过数值模拟分析污染物在自然条件下及抽水条件下的污染扩散趋势。根据场地前期环境调查结果，收集分析污染点位、浓度、深度及场地水文地质信息，利用GMS地下水模型系统中的MODFLOW与MT3DMS模型分别模拟该区域的地下水流场及1，2-二氯乙烷在不同抽提条件下的运移情况，分析污染物的运移规律。研究表明，初始污染浓度为7.2 mg/L的1，2-二氯乙烷在自然流场作用下，污染扩散主要受地下水流方向影响，经10 a扩散，污染点位中心污染物的浓度仍能达到2.7 mg/L，污染物扩散范围不断增大。抽提井的抽水作用能显著影响污染物的自然扩散，随着抽提井数量的增多，经700 d的抽提，污染羽中心污染浓度可降低至0.03 mg/L以下，满足《地下水质量标准》的第Ⅳ类筛选值的要求。

关键词：1，2-二氯乙烷；数值模拟；GMS；地下水；运移情况

中图分类号：X52 文献标志码：A 文章编号：1673-9655（2024）04-00-07

0 引言

随着工业农业快速发展，地下水面临严重的污染问题。地下水污染对生态及人类健康造成威胁，其关注与研究迫在眉睫。数值模拟凭借灵活度高、结果精确等特点成为目前研究地下水水量、水质的主要方法。地下水模型系统Groundwater modeling system，简称GMS，是在现有的地下水模型MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT和UTCHEM等的基础上，由美国杨百翰大学的环境模拟研究实验室和美国军方排水工程试验站共同开发的综合性地下水模拟软件[1]。与其他软件系统（Visual MODFLOW、FEFLOW）相比，GMS的优势在于可使用的模块多、模拟功能全面、可应用范围广、建模过程直观、使用方便等[2]。它可用于预测各类的地下水污染，如矿山、工业场地、垃圾填埋场、有机污染场地、土壤中的农药残留、废水灌溉和修复方案设计等。

通过应用GMS中合适的地下水模型可实现远距离、长周期内的地下水污染迁移模拟，找出污染扩散规律，加强对地下水资源的管理并指导对地下水的修复。王敏[3]等人早在2009年就东武水源地由于地下水开采导致的水位下降、水质退化等问题利用GMS的MODFLOW模块和MT3DMS模块对水源地周边的地下水流运动和污染物的溶质运移进行数值模拟，预测地下水流场的状态和对后续污染扩散趋势。王喆[4]等人不仅利用GMS对南水北调工程后某垃圾填埋场地下水的污染物的扩散进行预测，并对现有的采水方案从污染扩散的角度进行评价，但研究并未对采水方式和模拟赋值的过程进行详细阐述，不利于对该方法进行深入研究。兰斐[5]等人对某油井石油污染物的泄露进行模拟判断污染走势。GMS软件系统在地下水环境中更多应用于污染物泄露时的趋势模拟，是一种预测工具，本研究从地下水抽提修复的角度，不仅模拟预测污染物在自然条件下的扩散情况，还模拟了不同抽提井条件下污染物的扩散情况，可为后续地下水修复的抽出处理的布设提供新的思路和辅助方法。

本研究地块为上海市历史工业区，从20世纪80年代开始从事制毯、制笔、热力等化工生产业。自2010年开始，生产活动改为艺术经营类活动，到2020年园区内化工企业陆续退场。经场地调查，该区域存在地下水污染，污染物为1，2-二氯乙烷。氯代烃是常见的化工原料，随着工业废水和泄漏等方式进入地下水，成为常见的地下水污染物。大部分氯代烃都具有潜在致癌性、致畸性和致突变性，对周边居民及生态环境构成严重威胁[6]。本研究的目的在于利用GMS地下水模型系统模拟该地块内污染含水层的污染扩散情况及影响区域。GMS包含MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、PHT3D等主要计算模块。根据功能特点[7]，MODFLOW是专门用于空隙介质中地下水流动的三维有限差分数值模拟软件，可模拟均质、非均质及复杂边界条件的水流系统；FEAWATER主要用于模拟饱和流和非饱和流环境下的水流和溶质运移的三维有限元藕和模型。MT3DMS可模拟地下水中溶解成分的对流、弥散、源/汇和化学反应的三维溶质运移模型，可有效处理各种边界条件和外部源汇项，需要和MODFLOW

