基于地下水數值模型的未知污染源預測

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500(2025)06-0213-08

DOI: 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.06.063

Prediction of Unknown Pollution Sources Based on Groundwater Numerical Model

LIURongqin，WANGXianghui (Shanghai SUS Environmental Remediation Company Limited， Shanghai 2O17O3，China)

Abstract:Theprimarytask inremediating contaminated site groundwater is to pinpoint polution source locations and achievecompleteremoval.Withtheintroductionofthe“Dual Carbon”goals，economicallyandaccuratelydetermining the locationand concentration ofpollution sources has becomeparamount.Groundwater solute transport simulation，valued foritseectiveness，flexiilityandost-ciency，asmergedasaciticalmethodologyigoundwateresearchUsing ahigh-precision machining factory in Guangdong provinceasacase study，Perchloroethylene (PCE)was selectedas the simulation factor.Visual MODFLOW software was employed for numerical modeling and parameter calibration of the site.Simulationresults indicated hidden point source contamination near monitoring welsMW-B7，W3，and W9，with contamination intensitiesof5，20，and5Omg/L，respectively.Tovalidatemodelreliability，fieldsampling monitoring compared simulation outputs with actual monitoring data.Results demonstrated high consistency，with the model sucessfullypredicting contaminationleakage pathwaysnear the threewells—findings thataligned withthesite'shistorical productionrecords.This successful predictionof hidden polution sources establishesavaluable reference forsimilar remediation projects.

Keywords:groundwater;numerical simulation;unknown pollution source

在污染場地地下水治理中，若無法識別并準確定位隱伏污染源，會影響后續修復，導致修復成本增加[1-2]。氯代烴屬污染場地地下水較為常見的污染物，因其在地下水中有一定的溶解度，易在地下水中形成高濃度自由相污染物，成為持續污染源釋放至地下水中，若無法準確判斷該污染源的位置及釋放濃度，將會給場地的修復治理帶來極大的難度。

隱伏污染源的確定方法有數值模擬法、地球物理方法等，而數值模擬法逐漸成為地下水研究領域的重要方法[3-5]。數值模擬法可以對苯[、填埋場滲濾液[、自由相污染物[8-9]、 Cr^6+[10] 、石油烴[]NH₃-N^[12] 、氯代烴[13]、硝酸鹽[4]、六氯丁二烯[15]氘[等污染因子進行模擬。另外，有研究者對修復及風險管控技術或工況條件進行數值模擬。張楠[17]模擬了污染物在地下水中的運移情況；李梅[18]以市某污染場地為例，預測了地下水中污染物的遷移分布情況；張帥等[19預測了防滲帷幕修建前后受污染地下水的遷移情況，并評估防滲帷幕污染控制效果；袁昊辰等[2選取廣州市某地下水污染場地作為研究區，運用VisualMODFLOW軟件建立了污染場地地下水流模型；王燕[21]及牛浩博等[22]利用數值模擬軟件模擬溶質的運移情況，并對抽水并進行優化研究；RAMASAMY等[23]通過數值模擬預測酸性廢水對高密度聚乙烯（HighDensityPolyethylene，HDPE）膜的影響。目前，少有學者利用數值模擬技術預測地塊中的隱伏污染源。

廣東省某高精密機加工廠的地下水污染物主要是氯代烴，項目組采用原位多相抽提技術對地下水進行修復，但在暫停抽提后，氯代烴濃度顯著反彈，且污染范圍顯著擴大，可能存在氯代烴污染源的持續補給。在項目資金和時間受限的情況下，無法通過補充調查捕捉隱伏污染源。為快速找到污染源，本研究利用數值模擬法，基于VisualMODFLOW軟件的MT3D模塊對地下水進行溶質運移模擬。利用數值模型成功實現了對氯代烴污染源的預測，彌補了數值模擬技術在該方面的應用缺陷，可為其他同類修復工程項目提供借鑒。

1研究區概況

研究區位于廣東省惠州市，地塊原始地貌為山丘溝洼，后經人工機械推填整理，較為平坦。水文地質勘查結果表明，地層自上而下分別為第四系人工填土層（ ）、第四系殘積土層（ Q₄^el ）、第三系泥質粉砂巖（E）。除第四系填土層屬強透水層外，其他巖土層屬弱透水層。地塊內地下水類型為第四系孔隙混合潛水，水位埋深為 1.2～4.6m 。地塊地下水補給來源主要為大氣降水及灌溉入滲補給，排泄主要為蒸發排泄、人工開采排泄及側向徑流排泄。根據統計資料，該地區多年平均降水量為 1770mm ，集中在4\\~9月。

