基于GMS的某污染區地下水1,2-二氯乙烷的自然運移規律研究

摘 要：以上海市普陀區某1，2-二氯乙烷地下水污染場地為研究對象開展地下水污染相關研究，通過數值模擬分析污染物在自然條件下及抽水條件下的污染擴散趨勢。根據場地前期環境調查結果，收集分析污染點位、濃度、深度及場地水文地質信息，利用GMS地下水模型系統中的MODFLOW與MT3DMS模型分別模擬該區域的地下水流場及1，2-二氯乙烷在不同抽提條件下的運移情況，分析污染物的運移規律。研究表明，初始污染濃度為7.2 mg/L的1，2-二氯乙烷在自然流場作用下，污染擴散主要受地下水流方向影響，經10 a擴散，污染點位中心污染物的濃度仍能達到2.7 mg/L，污染物擴散范圍不斷增大。抽提井的抽水作用能顯著影響污染物的自然擴散，隨著抽提井數量的增多，經700 d的抽提，污染羽中心污染濃度可降低至0.03 mg/L以下，滿足《地下水質量標準》的第Ⅳ類篩選值的要求。

關鍵詞：1，2-二氯乙烷；數值模擬；GMS；地下水；運移情況

中圖分類號：X52 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）04-00-07

0 引言

隨著工業農業快速發展，地下水面臨嚴重的污染問題。地下水污染對生態及人類健康造成威脅，其關注與研究迫在眉睫。數值模擬憑借靈活度高、結果精確等特點成為目前研究地下水水量、水質的主要方法。地下水模型系統Groundwater modeling system，簡稱GMS，是在現有的地下水模型MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT和UTCHEM等的基礎上，由美國楊百翰大學的環境模擬研究實驗室和美國軍方排水工程試驗站共同開發的綜合性地下水模擬軟件[1]。與其他軟件系統（Visual MODFLOW、FEFLOW）相比，GMS的優勢在于可使用的模塊多、模擬功能全面、可應用范圍廣、建模過程直觀、使用方便等[2]。它可用于預測各類的地下水污染，如礦山、工業場地、垃圾填埋場、有機污染場地、土壤中的農藥殘留、廢水灌溉和修復方案設計等。

通過應用GMS中合適的地下水模型可實現遠距離、長周期內的地下水污染遷移模擬，找出污染擴散規律，加強對地下水資源的管理并指導對地下水的修復。王敏[3]等人早在2009年就東武水源地由于地下水開采導致的水位下降、水質退化等問題利用GMS的MODFLOW模塊和MT3DMS模塊對水源地周邊的地下水流運動和污染物的溶質運移進行數值模擬，預測地下水流場的狀態和對后續污染擴散趨勢。王喆[4]等人不僅利用GMS對南水北調工程后某垃圾填埋場地下水的污染物的擴散進行預測，并對現有的采水方案從污染擴散的角度進行評價，但研究并未對采水方式和模擬賦值的過程進行詳細闡述，不利于對該方法進行深入研究。蘭斐[5]等人對某油井石油污染物的泄露進行模擬判斷污染走勢。GMS軟件系統在地下水環境中更多應用于污染物泄露時的趨勢模擬，是一種預測工具，本研究從地下水抽提修復的角度，不僅模擬預測污染物在自然條件下的擴散情況，還模擬了不同抽提井條件下污染物的擴散情況，可為后續地下水修復的抽出處理的布設提供新的思路和輔助方法。

本研究地塊為上海市歷史工業區，從20世紀80年代開始從事制毯、制筆、熱力等化工生產業。自2010年開始，生產活動改為藝術經營類活動，到2020年園區內化工企業陸續退場。經場地調查，該區域存在地下水污染，污染物為1，2-二氯乙烷。氯代烴是常見的化工原料，隨著工業廢水和泄漏等方式進入地下水，成為常見的地下水污染物。大部分氯代烴都具有潛在致癌性、致畸性和致突變性，對周邊居民及生態環境構成嚴重威脅[6]。本研究的目的在于利用GMS地下水模型系統模擬該地塊內污染含水層的污染擴散情況及影響區域。GMS包含MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、PHT3D等主要計算模塊。根據功能特點[7]，MODFLOW是專門用于空隙介質中地下水流動的三維有限差分數值模擬軟件，可模擬均質、非均質及復雜邊界條件的水流系統；FEAWATER主要用于模擬飽和流和非飽和流環境下的水流和溶質運移的三維有限元藕和模型。MT3DMS可模擬地下水中溶解成分的對流、彌散、源/匯和化學反應的三維溶質運移模型，可有效處理各種邊界條件和外部源匯項，需要和MODFLOW