一起使用；PHT3D专注于多组分传输和地球化学反应，特别适合溶质相互作用的分析。根据本研究污染场景和研究目标，以单一1，2-二氯乙烷为示踪物，以前期场地环境调查测定的污染浓度为初始污染物模拟质量浓度，模拟该单一污染物在不同条件下的运移情况，暂不考虑1，2-二氯乙烷与其他溶质之间的相互作用，可选择适用性更广的MODFLOW模块搭配MT3DMS模块分别建立该场地的地下水流模型及污染溶质运移模型以完成污染模拟分析。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究地块用地面积约30000 m2，目前为空地，未来规划为医疗卫生用地和公共绿地。区域地貌属长江三角洲堆积平原，地面高程2.3～3.7 m[8]，

地形较平坦。区域内地下水流动情况复杂，区域500 m范围内无河流等水域，距离东部边界600 m处存在一条南北走向的河流。地下水总的方向为由东北向西南流动，最终向模型研究区西南部排泄。研究地块的地形、地貌及地质构造条件，决定了地下水的形成分布和运移规律，按含水层岩性特征及赋存条件，水力性质，该地区地下水类型为第四系松散岩类孔隙水。根据上海市2009—2020年间地面沉降时空分布统计分析[9]数据，相比虹口区、杨浦区、黄浦区、浦东新区，普陀区的地面沉降速率较低，较大区域范围内未形成明显的沉降漏斗，近年来有回升的趋势，在所有行政区域中地下水位处于较高水平[10]（2022年地下水位标高达到0.68 m）。该调查结果说明该普陀区地下水开采量和回灌量在较长时间内处于相对平衡的状态，该区域的地下水污染可考虑采取抽出处理的方法。

该区域位于大陆东岸的中纬地带，地下平坦，对来自北方的冷空气和南方的海风均无阻挡，气候受海洋影响明显，是典型的亚热带季风气候，温和湿润，雨量充沛，年平均气温16.1℃，年平均降水量为1200" mm。

2020年在对该区域的环境调查中发现，地下水14个监测井中仅存在一处1，2-二氯乙烷超标，浓度为7.12 mg/L，污染深度为表层，检出浓度超过《地下水质量标准》中的第Ⅳ类标准限制（0.04 mg/L）。经详细加密调查，地下水35个监测井中仅存在一处1，2-二氯乙烷超标，浓度为7.2 mg/L。超标点位示意图如图1所示。

1.2 分析方法

1.2.1 地下水流模型

根据水文地质概念模型可写出如下数学模型：

式中：Ω—地下水渗流区域；S1—模型的第一类边界；S2—模型的第二类边界；kxx， kyy， kzz—

表示x， y， z主方向的渗透系数（m/s）；w—源汇项，包括降水入渗补给、蒸发、井的抽水量和其他排泄量（m3/s）；μs—含水层或弱透水层的单位储水系数（1/m）；H0（x，y，z）—初始地下水水头函数（m）；H1（x，y，z）—第一类边界已地下水水头函数（m）；q（x，y，z，t）—第二类边界单位面积流量函数（m3/s）。

降水补给是该区域的地下水主要补给源，年平均降水量1200 mm，地区平均入渗系数为0.01，平面补给区的入渗速率为0.00003288 m/d。根据水文地质资料分析，模型采用三维地下水流动模型，深度为6 m，区域垂向概化为3层，分别为填土（0～1.8 m）、粉质黏土（1.8～4.0 m）、淤泥质粉质黏土（4.0～6.0 m）。地表根据实际资料高程信息进行控制，模型底层为-2 m高程面。模型长228 m，宽239 m，表面采用地表高程。通过3D Grid工具进行网格划分，将研究区域设置为40行40列，垂向共3层，共4800个网格（对于单个网格，X方向上的边长为5.7 m，Y方向上的边长为6.0 m）。通过前期场地环境调查的资料收集区域内地下水钻孔数据、地下水监测数据和土工模拟试验数据，整理得到本次模拟中所需要的地表高程数据、各地层底板数据以及各点位初始水头数据。