研究區主要從事高精密機加工，企業在生產過程中需使用多種溶劑型表面清洗劑，清洗后的工業廢水通過地下管道輸送至地下4個水泥砌筑的污水儲存池。經污染識別，污水儲存池存在不同程度的開裂及污水泄漏痕跡，通過分析得出研究區潛在污染源空間位置，如圖1所示。根據地塊調查，地塊存在較為嚴重的氯代烴污染，位于A棟廠房西北面墻外的池A和池B是地塊含氯有機物污染的主要泄漏源。拆除這4個污水儲存池后，采用多相抽提技術進行地下水修復治理。

2預測工況及預測模型建立

2.1水文地質概念模型

2.1.1模型參數與初始條件

研究區地塊范圍較小，結合水文地質調查資料以及場地利用情況，因建設廠房對地基的影響，同一地層滲透系數存在較大的差異，因此將含水層概化為非均質、各項異性含水層。根據前期場地調查和風險評估報告，地下水氯代烴有機物主要分布在第一層含水層中，含水層下部為泥質砂巖層，滲透性較差，能起到較好的隔水作用，因此將含水層概化為一層。地下水的水動力條件概化為穩定的三維流。滲透系數由現場試驗確定，有效孔隙度、補給及入滲參數根據經驗及模型校驗確定。

結合研究區長期實測監測井的水位資料，將實測水位以散列點的形式輸入模型，利用Kriging插值即可得到含水層各節點的初始水位值。繪制研究區在初始時刻的等水頭線，確定初始流場。

2.1.2 模型空間及平面離散

將整個研究地塊設為模型范圍，根據研究場地的大小，將研究區平面上分為40行 ×40 列，每個單元長寬都是 8m ，寬度為 6m ，垂向上分為1層，即潛水含水層1層，地形高程以散列點的形式輸入模型，運用Kriging插值法進行賦值。

2.1.3 模型邊界條件

本地塊地下水的運動規律受人為活動控制，地塊北側邊界為高速公路，其設置的阻隔措施可將模型北側邊界設置為隔水邊界。地塊東西兩側分別設有擋土墻，墻上有排水孔，且地面高差較大，可將場地東西兩側邊界設置為給定水頭邊界，水位由地下水位長期觀測資料插值獲得。地塊南側的含水層較薄，水位較高，將其概化為隔水邊界。因此，將研究區四周邊界定義為第一類邊界條件。

2.1.4模型時間離散

將本地塊風險管控的開工時間設為模擬的起始時間，即2018年11月8日，模擬10年，2028年11月8日為模擬的終止時間。每年為一個應力期，應力期內每10d作為一個時間步長，嚴格控制每次迭代的誤差。在每個應力期保持含水層補給和排泄強度不變。

2.2數學模型

2.2.1地下水水流模型研究區地下水流系統可以表示為

式中： Ω 表示地下水滲流區域； h 表示地下水位標高， m ： $k _ { x } ， \\ k _ { y } 、$ （ k_z 表示滲透系數在 x，y，z 方向的分量， m/d ; t 表示時間，d; h₀ 表示初始水位標高， m h₁ 表示第一類（給定水頭）邊界水位標高， m ： Γ₀ 表示一類邊界； W 表示源匯項， m/d. 0

式（1）包括偏微分方程、初始條件、一類邊界條件，共同組成定解問題，可應用三維有限差分法將該數學模型離散為有限差分方程組。通過VisualMODFLOW軟件模擬研究區內的地下水流模型。

