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长江三角洲地区松散沉积物沉积地层厚、砂层厚度大[1],是我国化工、农药行业企业的主要分布区域。随着我国“退二进三”产业结构调整和“退城入园”产业布局调整,出现了大量农药、化工企业退役地块。这些污染地块数量多、面积大、生产历史悠久,且多分布在沿江沿河及敏感受体密集区域,严重威胁人体健康和生态环境安全[2]。通常,污染物会在重力或淋溶作用下迁移进入土壤及地下水。随着污染源持续释放,污染物可以穿过整个非饱和带到达潜水面,部分污染物能够缓慢溶解于地下水并随地下水流动而形成污染羽。密度大于1.01 g·cm−3且在水中溶解度小于20 g·L−1的有机污染物,易形成重非水相污染物(Dense Non-aqueous Phase Liquid,DNAPL)在饱和带中继续向下迁移,直至到达含水层底部形成DNAPL池[3]。按照我国现行相关标准和技术规范要求,对于存在DNAPL类污染物的地块,要求调查到第一隔水顶板[4],这对于巨厚含水层(大于30 m)地块[5]的污染修复是巨大的挑战。DNAPLs污染物在含水层底板上的迁移行为较为复杂,使得DNAPLs污染场地的修复具有挑战性。同时,DNAPLs污染物的迁移也深刻影响地块调查和修复深度、制约地块的后续安全利用。
目前,DNAPLs在地下水中的迁移过程通常采用数值模拟方法进行模拟与预测。DNAPLs运移存在多相流过程,同时涉及多组分运移。因此,其运移机制复杂,数值求解具有一定的难度。UTChem(University of Texas Chemical Compositional Simulator)是一种应用广泛的求解多相流过程的模拟程序,被广泛用于求解描述DNPALs运移及活性剂修复过程的数值模拟,该软件在野外实际场地和实验室等各种尺度被广泛使用。ASADOLLAHFARD等[6]利用UTChem进行了受原油污染砂柱的修复模拟研究,结果发现,在pH为11、表面活性剂质量分数在0.1%~0.2%、砂柱渗透率增加的情况下,砂柱的修复效率能够得到提升,数值模拟得到的结果与实验室得到的结果较为吻合。KHALILINEZHAD等[7]采用UTChem模拟了低分子量聚合物溶液和重油在多孔介质中同时流动情况下的孔隙尺度驱替过程,模拟结果表明,聚合物溶液的粘度对聚合物浓度的增加比盐度更敏感。PICKENS等[8]利用UTChem建立实验室及场地尺度聚乙烯(PCE)在地下水中的两相流及表面活性剂修复过程,模拟结果表明,表面活性剂修复含水层中PCE是一种实用的修复技术,其修复效果取决于表面活性剂溶液溶解DNAPL的能力等不同因素。陈梦佳等[9]将拉普拉斯-外壳法引入UTChem,建立了一种典型的NAPLs污染物运移模型,结果表明,建立的模型能够较好地刻画NAPLs污染羽的时空分布变化规律。虽然DNAPL污染物数值模拟研究较为丰富,但大部分研究均局限于DNAPL污染物垂直向下迁移及修复效果的模拟,对于DNAPL污染物向下游及向上迁移的研究较少。
本研究选择江苏省南部地区某典型化工厂地块为研究对象,基于UTChem构建二维剖面典型DNAPLs运移模型,根据地块人体健康风险评价结果,确定地块污染物边界浓度,开展DNAPLs运移模拟,探究不同工况条件下巨厚含水层底板上DNAPLs池在垂向及水平方向的迁移规律,为确定污染地块调查深度和修复治理深度提供参考。
污染地块巨厚含水层典型DNAPLs运移模拟及安全利用深度评估
Transport Simulation of Typical DNAPLs in Deep Aquifer and Safe Utilization Depth Evaluation of Polluted Plot
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摘要: 江苏省南部地区历史遗留化工污染地块同时存在巨厚含水层(厚度>30 m)和DNAPL类污染物,故导致再开发利用时调查和治理深度难以确定。利用UTChem 模型构建地块二维地下水DNAPLs迁移模型,对巨厚含水层底板上典型DNAPLs(氯仿、1,2-二氯乙烷、四氯化碳、四氯乙烯)随时间推移的迁移扩散情况进行了模拟,并对影响其扩散范围的因素进行了探讨,基于模拟研究结果对此类地块安全利用深度进行了分析。模拟研究表明,不存在抽水井的情况下,经过70 a,含水层底板上4种典型DNAPLs(氯仿、1,2-二氯乙烷、四氯化碳、四氯乙烯)污染羽迁移范围有限,其自底板垂直向上最大迁移距离分别为16.70、16.90、15.20、7.90 m,向下游迁移距离分别为332.12、337.77、322.10、243.40 m。在存在抽水井的情况下,抽水井会显著影响DNAPLs污染羽的迁移范围。影响DNAPLs污染物迁移扩散范围的主要因素为污染物溶解度、密度、黏度、弥散度及渗透系数。本研究结果可为典型化工类型退役地块的风险管控和安全利用提供参考。Abstract: There are a large number of chemical pollution sites left over by history in the areas along the river and near the sea in southern Jiangsu. There are huge thick aquifers and DNAPL pollutants in the area where these sites are located. The depth of investigation and treatment during their redevelopment and utilization has always been a prominent problem perplexing the safe utilization of the plots as construction land. In this study, UTChem model was used to build a 2D groundwater DNAPLs transport model. Transport of 4 typical DNAPLs on very thick aquifer floor (chloroform, 1,2-dichloroethane, carbon tetrachloride and tetrachloroethylene) over time were simulated, and the factors affecting its diffusion range were discussed. Based on the simulation results, suggestions and factors