在2025年，水污染問(wèn)題依舊嚴(yán)峻，地下水污染因其隱蔽性、流動(dòng)性，以及修復(fù)難度大等特性，成為環(huán)保領(lǐng)域的重點(diǎn)難題。工業(yè)活動(dòng)是地下水污染的重要來(lái)源之一，隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，工業(yè)企業(yè)搬遷后遺留的污染場(chǎng)地，對(duì)地下水環(huán)境構(gòu)成了長(zhǎng)期威脅。數(shù)值模擬技術(shù)作為一種高效的研究手段，在地下水污染遷移預(yù)測(cè)與防治策略制定中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。本文聚焦某化工廠地下水有機(jī)污染問(wèn)題，運(yùn)用三維數(shù)值模擬技術(shù)展開(kāi)研究，旨在為地下水污染防治提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。
某化工廠占地約 23000 平方米，主要生產(chǎn)甲烷氯化物和四氯乙烯?！?a href="http://www.74cssc.cn/report/16804679.html" target="_blank">2025-2030年全球及中國(guó)水污染行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》環(huán)境調(diào)查顯示，該化工廠地下水中 1,2 - 二氯乙烷、三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯超標(biāo)，對(duì)人體健康構(gòu)成不可接受的風(fēng)險(xiǎn)。具體數(shù)據(jù)如下表所示：
鑒于此，為防控水污染，該化工廠擬采用地下水阻隔技術(shù)，對(duì)污染區(qū)域?qū)嵤┐怪弊韪簦柚刮廴疚镞M(jìn)一步擴(kuò)散。
研究區(qū)涵蓋化工廠區(qū)及其周邊受影響區(qū)域，總面積約 77760 平方米。該區(qū)域?qū)俚蜕角鹆甑孛玻傻蜕降孛?、丘陵地貌、平壩地貌和溝谷地貌組成，年平均降水量 780.7 毫米。研究區(qū)淺部地基土包含第四系全新統(tǒng)人工成因雜填土、第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)粘土，以及侏羅系中統(tǒng)泥巖、砂巖。
研究區(qū)地層可分為三層：第一層為雜填土，厚度 4.80 - 9.20 米;第二層為沖洪積粉質(zhì)粘土層，厚度 0.60 - 7.10 米，滲透性差，為相對(duì)隔水層，滲透系數(shù)為 5.0×10?? - cm/s，由西至東逐漸增厚;第三層主要由強(qiáng)風(fēng)化泥巖構(gòu)成，區(qū)域含水層厚度 5 - 14.2 米，層厚 2.70 - 3.90 米，滲透系數(shù)為 3.5×10?? - cm/s 。此外，存在一層隔水層，主要巖性為中風(fēng)化泥巖，滲透系數(shù)平均值為 5.58×10?? - cm/s，屬微透水層。
研究區(qū)地下水類(lèi)型分為上層滯水和基巖孔隙裂隙水。上層滯水主要分布在雜填土中，平均厚度約 6.0 米，主要由大氣降水、周邊居民生活用水及地表水滲透補(bǔ)給，通過(guò)蒸發(fā)、地下徑流方式排泄?；鶐r孔隙裂隙水則賦存于砂巖、泥巖風(fēng)化帶及裂隙中，補(bǔ)給來(lái)源為降雨入滲和地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給。
研究發(fā)現(xiàn)，第二層強(qiáng)風(fēng)化泥巖滲透系數(shù)約 3.5×10?? - cm/s，是地下水污染物快速擴(kuò)散的主要通道。因此，計(jì)劃在該含水層設(shè)置滲透系數(shù)達(dá) 10?? - cm/s 的止水帷幕，以降低污染物遷移速度，防控水污染。
