《地下水循环井水力环流模拟与水动力调控参数优化设计技术指南（征求意见稿）》

1总则

1.1编制目的

为指导循环井技术水动力调控参数的优化设计，推进循环井技术在土壤和地下水污染治

理中的应用，根据相关法律、法规及技术指导文件，编制《地下水循环井水力环流模拟与水

动力调控参数优化设计技术指南》（以下简称指南）。

1.2适用范围

本指南规定了开展地下水循环井水动力调控参数设计的工作流程、工作方法、工作内容

等。

本指南适用于单个双筛段结构地下水循环井水力环流特征的模拟刻画，可为循环井技术

水动力调控参数优化设计提供参考依据。

1.3编制依据

本指南内容引用了下列文件中的条款，凡是不注明日期的文件，其有效版本适用于本文

件。

（1）供水水文地质勘察规范（GB50027-2001）；

（2）地下水资源管理模型工作要求（GB/T14497-1993）；

（3）建设用地土壤污染状况调查技术导则（HJ25.1）；

（4）地下水环境监测技术规范（HJ164）；

（5）环境影响评价技术导则地下水环境（HJ610-2016）；

（6）污染场地岩土工程勘察标准（HG/T20717-2019）；

（7）地下水资源数值法计算技术要求（DZ/T0224-2004）；

（8）地下水污染模拟预测评估工作指南（环办土壤函〔2019〕770号）；

（9）地下水流数值模拟技术要求（GWI-D1-2004）；

（10）水文地质概念模型概化导则（GWI-D8-2004）。

1.4术语和定义

（1）地下水循环井（Groundwatercirculationwell，GCW）

受污染的地下水在机械抽注水或注气作用下，通过井管的两个或多个筛段，在井周围一

定范围内形成三维水流循环，并通过不断冲刷扰动去除含水层中污染物的特殊结构井。

1

（2）水力环流数值模拟（Hydrauliccirculationnumericalsimulation）

以电子计算机为工具，通过数值计算和图像显示方法，设定反映客观情况的相关参数，

进行合理概化后，对地下水水力环流特征开展模拟计算，模拟地下水系统结构、运动特征要

素时空变化过程，推求数学模型的近似解，获得循环井影响半径等目标参数的方法。

（3）循环井水动力调控（HydrodynamiccontrolofGCW）

根据污染场地水文地质条件、污染物特性、循环井结构、修复周期及修复目标对循环井

的循环模式、循环流量、抽注水频率等参数进行调控，在确保各组件正常运行的前提下，使

水力环流效果和污染修复效果达到最优。

2工作内容和流程

2.1工作内容

2.1.1资料收集

采用历史资料收集、现场踏勘等手段，收集污染场地概况、土壤及地下水环境质量调查

结果、地质及水文地质条件等相关资料，必要时结合现场调查等工作完善相关资料。

2.1.2水力环流模拟

结合场地水文地质条件、污染物分布特征及修复目标，通过计算机数值模拟方法对水力

环流特征进行刻画。

2.1.3水动力调控参数优化设计

根据水力环流模拟结果和决策目标导向提出循环井最优水动力调控参数设计方案。需确

定的主要技术参数包括循环井结构参数和水动力调控参数。循环井结构参数主要包括循环井

井径、孔径，筛段长度及位置；水动力调控参数包括循环井的循环方式、循环流量、抽注水

频率等。

2

2.2工作流程

图2-1工作流程图

3资料收集

3.1场地概况资料

3.1.1自然地理资料

调查区地理位置，地形地貌特征，场地范围及拐点坐标，地面高程等。

3.1.2气象水文资料

调查区及附近区域气候类型、降水量、蒸发量、气温、冻土、光照、风向等气象资料；

调查区及附近区域地表水系分布情况、径流量、水深、河床岩性等。

3.1.3土地历史利用资料

调查区土地利用历史，包括开发历史、调查区域平面图、建筑物分布图、建筑物地基埋

藏情况等。

3.2地质及水文地质资料

3.2.1地质结构资料

调查区及附近区域地质构造、地层岩性、饱和带及非饱和带厚度、地层的均质性等，调

查区地质图，钻孔柱状图等。

3

3.2.2水文地质资料

调查区地下水赋存条件，包括含水层介质及类型、厚度、地下水位（埋深）；地下水的

源汇项，地下水流速、流向、水力梯度，场地周边已有水井情况（如水位埋深、抽注水量、

