在2025年，水污染問題依舊嚴峻，地下水污染因其隱蔽性、流動性，以及修復難度大等特性，成為環保領域的重點難題。工業活動是地下水污染的重要來源之一，隨著城市化進程的推進，工業企業搬遷後遺留的污染場地，對地下水環境構成了長期威脅。數值模擬技術作為一種高效的研究手段，在地下水污染遷移預測與防治策略制定中發揮著關鍵作用。本文聚焦某化工廠地下水有機污染問題，運用三維數值模擬技術展開研究，旨在為地下水污染防治提供科學依據與技術支撐。
某化工廠占地約 23000 平方米，主要生產甲烷氯化物和四氯乙烯。《2025-2030年全球及中國水污染行業市場現狀調研及發展前景分析報告》環境調查顯示，該化工廠地下水中 1,2 - 二氯乙烷、三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯超標，對人體健康構成不可接受的風險。具體數據如下表所示：
鑑於此，為防控水污染，該化工廠擬採用地下水阻隔技術，對污染區域實施垂直阻隔，阻止污染物進一步擴散。
研究區涵蓋化工廠區及其周邊受影響區域，總面積約 77760 平方米。該區域屬低山丘陵地貌，由低山地貌、丘陵地貌、平壩地貌和溝谷地貌組成，年平均降水量 780.7 毫米。研究區淺部地基土包含第四系全新統人工成因雜填土、第四系全新統沖洪積粉質粘土，以及侏羅系中統泥岩、砂岩。
研究區地層可分為三層：第一層為雜填土，厚度 4.80 - 9.20 米;第二層為沖洪積粉質粘土層，厚度 0.60 - 7.10 米，滲透性差，為相對隔水層，滲透係數為 5.0×10⁻⁶ - cm/s，由西至東逐漸增厚;第三層主要由強風化泥岩構成，區域含水層厚度 5 - 14.2 米，層厚 2.70 - 3.90 米，滲透係數為 3.5×10⁻⁴ - cm/s 。此外，存在一層隔水層，主要岩性為中風化泥岩，滲透係數平均值為 5.58×10⁻⁶ - cm/s，屬微透水層。
研究區地下水類型分為上層滯水和基岩孔隙裂隙水。上層滯水主要分布在雜填土中，平均厚度約 6.0 米，主要由大氣降水、周邊居民生活用水及地表水滲透補給，通過蒸發、地下徑流方式排泄。基岩孔隙裂隙水則賦存於砂岩、泥岩風化帶及裂隙中，補給來源為降雨入滲和地下水側向徑流補給。
研究發現，第二層強風化泥岩滲透係數約 3.5×10⁻⁴ - cm/s，是地下水污染物快速擴散的主要通道。因此，計劃在該含水層設置滲透係數達 10⁻⁶ - cm/s 的止水帷幕，以降低污染物遷移速度，防控水污染。
水文地質概念模型通過對含水層的邊界性質、內部結構、滲透性質、水力特徵及補給排泄條件進行概化，為數學與物理模擬奠定基礎。在此基礎上，構建地下水水流模型和地下水溶質運移模型。
地下水水流模型採用如下數學模型描述研究區域的地下水流動問題：⎩⎨⎧∂x∂(Kx∂x∂H)+∂y∂(Ky∂y∂H)+∂z∂(Kz∂z∂H)+W=μs∂t∂H,(x,y,z)∈S;H(x,y,z,t)=H0(x,y,z),(x,y,z)∈S,t=0;H∣B1=H1(x,y,z,t),(x,y,z)∈B1,t≥0K∂n∂K∣B2=q(x,y,z,t)=0,(x,y,z)∈B2,t≥0。其中，Kx、Ky、Kz為 x、y、z 方向的滲透係數(m/d);H 為地下水水頭(m);B1為已知水頭邊界(第一類邊界);B2為隔水邊界;H1為水位(m);W 為源匯強度(d⁻¹);Q 為滲流區域;μs為儲水率，取值 0.0009。
地下水溶質運移模型用於預測溶質在地下水中的運移，通過數學公式和基本條件描述溶質的運動、降解等物理化學過程。該模型由控制方程、初始條件和邊界條件構成，具體如下：⎩⎨⎧Rθ∂t∂C=∂xi∂(θDij∂Xj∂C)−∂xi∂(θviC)−WCS−WC−λ1θC−λ2ρbC,(x,y)∈SC(x,y,t)=C0(x,y,t),(x,y)∈S,t=0C(x,y,t)∣Γ1=C1(x,y,t),(x,y)∈Γ1,t≥0θDij∂Xj∂C∣Γ2=f1(x,y,t),(x,y)∈Γ2,t≥0
