基于三維數值模擬的地下水污染防治措施研究

劉 莉

(濟南天下第一泉風景區服務中心，山東 濟南 250000)

1 環境概況

項目所在區域屬于黃河、小清河沖積平原，地形開闊平坦，地勢平緩，起伏較小。區域第四系厚45～50 m，地下水類型為松散巖類孔隙水，無好的含水層。勘查深度(30 m)內粉土層為相對含水層，埋藏較淺，富水性差；粉質粘土層為相對隔水層，局部有粘土層或粘土透鏡體，厚度不穩定，透水性差。50 m以下為基巖裂隙水。

工作區地下水位埋深1.0～3.0 m，埋藏較淺，年內、年際水位動態較穩定，多年水位變幅在1.5 m左右，目前無開發利用。地下水主要接受大氣降水補給、徑流及蒸發排泄，地下水流向受地形、地勢控制，基本流向為由北向南，排泄于南側的小清河中。

2 區域水土環境分析

2.1 化工廠附近水土污染情況

鉻鹽是重要的無機化工產品，廣泛應用于化工、輕工、冶金、紡織、機械等行業。2001年之前因我國缺少危險廢物貯存和填埋污染控制技術標準，大多數鉻渣堆場未采取有效的環境風險防護措施[1]。鉻渣露天堆放、退役鉻鹽廠浸出車間環保措施管理不到位，造成附近區域土壤和地下水受到污染。

工作區西側化工廠自1959年開始生產鉻鹽產品，經過長達半個世紀的鉻鹽生產、鉻渣堆放、產品原料運輸等行為，使得廠區內及周邊的土壤及地下水受到了較為嚴重的鉻污染。該化工廠相關污染調查報告指出，Cr污染與鉻渣堆存、運輸撒落及含Cr廢水排放等有關，土壤和地下水污染情況具體如下：

2.1.1 土壤污染情況

場地內土壤中六價鉻污染嚴重，最高濃度達到18 900 mg/kg，污染主要分布在北部原鉻渣堆場、東部原鉻渣堆場、東南部原鉻鹽車間及污水處理廠等區域。鉻渣堆、鉻渣填埋場、鉻鹽車間地段土壤中Cr(Ⅵ)含量總體上隨土層深度增加而顯著降低，地表下0～3 m土中Cr(Ⅵ)超標非常嚴重，整個廠區超標最大深度到地表下12 m。

2.1.2 地下水污染情況

廠區地下水中六價鉻濃度超標監測井位主要分布在鉻渣堆、鉻渣填埋場、鉻鹽車間地段，以原鉻渣堆場西南部和原鉻渣填埋場中部濃度最高。

淺層地下水(深度<10 m)中六價鉻濃度均>4 000 mg/L，深層地下水(<16 m)中六價鉻濃度亦在200 mg/L以上；鉻渣堆和鉻渣填埋場兩個區域的邊界區域及鉻鹽車間的六價鉻濃度在100～600 mg/L之間，深層地下水濃度較低，均在2 mg/L以下。其他地段地下水中六價鉻濃度低于檢出限(0.01 mg/L)。

綜上，化工廠鉻污染集中在鉻渣存放、生產場地及周邊小范圍內，遠離鉻渣地段土壤和地下水中鉻污染不明顯。化工廠建于1919年，距今已有百年的歷史，鉻渣無防滲堆放也已存在幾十年，但整體看土壤和地下水中鉻超標仍集中在小范圍內，說明鉻類重金屬受粘性土顆粒的吸附作用強，在地層中遷移速度慢、遷移難度大。

2.2 項目區附近水土環境分析

對項目區周邊土壤和地下水進行了采樣監測，結果表明：項目區土壤環境質量滿足《土壤環境質量標準》(GB15618-1995)二級標準；地下水中未檢出六價鉻，但高錳酸鉀指數、總硬度、氨氮、亞硝酸鹽氮、總大腸菌群、氯化物、硫酸鹽、溶解性總固體部分指標存在不同程度的超標現象，分析原因主要是受場區內及周邊人類活動等綜合污染所致，已不符合飲用水標準。據水質腐蝕性評價，區域地下水具有弱腐蝕性。周邊土壤和地下水中鉻未出現超標現象，說明化工廠鉻污染未擴展到周圍土壤和地下水中。

