徐州市七里溝四氯化碳運移規(guī)律數(shù)值模擬研究

徐州市七里溝水源地的穩(wěn)定供給與安全狀況，直接關(guān)系著周邊數(shù)十萬居民的日常生活與經(jīng)濟發(fā)展。自2000年起，這一重要水源地遭受了四氯化碳的污染。權(quán)威監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，污染范圍廣泛，覆蓋約 17.5km³ 的區(qū)域，且地下水中四氯化碳質(zhì)量濃度峰值高達 3909.2μg/L ，這無疑對地下水安全構(gòu)成了巨大威脅[1-4] 。

四氯化碳作為典型的重非水相液體，在土壤與地下水中的遷移能力極強，且對人類生命健康及生態(tài)環(huán)境具有不可忽視的危害性。因此，深人探究四氯化碳在徐州市七里溝地區(qū)巖溶含水層中的運移規(guī)律顯得尤為迫切與重要。本研究借助FEFLOW軟件[5]，構(gòu)建二維溶質(zhì)運移模型，模擬地下水中四氯化碳污染羽的濃度場分布，旨在為地下水資源的有效保護與管理提供堅實的科學依據(jù)，同時也為類似地區(qū)的地下水保護工作提供有益的參考與借鑒。

1研究區(qū)域水文地質(zhì)概念模型構(gòu)建

研究區(qū)內(nèi)主要開采巖溶含水層中的水資源，該含水層在裸露區(qū)與半裸露區(qū)域直接或間接受大氣降水、地表水滲透補給，以及上覆孔隙水的越流補給。本研究將該區(qū)域的地下水系統(tǒng)簡化為統(tǒng)一的巖溶含水層系統(tǒng)，潛水主要賦存于裸露或半裸露區(qū)，而承壓水則位于覆蓋區(qū)域。為探究四氯化碳在巖溶含水層的運移規(guī)律，本研究將含水層概化為一個層厚 200m 的單一巖溶含水層，并基于研究區(qū)的水動力條件及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，將其視為非均質(zhì)各向異性的承壓二維流。

研究區(qū)位于徐州市東南方向，隸屬于七里溝裂隙巖溶水亞區(qū)，地處賈汪復式向斜水文地質(zhì)區(qū)內(nèi)，總面積達 85.23km³ 。在模擬范圍及邊界條件的設(shè)定上，研究區(qū)北部以廢黃河故道為第一類水頭邊界；南部則設(shè)定為第二類邊界；西部邊界取七里溝盆地西部的云龍山-泉山-龍腰山一線分水嶺，作為第二類零流量邊界；東部邊界則沿邵樓斷層走向，以北東向山鏈頂部分水嶺為界，同樣設(shè)為第二類零流量邊界。此外，研究區(qū)內(nèi)分布的抽水井作為模型的第四類邊界條件。

2 基本理論

基于水文地質(zhì)概念模型的構(gòu)建，研究區(qū)域內(nèi)的巖溶地下水流動可以被簡化為在非均質(zhì)且各向異性介質(zhì)中發(fā)生的二維達西流，四氯化碳在地下水環(huán)境中展現(xiàn)出高度的化學穩(wěn)定性，其揮發(fā)性和擴散能力相對較弱，且在自然條件下缺乏顯著的生物分解過程，難以實現(xiàn)自我凈化[6。因此，在評估其環(huán)境行為時，化學反應(yīng)的影響可忽略不計。在非均質(zhì)介質(zhì)中，水流攜帶溶質(zhì)的遷移以對流為主導機制，而彌散則扮演次要角色。在此情境下，對流-彌散方程被廣泛應(yīng)用：

3參數(shù)確定及結(jié)果分析

3.1污染物溶質(zhì)運移參數(shù)確定

自2000年監(jiān)測到七里溝水源地受到農(nóng)藥西廠生產(chǎn)廢水中的四氯化碳污染后，相關(guān)部門采取一系列的治理措施。但由于四氯化碳等污染物在地下的下滲已有十幾年，并隨著地下水的對流作用進行長距離的遷移。因此，初始條件設(shè)定與模擬運行，以2012年12月的等水位線與四氯化碳濃度等值線作為初始條件。

在模型的邊界設(shè)置中，統(tǒng)一將質(zhì)量濃度設(shè)定為10mg/L ，以確保污染羽在模型內(nèi)部得到有效控制，避免其隨意逸出。污染源位于模型的南部，為了嚴格限制水流進入模型的條件，設(shè)置第一類邊界條件，并附加了相應(yīng)的約束規(guī)則，確保只有當水流進入模型時，第一類邊界條件才會被激活。此外，約束邊界可能出現(xiàn)出流情況，此時淡水的第一類邊界條件將自動失效，以便污染物能夠自由地流出模型。因此，在北部和南部邊界設(shè)置了最小約束條件（即 0mg/L ），以適應(yīng)這種可能的出流情況。

3.2 模擬結(jié)果分析

下面4個圖為研究區(qū)域地下水 CCl₄ 污染羽分布圖。從2014—2024年的4個分布圖中可以看出，研究區(qū)域北部與南部的兩個污染中心，在形狀與范圍上呈現(xiàn)出高度的一致性。在研究初期，污染分布呈現(xiàn)出明顯的條帶狀“啞鈴型”特征，具體表現(xiàn)為污染濃度在中間區(qū)域較低，而在南北兩端顯著較高。隨著時間的推移，巖溶含水層中的四氯化碳污染正逐年減輕，尤其是北區(qū)，其污染羽逐漸消散。南區(qū)雖然也顯示出污染羽減弱的趨勢，但相較于北區(qū)，其減弱幅度較小。至于中區(qū)，污染羽的表現(xiàn)并不突出。

2014年CC14污染羽分布圖

2018年CC14污染羽分布圖

2020年CC14污染羽分布圖

2024年CC14污染羽分布圖

研究區(qū)域南部的污染源是四氯化碳高濃度分布的主要區(qū)域，而北部的污染羽則在逐漸消失。隨著時間的推移，污染羽的衰減幅度逐漸減小，其衰減趨勢與污染羽濃度的降低呈負相關(guān)關(guān)系。污染羽的分布形態(tài)從記載的“雙啞鈴”型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤皢螁♀廫"型，與近幾年測試結(jié)果一致。盡管南區(qū)的污染羽也在衰減，但這種變化非常微弱，幾乎難以察覺[7]。這一變化規(guī)律表明，所采取的治理措施在一定程度上是有效的，同時也符合四氯化碳的物理化學性質(zhì)。然而，當四氯化碳濃度達到一定水平后，其降解速度將大幅減緩，這為地下水四氯化碳污染的治理帶來了挑戰(zhàn)。

4結(jié)論

徐州市七里溝四氯化碳濃度變化場模擬顯示，CCl₄"在整個研究區(qū)內(nèi)的污染程度逐漸衰減，特別是南區(qū)和北區(qū)的衰減趨勢明顯。污染羽已從“雙啞鈴\"形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤皢螁♀彙保辈康摹皢♀彙毙臀廴居饾舛冉档陀葹轱@著，證實了治理工程的有效性。

參考文獻：

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［7］鄭菲，高燕維，施小清，等.地下水流速及介質(zhì)非均質(zhì)性對重非水相流體運移的影響[J].水利學報，2015，46（6） ：64-72.