土壤和地下水耦合数值模拟研究进展

土壤和地下水在水分运移、污染物迁移转化等方面高度相关,基于数值模拟预测土壤和地下水耦合污染趋势可以为土壤与地下水污染协同防治工作提供定量化技术支撑。文章综述了土壤和地下水数值模拟方法,总结了土壤和地下水中水流和溶质运移的耦合数值模拟研究进展,并对耦合数值模拟研究的未来发展趋势进行了展望。     

基于过程模拟的地下水污染风险评价方法研究

通过对简易垃圾填埋场污染地下水过程的系统分析,提出了以抽水井作为保护目标进行地下水污染风险评价的方法,确定了地下水污染风险评价因子,建立了基于过程模拟的污染物迁移转化数学模型.以特征污染物Cl-的污染范围和程度划分了风险等级.利用构建的地下水污染风险评价方法,以我国北方某简易垃圾填埋场作为案例进行了地下水污染风险评价.结果表明,污染源与污染物迁移转化的共同作用决定了地下水污染范围和风险等级.地下水污染风险评价方法的建立为开展简易垃圾填埋场地下水污染有效监管提供了一种方法.     

某制药厂废水排放对地下水污染的数值模拟预测研究

制药工业是我国经济发展的支柱产业之一,但制药废水含有诸多的污染组分,其排放可能会对地下水造成严重的污染,因此在制药厂建设前须对废水排放可能造成的地下水污染范围进行预测与评价。运用GMS软件对拟建的某制药厂废水排放过程中污水管道发生渗漏可能造成的地下水污染范围进行了数值模拟预测研究。结果表明:①该制药厂废水排放过程中管道渗漏发生100 d后,地下水中污染物COD_(Cr)的最大运移距离为238 m,渗漏发生730 d后,地下水中污染物COD_(Cr)的最大运移距离为250 m,渗漏发生1 825 d后,地下水中污染物COD_(Cr)的最大运移距离为362 m;②研究区地下水中污染物COD_(Cr)的污染晕随地下水的流向而扩散,其扩散方向与地下水的流向一致,且地下水中污染物COD_(Cr)的运移距离随时间的增加而增加,但在预测区内地下水中污染物COD_(Cr)的运移距离仍处在该制药厂的建设区范围内,不会对区域地下水造成明显的污染。建议加强药厂范围内及其周边地下水的监测。     

我国工业场地地下水污染防治十大科技难题

我国工业场地地下水污染严重,污染地块省级名录中含地下水信息的地块有31%存在地下水污染. 近年来,地下水风险管控和修复工作日益得到政府和行业的高度关注,相关环境管理体系逐步完善. 2021年国务院发布的《地下水管理条例》将会进一步推动工业场地的污染地下水风险管控与修复治理工作. 但是,我国当前地下水领域的相关研究仍然比较薄弱,不能完全满足国家的重大需求. 本文根据地下水修复领域国际研究前沿和国内的发展与管理现状,提出未来污染场地地下水修复的十大科学与技术挑战:地下水修复与风险管控的绿色可持续性,污染物及水文地质条件的精准刻画与风险评估,水土协同治理,低渗透地层及透镜体的反向扩散,原位氧化和生物修复过程中的有毒副产物生成,物理分离技术的拖尾,地下水修复中的污染物反弹,大型复杂污染场地的治理与管控,岩溶裂隙水污染迁移与风险管控方法,以及地下水中新污染物. 克服这些科技挑战的过程也必将给我国地下水污染防治事业的发展带来重大的机遇.      

地下水环境影响评价中污染物运移模拟软件的适宜性评估

目前国内外已发展了一系列成熟的地下水污染物运移模拟软件,但是软件功能各异,易造成使用者的选择困扰.为满足HJ 610—2016《环境影响评价技术导则地下水环境》（简称“《导则》”）中关于环境影响预测工作精细化的要求,对国内外常用饱和带和包气带污染物运移模拟软件的适宜性进行了评估.首先,针对三款常用饱和带污染物运移模拟软件BIOSCREEN、AT123D和MT3D,基于理想算例对比4组水动力条件设置下的计算结果,分析软件的适宜性;其次,针对《导则》中暂未给出的包气带污染物运移模拟软件,以FEMWATER为例探讨了包气带阻滞作用对于地下水环境影响评价的重要性.结果表明:①BIOSCREEN由于忽略了分子扩散作用,当Pe（Peclet数）为0.25×10-3时,其预测的污染源下游10 m处污染物浓度为AT123D和MT3D计算值的1.8倍,存在高估污染风险的可能.②相比污染源直接设置于潜水面的情景,污染物从距潜水面11 m的地表泄露,经过包气带后污染源强降低了24%,下游85 m处污染物浓度达到0.1 mg/L的时间延迟了390 d.③当地下水流速较慢,分子扩散作用相比对流作用占优势时,适用MT3D开展数值模拟或者采用AT123D进行解析预测;当对流作用占优势且水文地质条件接近解析解假设时,可利用BIOSCREEN粗估污染风险.研究显示,包气带污染物运移模拟软件有助于合理地预测污染物在地下水环境中的运移转化行为,从而更准确地估计污染源强和判定地下水环境污染风险.      