年内及多年动态变化特征），地下水化学特征，以及地下水和地表水的相互作用等；水文地

质参数主要包括渗透系数、孔隙度、贮水系数、给水度等；调查区井孔柱状图，抽水、注水

试验资料，地下水长期监测资料，附近地表水流量、水质监测资料以及相关的水文地质调查

报告等。

3.3污染状况资料

3.3.1历史污染资料

调查区历史及现状污染调查成果资料，包括污染源产排污情况、主要产品、原辅材料、

生产工艺流程图、地下储罐和管线分布情况图、特征污染物等。

3.3.2污染源资料

调查区次生土壤污染源区位置、方量、分布，污染物种类、相态、理化性质等，以及污

染物在地下环境中的迁移途径、迁移规律、衰减特征等。

3.3.3污染羽资料

调查区地下水污染羽空间分布范围、污染羽深度及宽度，污染物最大超标浓度及平均值

等，污染羽的迁移速率，以及迁移过程中发生的主要作用，包括吸附、对流扩散、化学反应、

生物降解等。

4数值模拟

4.1数值模拟一般步骤

循环井驱动下地下水数值模拟宜按如下流程进行。当软件功能、计算方法、分析内容相

对特殊时可按实际情况微调下列流程，但应作出说明。

（1）确定目标：循环井水力环流数值模拟目标是在已有污染场地条件下，在循环井水

力驱动下，修复时段内，井周边一定范围内水流体系及污染物的变化特征及作用范围，确定

循环井运行效果的重要表征指标；

（2）资料收集：具体参见第3部分；

（3）水文地质概念模型的建立：包括模拟计算范围、边界条件、含水系统结构、水力

4

特征，水文地质参数分区、源汇项及初始条件的概化；

（4）数学模型的建立：根据所建立的水文地质概念模型，建立适当的数学模型，包括

描述地下水运动规律的偏微分方程以及特定区域的定解条件（边界条件和初始条件）；

（5）选择模拟程序：可自己编译或选择已知的公开或商业程序；

（6）模型的识别：包括识别时段的选择、校正的方法、校正的标准；

（7）模型的验证：在模型识别的基础上，利用相互独立的不同时段资料，采用已识别

的参数通过不同源汇项的输入和输出，确定模拟结果与实际观测数据的拟合程度，达到校正

标准后才能将模型用于预测；

（8）模型的预测和敏感性分析：设计不同井结构及运行方式下的预测方案，预测循环

井驱动下的地下水流场、粒子轨迹和污染物的迁移特征随时间的变化规律；

（9）预测结果的后处理：根据不同预测方案下地下水流、污染物等反映循环井运行效

果的表征指标，确定其特征值的大小。

图4-1循环井水力环流模拟基本过程示意图

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4.2不同模拟阶段及目标

根据循环井在场地应用的实际情况，可分为初步模拟阶段，模拟比选阶段和模拟优化阶

段。

4.2.1初步模拟阶段

在前期历史资料收集和现场踏勘后，可利用较少的资料进行初步的数值模拟。该阶段的

主要目标是在设计初期利用所搜集的较少资料构建数值模型，初步确定循环井的影响范围及

运行效果，在此基础上结合场地范围及污染物分布特征，初步确定循环井位置。

4.2.2模拟比选阶段

通过开展场地详查获得相对准确的水文地质资料和污染物分布信息，可在初步模拟阶段

所构建的数值模型基础上进行改进，开展循环井技术参数优化设计。该阶段的主要目标是利

用场地详细调查的资料优化数值模型，开展不同结构循环井技术运行效果分析，确定循环井

结构参数。

4.2.3模拟优化阶段

在完成循环井现场布设后，根据所建成循环井试验获得的数据及参数，对所构建模型进

行校准，预测未来循环井技术运行效果，优化运行参数。该阶段的主要目标是根据已经布设

循环井抽注试验所获得的水位（头）变化结果及污染物浓度变化数据，分析并确定水力循环

方式及抽注水流量，对已构建的模型进行校准，为后期循环井水动力调控参数的调整提供理

论依据。

4.3不同模拟阶段的任务

4.3.1初步模拟阶段

根据前期搜集的资料，建立场地水文地质概念模型、数学模型以及数值模型，并利用所

建立的数值模型进行模拟预测，分析循环井布置在场地不同位置处的运行效果，确定循环井

在场地的安装位置。该阶段受限于所收集场地资料条件的完备程度，可不进行模型的识别和

验证。

4.3.2模拟比选阶段