水文地質(zhì)概念模型通過(guò)對(duì)含水層的邊界性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、滲透性質(zhì)、水力特征及補(bǔ)給排泄條件進(jìn)行概化，為數(shù)學(xué)與物理模擬奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建地下水水流模型和地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型。
地下水水流模型采用如下數(shù)學(xué)模型描述研究區(qū)域的地下水流動(dòng)問(wèn)題：????x?(Kx?x?H)+?y?(Ky?y?H)+?z?(Kz?z?H)+W=μs?t?H,(x,y,z)∈S;H(x,y,z,t)=H0(x,y,z),(x,y,z)∈S,t=0;H∣B1=H1(x,y,z,t),(x,y,z)∈B1,t≥0K?n?K∣B2=q(x,y,z,t)=0,(x,y,z)∈B2,t≥0。其中，Kx、Ky、Kz為 x、y、z 方向的滲透系數(shù)(m/d);H 為地下水水頭(m);B1為已知水頭邊界(第一類(lèi)邊界);B2為隔水邊界;H1為水位(m);W 為源匯強(qiáng)度(d?1);Q 為滲流區(qū)域;μs為儲(chǔ)水率，取值 0.0009。
地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型用于預(yù)測(cè)溶質(zhì)在地下水中的運(yùn)移，通過(guò)數(shù)學(xué)公式和基本條件描述溶質(zhì)的運(yùn)動(dòng)、降解等物理化學(xué)過(guò)程。該模型由控制方程、初始條件和邊界條件構(gòu)成，具體如下：???Rθ?t?C=?xi?(θDij?Xj?C)??xi?(θviC)?WCS?WC?λ1θC?λ2ρbC,(x,y)∈SC(x,y,t)=C0(x,y,t),(x,y)∈S,t=0C(x,y,t)∣Γ1=C1(x,y,t),(x,y)∈Γ1,t≥0θDij?Xj?C∣Γ2=f1(x,y,t),(x,y)∈Γ2,t≥0
式中，C 為溶解于水中的污染組分濃度(mg?L?1);Dij為水動(dòng)力彌散系數(shù)張量(m2?d?1)，模擬時(shí)彌散度取 0.528m，且DT=DL/10(DL為縱向彌散系數(shù)，DT為橫向彌散系數(shù));xi為空間位置坐標(biāo)(m);vi為地下水滲流速度張量(m2?d?1);W 為水流的源(正值)或匯(負(fù)值，1/d);θ 為介質(zhì)的孔隙度(無(wú)量綱);Cs為源或匯中污染組分的濃度(mg?L?1);λ1為溶解相一級(jí)反應(yīng)速率(1/d);ρb為多孔介質(zhì)的密度(mg?dm?3);C為介質(zhì)骨架吸附的污染組分的濃度(mg?L?1);t 為時(shí)間(d);R 為阻滯因子(無(wú)量綱)，考慮含水介質(zhì)對(duì)污染物的滯后阻滯效應(yīng)，取值 1;Γ1為已知濃度邊界，C1(x,y,t)為已知濃度邊界上的濃度值;Γ2為通量邊界，f1(x,y,t)為邊界Γ2上已知的彌散通量函數(shù)。
研究區(qū)域近似長(zhǎng)方形，為提高模擬結(jié)果的精確度，對(duì)研究區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行剖分。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合廠區(qū)及周邊水文地質(zhì)特征，平面采用 10×6m 網(wǎng)格，將區(qū)域劃分為 36 行、36 列，單層網(wǎng)格數(shù) 1296 個(gè)，實(shí)際模擬平面面積為 77760 平方米。研究區(qū)域內(nèi)地形高程采用散點(diǎn)輸入結(jié)合 IDW 插值法模擬賦值。
通過(guò)模型預(yù)測(cè)和迭代，調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)及各參數(shù)的分區(qū)大小，當(dāng)模擬的地下水流場(chǎng)與實(shí)際地下水流場(chǎng)達(dá)到最佳擬合度時(shí)，可認(rèn)為模擬結(jié)果可信。
