基于FEFLOW的地下水污染數值模擬及預測研究
——以天津市某化工廠地塊為例

孫克靜，焦永杰

(1.國環危險廢物處置工程技術(天津)有限公司，天津 300280； 2.天津市生態環境科學研究院，天津 300191)

1 引言

隨著我國經濟社會的快速發展、產業結構的調整及城鎮化進程的推進，工業企業用地搬遷或拆除后遺留的環境問題成為社會關注的焦點[1，2]。原企業生產過程中污染防治和風險防控水平有限，可能使排放的廢水、廢氣、廢渣等遺留在土壤中，對土壤和地下水環境造成污染，同時對人體健康及周邊生態環境產生潛在威脅[3，4]。土壤污染遷移性較差，污染易去除；地下水污染隨地下水流動遷移性較強，污染不易去除。如果污染源未被及時清除，污染物持續遷移擴散，則可能造成嚴重的環境污染事故[5，6]。因此，地下水污染地塊開發利用前，對地下水污染進行預測分析尤為重要，否則可能對地塊周邊地表水體、深層地下水造成污染，從而影響周邊人體健康。

地下水污染問題受到越來越多的重視，數值模擬已成為國內外學者進行地下水污染研究的重要手段之一。國外Giraud等[7]建立三維數值模型對污染水質進行模擬，Ramasamy等[8]通過數值模擬對酸性礦坑水進行預測。國內薛禹群等[9，10]對數值模擬在地下水污染評價預測中的應用進行多方面探討與研究。其中，FEFLOW有限單元數值模擬因模擬效率高且模擬結果更為準確直觀，在地下水污染數值模擬中被廣泛應用[11]。張淼等[12]運用FEFLOW對寧波市某印染廠場地建立地下水數值模型，并選用COD為模擬因子，對場地地下水污染狀況進行評價。高月香等[13]基于FEFLOW對高爾夫球場地地下水污染進行預測評估。焦濤等[14]應用FEFLOW對泰州市某退役化工地塊建立地下水流模型和溶質運移模型，對地下水超標污染物進行風險預測。

本研究以天津市某化工廠地塊為例，基于FEFLOW軟件建立了地下水流模型和溶質運移模型。選取地下水超標污染物苯為模擬因子，對地下水中苯進行數值模擬，并結合模擬結果對地下水中的苯進行了預測分析。

2 研究區概況

圖1 研究區水文地質剖面

3 地下水模型構建

3.1 水文地質條件概念模型

研究區域周長為3332 m，面積約為45萬m2。根據水文地質勘查資料顯示，研究區域地表下30.0 m范圍內分布2層地下水，分別為潛水和承壓水：潛水含水層主要包括人工填土層的素填土的底部，全新統上組陸相沉積層粉質黏土、粉土、粉質黏土和全新統中組海相沉積層的粉質黏土、粉土、粉質黏土、粉砂；承壓水層主要包括全新統下組陸相沉積層的粉土、上更新統第五組陸相沉積層的粉砂、粉質黏土。兩個含水層之間有一層厚度約8 m的潛水含水層隔水底板，主要包括全新統下組沼澤相沉積層的粉質黏土和全新統下組陸相沉積層的粉質黏土。

研究區地下水流整體上以水平運動為主、垂向運動為輔，符合達西定律，可概化為空間三維流。地下水系統的垂向運動主要是層間的越流；地下水系統的輸入、輸出隨時間、空間變化，故地下水為非穩定流；參數隨空間變化，體現了系統的非均質性，但沒有明顯的方向性；所以含水層可以概化成非均質、各向同性。

3.2 模型離散化

利用FEFLOW軟件將研究區進行三角形網格剖分，在阻隔墻邊界處適度加密，生成203022個有限單元格，共104074個節點，剖分結果見圖2。

圖2 研究區地下水數值模型平面網格剖分示意

根據研究區含水層系統的垂向分布特征，將研究區含水層系統分為八層(layer)九片(slice)，上層為潛水含水層，下層為承壓含水層，中間為弱透水層。

3.3 地下水流模擬

將研究區內2021年8月份5口監測井的地下水位數值運用Kriging插值計算后作為本次模擬的初始水位，其初始水位分布見圖3。

圖3 研究區地下水初始水位分布

4 地下水溶質運移模擬

研究區內部分區域潛水受有機物污染現象較為嚴重，為防止地下水污染物隨地下水流遷移擴散，在地下水污染主體區域采取垂直阻隔的方式，隔斷地下水污染物向周邊遷移擴散途徑。由于阻隔墻的存在，地下水污染物在水平方向遷移性較差；但垂直方向上，潛水中的污染物能否隨地下水流向下遷移至承壓水含水層，遷移深度有多深。本研究將通過數值模擬的方法，以地下水中污染較為嚴重的有機污染物苯為溶質運移因子，預測分析苯在地下水中垂直方向的遷移狀況。

4.1 污染物溶質運移參數

4.1.1 研究區剖分及時間離散

將上述建立的水流模型中的剖分形式運用到溶質運移模型中，并運用FEFLOW軟件對溶質運移模型求解。污染物初始濃度選用2018年苯的實測濃度，模擬時間為100年，共36500 d，分別模擬出10年、50年、100年之后污染物濃度變化情況。

4.1.2 初始條件

選取2018年土壤污染狀況調查中苯的實測濃度作為模擬溶質運移的初始濃度，研究區溶質運移背景見圖4。由圖4可見，苯污染嚴重的區域位于阻隔墻管控范圍內。

圖4 研究區苯背景濃度示意

4.1.3 污染物遷移參數

本次模擬的溶質運移參數有滲透系數、孔隙度、縱向和橫向彌散度等，其中，滲透系數和孔隙度取值源自水文地質勘察，縱向和橫向彌散度源自經驗值。本次模擬橫向彌散度取值2 m，縱向彌散度取值20 m。其水文地質參數取值詳見表1。

表1 溶質運移模擬參數取值

4.1.4 阻隔墻設置

研究區風險管控范圍周邊設有阻隔墻，阻隔墻深至16 m。為使阻隔墻起到阻止地下水污染物遷移的效果，本次模擬過程將其設為inactive。阻隔墻邊界設置見圖5。

4.2 預測結果分析

本次模擬結果表明，研究區污染物遷移深度隨著時間增長而加深。地下水中苯垂向遷移范圍見圖6。

由圖6可知，百年之內，地下水中苯的污染深度由-8 m運移至-15.5 m，縱向遷移7.5 m。根據水文地質勘查結果，潛水隔水層底板標高為-16.39 m；百年之內地下水中苯污染范圍未穿透潛水隔水層底板，說明未來100年地下水中苯遷移垂向上不會對深層的承壓水產生風險。

圖5 阻隔墻邊界設置

圖6 地下水中苯污染垂向遷移范圍

4 結論

研究區地下水風險管控范圍內由于受阻隔墻的影響，地下水污染物水平方向遷移性較差。基于FEFLOW軟件的溶質運移模擬結果表明，未來100年地下水中苯污染范圍垂直方向未穿透潛水隔水層底板，不會對深層的承壓水產生風險。本研究結果可為該地塊后期環境管理提供技術參考。