新闻
您当前的位置:环保 > 环境修复网 > 地下水修复 > 正文

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

北极星环境修复网  来源:《水文地质工程地质》  作者:吕永高 蔡五田 杨骊 边超 李敬杰  2020/11/2 13:09:31  我要投稿  

北极星环境修复网讯:摘要∶可渗透反应墙(PRB)是一种高效的地下水污染原位修复技术。不同水文地质条件下,污染场地墙体位置布设合理性影响其修复效果,而利用地下水数值模拟可实现墙体位置优化。文章以某Cr'污染地下水场地为例,基于 Visual Modflow建立了研究区平面二维稳定流数值模型,并通过模型检验。根据墙体的设计尺寸(长20mx宽2mx深12m)及填充材料的渗透系数(80m/d),利用所建模型分别计算了4种布设方案(墙体尺寸大小和填充材料渗透系数相同,布设位置不同)下墙体的捕获区宽度、粒子滞留时间和通过墙体的Cr"通量。结果表明∶4种布设方案模拟的滞留时间和捕获区宽度取值差异性不大,变异系数小于2%;Cr"通量差别较大,变异系数高达76.32%,主要由地下水中Cr'浓度空间分布不均引起。对比分析4种方案的各评价指标,方案2求得的捕获区宽度为21.9m,粒子滞留时间为4.1d,Cr 去除量可达127.7mg/d,可作为最佳布设方案。本研究建立的地下水流数值模型符合场地实际情况,可有效评估PRB 截获污染羽的范围和去除目标污染物的能力,为铬渣类污染场地PRB原位修复工程设计与实施提供技术支撑和参考依据。

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。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。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。Shkaze等利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。Cavaskar等基于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。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2×104 t,铬渣堆位于生产车间北部约100m,占地约6000m²(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。

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50m 以浅存在两个含水层,地下水水位埋深2~3m。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 200m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)。

PRB修复技术示范区0~8m和12~15m岩性为粉质黏土至黏土,可概化为相对隔水层;8~12m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VisualModflow 4.2建立第一含水层地下水流数值模型∶

3.png

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')。

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。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。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。

4.png

一般网格剖分大小为1m×1m,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0.2m×0.2m。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。

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5cm,所建模型基本符合实际情况,满足使用精度。

分享到:
投稿联系:0335-3030550  邮箱:huanbaowang#bjxmail.com(请将#换成@)
北极星环保网声明:此资讯系转载自北极星环保网合作媒体或互联网其它网站,北极星环保网登载此文出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其描述。文章内容仅供参考。
环保二维码
微信号:bjx-huanbao(北极星环保网)

北极星环保网官方订阅号
每日精选环保热门资讯,天天涨环保知识。
做环保,我们是认真的!

新闻排行榜

今日

本周

本月

    关闭

    重播

    关闭

    重播

    热词检索:ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