2.2.2 污染物運移模型

根據研究區的具體條件，在模擬污染物擴散時，考慮地下水的對流、彌散、流體匯源項、平衡吸附作用以及一級不可逆反應，單一化學組分的三維溶質遷移數學模型為

式中： c 表示地下水中組分的溶解相濃度， mg/m³ θ 表示含水介質的孔隙度，無量綱； x_i 表示沿直角坐標系軸向的距離， m ： D_ij 表示水動力彌散系數張量，m²/d u_i 表示孔隙水平均實際流速， m/d ; q_s 表示含水層內源匯的體積流量， 1/d ； C_s 表示源或匯水流中組分的濃度， mg/m³ ： λ₁ 表示溶解相的反應速率常數， 1/d λ₂ 表示吸附相的反應速率常數， 1/d ： ρ_b 表示孔隙介質的體積密度， mg/m³ ; 表示吸附濃度， mg/m³ 。

初始濃度 C₀ 定為2018年11月8日各監測井的污染物濃度，具體表述為

C(x，y，z，0)=C₀(x，y，z)

溶質運移模擬將含水層各個邊界均看作二類邊界條件（Neumann邊界），因本項目含水層為飽和帶，因此越過潛水面的彌散通量為0，具體可表述為

式中： Γ₂ 表示Neumann邊界； f_i(x，y，z) 表示一個正交于邊界 Γ₂ 的彌散通量。

將式（4）離散為有限差分方程組，采用Visual

MODFLOW軟件的MT3DMS模塊對研究區內的地下水溶質運移進行模擬。

2.3模型參數識別與驗證

地下水模型的建立是一個非常復雜的過程，為保證預測模型可信度，以各期觀測孔的實測數值與模型相應位置相同時刻的計算數值間的相關性最大為目標來進行模型調參。在地下水水流數值模擬階段，對比觀測孔實測水位與計算水位，判斷所用水文地質參數及分區是否合理，并在此階段獲得地層滲透系數、孔隙度等地質參數及補給排泄參數。在地下水溶質運移模擬階段，對比觀測孔實測濃度與計算濃度，判斷地下水溶質運移環境是否存在補給或排泄，以獲得溶質補給或排泄濃度及所在位置。

經反復調整參數，觀測井實測水位與計算水位相關系數為 90% ，說明所取參數合理（見表1），能夠較真實地反映研究區的地下水運動特征，可運用到地下水水質模型中。

2.4模擬情景

結合前期的場地調查風險評估及風險管控過程中補充調查的結果，本研究選定污染最嚴重、具有代表性的污染因子四氯乙烯（Perchloroethylene，PCE）為模擬因子，分兩種情景預測污染物運移情況。

情景一：假設地塊不存在地下水污染源或污染源已清除，利用工程設計的抽提工藝參數模擬PCE溶質的運移情況，模擬時間為10年，時段分別在1、257、432、1095、1825、3650d。

情景二：基于情景一的模擬結果，在抽提結束后，將模型預測的地下水觀測井中PCE的濃度與現場實測的PCE濃度進行對比，通過模型的調參來調整濃度差異，從而預測地塊可能存在PCE污染源，并推斷污染源所在位置及釋放濃度。模擬時間為10年，時段為1、257、432、1095、1825、3650d。

3 結果分析

3.1抽提工況下PCE 溶質運移模擬（情景一）

根據現場抽提井及注入井的布置情況，在MODFLOW模型中分布相同數量的抽提井與注入井，將抽提注入區概化為30個活動網格，每個網格設置一口井，共設置15對抽提注入井。抽提速率根據現場實際抽提量計算得出每口井抽提的速率均為 0.04m³/d

實際抽提工況PCE溶質運移預測結果如2所示。在地塊開展風險管控第1天，PCE的影響范圍（濃度大于 0mg/L ）為 2 144m² ，超標范圍（濃度大于1.99mg/L ）為 654m² ；第257天，開始抽提時，PCE的影響范圍為 6488m² ，超標范圍為 553m² ；第432天，抽提結束后，PCE的影響范圍為 6855m² ，超標范圍為 383m² ；第1095天，PCE的影響范圍為 6919m² ，超標范圍為 114m² ；第1825天，PCE的影響范圍為7211m² ，無超標范圍；第3650天，PCE的影響范圍為 7016m² 。模型結果表明，自第1天至第3650天，PCE的影響范圍逐漸擴大，而其超標范圍逐漸縮小，并在3.5年后PCE濃度全部降至修復目標值以下；在3650天后，PCE的影響范圍出現縮小的趨勢。

本項目要求2年內完成地下水PCE治理，而在目前抽提工況下需3.5年才能夠完成達標治理，因此為使本地塊風險管控在合同約定的工期內達標，還需要進一步優化抽提的工藝參數，如增加抽提井、抽提時間或抽提速率等。