地下水中污染物的迁移传输及排泄通量研究

以辽宁某化工污染场地为研究对象,结合场地调查结果,应用地下水模型系统软件(GMS)中的MODFLOW和RT3D模型,建立了地下水中污染物的数值模型,探讨其迁移传输及排泄通量。根据模拟结果,地下水中苯、二氯苯和三氯苯的污染羽约在20年后达到动态平衡,污染羽不再随时间变化,污染物的自然衰减速率与污染源释放速率达到平衡。排泄通量估算表明:地下水向河流排泄的量在20年时达到稳定,地下水中苯、二氯苯和三氯苯向河流的排泄通量分别为每天180 g、6 100 g和5.5 g。由于污染物会导致污染生态环境和健康风险,建议从控制污染源、实施污染源区修复和切断迁移传输途径等多种措施控制风险。     

Fe0-PRB修复地下水硝酸盐污染数值模拟

基于地下水对流-弥散作用,采用数值分析方法,构建了GMS地下水渗流和硝酸盐污染物迁移三维耦合模型.在污染物迁移过程中,不考虑吸附降解和考虑吸附降解两种工况下,分析了污染物在地下水中的迁移特征.结果表明:地下水和土壤存在天然净化污染物的能力,但不显著,必须采取有效措施控制污染.以零价铁作为PRB墙体介质,并用GMS软件模拟Fe0-PRB修复地下水中硝酸盐的效果.PRB存在时能显著控制污染物的污染范围并降低污染物浓度.PRB厚度为4m时,污染物经过550d开始透过PRB墙,PRB运行10a后,1、2、3号观测井的浓度分别1.712,0.011,0.018mg/L,PRB下游污染羽拖尾明显;PRB厚度为6m时,污染物经过850d开始透过PRB墙,PRB运行10a后,1、2、3号观测井的浓度分别0.52,0.004,0.005mg/L,与4mPRB相比浓度分别降低69.6%、63.6%和72.2%,PRB下游污染羽拖尾仍存在但不明显.污染物迁移数值模拟是评价PRB修复污染地下水效果及确定PRB参数的重要手段.     

基于不确定性分析的地下水污染超标风险预警

地下水污染预测可以通过地下水污染质运移数值模拟模型予以实现,为分析模型参数取值不确定性对模型输出结果的影响,本文运用蒙特卡洛方法对模型输出结果进行不确定性分析.为降低数值模拟模型复杂程度,运用灵敏度分析方法筛选对模型影响较大参数作为模型中随机变量;为减少重复调用数值模拟模型产生的计算负荷,在保证一定精度前提下,运用克里格方法建立模拟模型的替代模型完成模拟过程.结果表明:应用概率密度函数积分可以估计地下水遭受污染风险与不同置信程度下污染物浓度区间.污染羽分布图与分级污染超标风险预警图可以分别对研究区不同等级污染覆盖面积和研究区不同污染风险对应污染羽分布进行估计.基于污染质运移数值模拟不确定性分析的地下水污染超标风险预警可以更加客观地对地下水污染问题进行预测.     

云南某冶炼厂污染土壤及地下水风险管控方案探究

云南省矿冶活动频繁地区的土壤及地下水环境均受到不同程度的重金属污染。云南省某有色金属冶炼厂场地经调查评估,土壤关注污染物的致癌风险及危害商超过可接受风险水平,地下水污染物具有迁移影响下游地下水环境的可能性。结合地块开发利用规划、污染防治实际需要及经济环境效益,提出以防止污染扩散为目的的风险管控方案,并对风险管控效益进行了分析。     

基于数值模拟的某污染区地下水风险管控值确定

针对地下水风险管控目标值确定较难的问题,以某废弃铁合金厂为研究对象,讨论地下水中Cr （Ⅵ）污染对下游敏感目标河流的环境影响,采用数值模拟方法,确定水力截获条件下该污染区地下水风险管控目标值。结果表明:天然条件下,2500 d后,Cr （Ⅵ）浓度>0.5 mg/L的污染羽将迁移至河流处;在水力截获条件下,当水力截获Cr （Ⅵ）浓度为10 mg/L以上的污染羽范围时,排泄至河流处Cr （Ⅵ）最高浓度为0.46 mg/L,可达到地下水风险管控的目的。最终确定本场地地下水风险管控值为10 mg/L,使地下水风险管控的面积减少了约9.45万m2,节约了污水处理的成本。该成果可为地下水风险管控目标值的确定提供方法支撑,为我国污染地块地下水修复方案编制提供设计支撑。     

