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基于FEFLOW的退役化工地块地下水污染风险预测研究

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焦涛, 袁文波, 刘萌斐, 王欢. 基于FEFLOW的退役化工地块地下水污染风险预测研究——以泰州市某退役化工地块为例[J]. 环境保护科学, 2021, 47(4): 138-142. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2021.04.023
引用本文: 焦涛, 袁文波, 刘萌斐, 王欢. 基于FEFLOW的退役化工地块地下水污染风险预测研究——以泰州市某退役化工地块为例[J]. 环境保护科学, 2021, 47(4): 138-142. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2021.04.023
shu
JIAO Tao, YUAN Wenbo, LIU Mengfei, WANG Huan. Groundwater pollution risk prediction of retired chemical plant site based on FEFLOW ——Taking a retired chemical plant site in Taizhou as an example[J]. Environmental Protection Science, 2021, 47(4): 138-142. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2021.04.023
Citation: JIAO Tao, YUAN Wenbo, LIU Mengfei, WANG Huan. Groundwater pollution risk prediction of retired chemical plant site based on FEFLOW ——Taking a retired chemical plant site in Taizhou as an example[J]. Environmental Protection Science, 2021, 47(4): 138-142. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2021.04.023
shu

基于FEFLOW的退役化工地块地下水污染风险预测研究

——以泰州市某退役化工地块为例
  • 1.

    南京大学环境规划设计研究院集团股份公司，江苏 南京 210093

  • 2.

    河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100

    • 作者简介: 焦　涛（1981-），男，硕士、高级工程师。研究方向：环境规划与评价、污染防治。E-mail：tjiao@njuae.cn

  • 中图分类号: X523

Groundwater pollution risk prediction of retired chemical plant site based on FEFLOW ——Taking a retired chemical plant site in Taizhou as an example

  • 1.

    Academy of Environmental Planning & Design, Co., Ltd., Nanjing Universtiy, Nanjing 210093, China

  • 2.

    School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China

  • 摘要: 对于愈加严重的退役化工地块地下水污染，以保护其周边地表水体环境、周边居民健康以及深部含水层为目标，本文以泰州地区某退役化工地块为例，应用FEFLOW对地下水超标污染物（二氯甲烷、氯苯、1、2-二氯丙烷、砷、铅）的污染风险进行预测。结果表明：未来30年，该地块地下水超标污染物在水平方向迁移未超出地块边界，垂向上迁移未穿过微承压含水层底板，地下水超标污染物不会产生风险。
    Abstract: In order to understand the increasingly serious problem of groundwater pollution of the retired chemical plant site, the pollution risk of groundwater pollutants is predicted by the FEFLOW, taking a retired chemical plant site in Taizhou as an example. This research wants to provide a reference for protectting the surrounding surface water environment, people's health and the deep ground wate for the retired chemical plant site. The results show that, in the following 30 years, the maximum migration distance of dichloromethane, chlorobenzene, 1,2-dichloropropane, arsenic and lead does not exceed the boundary in the horizontal direction, and the migration distance does not pass through the bottom of the micro-confined aquifer in the vertical direction, thus indicating that there is no pollution risk of the groundwater.
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  • 图 1  区域水文地质剖面

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    图 2  水文地质概念模型

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    图 3  基于抽水试验的计算水位和实测水位拟合图

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    图 4  地下水超标污染物水平迁移范围

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    图 5  地下水超标污染物垂向迁移范围

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    表 1  研究区地下水类型及特征

    地下水类型土壤类型层厚/m
    潜水含水层素填土，粉质黏土 5.3～13.2
    弱透水层粉质黏土（局部夹薄层粉砂）2.8～5.3
    微承压含水层粉细砂1.4～4.3
    弱透水层粉质黏土2.1～7.4
    第I承压含水层粉细砂 3.2～11.4
    地下水类型土壤类型层厚/m
    潜水含水层素填土，粉质黏土 5.3～13.2
    弱透水层粉质黏土（局部夹薄层粉砂）2.8～5.3
    微承压含水层粉细砂1.4～4.3
    弱透水层粉质黏土2.1～7.4
    第I承压含水层粉细砂 3.2～11.4
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    表 2  研究区各层渗透系数反演结果