一起使用；PHT3D專注于多組分傳輸和地球化學反應，特別適合溶質相互作用的分析。根據本研究污染場景和研究目標，以單一1，2-二氯乙烷為示蹤物，以前期場地環境調查測定的污染濃度為初始污染物模擬質量濃度，模擬該單一污染物在不同條件下的運移情況，暫不考慮1，2-二氯乙烷與其他溶質之間的相互作用，可選擇適用性更廣的MODFLOW模塊搭配MT3DMS模塊分別建立該場地的地下水流模型及污染溶質運移模型以完成污染模擬分析。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究地塊用地面積約30000 m2，目前為空地，未來規劃為醫療衛生用地和公共綠地。區域地貌屬長江三角洲堆積平原，地面高程2.3～3.7 m[8]，

地形較平坦。區域內地下水流動情況復雜，區域500 m范圍內無河流等水域，距離東部邊界600 m處存在一條南北走向的河流。地下水總的方向為由東北向西南流動，最終向模型研究區西南部排泄。研究地塊的地形、地貌及地質構造條件，決定了地下水的形成分布和運移規律，按含水層巖性特征及賦存條件，水力性質，該地區地下水類型為第四系松散巖類孔隙水。根據上海市2009—2020年間地面沉降時空分布統計分析[9]數據，相比虹口區、楊浦區、黃浦區、浦東新區，普陀區的地面沉降速率較低，較大區域范圍內未形成明顯的沉降漏斗，近年來有回升的趨勢，在所有行政區域中地下水位處于較高水平[10]（2022年地下水位標高達到0.68 m）。該調查結果說明該普陀區地下水開采量和回灌量在較長時間內處于相對平衡的狀態，該區域的地下水污染可考慮采取抽出處理的方法。

該區域位于大陸東岸的中緯地帶，地下平坦，對來自北方的冷空氣和南方的海風均無阻擋，氣候受海洋影響明顯，是典型的亞熱帶季風氣候，溫和濕潤，雨量充沛，年平均氣溫16.1℃，年平均降水量為1200" mm。

2020年在對該區域的環境調查中發現，地下水14個監測井中僅存在一處1，2-二氯乙烷超標，濃度為7.12 mg/L，污染深度為表層，檢出濃度超過《地下水質量標準》中的第Ⅳ類標準限制（0.04 mg/L）。經詳細加密調查，地下水35個監測井中僅存在一處1，2-二氯乙烷超標，濃度為7.2 mg/L。超標點位示意圖如圖1所示。

1.2 分析方法

1.2.1 地下水流模型

根據水文地質概念模型可寫出如下數學模型：

式中：Ω—地下水滲流區域；S1—模型的第一類邊界；S2—模型的第二類邊界；kxx， kyy， kzz—

表示x， y， z主方向的滲透系數（m/s）；w—源匯項，包括降水入滲補給、蒸發、井的抽水量和其他排泄量（m3/s）；μs—含水層或弱透水層的單位儲水系數（1/m）；H0（x，y，z）—初始地下水水頭函數（m）；H1（x，y，z）—第一類邊界已地下水水頭函數（m）；q（x，y，z，t）—第二類邊界單位面積流量函數（m3/s）。

降水補給是該區域的地下水主要補給源，年平均降水量1200 mm，地區平均入滲系數為0.01，平面補給區的入滲速率為0.00003288 m/d。根據水文地質資料分析，模型采用三維地下水流動模型，深度為6 m，區域垂向概化為3層，分別為填土（0～1.8 m）、粉質黏土（1.8～4.0 m）、淤泥質粉質黏土（4.0～6.0 m）。地表根據實際資料高程信息進行控制，模型底層為-2 m高程面。模型長228 m，寬239 m，表面采用地表高程。通過3D Grid工具進行網格劃分，將研究區域設置為40行40列，垂向共3層，共4800個網格（對于單個網格，X方向上的邊長為5.7 m，Y方向上的邊長為6.0 m）。通過前期場地環境調查的資料收集區域內地下水鉆孔數據、地下水監測數據和土工模擬試驗數據，整理得到本次模擬中所需要的地表高程數據、各地層底板數據以及各點位初始水頭數據。