根据场地调查结果，对初步模拟阶段所建立的模型进行调整，利用模型分析不同循环井

结构及运行参数下的循环井运行效果。该阶段的任务主要是对循环井结构进行优化。由于该

阶段未布设循环井，可不进行模型的识别和验证。

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4.3.3模拟优化阶段

根据前期详细调查所获资料及场地安装循环井后的抽注试验所获观测数据，开展完整的

地下水数值模拟工作，对构建的模型进行识别和验证，并开展敏感性分析，为后续循环井的

正常运行提供理论指导。

4.4水文地质概念模型的建立

4.4.1确定模拟范围

考虑所需修复范围的边界，场地周边特殊补给、排泄和隔水等边界，以及前期场地抽水

试验影响半径等条件，以方便模型概化和计算为基础，综合确定模拟区域范围。尽量将模拟

区边界设置在自然边界处，或设置在容易确定流量或地下水位的人为边界处。若无特殊边界

条件，可考虑循环井影响半径之外一定距离作为模型的边界。

4.4.2边界条件概化

根据含水层、隔水层的分布，在地质构造带和模拟边界上的地下水流特征，地下水与地

表水的水力联系等因素，可将计算区侧向边界条件概化为给定水位的一类边界、给定流量的

二类边界或给定流量与水位关系的三类边界；垂向边界条件可考虑修复目标含水层及其上下

地层特性，概化为有水量交换的边界条件和无水量交换的边界条件。

4.4.3含水层系统结构概化

应根据含水层的类型、岩性、厚度、导水系数（渗透系数）等将内部结构概化为均质（或

非均质）各向同性（或各向异性）含水层。

4.4.4水力特征概化

地下水在循环井技术适用地层中的运动符合达西定律，循环井驱动下水力环流为三维流，

且需分析循环井运行效果随时间的变化特征。因此建模时应根据地下水流状态将模拟区地下

水流概化为非稳定三维流。

4.4.5水文地质参数分区

根据前期搜集资料及场地调查数据，分析得到渗透系数、孔隙度、给水度、贮水系数、

降水入渗系数等水文地质参数，并结合地貌、岩性等特征，划分水文地质参数分区，对不同

分区给定水文地质参数，作为水量模型识别计算的初始值。在后期模型识别过程中，可对分

区以及参数进行适当调整，但应与水文地质特征相符。

7

4.4.6源汇项概化

在场地及周边地下水补给、排泄项调查的基础上，对其进行合理概化。

（1）补给项概化：降水入渗补给概化为面状补给；侧向流入可依据监测资料及场地调

查，合理概化为流量边界或水头边界；河流补给可概化为河流边界；注水井可概化为补给井。

（2）排泄项概化：对蒸发排泄，可概化为面状排泄，若场地内所修复含水层为水位埋

藏较浅的潜水，可建立受潜水极限蒸发埋深约束的子模型；抽水井可概化为井；侧向流出可

依据监测资料及场地调查，合理概化为流量边界或水头边界；地下水向河流排泄，河流可概

化为河流边界。

（3）对于循环井，根据循环井筛段位置和长度，将其概化为抽水井和注水井。其中抽

水筛段可将其概化为抽水井，注水筛段可将其概化为注水井。

4.4.7初始条件

（1）地下水位分布：根据场地调查结果，若场地范围较大，地下水位存在较大差异，

地下水位观测点较多时，可插值绘制地下水位等值线，并将其给入模型剖分网格，作为初始

流场；若场地范围较小，场地地下水位变化较小，地下水观测点数较少，无法形成等值线的，

可给入定值作为场地的初始水位。

（2）污染物分布：根据场地调查结果，若场地范围较大，污染物浓度变化存在较大差

异，地下水污染物监测点数量较多时，可插值绘制污染物浓度等值线，并将其给入模型的剖

分网格，作为初始浓度场；若场地范围较小，场地污染物浓度变化较小，污染物监测点数量

较少，无法形成等值线的，可给入定值作为场地的初始浓度。

4.5建立数学模型

根据所建立的水文地质概念模型，写出合适的数学模型，包括描述地下水运动规律的偏

微分方程，以及特定区域的定解条件（包括边界条件和初始条件）。具体可参考附录B.1。

4.6选择模拟程序

4.6.1计算方法的确定

模拟计算方法可采用有限差分、有限单元等方法，进行地下水流和污染物迁移的正演计

算。可以选择已有商业软件来构建数值模型，宜为软件开发企业或专门科研机构开发的地下