3.2污染源預測模擬（情景二）

基于情景一，假定地下水中無PCE污染源或PCE污染源已清除，在模型參數識別與驗證時發現，抽提結束前觀測井實測PCE的濃度與模型預測的濃度相關系數可達 100% ，表明模型的運行結果基本能反映抽提結束前的PCE溶質運移情況。但是，在停止抽提后，觀測井實測PCE的濃度與模型預測的濃度相關系數迅速下降，僅為 74% ，表明模型運行結果無法反映停止抽提后溶質的運移情形。通過對監測井進行逐一排查，發現井W9、W3及MW-B7濃度誤差最大，其觀測井的實測濃度明顯大于模型預測的濃度，且分別高出2.65、3.00、 0.45mg/L ，表明在該3點處可能存在未知污染源。抽提井布設及監測井W9、W3、MW-B7位置如圖3所示。

進一步對比井MW-B7、W3、W9實測的PCE初始濃度、連續抽提3個月及抽提暫停2個月后的濃度發現，在暫停抽提后，PCE濃度均有反彈，濃度分別增加0.09、2.36、 2.88mg/L ，如表2所示。由圖3所知，井MW-B7位于A棟廠房，W3和W9分別鄰近原污水池B和原污水池 A 。結合該地塊的歷史狀況及現場隱患排查發現，廠房A內車間地面存在開裂現象，含氯清洗廢水可能通過縫隙下滲至土壤及地下水中，從而導致MW-B7在停止抽提后的濃度增長。另外，原池A及池B為水泥磚砌污水中轉池，雖在實施地下水多相抽提前已拆除該池，但可能存在清理不徹底的情況，從而導致仍有污染物持續釋放至土壤及地下水中，使得W3、W9停止抽提后濃度增長。因此，模型的運行結果與現場實際情況相符，推斷的未知污染源所在位置較合理。

為進一步推斷未知污染源的補給濃度，根據圖4校正調參流程，將表2觀測的不同時期濃度代人模型，調整MW-B7、W3、W9觀測井的PCE補給濃度，經反復調參發現，當MW-B7、W3、W9補給濃度值分別為5、20、 50mg/L 時，模型的相關性最高，在第427天、第489天模型運行的相關系數分別為 93% /86% ，總體相關系數為 90% ，表明各觀測井的濃度計算結果與實測結果吻合很好，充分驗證所取參數的合理性。

將模型校驗獲得的MW-B7、W3、W9補給濃度值輸入模型。在地塊開展風險管控第1天，PCE的影響范圍為 2017m² ，超標范圍為 593m² ；第257天，PCE的影響范圍為 6355m² ，超標范圍為 756m² 第432天，PCE的影響范圍為 7328m² 、超標范圍為802m² ；第 1095 天，PCE的影響范圍為 7537m² 超標范圍為 914m² ；第1825天，PCE的影響范圍為8375m² ，超標范圍為 1158m² ；第3650天，PCE的影響范圍為 8 995m² ，超標范圍為 1278m² 。模型模擬結果表明，隨著模擬時間的推移，PCE的影響范圍及超標范圍均不斷擴大，并有擴散出廠區的趨勢（見圖5），若不及時清理3處的污染源，PCE的污染范圍將進一步擴大。

3.3 現場實測分析佐證

根據模擬結果，在井MW-B7、W3和W9附近鉆探或利用光離子化氣體檢測器（PhotoIonizationDetector，PID）快速檢測氯代烴濃度，開展潛在污染源位置及濃度的初步驗證。

PID 檢測數據顯示，W3和W9井附近存在多處重污染點位，其中W3附近多口監測井氯代烴氣體總量超 1000mg/m³ ；W9及MW-B7周邊多口監測井氯代烴氣體總量超 5000mg/m³ 。根據濃度分布明顯可見，原池A、池B所在區域為污染源頭。在初步驗證后，取MW-B7、W3、W9地下水數據送實驗室進一步檢測分析。測得W3及W9的氯代烴總量分別為13、41mg/L ，與模型預測的氯代烴總量12.5、 42.3mg/L 基本一致。

4結論

根據模型的預測結果，井MW-B7、W3和W9附近存在未知污染源，且補給濃度值分別為5、20和50mg/L 。模型運行結果與地塊歷史生產狀況及現場隱患排查結果符合，并且與現場實際觀測數據基本一致，模型建立可信。在后續修復工程中，需盡快清除池A、池B處、MW-B7仍存在的污染源，以降低工程成本，提高治理效率。同時，為保證地塊在合同約定的工期內達標，還需要增加抽提井布設量，提高抽提速率，延長抽提時間。

參考文獻

1葉港.基于進化算法的地下水污染源識別[D]合肥：合肥工業大學，2021.