3 帷幕工程設計

地下水污染治理技術歸納起來主要有：物理處理法、水動力控制法、抽出處理法 原位處理法[2，3]。物理屏蔽法作為一種永久性的封閉方法，主要用于處理小范圍的劇毒、難降解污染物。其中的阻水帷幕法最早用在解決水電工程領域水電站巖體裂隙或土體孔洞等導水作用引起的破壞性作用[4]。幕墻能夠優化原有土體或巖體裂隙等防滲功能，阻斷由原有地層缺陷等造成的污染，隔斷污染通道使地下水及土壤等免受大范圍污染，從而達到堵水防滲目的[5，6]。

本工程為了防止因項目區施工基坑降水，改變地下水流場，阻止受污染的水土向東遷移影響項目區域，在項目區內設置阻水幕墻，阻擋地下水向東遷移，控制地下水污染擴散。

3.1 項目區概況

工作區涉及四處基坑，分別為A、B、C、D、E，具體參數見表1。這四處基坑與化工廠東界距離分別為：215 m、135 m、76 m、330 m和530 m

整個工作區南側緊鄰河流，與F和G兩地塊毗鄰，目前這兩個地塊基坑已建設完成。工作區與化工廠相對位置見圖1。

圖1 評價地塊相對位置圖

3.2 帷幕工程設計

由于工作區與西側化工廠距離較近，為了防止因區內基坑降水改變區域地下水流場，使得化工廠附近受到污染的地下水向東側徑流，導致地下水中鉻污染擴散。沿工作區西邊界設計了一條阻水帷幕，并于沿帷幕西側間隔設置3眼回灌井，見圖2。

3.2.1 帷幕位置及長度

考慮場地空間環境實際情況，結合水文地質條件及以往工作經驗，區域地下水由北向南流動，北側基坑距離化工廠相對較遠，南側基坑相對較近，認為北側受基坑降水的影響比南側小。將阻水帷幕設置在開發地塊與化工廠之間，帷幕西側留出設置監測井和回灌井的空間，帷幕與基坑之間留出降水井和基坑支護工程的空間。

考慮到帷幕兩端的繞流問題，設計在主帷幕南北兩端分別向東延伸，北端向東延伸約120 m到A地塊中部，南端向東延伸約380 m到C地塊的東邊界。此設計方案避開了市政管線的穿越，保持了帷幕的完整性，更好的阻擋西側污水滲流。

3.2.2 帷幕墻的深度

本工作區內相對含水層為粉土層，最大層底埋深為12.8 m，其下為粉質粘土及粘土層，為隔水層。根據阻水帷幕相關設計規范要求，帷幕樁進入下部隔水層(粉質粘土～粘土層)，3～5倍的樁徑，即2.5～4.0 m，本次設計為3 m。

結合各基坑開挖深度及降水深度，設計帷幕深度如下：

A和B地塊的西側(bc段)及東延長段(ab段)、D地塊南側(ef段)設計帷幕深度為為16 m，C地塊西側(cd段)及南側(de段)設計帷幕深度為18 m(見圖2)。

圖2 阻水帷幕設計平面示意圖

3.2.3 施工工藝

常用帷幕阻水方法主要有：地下連續墻、鉆孔咬合樁、高壓旋噴樁帷幕截水、水泥攪拌樁、SMW施工法(Soil Mixing Wall)等[7]。高壓旋噴樁帷幕截水由70年代由日本首先提出[8]，國內常用方法有：單管旋噴(水泥漿)、二重管旋噴(水泥漿+氣)和三重管旋噴(水泥漿+氣+水)[7]。高壓旋噴樁由于價格低廉，阻水效果較好，在地下水控制工程中已占據主導地位[9]。

本工程采用高壓旋噴樁施工工藝，見圖3。高壓旋噴樁樁長16.0 m和18.0 m，直徑800 mm，樁間搭接200 mm，樁距600 mm，咬合寬度(有效厚度)530 mm，樁頂標高為自然地坪，采用隔行跳打形式，單排樁咬合形成帷幕墻。

圖3 高壓旋噴樁設計圖

高壓旋噴樁采用三重管法施工。根據土質條件通過試驗確定高壓噴射注漿的施工參數，高壓水射流的壓力大于20 MPa，氣流壓力0.7 MPa，水泥漿灌注壓力1～5 MPa，提升速度為0.05～0.25 m/min，旋轉速度為10～20 r/min。

帷幕工程的設計壽命：在無外力破壞—如地震或人工破壞條件下，高壓旋噴樁阻水帷幕30～50 a內是有效的。

3.3 回灌井設置

為了便于日常監測地下水位的變化情況，在帷幕西側施工6眼監測-回灌井(見圖2中HG1～HG6)。基坑施工排水的同時，將帷幕內側的排水注入回灌井，用來補充地下水，從而保證帷幕外測地下水位不產生較大的變化。