水数值模拟计算软件。如VisualMODFLOW、GMS、FEFLOW等软件。

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4.6.2计算程序选择

循环井水力环流数值模拟宜同时考虑地下水流模拟、粒子追踪模拟以及污染物运移模拟。

地下水流模拟用于刻画循环井周边三维环流水位（头）分布特征；粒子追踪模拟用于确定循

环井及含水层中水流运动轨迹及其影响范围；污染物运移模拟宜简化，只考虑对流迁移模拟，

用于刻画循环井影响下污染物在含水层中的变化过程。

4.6.3空间离散

水平离散：可根据实际场地范围大小，对模拟范围进行“规则”或“不规则”的网格剖

分。在循环井周边水位及污染物浓度变化较大的区域，可根据需要适当加密，水平方向考虑

循环井的直径一般概化为一个单元格。

垂向离散：应考虑循环井抽注水筛段的长度，即循环井单个筛段垂向上需概化为一个或

多个单元格。

4.6.4时间离散

循环井驱动下地下水数值模拟需考虑循环井运行效果及影响范围随时间的变化，应将模

拟时间划分为一系列应力期，并将每个应力期划分为若干时间步长。前期变化较快，可考虑

划分时段短一些，后期变化较慢，可考虑剖分时段长一些。具体应根据污染场地修复周期以

及循环井修复预期影响范围达到的时间来确定。

4.6.5水流模型构建

用确定性数学模型描述地下水流时必须满足①对应的水流控制方程以及确定的参数值；

②相应的定解条件来把握所描述的地质体。循环井驱动下水力环流须概化为三维模型，以分

析水流在含水层垂向上不同位置的变化。具体控制方程和定解条件模型可参考《地下水流数

值模拟技术要求》(GW1-D1)。循环井水力环流驱动下的地下水流模型数学模型可参考附录

B.1。

4.6.6粒子追踪模型

MODPATH与MODFLOW联用可以计算出粒子在流场中的迁移路径，可理解为地下水

在循环井驱动下的运动轨迹，用来刻画循环井驱动三维环流的特征。可选取循环井影响半径

（R）和循环井粒子回收率（Pr）作为描述循环井运行效果的表征指标。循环井水力环流驱

动下的粒子追踪模型可参考附录B.2。

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4.6.7污染物迁移模型

根据不同的污染物，对其进行概化，并构建污染物迁移模型，具体建模过程可参考《地

下水污染模拟预测评估工作指南》。可以考虑以污染物迁移半径（rm）或污染物去除率（ŋ）

作为衡量循环效果的表征参数。循环井水力环流驱动下的污染物迁移模型可参考附录B.3。

4.7模型校正（识别）

4.7.1校正时段的选择

当可供识别的时段较短时，一般选择水位观测资料较多、源汇项容易确定的时段以减少

其他不确定性因素的干扰。条件允许时，应尽量利用一个以上水文年数据开展模型校正工作

以提高模型可靠性。

4.7.2校正方法

在地下水数值模拟参数识别过程中，主要包括如下两种方法：

（1）试估-校正法：在每次正演前，根据水位（头）计算值与实测值的拟合情况，人为

给出各参数的修正值。

（2）最优化方法：给定参数的上下限（约束条件），计算机自动优化。

4.7.3校正标准

关于地下水数值模型的校正标准问题，可参考《地下水资源管理模型工作要求（GB/T

14497-1993）》、《地下水资源数值法计算技术要求》（DZ/T0224-2004）中对地下水数值

模型识别与验证的技术要求。

4.8模型验证

经过校正后的模型还应进一步验证，确定其是否正确描述地下水系统的本质特征。校正

与验证过程必须利用相互独立的不同时间段资料，并采用已校正的参数，通过对地下水系统

模型的输入和输出，观察地下水数值模型的计算结果与实际观测数据的拟合程度。

4.9模型的预测和敏感性分析

4.9.1模型的预测

对循环井驱动下水力环流特征进行模拟预测，可根据修复目标及工期安排，设计不同循

环井结构及运行方案，包括循环井的筛段长度和位置、抽注流量以及运行时间。估算未来一

定时间内地下水流、粒子追踪及污染物迁移特征，确定不同方案下循环井周边地下水位影响

范围、水流的运动轨迹以及污染物的迁移特征。

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4.9.2模型的敏感性分析