    分层渗透系数/m·d−1
    KxKyKz
    粉质粘土(含粉砂)1.50×10−41.50×10−41.50×10−5
    粉质粘土3.7×10−53.7×10−53.7×10−6
    粉细砂6.5×10−46.5×10−46.5×10−5
    分层渗透系数/m·d−1
    KxKyKz
    粉质粘土(含粉砂)1.50×10−41.50×10−41.50×10−5
    粉质粘土3.7×10−53.7×10−53.7×10−6
    粉细砂6.5×10−46.5×10−46.5×10−5
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    表 3  源强设定情况

    污染物初始浓度
    /mg·L−1    		污染物
    深度/ m    		最大预
    测时间/a    		标准值
    /mg·L−1
    二氯甲烷2.0411.030≤0.5
    氯苯3.5211.030≤0.6
    1，2-二氯丙烷0.19411.930≤0.06
    砷0.25411.030≤0.05
    铅0.211.030≤0.10
    　　注：采用GB/T14848—2017表2[10]中IV类水质标准作为标准值。
    污染物初始浓度
    /mg·L−1    		污染物
    深度/ m    		最大预
    测时间/a    		标准值
    /mg·L−1
    二氯甲烷2.0411.030≤0.5
    氯苯3.5211.030≤0.6
    1，2-二氯丙烷0.19411.930≤0.06
    砷0.25411.030≤0.05
    铅0.211.030≤0.10
    　　注：采用GB/T14848—2017表2[10]中IV类水质标准作为标准值。
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    表 4  地下水超标污染物迁移情况

    预测
    时间/a    		 污染物 最大迁
    移距离
    /m    		 距边界最
    近距离
    /m    		 剖面影
    响深度
    /m    		 弱透水层
    底板埋深/
    m
    30 二氯甲烷 2.08 64.40 7.70 23.00
    氯苯 2.00 64.40 6.90 23.00
    1，2-二氯丙烷 13.60 151.40 6.33 24.00
    砷 12.32 41.00 4.99 23.00
    铅 6.69 41.00 2.51 −
    　　注：表中所有污染物的风险预测结果均是不产生风险。
    预测
    时间/a    		 污染物 最大迁
    移距离
    /m    		 距边界最
    近距离
    /m    		 剖面影
    响深度
    /m    		 弱透水层
    底板埋深/
    m
    30 二氯甲烷 2.08 64.40 7.70 23.00
    氯苯 2.00 64.40 6.90 23.00
    1，2-二氯丙烷 13.60 151.40 6.33 24.00
    砷 12.32 41.00 4.99 23.00
    铅 6.69 41.00 2.51 −
    　　注：表中所有污染物的风险预测结果均是不产生风险。
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-22
  • 刊出日期:  2021-08-20

基于FEFLOW的退役化工地块地下水污染风险预测研究

    作者简介: 焦　涛（1981-），男，硕士、高级工程师。研究方向：环境规划与评价、污染防治。E-mail：tjiao@njuae.cn
  • 1. 南京大学环境规划设计研究院集团股份公司，江苏 南京 210093
  • 2. 河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100
  • 收稿日期:  2021-03-22
  • 网络出版日期:  2021-08-24

摘要: 对于愈加严重的退役化工地块地下水污染，以保护其周边地表水体环境、周边居民健康以及深部含水层为目标，本文以泰州地区某退役化工地块为例，应用FEFLOW对地下水超标污染物（二氯甲烷、氯苯、1、2-二氯丙烷、砷、铅）的污染风险进行预测。结果表明：未来30年，该地块地下水超标污染物在水平方向迁移未超出地块边界，垂向上迁移未穿过微承压含水层底板，地下水超标污染物不会产生风险。