镇江水厂前置调蓄池污染物扩散数值模拟

以镇江水厂水源安全保障工程前置调蓄池为对象,采用水环境模拟软件EFDC建立调蓄池三维数值模型,开展水动力学和污染物迁移数值模拟,预测不同流量工况下污染物进入调蓄池后到达取水口时间,分析了污染物的输移规律。研究结果表明:若发生污染事件,污染物基本沿着调蓄池水流方向扩散,污染云团面积逐渐增大,浓度逐渐减小;随着扩散距离逐渐增大,污染物扩散速度逐渐减小; 3种不同流量工况下,污染物扩散至调蓄池出水口时间都在10 h以上,满足设计要求。建设前置调蓄池能够在突发事故时延缓污染水体进厂,给应急处置提供时间,对保障供水安全具有重大意义。     

基于物理过程的矿区地下水污染风险评价

目前国内外所做的地下水污染风险评价的实例研究一般都是从地下水的脆弱性研究出发,并未过多地考虑特征污染物对污染后果的影响.脆弱性是环境对污染物的自然敏感性,而地下水污染评价中更应当体现出污染物在地下水中的迁移分布特性.为了完善地下水污染风险评价的理论和方法,以某尾矿区为例提出了基于物理过程的地下水污染风险评价方法,在污染发生之前,根据经济社会的敏感性条件和污染物将来可能的分布范围,事先划分各个污染风险等级在含水层空间上的分布范围,然后据此反推各个风险等级所对应的污染物源强,以此作为地下水污染风险评价等级的划分标准,通过对污染物在包气带和含水层中的运移进行数值模拟来评价尾矿区地下水的污染风险.结果表明,这种基于物理过程的地下水污染风险评价方法可以给出污染物浓度和风险水平在空间和时间上的分布规律,对于单个点状的污染场地来说,具有详尽的风险表征方式,优于以往基于含水层固有脆弱性指数法的风险评价方法,该方法适用于现有污染场地的风险评价、场地优化选址和为场地建设提供设计参数.     

地下水型水源地水质安全预警技术体系研究

地下水型水源地水质安全预警是城镇集中供水的地下水资源保护和管理的重要依据.为了提高地下水型水源地水质安全预警功能,提出了包括基于水质长序列监测预警、基于污染动态模拟预警及基于区域污染风险评价预警的技术体系.其中,基于水质长序列监测的预警是通过因子分析筛选水源地特征污染物,分析水质数据变幅以确定水源地水质的预警级别,可实现针对水源井的开关控制作用;基于污染动态模拟的预警是在水源地外围污染源特征基础上,模拟其动态迁移过程,进而确定其影响水源地水质的预警级别,可实现对水源地水质变化趋势的预判;基于区域污染风险评价的预警着重于水源地受区域污染风险控制与水源地保护区的耦合效应,同时结合其他预警影响因子作用以确定预警级别,可实现对水源地所在区域的宏观管控.该技术在哈尔滨市利民水源地进行了综合应用,结果显示,基于水质长序列监测预警中,COD_Mn及NH₄+的最大变幅指数均在1~2之间,预警级别确定为一级;根据污染动态模拟的结果得知,位于水源地开采井流场上游较高ρ（NH₄+）的范围在迁移20 a后,污染晕前段尚未到达水源地,确定预警级别为零级;基于区域污染风险评价的预警确定水源地所在区域为零级预警区,综合分析可以确定利民水源地地下水水质存在污染风险,应采取相应的管控措施.      