MODFLOW是一个三维有限差分数值模拟模型[11]，用于模拟多孔介质环境中的地下水流动。选择水流模型LPF，求解方式选择强隐式法，选择Recharge、Well软件包。研究区内为活动单元，研究区外围均设置为不活动网格，不参与计算。研究区域的东部、北部及东南角为定水头边界。以2D散点形式导入汇集的高程数据及水头数据，在MODFLOW中依次对含水层的顶板、第一层底板、第二层底板、第三层底板及初始水头进行赋值。

1.2.2 污染溶质传输模型

（1）自然条件下的污染扩散

MT3DMS是一个三维溶质传输模型，模拟地下水系统的对流、扩散和化学反应[12]，在已创建的MODFLOW模型上，新建MT3DMS模型。定义污染组分为1，2-DAC（1，2-二氯乙烷），污染点位的污染初始浓度为7.12 mg/L，应力期为3650 d（10 a），输出时间步长为50 d；选择对流、离散、点源及观测组件。根据场地地质勘测和前期场调资料，得到模拟所涉及的其他参数如表1所示。

（2）抽提井条件下的污染扩散

在上述自然条件污染扩散的模拟基础上，在污染区域附近设置抽提井，模拟抽提井在较低抽提条件下对污染物的扩散及抽提影响。分别设置6组、44组抽提井，为避免局部区域的地下水全部抽干，根据现场抽水试验的经验，设置较低的抽提速率为-0.003 m3/d，讨论未抽干情况下污染物的扩散情况。

2 模拟结果

2.1 地下水流场

经过MODFLOW模型计算，得到研究区域的地下水流场分布。图2所示的流场为地块内各点位的初始水头值，这些水头值来自于前期场地环境调查过程中的地质勘察资料，通过该流场可知，北部的水头普遍较高，西南角水头最低，该区域内地下水的主要流动方向为自东北向西南方向。图3为地质水文数据输入后通过迭代和求值数值方程得到的最终流场结果，反映了模拟的最终状态，受模拟过程中边界条件等因素的影响，在研究场地范围内，迭代计算的最终流场与实际情况基本一致，地下水流动方向均为自东北向西南方向流动，西北角存在水头最低处（根据1.2.1节3D grid的划分结果，对于单个网格，X方向上的边长为5.7 m，Y方向上的边长为6.0 m）。图中阴影部分为调查场地范围，图4为迭代求值的地块内地下水监测井位置所处的模拟结果和监测孔内的实际水位的比较结果，水位值较接近，偏差在-0.07～0.061 m，模拟较接近实际值。

2.2 污染溶质运移模拟

（1）自然条件下的污染扩散

地块范围内存在一处污染点位，污染物为1，2-二氯乙烷，污染位于表层，污染浓度为7.12 mg/kg。当流场内无任何其他地下水抽提活动，仅存在自然流场时，污染物在3650 d内的溶质运移模拟情况如图5（污染物在第50 d的扩散情况，全局图）、图6（分别显示污染物在第50、1000、2000、3650 d的扩散情况，局部放大图）所示，污染物在自然情况下扩散较慢，经10 a扩散，污染羽的中心污染浓度从7.12 mg/L降至2.7 mg/L，仍高于《地下水质量标准》中该污染物的第Ⅳ类筛选值0.04 mg/L。污染主要向西扩散，其中污染羽在南北向的跨径几乎没有变化，仍为18 m，东西向跨径由15 m扩散至约31 m（根据1.2.1节3D grid的划分结果，对于单个网格，X方向上的边长为5.7 m，Y方向上的边长为6.0 m）。地下水中污染物的自然扩散主要受地下水流的影响，污染扩散方向与地下水流方向相近，该结果与上海地区某非正规垃圾填埋场地下水污染模拟研究结论一致[13]。污染物在自然条件下，扩散速度慢，污染在地下水中的存积阶段长。