MODFLOW是一個三維有限差分數值模擬模型[11]，用于模擬多孔介質環境中的地下水流動。選擇水流模型LPF，求解方式選擇強隱式法，選擇Recharge、Well軟件包。研究區內為活動單元，研究區外圍均設置為不活動網格，不參與計算。研究區域的東部、北部及東南角為定水頭邊界。以2D散點形式導入匯集的高程數據及水頭數據，在MODFLOW中依次對含水層的頂板、第一層底板、第二層底板、第三層底板及初始水頭進行賦值。

1.2.2 污染溶質傳輸模型

（1）自然條件下的污染擴散

MT3DMS是一個三維溶質傳輸模型，模擬地下水系統的對流、擴散和化學反應[12]，在已創建的MODFLOW模型上，新建MT3DMS模型。定義污染組分為1，2-DAC（1，2-二氯乙烷），污染點位的污染初始濃度為7.12 mg/L，應力期為3650 d（10 a），輸出時間步長為50 d；選擇對流、離散、點源及觀測組件。根據場地地質勘測和前期場調資料，得到模擬所涉及的其他參數如表1所示。

（2）抽提井條件下的污染擴散

在上述自然條件污染擴散的模擬基礎上，在污染區域附近設置抽提井，模擬抽提井在較低抽提條件下對污染物的擴散及抽提影響。分別設置6組、44組抽提井，為避免局部區域的地下水全部抽干，根據現場抽水試驗的經驗，設置較低的抽提速率為-0.003 m3/d，討論未抽干情況下污染物的擴散情況。

2 模擬結果

2.1 地下水流場

經過MODFLOW模型計算，得到研究區域的地下水流場分布。圖2所示的流場為地塊內各點位的初始水頭值，這些水頭值來自于前期場地環境調查過程中的地質勘察資料，通過該流場可知，北部的水頭普遍較高，西南角水頭最低，該區域內地下水的主要流動方向為自東北向西南方向。圖3為地質水文數據輸入后通過迭代和求值數值方程得到的最終流場結果，反映了模擬的最終狀態，受模擬過程中邊界條件等因素的影響，在研究場地范圍內，迭代計算的最終流場與實際情況基本一致，地下水流動方向均為自東北向西南方向流動，西北角存在水頭最低處（根據1.2.1節3D grid的劃分結果，對于單個網格，X方向上的邊長為5.7 m，Y方向上的邊長為6.0 m）。圖中陰影部分為調查場地范圍，圖4為迭代求值的地塊內地下水監測井位置所處的模擬結果和監測孔內的實際水位的比較結果，水位值較接近，偏差在-0.07～0.061 m，模擬較接近實際值。

2.2 污染溶質運移模擬

（1）自然條件下的污染擴散

地塊范圍內存在一處污染點位，污染物為1，2-二氯乙烷，污染位于表層，污染濃度為7.12 mg/kg。當流場內無任何其他地下水抽提活動，僅存在自然流場時，污染物在3650 d內的溶質運移模擬情況如圖5（污染物在第50 d的擴散情況，全局圖）、圖6（分別顯示污染物在第50、1000、2000、3650 d的擴散情況，局部放大圖）所示，污染物在自然情況下擴散較慢，經10 a擴散，污染羽的中心污染濃度從7.12 mg/L降至2.7 mg/L，仍高于《地下水質量標準》中該污染物的第Ⅳ類篩選值0.04 mg/L。污染主要向西擴散，其中污染羽在南北向的跨徑幾乎沒有變化，仍為18 m，東西向跨徑由15 m擴散至約31 m（根據1.2.1節3D grid的劃分結果，對于單個網格，X方向上的邊長為5.7 m，Y方向上的邊長為6.0 m）。地下水中污染物的自然擴散主要受地下水流的影響，污染擴散方向與地下水流方向相近，該結果與上海地區某非正規垃圾填埋場地下水污染模擬研究結論一致[13]。污染物在自然條件下，擴散速度慢，污染在地下水中的存積階段長。