運(yùn)用上述構(gòu)建的溶質(zhì)模型，模擬天然狀態(tài)下和阻隔情景下第 20 天、第 100 天、第 800 天、第 2000 天地下水污染物的擴(kuò)散遷移情況。
天然狀態(tài)下，第 20 天時(shí)，1,2 - 二氯乙烷污染物順地下水力梯度在廠區(qū)范圍內(nèi)遷移擴(kuò)散;第 100 天時(shí)，污染羽逐漸擴(kuò)大;第 800 天時(shí)，污染羽經(jīng)遷移擴(kuò)散后逐漸融合，東南側(cè)污染羽已擴(kuò)散至廠區(qū)外;第 2000 天時(shí)，污染羽整體向地下水下游遷移，部分遷移至研究區(qū)域外。而在阻隔情景下，第 20 天至第 2000 天，1,2 - 二氯乙烷污染羽始終被控制在廠區(qū)范圍內(nèi)，有效防控了水污染擴(kuò)散。
天然狀態(tài)下，第 20 天時(shí)，三氯甲烷污染羽明顯遷移擴(kuò)散;第 100 天時(shí)，在水力梯度作用下污染羽間距縮小;第 800 天時(shí)，部分污染羽相互融合，東南側(cè)污染羽遷移出廠區(qū)邊界;第 2000 天時(shí)，污染羽沿地下水流向整體遷移和擴(kuò)散，大部分遷移擴(kuò)散至研究區(qū)域外。阻隔情景下，三氯甲烷污染羽擴(kuò)散幅度較小，第 2000 天時(shí)仍被控制在廠區(qū)范圍內(nèi)，降低了水污染風(fēng)險(xiǎn)。
天然狀態(tài)下，四氯化碳在水力梯度作用下快速遷移，第 800 天時(shí)污染已擴(kuò)散至廠區(qū)范圍外，第 2000 天時(shí)對(duì)研究區(qū)域外環(huán)境造成影響。阻隔情景下，水力梯度的影響被去除，四氯化碳只能通過(guò)濃度梯度擴(kuò)散遷移，第 2000 天時(shí)污染羽仍被控制在阻隔區(qū)域內(nèi)，有效防止了水污染范圍的擴(kuò)大。
天然狀態(tài)下，四氯乙烯在地下水中快速擴(kuò)散遷移，在水力梯度作用下污染羽形狀呈細(xì)長(zhǎng)狀，第 800 天時(shí)已遷移至廠區(qū)外，第 2000 天時(shí)擴(kuò)散至研究區(qū)域外。阻隔情景下，四氯乙烯僅隨濃度梯度擴(kuò)散遷移，遷移速率低，污染羽呈圓形或橢圓形，第 2000 天時(shí)仍被控制在廠區(qū)范圍內(nèi)，遏制了水污染的蔓延。
本文圍繞某化工廠地下水有機(jī)污染問(wèn)題，構(gòu)建研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型和氯代烴污染物溶質(zhì)運(yùn)移模型，借助三維數(shù)值模擬技術(shù)，預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)地下水中污染物的分布遷移情況。研究結(jié)果表明，天然狀態(tài)下，地下水污染物自第 20 天起逐步擴(kuò)散，對(duì)廠區(qū)外環(huán)境造成影響。而在建立垂直阻隔后，污染物主要富集于污染中心附近，有效降低了地下水污染風(fēng)險(xiǎn)范圍。相比于天然狀況，建立垂直阻隔后，地塊內(nèi)水頭趨近穩(wěn)定，污染物在自身濃度差作用下運(yùn)移，始終富集于污染中心附近。此外，地下水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果顯示，地下水阻隔技術(shù)可有效降低地下水流場(chǎng)對(duì)污染物擴(kuò)散遷移的影響，該技術(shù)可與其他技術(shù)聯(lián)用，如與抽出 - 處理技術(shù)結(jié)合，以應(yīng)對(duì)地下水污染問(wèn)題。本研究為地下水污染防治和風(fēng)險(xiǎn)管控提供了科學(xué)依據(jù)與技術(shù)參考，有望助力水污染治理領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。
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