監測-回灌井設計井深13～15 m，井徑300～400 mm，成井后抽水洗井。當基坑外側水位降深超過0.5 m時進行回灌，回灌過程中保持井內水位高出靜水位0.3 m。

4 數值模擬模型

為了驗證帷幕工程阻隔地下水污染的效果，模擬分析基坑排水對區域地下水流場的影響，結合廠區水文地質條件，建立場地及周邊(至影響范圍外)地塊的地下水滲流數值模型，加入基坑降水載荷，計算不同工況下地下水流場形態的變化，識別這種變化是否對化工廠地段形成影響，并對預測結果進行了分析研究。

4.1 數值模擬模型

采用Visual MODFLOW軟件，建立地下水三維數值模擬模型。將面積為5 km2的模擬區剖分成50 m×50 m的矩形網格，并在擬建帷幕地段進行了加密處理，將帷幕地塊加密到10 m×10 m的矩形網格(見圖4)。

圖4 模擬區網格剖分圖

參考周邊地塊的巖土工程勘察報告，將評價區地層(30 m以內)概化為五層，分別是：(1)雜填土、(2)粉土、(3)粉質粘土、(4)粉土、(5)粘土—粉質粘土。采用2017年3月區內地下水流場作為模型初始條件，參照區域地下水流場圖，模型東邊界和西邊界與地下水位線近垂直，概化為零流量邊界，南邊界為小清河，概化為定水頭邊界，北部邊界為流量邊界。

4.2 預測模型

模型預測范圍即模型概化邊界所包括的范圍，重點預測評價區基坑附近、擬設帷幕墻周邊等敏感位置。

4.2.1 模擬時段

基坑降水正常會在一年內結束，地下工程施工完畢后，地下水流場會逐漸恢復到初始狀態。本次預測工作僅模擬施工期地下水流場變化，時段設置為1年，時間步長為5 d。

4.2.2 預測工況

本次工作設計了3種預測工況，分別為：

工況1：未設置阻水帷幕，且未設置地下水回灌井；

工況2：設置旋噴樁阻水帷幕，但未設置地下水回灌井；

工況3：設置旋噴樁阻水帷幕，且在帷幕西側設置地下水6口地下水回灌井。

4.3 預測結果

4.3.1 工況1預測結果

由于長時間排水，四個地塊內地下水已經疏干，受到基坑降水的影響，基坑西側地下水流場出現了明顯改變，水流方向改變較大，由原來的由北向南流動變為由西北流向東南，裕興化工廠附近地下水會向東滲流，基坑排水的影響區域擴展到了裕興化工廠區，西側最大影響距離約400 m(見圖5)。

圖5 工況1下不同層位地下水等水位線圖

4.3.2 工況2預測結果

經過1年的基坑降水，四個地塊內地下水已經疏干，帷幕西側地下水總體由北向南流動，帷幕基本阻擋了西側地下水向基坑滲流，僅在帷幕附近等水位線略有上揚，即仍有少量滲流進入基坑，但影響范圍較小，基坑降水的影響區域主要集中在帷幕東側(見圖6)。

圖6 工況2下不同層位地下水等水位線圖

4.3.3 工況3預測結果

增加了回灌井后，帷幕附近地下水位基本保持為初始水位，基坑降水未擴展至化工廠區，未造成污染擴散。此種工況能將基坑排水的影響范圍控制到帷幕東側的小范圍內，西側影響距離控制在帷幕附近20 m內，影響范圍和影響程度達到最小(見圖7)。

圖7 工況3下不同層位地下水等水位線圖

5 結語

(1)研究區水文地質條件相對簡單，水土環境條件較差。為了防止化工區東側施工因基坑降水導致地下水鉻污染擴散，專門設計了阻水帷幕工程，為驗證帷幕工程防護的有效性，采用Visual MODFLOW軟件建立了工作區三維數值模型，經模擬驗證，設置阻水帷幕后，帷幕基本阻擋了地下水向基坑滲流，增加了回灌井后，帷幕附近地下水位基本保持為初始水位，基坑降水未擴展至化工廠區，不會造成污染擴散。模擬結果與實際較為符合。

(2)三維數值模型能較好的刻畫研究區水文地質條件，較精確的預測地下水流場形態變化，可推廣應用于類似地下水防護工程防治效果預測。