检验循环井优化设计过程中筛段的长度、筛段的位置、抽注流量、循环方式等设计参数

对模拟结果响应情况。根据敏感性分析结果，针对敏感性高的设计参数重点进行优化设计。

4.10预测结果的后处理

对粒子追踪模型及污染物迁移模型运行结果进行处理，得到以下循环井运行效果表征指

标的确定方法。

（1）粒子回收率（Pr）：在规定时间内被抽水筛段捕获的粒子数（N循）与注水筛释放

的总粒子数（N总）之比，表示为N循/N总，该指标可用于表征循环井运行效果中的循环效

率。

（2）横向影响半径（RT）、纵向影响半径（RL）：以粒子追踪模型中粒子在沿天然地

下水流方向和垂直于水流方向垂向切割循环井所在单元格观测粒子轨迹，从注水筛出发在规

定时间内可运移至抽水筛的轨迹距循环井中心的最远水平距离。

（3）捕获带上部宽度（Bt）：粒子追踪模型中上游粒子进入到循环井中的轨迹垂直于

天然地下水流向的上部宽度。

（4）捕获带下部宽度（Bb）：粒子追踪模型中上游粒子进入到循环井中的轨迹垂直于

天然地下水流向的下部宽度。

（5）有效捕获厚度（Me）：粒子追踪模型中注水筛粒子进入到抽水筛的粒子轨迹垂向

上最上端至最下端的距离。

（6）污染物迁移半径（rm）：循环井井轴线到污染物浓度变幅△C=ε等值线的最大距

离。

（7）污染物去除率（ŋ）：循环井运行一定时间内，整个模拟区中去除的污染物总量与

初始污染物总量的比值，可用污染物浓度的变化来表示，即：ŋ=1-Conc'/Conc。

5水动力调控参数优化设计

5.1优化设计原则

根据循环井技术应用目标，对循环井结构及水动力调控参数进行优化设计，以影响半径、

循环效率和污染物去除率作为循环井场地运行效果表征指标，以影响半径最大化、循环效率

最大化、污染物去除率最大化为优化目标，针对数值模拟的模拟比选阶段和模拟优化阶段分

别开展相应的设计工作。

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5.2优化目标

当循环井主要用于地下水污染风险管控，以增大地下水流动性为主要目的时，一般考虑

单个循环井的影响范围最大化，可将循环井影响半径作为优化目标；当循环井主要作为地下

水污染修复技术手段时，考虑以循环效率或污染物去除率作为优化目标；兼顾循环井影响范

围和污染物去除效率需求时，以影响半径、循环效率和污染物去除率为目标，开展多目标循

环井优化设计。

5.3模拟比选阶段

5.3.1初步确定循环井结构

确定优化目标后，根据修复场地水文地质条件和污染物分布特征，构建场地地下水数值

模型，初步确定循环井结构参数的取值范围并考虑井管生产时尺寸的通用性和便利性，设计

几种不同的循环井结构方案，包括筛段的长度以及在含水层中的位置，将其进行概化输入模

型中。

5.3.2优化循环井结构

（1）当以影响半径或循环效率作为优化目标时，以相同流量运行水流模型和粒子追踪

模型，根据粒子追踪模型运行结果，以其中影响半径或循环效率最大方案作为优化结果；当

以污染物去除率作为优化目标时，可考虑在水流模型的基础上构建溶质运移模型或其他污染

物迁移模拟模型，并以模拟时段末刻循环井周边不同位置污染物浓度值作为衡量标准，将时

段末污染物浓度最低的方案作为优化结果。最终确定循环井筛段长度和位置作为最优井结构

设计方案。

（2）在此基础上综合考虑经济成本确定井径和开孔孔径。在经济条件和施工条件允许

的前提下，可选择更大开孔孔径和井管管径以增加孔内和井壁过水断面，以增大单位长度筛

段的出水量，保证循环井的运行效果。

5.4模拟优化阶段

以上一阶段确定的最优井结构为前提，结合场地污染物特性和水文地质条件特征分析确

定循环方式，重点分析不同抽注流量下循环井影响半径的变化，在保证影响半径目标最大化

和抽注水量可控的前提下，优化循环井控制流量。

5.5场地验证及调试

根据水动力调控参数优化设计后所确定的循环井技术方案，在污染场地开展循环井抽注

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试验。在场地试验过程中监测循环井抽注流量、运行时间、不同深度地下水头、污染物浓度、