式中，C 為溶解於水中的污染組分濃度(mg・L⁻¹);Dij為水動力彌散係數張量(m²・d⁻¹)，模擬時彌散度取 0.528m，且DT=DL/10(DL為縱向彌散係數，DT為橫向彌散係數);xi為空間位置坐標(m);vi為地下水滲流速度張量(m²・d⁻¹);W 為水流的源(正值)或匯(負值，1/d);θ 為介質的孔隙度(無量綱);Cs為源或匯中污染組分的濃度(mg・L⁻¹);λ1為溶解相一級反應速率(1/d);ρb為多孔介質的密度(mg・dm⁻³);C為介質骨架吸附的污染組分的濃度(mg・L⁻¹);t 為時間(d);R 為阻滯因子(無量綱)，考慮含水介質對污染物的滯後阻滯效應，取值 1;Γ1為已知濃度邊界，C1(x,y,t)為已知濃度邊界上的濃度值;Γ2為通量邊界，f1(x,y,t)為邊界Γ2上已知的彌散通量函數。
研究區域近似長方形，為提高模擬結果的精確度，對研究區網格進行剖分。根據現場實際情況，結合廠區及周邊水文地質特徵，平面採用 10×6m 網格，將區域劃分為 36 行、36 列，單層網格數 1296 個，實際模擬平面面積為 77760 平方米。研究區域內地形高程採用散點輸入結合 IDW 插值法模擬賦值。
通過模型預測和疊代，調整水文地質參數及各參數的分區大小，當模擬的地下水流場與實際地下水流場達到最佳擬合度時，可認為模擬結果可信。
運用上述構建的溶質模型，模擬天然狀態下和阻隔情景下第 20 天、第 100 天、第 800 天、第 2000 天地下水污染物的擴散遷移情況。
天然狀態下，第 20 天時，1,2 - 二氯乙烷污染物順地下水力梯度在廠區範圍內遷移擴散;第 100 天時，污染羽逐漸擴大;第 800 天時，污染羽經遷移擴散後逐漸融合，東南側污染羽已擴散至廠區外;第 2000 天時，污染羽整體向地下水下游遷移，部分遷移至研究區域外。而在阻隔情景下，第 20 天至第 2000 天，1,2 - 二氯乙烷污染羽始終被控制在廠區範圍內，有效防控了水污染擴散。
天然狀態下，第 20 天時，三氯甲烷污染羽明顯遷移擴散;第 100 天時，在水力梯度作用下污染羽間距縮小;第 800 天時，部分污染羽相互融合，東南側污染羽遷移出廠區邊界;第 2000 天時，污染羽沿地下水流向整體遷移和擴散，大部分遷移擴散至研究區域外。阻隔情景下，三氯甲烷污染羽擴散幅度較小，第 2000 天時仍被控制在廠區範圍內，降低了水污染風險。
天然狀態下，四氯化碳在水力梯度作用下快速遷移，第 800 天時污染已擴散至廠區範圍外，第 2000 天時對研究區域外環境造成影響。阻隔情景下，水力梯度的影響被去除，四氯化碳只能通過濃度梯度擴散遷移，第 2000 天時污染羽仍被控制在阻隔區域內，有效防止了水污染範圍的擴大。
天然狀態下，四氯乙烯在地下水中快速擴散遷移，在水力梯度作用下污染羽形狀呈細長狀，第 800 天時已遷移至廠區外，第 2000 天時擴散至研究區域外。阻隔情景下，四氯乙烯僅隨濃度梯度擴散遷移，遷移速率低，污染羽呈圓形或橢圓形，第 2000 天時仍被控制在廠區範圍內，遏制了水污染的蔓延。
本文圍繞某化工廠地下水有機污染問題，構建研究區水文地質概念模型和氯代烴污染物溶質運移模型，藉助三維數值模擬技術，預測與評價地下水中污染物的分布遷移情況。研究結果表明，天然狀態下，地下水污染物自第 20 天起逐步擴散，對廠區外環境造成影響。而在建立垂直阻隔後，污染物主要富集於污染中心附近，有效降低了地下水污染風險範圍。相比於天然狀況，建立垂直阻隔後，地塊內水頭趨近穩定，污染物在自身濃度差作用下運移，始終富集於污染中心附近。此外，地下水數值模擬結果顯示，地下水阻隔技術可有效降低地下水流場對污染物擴散遷移的影響，該技術可與其他技術聯用，如與抽出 - 處理技術結合，以應對地下水污染問題。本研究為地下水污染防治和風險管控提供了科學依據與技術參考，有望助力水污染治理領域的進一步發展。
更多水污染行業研究分析，詳見中國報告大廳《水污染行業報告匯總》。這裡匯聚海量專業資料，深度剖析各行業發展態勢與趨勢，為您的決策提供堅實依據。
更多詳細的行業數據盡在【資料庫】，涵蓋了宏觀數據、產量數據、進出口數據、價格數據及上市公司財務數據等各類型數據內容。
京公網安備 11010502031895號
