基于FEFLOW的地下水污染数值模拟及预测研究——以天津市某化工厂地块为例

孙克静，焦永杰

(1.国环危险废物处置工程技术(天津)有限公司，天津 300280； 2.天津市生态环境科学研究院，天津 300191)

1 引言

随着我国经济社会的快速发展、产业结构的调整及城镇化进程的推进，工业企业用地搬迁或拆除后遗留的环境问题成为社会关注的焦点[1，2]。原企业生产过程中污染防治和风险防控水平有限，可能使排放的废水、废气、废渣等遗留在土壤中，对土壤和地下水环境造成污染，同时对人体健康及周边生态环境产生潜在威胁[3，4]。土壤污染迁移性较差，污染易去除；地下水污染随地下水流动迁移性较强，污染不易去除。如果污染源未被及时清除，污染物持续迁移扩散，则可能造成严重的环境污染事故[5，6]。因此，地下水污染地块开发利用前，对地下水污染进行预测分析尤为重要，否则可能对地块周边地表水体、深层地下水造成污染，从而影响周边人体健康。

地下水污染问题受到越来越多的重视，数值模拟已成为国内外学者进行地下水污染研究的重要手段之一。国外Giraud等[7]建立三维数值模型对污染水质进行模拟，Ramasamy等[8]通过数值模拟对酸性矿坑水进行预测。国内薛禹群等[9，10]对数值模拟在地下水污染评价预测中的应用进行多方面探讨与研究。其中，FEFLOW有限单元数值模拟因模拟效率高且模拟结果更为准确直观，在地下水污染数值模拟中被广泛应用[11]。张淼等[12]运用FEFLOW对宁波市某印染厂场地建立地下水数值模型，并选用COD为模拟因子，对场地地下水污染状况进行评价。高月香等[13]基于FEFLOW对高尔夫球场地地下水污染进行预测评估。焦涛等[14]应用FEFLOW对泰州市某退役化工地块建立地下水流模型和溶质运移模型，对地下水超标污染物进行风险预测。

本研究以天津市某化工厂地块为例，基于FEFLOW软件建立了地下水流模型和溶质运移模型。选取地下水超标污染物苯为模拟因子，对地下水中苯进行数值模拟，并结合模拟结果对地下水中的苯进行了预测分析。

2 研究区概况

图1 研究区水文地质剖面

3 地下水模型构建

3.1 水文地质条件概念模型

研究区域周长为3332 m，面积约为45万m2。根据水文地质勘查资料显示，研究区域地表下30.0 m范围内分布2层地下水，分别为潜水和承压水：潜水含水层主要包括人工填土层的素填土的底部，全新统上组陆相沉积层粉质黏土、粉土、粉质黏土和全新统中组海相沉积层的粉质黏土、粉土、粉质黏土、粉砂；承压水层主要包括全新统下组陆相沉积层的粉土、上更新统第五组陆相沉积层的粉砂、粉质黏土。两个含水层之间有一层厚度约8 m的潜水含水层隔水底板，主要包括全新统下组沼泽相沉积层的粉质黏土和全新统下组陆相沉积层的粉质黏土。

研究区地下水流整体上以水平运动为主、垂向运动为辅，符合达西定律，可概化为空间三维流。地下水系统的垂向运动主要是层间的越流；地下水系统的输入、输出随时间、空间变化，故地下水为非稳定流；参数随空间变化，体现了系统的非均质性，但没有明显的方向性；所以含水层可以概化成非均质、各向同性。

3.2 模型离散化

利用FEFLOW软件将研究区进行三角形网格剖分，在阻隔墙边界处适度加密，生成203022个有限单元格，共104074个节点，剖分结果见图2。

图2 研究区地下水数值模型平面网格剖分示意

根据研究区含水层系统的垂向分布特征，将研究区含水层系统分为八层(layer)九片(slice)，上层为潜水含水层，下层为承压含水层，中间为弱透水层。

3.3 地下水流模拟

将研究区内2021年8月份5口监测井的地下水位数值运用Kriging插值计算后作为本次模拟的初始水位，其初始水位分布见图3。

图3 研究区地下水初始水位分布

4 地下水溶质运移模拟

研究区内部分区域潜水受有机物污染现象较为严重，为防止地下水污染物随地下水流迁移扩散，在地下水污染主体区域采取垂直阻隔的方式，隔断地下水污染物向周边迁移扩散途径。由于阻隔墙的存在，地下水污染物在水平方向迁移性较差；但垂直方向上，潜水中的污染物能否随地下水流向下迁移至承压水含水层，迁移深度有多深。本研究将通过数值模拟的方法，以地下水中污染较为严重的有机污染物苯为溶质运移因子，预测分析苯在地下水中垂直方向的迁移状况。

4.1 污染物溶质运移参数

4.1.1 研究区剖分及时间离散

将上述建立的水流模型中的剖分形式运用到溶质运移模型中，并运用FEFLOW软件对溶质运移模型求解。污染物初始浓度选用2018年苯的实测浓度，模拟时间为100年，共36500 d，分别模拟出10年、50年、100年之后污染物浓度变化情况。

4.1.2 初始条件

选取2018年土壤污染状况调查中苯的实测浓度作为模拟溶质运移的初始浓度，研究区溶质运移背景见图4。由图4可见，苯污染严重的区域位于阻隔墙管控范围内。

图4 研究区苯背景浓度示意

4.1.3 污染物迁移参数

本次模拟的溶质运移参数有渗透系数、孔隙度、纵向和横向弥散度等，其中，渗透系数和孔隙度取值源自水文地质勘察，纵向和横向弥散度源自经验值。本次模拟横向弥散度取值2 m，纵向弥散度取值20 m。其水文地质参数取值详见表1。

表1 溶质运移模拟参数取值

4.1.4 阻隔墙设置

研究区风险管控范围周边设有阻隔墙，阻隔墙深至16 m。为使阻隔墙起到阻止地下水污染物迁移的效果，本次模拟过程将其设为inactive。阻隔墙边界设置见图5。

4.2 预测结果分析

本次模拟结果表明，研究区污染物迁移深度随着时间增长而加深。地下水中苯垂向迁移范围见图6。

由图6可知，百年之内，地下水中苯的污染深度由-8 m运移至-15.5 m，纵向迁移7.5 m。根据水文地质勘查结果，潜水隔水层底板标高为-16.39 m；百年之内地下水中苯污染范围未穿透潜水隔水层底板，说明未来100年地下水中苯迁移垂向上不会对深层的承压水产生风险。

图5 阻隔墙边界设置

图6 地下水中苯污染垂向迁移范围

4 结论

研究区地下水风险管控范围内由于受阻隔墙的影响，地下水污染物水平方向迁移性较差。基于FEFLOW软件的溶质运移模拟结果表明，未来100年地下水中苯污染范围垂直方向未穿透潜水隔水层底板，不会对深层的承压水产生风险。本研究结果可为该地块后期环境管理提供技术参考。