示踪剂浓度变化过程，绘制各指标的历时曲线，如污染物浓度突破曲线或示踪剂穿透曲线等，

并与数值模拟设计结果进行对比，评估循环井技术效果，验证循环井参数设计的合理性。并

在此基础上对模型中的水动力调控参数进行进一步优化设计。

在场地修复的全过程中，适时开展技术参数的优化调整，特别是技术工艺变更、循环井

筛孔阻塞，地下水位发生明显变化情况下。

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附录A循环井技术应用资料需求及来源

表A-1基础所需资料及来源

所需资料内容数据来源资料信息要求与说明

场地概况资料

1）自然地理资料

1）场地性质、规模、场地

包括理位置，地形地貌特征，场

界限的测量坐标值

地观测点坐标，地面高程等

1）地形图、地貌图2）降雨量、蒸发量通常为

2）气象水文资料

2）降雨量及蒸发量时间序列数据，最小时间

包括气候类型、降水量、蒸发

3）地表水体流量及现状单元应到月，必要时可到

量、气温、冻土、光照、风向等

4）行政部门及企业的有关数天

气象资料；调查区及附近区域

据3）场地周围原有和规划的

地表水系分布情况

道路、重要建筑物、构筑

3）土地历史利用资料

物

包括开发历史、调查区域平面

图、构筑物分布图等

地质条件资料

1）含水层系统

1）地质图与水文地质图

包括地质、构造、地层、地形坡1）应有一定数量的控制点

2）相关钻探地球物理勘探、

度、地表水体等方面的资料2）地质单元的厚度、延伸

水文地质试验等方面的研究

2）含水层结构以及含水层的识别

报告

包括含水层的水平延伸、边界3）地形标高等值线、含水

3）地层岩性柱状图、地层剖

类型、顶底板埋深、含水层厚层厚度等值线

面图及钻孔结构图、成井报

度、基岩结构等4）含水层立体结构图、水

告等

3）水文地质参数文地质参数分布图

4）有关学术刊物及会议上发

包括渗透系数、给水度、贮水系5）地表水与地下水以及不

表的专业论文

数、弥散系数及孔隙度等同含水层之间的水力联系

5）行政部门及企业的有关数

4）钻孔程度

据

包括钻孔位置、孔口标高、岩性

描述及成井结构等

水文地质条件资料1）抽水试验及长期观测井的1）降雨量、蒸发量通常为

1）各种源汇项及其对地下水动地下水水位监测数据时间序列数据，最小时间

力场的作用2）地下水及地表水的开发利单元应到月，必要时可到

2）天然排泄区及人工开采区地用量天

理位置、排泄速率、排泄方式及3）灌溉区域、作物类型及分2）数据采集的时间、地点、

持续时间布情况数值及测量单位应准确

3）地表水体与地下水的相互作4）水资源需求量及污水排放3）对于地下水数据，应注

用量预测分析明是否为动水位

4）地下水人工开采、回灌及其5）其他政府、企业等有关部4）不同时期地下水等水位

过程门的水资源开发利用数据线图

污染概况资料1）建设项目环境影响评价报1）不同时期及不同点位的

1）水质监测指标数据告水质数据

2）污染源空间分布特征2）地下水环境调查报告2）不同含水层位的水质数

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3）污染排放特征3）建设项目建设及生产记录据

4）特征污染因子与生产报告3）不同类型监测指标数据

4）污染普查资料4）追溯污染主体变迁历史

5）污染源解析

6）生产工艺分析

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附录B水力环流数值模拟方法