English Abstract

    全文HTML

  • 出于经济转型、产业结构调整及环境保护等需求，越来越多的化工厂被搬迁或关闭停产，形成大量的退役化工地块。在退役化工地块再开发利用中，往往容易将隐伏的污染揭露。土壤污染往往暴露深度浅，污染易去除。地下水污染比土壤污染深，不易去除，因此，对于退役化工地块使用功能变更前，对地块内地下水污染进行风险预测显得尤其重要，否则可能影响地块周边地表水体、周边居民健康及深部地下水安全。

    数值模拟应用于地下水污染领域在国内外已有大量的研究[1-8]。如：污染水质模拟，国外GIRAUD et al[1]建立了三维数值模型，RAMASAMY et al[2]对酸性矿坑水进行了数值模拟预测；国内学者薛禹群等就数值模拟在地下水领域的应用开展了探讨和多方面的应用[3-4]。传统的地下水预测方法由于其所需参数众多、预测效率低下，常常难以满足要求。FEFLOW有限元数值模拟解决了传统方法的诸多弊端，模拟效率高且模拟结果准确直观[5]，被广泛运用[6-8]。毛军等[6]运用FEFLOW对柴达木盆地香日德绿洲地下水进行数值模拟；庞桂斌等[7]基于FEFLOW进行黄河三角洲地区冬小麦微咸水灌溉制度模拟；高月香等[8]运用FEFLOW对地下水污染风险预测并对阻隔措施效果进行了评估。

    本文以泰州市某退役化工地块为例，基于FEFLOW建立了地下水流模型和溶质运移模型。选取地下水超标污染物（二氯甲烷和氯苯、1、2-二氯丙烷、砷、铅）作为模拟预测因子，对超标污染物进行了数值模拟，并结合模拟结果对地下水超标污染物进行风险预测。

1.   研究区概况

  • 研究区为泰州市某退役化工地块，占地1.2×105 m2，位于长江中下游平原河漫滩地，地块及周边地势比较平坦，第四系冲积层厚度180～200 m，见图1。

    图1可知，从地表至100 m深度，区域地层主要为素填土、粉砂、粉质黏土、粉砂与亚粘土互层；100 m以下深度，区域地层主要以砂层为主。地块地下水整体由四周向中心汇集。

2.   地下水模型构建

    2.1.   水文地质概念模型

  • 模型概化水文地质单元面积为1.32 km2，其中西侧为河流边界，南侧以长江为界，东侧边界为河流边界，为第一类边界，边界水位由河流和长江水位确定；北侧以飞虹路为界，为第一类边界，边界上的地下水位通过现场实测获得。模型顶面水量交换主要为降水补给以及蒸发排泄，地下水面为自由边界，在降水和蒸发作用下波动。下部隔水边界为微承压含水层底板，其主要由淤泥质粉质粘土组成。水文地质概念模型，见图2。

    本地块的地下水流运动数学模型，见式（1）。

    式（1）中，Ω、Γ1、Γ2、q(x，y，z，t)、n、Kx、Ky和Kz、μs、H、W及K分别为模型模拟区、一类边界、二类边界、二类边界上的已知流量函数、二类边界的外法线方向、渗透系数（m/d）、贮水率（1/ m）、地下水位（m）、源汇项（m3/d）及渗透系数张量（m/d）。

    • 2.2.   模型剖分

  • 运用FEFLOW对研究区域进行离散，在污染源等重点区域对网格进行加密，共离散为157 554个节点，276 600个单元。

    • 2.3.   模型参数输入

    2.3.1.   地下水类型特征

  • 根据该退役化工地块2020年7月水文地质勘察结果，该退役化工地块含水层类型及特征，见表1。

    • 2.3.2.   初始条件

  • 将研究区内2020年7月份17口监测井的地下水位值运用克里金插值计算后作为模拟预测的初始水位。

    • 2.3.3.   源汇项

  • 以该退役化工地块水文地质勘察结果作为模型中模拟层的初始渗透系数。研究区地层主要为粉细砂层、粉质黏土，根据泰州市政府网站提供水文气象资料，泰州市年平均降水量为1 037.7 mm，结合《铁路工程水文地质勘查规程：TB10049—2004》表8.5.3规定，研究区降雨入渗系数取0.05。经现场调查，地块及周边不涉及地下水开采，因此降水及蒸发为主要源汇项，蒸发极限深度设为5 m。