that should be considered for the safe utilization depth of such sites are put forward. The research showed that, the migration of four typical DNAPLs (chloroform, 1,2-dichloroethane, carbon tetrachloride and tetrachloroethylene) plumes on the aquifer floor was limited after 70 a under no pumping wells condition. The maximum migration distances from the floor vertically upward were 16.70, 16.90, 15.20 and 7.90 m respectively, and the migration distances to the downstream were 332.12, 337.77, 322.10 and 243.40 m respectively; under pumping condition, the pumping wells will significantly affect the migration range of DNAPLs pollution plume. The main factors affecting the migration and diffusion range of DNAPLs were the solubility, density, viscosity, dispersion and permeability coefficient of pollutants. The results of this study can provide a scientific basis for the risk control and safe utilization of typical chemical decommissioned plots.
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Key words:
- extremely thick aquifer /
- DNAPLs /
- contaminated site /
- UTChem /
- safe utilization
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表 1 不同岩层渗透系数表
Table 1. Conductivity of different rock
岩性 水平渗透系数/ (m·d−1) 垂直渗透系数/ (m·d−1) 杂填土 4.000 2.000 粉土 0.025 0.016 粉砂夹粉土 2.980 1.740 粉砂 4.420 2.540 粉质粘土层 0.003 0.002 污染物 是否挥发 标准CAS 溶解度/
(mg·L−1)密度/
(g·cm−3)黏度 氯仿 是 67-66-3 7 950 1.479 0.55 1,2-二氯乙烷 是 107-06-2 8 600 1.245 0.80 四氯乙烯 是 127-18-4 250 1.623 0.80 四氯化碳 是 56-23-5 793 1.594 0.90 表 3 地下水高风险污染物风险控制值
Table 3. Risk control values of high-risk pollutants in groundwater
检出污染物 CAS号 基于室内蒸汽入侵的
风险控制值/(mg·L−1)基于室外蒸汽入侵的
风险控制值/(mg·L−1)氯仿 67-66-3 0.33 10.62 1,2-二氯乙烷 107-06-2 0.81 18.77 四氯乙烯 127-18-4 8.66 382.62 四氯化碳 56-23-5 0.23 11.07 表 4 工况1条件下典型DNAPLs污染物质迁移模拟结果
Table 4. Simulation results of pollutant migration of typical DNAPLs
污染物 标准CAS 向上迁移距离/m 向下游迁移距离/m 20 a 50 a 70 a 20 a 50 a 70 a 氯仿 67-66-3 9.70 13.50 16.70 140.51 260.34 332.12 1,2-二氯乙烷 107-06-2 11.10 15.00 16.90 142.40 264.71 337.77 四氯乙烯 127-18-4 5.00 6.90 7.90 97.12 187.41 243.40 四氯化碳 56-23-5 9.20 13.20 15.20 135.21 252.82 322.10 表 5 工况2条件下1,2-二氯乙烷污染物质迁移模拟结果
Table 5. Simulation results of pollutant migration of 1,2- dichloroethane
污染物
迁移情景向上迁移距离度/m 向下游迁移距离/m 20a 50a 70a 20a 50a 70a 情景1 11.29 13.10 13.71 69.34 159.03 218.76 情景2 11.71 14.92 15.98 140.88 261.83 331.82 情景3 9.75 0 0 35.79 0 0 情景4 16.51 25.80 27.90 164.12 266.72 318.36 情景5 18.23 0 0 298.17 0 0 情景6 18.72 35.51 38.22 220.61 291.12 293.29 表 6 不同弥散度条件下敏感性系数结果
Table 6. Sensitivity analyses under different dispersion conditions
弥散度变化幅度 垂向迁移距离SAF 横向迁移距离SAF −10% 0.449 0.200 −5% 0.599 0.181 +5% 0.419 0.200 +10% 0.329 0.196 表 7 不同渗透系数条件下敏感性系数结果
Table 7. Sensitivity analyses results under different conductivity conditions
渗透系数变化幅度 垂向迁移距离SAF 横向迁移距离SAF −10% 0.359 0.749 −5% 0.299 0.729 +5% 0.778 0.747 +10% 0.509 0.744 -
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