2任靜，李娟，席北斗，等.我國地下水污染防治現狀與對策研究[J].中國工程科學，2022(5）:161-168.

3盧洪健，王卓然.地下水模擬方法與應用軟件研究進展[J].地下水，2022（6）：49-52.

4張宇，王先鋒，何流，等.地下水污染治理數值模擬研究進展[J].工業用水與廢水，2023(5）:5-9.

5宋漢周.地下水TCA污染及去除污染的數值模擬分析[J].水利學報，1999（7）：47-53.

6孫克靜，焦永杰.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[J].綠色科技，2022（16）：161-164.

7何文君，唐金平，張宇，等.基于VisualModflow的川西某垃圾填埋場區地下水污染物運移模擬[J].甘肅水利水電技術，2019（11）：1-4.

8韓智穎，王錦國，崔孜銘，等.水動力和介質非均質性影響下DNAPLs運移數值模擬[J].地質災害與環境保護，2022（3）：71-77.

9鄭菲.典型DNAPLs在飽和多孔介質中的運移及修復研究[D].南京：南京大學，2019.

10徐鐵兵，梁靜，馬躍濤，等.地下水污染的數值模擬及污染預測研究：以遷安市某項目的 Cr⁶⁺ 污染為例[J].環境科學與管理，2014（12）：63-67.

11崔樹陽，王乾，白正偉，等.某油庫地下水石油烴污染物運移規律及水動力阻截技術模擬[J].安全與環境工程，2023（2）：216-222.

12趙亞輝，李婷，章玲玲，等.基于GMS的某遺留場地地下水氨氮污染修復模擬研究[J].地下水，2023（4）:5-8.

13焦濤，袁文波，劉萌斐，等.基于FEFLOW的退役化工地塊地下水污染風險預測研究：以泰州市某退役化工地塊為例[J].環境保護科學，2021(4）:138-142.

14鄧紅衛，賀威，胡建華，等 .Fe⁰ -PRB修復地下水硝酸鹽污染數值模擬[J].中國環境科學，2015（8）:2375-2381.

15GIRAUDQ，GONCALVESJ，PARISB，etal.3Dnumerical modelling of a pulsed pumping process of alarge DNAPL pool:In situ pilot-scale case study ofhexachlorobutadiene ina keyed enclosure[J].JournalofContaminant Hydrology，2018（5）：995-1004.

16VAIDOTE，JAKIMAVICIUTE M，VIGILIGA，et al.Modelling of tritium transport in the undergroundwater from hypothetical reactor at the new NPP sitein Lithuania[J].Progressin Nuclear Energy，2015，80:1-6.

17張楠.沈陽市某裝備制造產業園地下水污染物運移模擬研究[J].四川環境，2022（1）：80-85.

18李梅.地下水數值模擬在某污染修復項目中的應用[J].科技視界，2017（5）：1-4.

19張帥，王向華，李冰.某化工園區地下水污染遷移及控制數值模擬研究[J].環境監測管理與技術，2024（1）：70-73.

20袁昊辰，張幼寬，梁修雨.廣州某地下水污染場地監控自然衰減修復模擬[J].地質科技通報，2023（4）:268-278.

21王燕.硝酸鹽地下水污染數值模擬與抽出一處理技術抽水井優化研究[D].保定：河北農業大學，2014.

22牛浩博，魏亞強，李璐，等.基于數值模擬的某地下水污染場地抽水方案設計[J].環境保護科學，2021（5）:69-75.

23RAMASAMYM，POWERC，MKANDAWIREM，etal.Numerical prediction of the long-termevolution of acid mine drainage at a waste rock pilesite remediated with an HDPE-lined cover system[J].Journal of Contaminant Hydrology，2018（7）：10-26.