    • 2.4.   参数识别与校正

  • 潜水含水层、微承压水层识别与校正的渗透系数来自现场抽水试验，计算平均值分别为1.701×10−5和5.560×10−4 cm/s。根据实测水位数据运用克里金插值方法得到模拟区的初始流场，再根据抽水试验结果，反复调参，直至模型计算水位与实测水位的误差符合要求。参数反演结果，见表2，拟合结果，见图3。

3.   地下水污染预测研究

    3.1.   溶质运移方程及源强设定

  • 本地块溶质运移控制方程，见式（2）。

    式（2）中，λ1、λ2、R、ρb、(x，y，z)t、c、$ {\bar C}$、θ、Cs、Dij、C0、vi及fi(x，y，z，t)分别为一级反应速率、吸附相反应速率、阻滞系数（无量纲）、流体密度（kg/（dm）3）、迁移时间（d）、溶质浓度（g/kg）、溶质组分浓度（g/L）、孔隙度（无量纲）、吸附浓度（g/kg）、弥散系数张量（ m2/d）、已知浓度、流体渗透速度张量（m/d）及弥散通量函数。

    源强设定：以2020年6月进行的研究区地下水样品检测结果中超标污染物二氯甲烷、氯苯、1、2-二氯丙烷、砷、铅的浓度作为初始浓度，见表3，其对应的深度作为初始深度。由于各超标点位的周围区域存在面源泄漏点，故本次研究选取A-A′剖面、B-B′剖面和C-C′剖面（图2）来研究各污染物在剖面上的迁移情况。模拟预测时段为100 d、1 000 d、5 a、10 a、20 a及30 a，最大预测时间水平方向和垂向均为30 a。本着风险最大原则，本次模拟不考虑含水层的吸附阻滞影响，以对流弥散为模拟重点。弥散度取值参考现场弥散试验结果和Gelhar L W的研究成果[9]，水平方向弥散度50 m，垂向弥散度5 m。

    • 3.2.   预测结果分析

  • 基于FEFLOW模拟结果表明，研究区超标污染物迁移范围随时间增长持续增加，短期内扩散最快（尤其是0～100 d），污染物最大迁移距离随时间的增长而增加，但增幅越来越小，且污染物的浓度越来越低。

    污染物水平迁移模拟结果，见图4。

    图4可知，处于地块内同一位置的超标污染物二氯甲烷或氯苯水平迁移范围极为相似，砷或铅水平迁移范围也极为相似，且未来30年各地下水超标污染物水平方向未能迁移出研究区边界，对周边地表水体及居民健康不会产生风险。

    污染物垂向迁移模拟结果，见图5。

    图5可知，显示污染物超标范围均未穿过微承压含水层底板，说明未来30年地下水超标污染物迁移垂向上不会对深部地下水产生风险。研究区地下水超标污染物未来30年最大迁移情况，见表4。

4.   结论及不确定分析

  • 基于FEFLOW溶质运移数值模拟结果表明，未来30年地块地下水超标污染物迁移水平方向不会超出地块边界，垂直方向未穿透弱透水层。地块地下水超标污染物不会对其周边地表水体（如地块南侧的长江）环境及周边居民健康造成风险，对其深部地下水也不会带来风险。研究结果可为退役化工地块后期管控措施制定提供技术参考。

    本文地下水数值模拟的不确定分析包括：地下水自身的复杂性，无法用简单的数学方程准确刻画；地下水数值模型仅仅是对真实情况的近似刻画，模型参数来源于野外实测和假设，由于存在观测误差及观测数据少等主客观因素，含水层参数设计及边界条件刻画无法与实际情况良好吻合。

参考文献 (10)

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