石油污染物在土壤中运移的数值模拟初探

针对大庆石油管理局宋芳屯油田开发建设的实际情况，分析了石油污染物在土壤中运移的规律，并建立了非饱和带污染物迁移和地下水运动模型。通过求有限元数值解，利用该模型对石油污染物在土壤中的迁移情况进行了模拟预测，结果显示了石油污染物可能对土壤造成污染的范围和影响程度。     

地下水污染的数值模拟及污染预测研究——以迁安市某项目的Cr~(6+)污染为例

针对地下水污染的数值模拟及污染预测问题,以迁安市某项目为例,建立了厂区及邻近地区地下水渗流模型和溶质运移模型,选用该项目的特征污染物Cr6+作为模拟因子,介绍了研究区水文地质条件,包括厂区位置及地形地貌、场地水文地质条件和场地水文地质试验,给出了建立地下水渗流数值模型,主要有地下水渗流数值模型和数值模型构建及识别验证,对地下水污染模拟预测,包括源强设定及模拟预测原则、地下水污染模拟预测和对地下水中Cr6+的浓度变化。     

垃圾渗滤液层状砂箱参数拟合试验及模拟

基于相似模拟条件,研究了垃圾渗滤液污染物在层状含水层中运移规律,通过数值模拟方法拟合了层状含水层的渗透性及弥散度,利用拟合参数分析了阜新垃圾填埋场有机污染物在地下环境中的迁移和时空分布规律,该实验和数值模型较好地反映了层状土中污染物渗漏的基本特征,对预测、控制渗滤液污染地下水提供了一种有效的方法。     

重点区域建设用地污染地块特征分析

以我国工业发展的重点区域京津冀、长三角和珠三角为研究对象,基于2018~2021年纳入《建设用地土壤污染风险管控和修复名录》的共496个污染地块,对其区域分布、土壤和地下水超标污染物特征、污染的行业相关性、场地地质条件等数据进行相关数据统计分析。结果表明:京津冀污染地块主要分布于京津和冀南,长三角污染地块数量最大且分布广,珠三角污染地块则密布于珠江口。整体上土壤污染以重金属-有机复合污染为主(48.43%),地下水则是有机污染占比(42.49%)最大。化学原料及化学品制造业和金属冶炼及延压加工业污染地块风险负荷指数大于0.25,为较高风险;塑料和橡胶制品业、机械制造、金属制品业、电器机械及器材制造业和皮革、皮毛制造业污染地块为中风险,其余行业污染地块为低风险。场地土壤和地下水污染分布与历史行业类型息息相关,如土壤中化学原料及化学品制造业超标污染物种类最复杂,卤代烃(占比12%)和苯系物(占比10.4%)相比其余行业占比更重,地下水中各行业重金属污染和常规指标如氨氮需要关注。土层深度上各类典型污染物最大超标普遍分布在0~5m,整体上重金属最大污染超标深度大于有机污染最大超标深度;土壤性质方面超标污染则更集中于黏性土等低渗透性土层。     

某污染场地地下水硝态氮迁移过程的数值模拟

以西北某沙漠地区的废水排放场地为例,利用Visual MODFLOW 2010.1软件构建污染物溶质运移模型,模拟废水中硝态氮在该场地饱和带地下水中的迁移、扩散和衰减规律,从而定量模拟预测未来20年内污染晕的扩散范围和浓度变化趋势。结果表明:含硝态氮废水在进入含水层后对地下水造成明显污染。随着时间延长,地下水中污染晕的范围在水平方向上呈椭圆状缓慢扩大,污染中心区地下水硝态氮浓度明显降低。受场地地下水水力梯度的限制,地下水流动缓慢,污染晕的空间扩散范围非常有限。废水进入含水层后第1年、第5年、第10年和第20年年末,污染晕的水平分布面积分别为18.52万,21.25万,24.15万,28.24万m~2,面积平均扩散速率为0.512万m~2/a;硝态氮的最大浓度分别为1.32,0.68,0.27,0.14 mg/L。污染晕中心相对于第1年、第5年、第10年和第20年分别沿地下水流线方向迁移447.21,948.68,1 755.63 m,距离平均迁移距离为87.78 m/a。在切断污染源后,随着时间延长,废水排放对地下水水质产生的影响将逐渐减弱,最终能够达到可接受水平。     

突发水污染事故风险预测中数学模型的研究

为了预防和控制潜在的水环境风险,准确预测水体中污染物的迁移和扩散情况,采用溢油扩延计算模式、油膜漂移分析计算方法和可溶性危险化学品一维瞬时扩散模型预测突发性污染事故对水体造成的影响。并以江南某航道为例,模拟船舶在船闸碰撞后发生溢油扩散、可溶性危险化学品扩散,进而提出一些风险防范的建议。该预测模型预测水体中污染物的实时浓度,分析污染水团的轨迹变化,有广泛的应用价值。     

甲苯污染场地基于人体健康的风险评估

某化工生产车间历史上发生甲苯泄漏,造成了现场的土壤和地下水污染。采用基于人体健康的风险评估以分析污染对敏感受体的风险,并确定污染物修复目标值和修复范围。结果表明,风险评估过程模型计算复杂,涉及参数众多,运用可信的风险评估商业软件可以快速模拟各种模式并进行计算,大大提高工作效率。