北極星環境修復網訊:摘要∶可滲透反應牆（PRB）是一種高效的地下水汙染原位修復技術。不同水文地質條件下，汙染場地牆體位置布設合理性影響其修復效果，而利用地下水數值模擬可實現牆體位置優化。文章以某Cr'汙染地下水場地為例，基於 Visual Modflow建立了研究區平面二維穩定流數值模型，並通過模型檢驗。根據牆體的設計尺寸（長20mx寬2mx深12m）及填充材料的滲透係數（80m/d），利用所建模型分別計算了4種布設方案（牆體尺寸大小和填充材料滲透係數相同，布設位置不同）下牆體的捕獲區寬度、粒子滯留時間和通過牆體的Cr"通量。結果表明∶4種布設方案模擬的滯留時間和捕獲區寬度取值差異性不大，變異係數小於2%;Cr"通量差別較大，變異係數高達76.32%，主要由地下水中Cr'濃度空間分布不均引起。對比分析4種方案的各評價指標，方案2求得的捕獲區寬度為21.9m，粒子滯留時間為4.1d，Cr 去除量可達127.7mg/d，可作為最佳布設方案。本研究建立的地下水流數值模型符合場地實際情況，可有效評估PRB 截獲汙染羽的範圍和去除目標汙染物的能力，為鉻渣類汙染場地PRB原位修復工程設計與實施提供技術支撐和參考依據。
可滲透反應牆（permeable reactive barrier，PRB）是指在地下水流動路徑上設置反應材料的牆體，當汙染物流經反應牆體時，與牆體內材料發生吸附、氧化還原、降解等一系列物理、化學及生物作用，汙染組分被轉化為無毒組分，或者滯留在牆體中，達到地下水修復的目的。在PRB設計階段，合理確定牆體尺寸、位置與填充材料是該項技術實施的關鍵問題之一。利用地下水數值模擬能夠快速、靈活、準確地模擬牆體內外水流運動和溶質運移反應問題，為工程實施提供設計依據。國外地下水PRB修復技術已發展成為一種成熟技術，有大量結合數值模擬指導牆體設計的案例，並取得良好效果。Starr 等基於FLONET程序在某場地設計了堰壩式PRB尺寸並評價了反應材料滲透變化對牆體的影響。Shkaze等利FRAC3DVS程序模擬了不同情景下懸掛堰壩式PRB周邊地下水流場的變化，用於指導PRB設計施工。Cavaskar等基於MODFLOW和FLOWPATH程序歸納了均質含水層中連續式 PRB和非均質各向同性含水層中堰壩式PRB捕獲區的分布 特徵。Xu 等利用改進的MODFLOW 和MT3DMS程序模擬反應材料滲透係數變化對牆體運行的影響。Zingelmann 等基於FEFLOW和PHREEQC程序合理設計了PRB的安裝位置和尺寸，評估其有效性，以減小礦山開採的影響。但實際運用中，汙染場地水文地質條件不同，目標汙染物種類不同，PRB牆體選用的類型、尺寸、安裝位置和填充材料均有所不同。其中，若牆體位置、填充材料滲透係數設計不合理，可導致PRB修復效果不佳，甚至引起牆體失效。因此，在不同水文地質條件的汙染場地實施PRB修復技術，有必要開展牆體位置優化模擬。此外，以往研究中多以全尺度PRB牆體為研究對象，選取捕獲區寬度和滯留時間作為確定牆體位置的參考指標，但是中式尺度下PRB牆體不能完全截獲汙染羽，如何選取有效指標衡量不同布設方案的差異性，進而使牆體達到最佳修復效果的研究較少。
本文以 Cr6+汙染地下水場地為例，基於場地水文地質概念模型，以及室內試驗確定的PRB牆體尺寸和填充材料配比，採用地下水流數值模擬手段，將PRB 設置在不同地下水水流和汙染濃度環境中，對比分析4種情景設置下PRB在捕獲區寬度、滯留時間和 Cr6+通量的處理能力，優選出 PRB牆體的放置位置，為中式尺度下 PRB 工程實施提供技術依據。
1 場地水文地質概念模型
場地位於河南省北部某市郊區，原為一鄉辦鉻鹽廠，20世紀80年代末期開始生產，90年代初期關停，停產時鉻渣堆殘量約2×104 t，鉻渣堆位於生產車間北部約100m，佔地約6000m²（圖1）。由於鉻渣堆長期露天堆放且無防滲處理，已經對周邊土壤及地下水造成了嚴重汙染。
依據場地詳細調查建立的汙染水文地質概念模型見圖2。圖2表明，研究區埋深50m 以淺存在兩個含水層，地下水水位埋深2~3m。鉻渣堆在降水淋濾作用下， Cr6+垂向遷移至第一含水層，在地下水對流彌散作用下遷移擴散引起下遊地下水汙染。由於區內農灌井為混合開採， Cr6+遷移至混合井處發生串層遷移，造成第二含水層汙染。此外，研究區主要接受側向徑流補給，自北向南徑流，排洩於側向徑流和少量的農業開採，地下水流場基本處於天然狀態。
考慮到沿地下水流向，含水層厚度逐漸增大，PRB 牆體施工難度大，擬在鉻渣堆下遊 200m處，即PRB 修復技術示範區第2排與第3排監測井之間安裝PRB 牆體（平面位置見圖1，剖面位置見圖2）。
PRB修復技術示範區0~8m和12～15m巖性為粉質黏土至黏土，可概化為相對隔水層;8～12m為中細砂，為第一含水層。根據第一含水層頂板和底板巖性、厚度及地下水埋藏特徵，可將本層概化為無降水入滲和蒸發，無越流補給，流場基本處於天然狀態的弱承壓含水層。
2 地下水流數值模型
2.1 水流方程
基於水文地質概念模型，可將第一含水層地下水概化為平面二維穩定流。利用地下水數值模擬軟體VisualModflow 4.2建立第一含水層地下水流數值模型∶
式中∶H——第一含水層地下水的水頭/m;
kx、Ky——x、y方向上的滲透係數/（m·d'）。
2.2 模型確定
由於在孔隙介質汙染場地地下水流數值模擬中，模型範圍通常難以到達天然邊界，可以人為劃定邊界並賦予其意義，常用的處理方法為繪製地下水流場，分別在垂直和平行等水位線的方向上確定模擬範圍。基於PRB修復技術示範區22眼監測井繪製地下水流場，根據流場形狀確定模型東西邊界垂直地下水流向，南北邊界平行地下水流向，模型範圍見圖3。
平行於地下水位等水位線方向，可以將該邊界概化為給定水頭邊界、定流量邊界及通用水頭邊界;垂直於地下水等水位線方向的邊界，可以作為隔水邊界或者極小流量邊界。因此，模型中北部邊界、南部邊界處理為通用水頭邊界，東西邊界定義為零流量邊界。
一般網格剖分大小為1m×1m，但考慮牆體尺寸小，模擬精度要求高，牆體擬布設位置所在行列的網格剖分大小為0.2m×0.2m。2.3 水文地質參數基於slug-test 試驗求得22眼監測井的滲透係數，利用Surfer13.0進行克裡金插值。滲透係數分區與賦值情況見圖 4。
2.4 模型識別
採用試估-校正法對模型進行識別與檢驗，流場擬合情況見圖5，22眼監測井水位擬合情況見圖6。圖5、圖6表明模擬流場與實測流場趨勢吻合，監測井模擬值與觀測值的絕對誤差均小於5cm，所建模型基本符合實際情況，滿足使用精度。
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