（2）抽提井條件下的污染擴散

在設置抽提井的條件下，井的數量及流量都會改變污染物的抽提情況。為避免局部流域被抽干，在較低流的抽提速率條件下模擬（-0.003 m3/d）。

模擬結果如圖7、圖8所示。

在污染點位附近設置9個抽提井時（圖7），污染羽中心濃度在第1000 d有明顯降低，由3.45 mg/L降至2.6 mg/L。在第3650 d，污染羽的形態也發生了較大變化，南北向跨徑由18 m擴大為24 m，東西向跨徑由18 m擴大為31 m（根據1.2.1節3D grid的劃分結果，對于單個網格，X方向上的邊長為5.7 m，Y方向上的邊長為6.0 m）。相比自然擴散，污染物在南北向的分布跨徑在抽提井作用下有較大的延長，由自然條件下的18 m擴大為24 m，抽提井的存在不僅加速了地下水中污染物的抽提，也加速了其在水平空間上的擴散。但在抽提井數量較少、抽提流量較低的情況下，經過同樣的擴散時間，污染羽的中心濃度的降低不明顯，僅比自然擴散情況降低0.1 mg/L。

在污染點位附近設置44個抽提井時（圖8），相比設置9個抽提井，污染羽中心濃度降低更快更多。在第200 d，中心的污染濃度已降低至2.43 mg/L；在第600 d，污染羽的形態發生較大變化，南北向跨徑由18 m擴大為30 m，東西向跨徑由18 m擴大為33 m（根據1.2.1節3D grid的劃分結果，對于單個網格，X方向上的邊長為5.7 m，Y方向上的邊長為6.0 m），中心最高濃度降至0.63 mg/L。在第700 d，中心濃度已降低至0.03 mg/L，低于《地下水質量標準》中的第Ⅳ類篩選值（0.04 mg/L）。相比設置9個抽提井，污染羽在南北向的分布跨徑進一步延長，由24 m擴大為30 m；污染羽在東西向的分布跨徑由31 m擴大到33 m。由此推測，污染物在南北向、東西向擴散的最大跨徑與抽提井在南北向、東西向分布的最大跨徑有關。

該結果證明，抽提井對污染物的自然擴散有較深影響。隨著抽提井的增多，污染羽整體范圍會變大，在非地下水流方向上擴散顯著；此外，抽提活動加速了污染物的去除，當抽提井數量增加到一定值時，污染羽中心最高濃度可在較短時間內降低至修復目標。

本研究與其他污染地下水污染擴散研究[14，15]相比，地下水中的污染物為非持續性污染源，為初始污染量固定的污染羽，是歷史工業生產活動造成的遺留污染。此外，污染地塊所處的水文環境相對封閉，距離污染地塊600 m范圍內無水流等定水頭邊界，因此本研究以污染地塊邊界上的監測水位默認為固定水頭值。本研究的污染情景屬于常見的建筑地塊污染，本研究的建模方法與研究結果可用于指導類似污染情景的地下水污染建模和抽提方案模擬。經本實驗模擬研究，地下水抽出處理對該區域地下水的污染去除有效，建議后續該地塊在污染范圍內均勻布設抽水井，抽水深度可覆蓋表層深度。本實驗抽水速率為模擬數據，實際的抽水速率應在現場布設抽水井進行抽水試驗測定，并結合工期要求進行確定。

3 結論

（1）利用GMS地下水模型系統中的MODFLOW模型對該地塊的地下水流場進行模擬，模擬結果與地下水監測井的實際觀測值接近，模擬有效，該流場模型可用于后續污染物的運移模擬。

（2）利用GMS地下水模型系統中的MT3DMS模型對該地塊地下水污染物1，2-二氯乙烷的擴散進行模擬。自然條件下，1，2-二氯乙烷在地下水中的擴散主要受地下水流場影響，擴散方向與水流方向一致，擴散速度較慢，經10 a的擴散，污染羽中心的污染濃度仍可達到2.7 mg/L。在抽提井存在條件下，1，2-二氯乙烷在地下水中的擴散受地下水流場與抽提井的雙重影響，不僅在地下水水流方向上（東西向）進行擴散，也在非地下水水流方向上（南北向）擴散；隨著抽提井數量增加，污染羽中心濃度迅速降低，當抽提井數量為44口、抽提速率為0.003 m3/d，抽提時間為700 d時，污染羽中心濃度可降低至0.03 mg/L以下，滿足《地下水質量標準》中的第Ⅳ類篩選值。

（3）抽出處理對該區域地下水的污染去除有效，建議后續該地塊在污染范圍內均勻布設抽水井，抽水深度可覆蓋表層深度，并根據現場抽水試驗確定穩定條件下的抽水速率，結合工期要求確定合適的抽水速率。

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