（2）抽提井条件下的污染扩散

在设置抽提井的条件下，井的数量及流量都会改变污染物的抽提情况。为避免局部流域被抽干，在较低流的抽提速率条件下模拟（-0.003 m3/d）。

模拟结果如图7、图8所示。

在污染点位附近设置9个抽提井时（图7），污染羽中心浓度在第1000 d有明显降低，由3.45 mg/L降至2.6 mg/L。在第3650 d，污染羽的形态也发生了较大变化，南北向跨径由18 m扩大为24 m，东西向跨径由18 m扩大为31 m（根据1.2.1节3D grid的划分结果，对于单个网格，X方向上的边长为5.7 m，Y方向上的边长为6.0 m）。相比自然扩散，污染物在南北向的分布跨径在抽提井作用下有较大的延长，由自然条件下的18 m扩大为24 m，抽提井的存在不仅加速了地下水中污染物的抽提，也加速了其在水平空间上的扩散。但在抽提井数量较少、抽提流量较低的情况下，经过同样的扩散时间，污染羽的中心浓度的降低不明显，仅比自然扩散情况降低0.1 mg/L。

在污染点位附近设置44个抽提井时（图8），相比设置9个抽提井，污染羽中心浓度降低更快更多。在第200 d，中心的污染浓度已降低至2.43 mg/L；在第600 d，污染羽的形态发生较大变化，南北向跨径由18 m扩大为30 m，东西向跨径由18 m扩大为33 m（根据1.2.1节3D grid的划分结果，对于单个网格，X方向上的边长为5.7 m，Y方向上的边长为6.0 m），中心最高浓度降至0.63 mg/L。在第700 d，中心浓度已降低至0.03 mg/L，低于《地下水质量标准》中的第Ⅳ类筛选值（0.04 mg/L）。相比设置9个抽提井，污染羽在南北向的分布跨径进一步延长，由24 m扩大为30 m；污染羽在东西向的分布跨径由31 m扩大到33 m。由此推测，污染物在南北向、东西向扩散的最大跨径与抽提井在南北向、东西向分布的最大跨径有关。

该结果证明，抽提井对污染物的自然扩散有较深影响。随着抽提井的增多，污染羽整体范围会变大，在非地下水流方向上扩散显著；此外，抽提活动加速了污染物的去除，当抽提井数量增加到一定值时，污染羽中心最高浓度可在较短时间内降低至修复目标。

本研究与其他污染地下水污染扩散研究[14，15]相比，地下水中的污染物为非持续性污染源，为初始污染量固定的污染羽，是历史工业生产活动造成的遗留污染。此外，污染地块所处的水文环境相对封闭，距离污染地块600 m范围内无水流等定水头边界，因此本研究以污染地块边界上的监测水位默认为固定水头值。本研究的污染情景属于常见的建筑地块污染，本研究的建模方法与研究结果可用于指导类似污染情景的地下水污染建模和抽提方案模拟。经本实验模拟研究，地下水抽出处理对该区域地下水的污染去除有效，建议后续该地块在污染范围内均匀布设抽水井，抽水深度可覆盖表层深度。本实验抽水速率为模拟数据，实际的抽水速率应在现场布设抽水井进行抽水试验测定，并结合工期要求进行确定。

3 结论

（1）利用GMS地下水模型系统中的MODFLOW模型对该地块的地下水流场进行模拟，模拟结果与地下水监测井的实际观测值接近，模拟有效，该流场模型可用于后续污染物的运移模拟。

（2）利用GMS地下水模型系统中的MT3DMS模型对该地块地下水污染物1，2-二氯乙烷的扩散进行模拟。自然条件下，1，2-二氯乙烷在地下水中的扩散主要受地下水流场影响，扩散方向与水流方向一致，扩散速度较慢，经10 a的扩散，污染羽中心的污染浓度仍可达到2.7 mg/L。在抽提井存在条件下，1，2-二氯乙烷在地下水中的扩散受地下水流场与抽提井的双重影响，不仅在地下水水流方向上（东西向）进行扩散，也在非地下水水流方向上（南北向）扩散；随着抽提井数量增加，污染羽中心浓度迅速降低，当抽提井数量为44口、抽提速率为0.003 m3/d，抽提时间为700 d时，污染羽中心浓度可降低至0.03 mg/L以下，满足《地下水质量标准》中的第Ⅳ类筛选值。

（3）抽出处理对该区域地下水的污染去除有效，建议后续该地块在污染范围内均匀布设抽水井，抽水深度可覆盖表层深度，并根据现场抽水试验确定稳定条件下的抽水速率，结合工期要求确定合适的抽水速率。

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