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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20m×宽2mx深12m,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,其填充材料由铸铁、活性炭和河沙按照一定比例混合组成,由室内试验测得K值为80m/d。
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,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,需引人另一个评价指标,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20m,通过PARTICLES模块每2m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∶
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(2,4,6,8,10m)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∶
3.4 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,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0.3m/d条件下,满足滞留时间大于0.5d,污染物去除率可高达99%。4 种方案计算的滞留时间4.0~4.2d,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。
综上所述,方案2确定为布设墙体位置的最佳方案。该布设方案下,墙体内部填充材料渗透系数为周边含水层渗透系数的10~15倍,捕获区宽度为21.9m;粒子平均滞留时间为4.1 d,可满足墙体内Cr6+与填充材料充分发生反应,墙体对Cr6+的去除能力可实现最大化。
4 结论
(1)中试尺度下 PRB墙体不能完全截获污染羽,在滞留时间和捕获区宽度评价指标基础上,将通过墙体的Cr6+通量作为不同方案筛选的另一个关键指标。
(2)不同布设方案模拟的滞留时间和捕获区宽度取值差异性不大,变异系数均小于2%。通过墙体的Cr6+通量差异性较大,变异系数高达76.32%,主要由地下水中的Cr6+浓度空间分布不均引起。
(3)方案2计算的滞留时间满足污染物与填充材料充分反应,确定的捕获区宽度内可实现墙体对Cr6+去除效率最大化,求得的捕获区宽度为21.9m,粒子滞留时间为4.1d,Cr6+去除量可达127.7mg/d,可作为最佳布设方案。该研究为后期 PRB 修复技术的工程实施提供了理论依据。
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