B.1地下水水流模型

循环井驱动下的水力环流过程数值模拟需要分析地下水流在垂向上不同位置水头变化，

因此考虑构建非均质各向异性、空间三维结构、非稳定流地下水流系统，根据达西定律和质

量守恒原理推导出含水层中地下水流微分方程以及定解条件如下：

∂∂∂∂∂∂hhhh∂

+++=

KxKyzKWSs

∂x∂∂xy∂∂yz∂z∂t

hxyzt(,,,)=ϕ(,xyzt,,)(,,)，xyz∈S，t＞0

11（1）

∂h

K=qxyzt(,,,)(,,)，xyz∈S，t＞0

∂n2

=，∈

h(,,,)xyztt=0h0(,xyz,)(,,)xyzD

式中：，，—潜水含水层在主方向渗透系数（m/d）；Ss—潜水含水层给水度；

h为潜水含水层厚度（𝐾𝐾𝑥𝑥𝐾𝐾𝑦𝑦𝐾𝐾𝑧𝑧m）；W—源汇项，为了简化循环井水力循环效果的分析，减少其他

源汇项对循环效果的干扰，若无其他源汇项，可考虑只有循环井注水/抽水强度（m3/d）；D—

研究区矩形边界范围；S—三维空间中立体边界范围；—第一类边界（定水头边界）；—

第二类边界（给定流量边界）；(,,,)—三维条件下边界𝑆𝑆1上点(,,)在t时刻的水头；𝑆𝑆2

(,,,)为上的已知函数；ℎ0n𝑥𝑥为边界𝑦𝑦𝑧𝑧𝑡𝑡的外法线方向，𝑆𝑆q1表示𝑥𝑥上单位面积的侧向补给𝑦𝑦𝑧𝑧

𝜑𝜑量。1𝑥𝑥𝑦𝑦𝑧𝑧𝑡𝑡𝑆𝑆1𝑆𝑆2𝑆𝑆2

B.2粒子追踪模型

循环井驱动下形成的三维水力循环带是评估其运行效果的重要指标，通过对循环带特征

的描述，可定量表征循环井驱动下中循环范围和水量的多少。因此，可利用MODPATH程

序，构建了循环井粒子追踪数值模拟系统。

（1）计算原理

MODPATH计算粒子运动路径，首先需确定水流模型中单元上每面的速度主分量值，再

由单元表面的速度主分量值通过简单的线性插值来计算单元内各个点的速度分量。

16

图B-1有限差分单元中各面水流运动示意图

如图B-1所示，单元上每个表面的平均线速度分量i，j，k等于对应的表面流量除以横

截面积和孔隙度（n）乘积，可以表示如下：

QQ

VV=xx12,=

xx12nyz∆∆nyz∆∆

QQ

VV=yy12,=（2）

yy12nxz∆∆nxz∆∆

QQ

VV=zz12,=,

zz12nxy∆∆nxy∆∆

计算出单元每个表面的平均线速度分量后，MODPATH通过线性插值计算单元内各个点

的速度分量，计算公式可以表示如下：

()VV−

V=xx21()xx−+V

xx∆11

x

()VVyy21−

Vyy=()yy−+11V（3）

∆y

()VV−

V=zz21()zz−+V

zz∆z11

（2）三维水力循环带表征指标刻画

1）循环井影响半径

循环井运行时在含水层中形成一个三维水力循环带，其范围的大小直接反映了循环井运

行效果的好坏，循环带的范围越大，污染物的捕捉范围越大，循环井的运行效果越好。当天

然地下水无水力梯度时，循环井运行产生的三维水力循环带关于井轴线中心对称，如图B-2

（a）所示；地下水存在水力梯度时，三维水力循环带的形状发生扭曲，如图B-2（b）所示。

17

图B-2有无水力梯度时循环井三维水力循环带示意图

天然地下水一般具有一定的水力梯度，三维水力循环带的形状在空间上常常表现为不规

则类椭球体，其具体数值大小难以量化，而循环范围和循环半径（循环带最外侧边界到井轴

线最大距离，R）表现为正相关。因此，也可以用循环半径的大小来间接反映循环范围的大

小。但需要注意的是，当地下水存在水力梯度时，平行于水流方向的下游影响半径RL1不等

于上游影响半径RL2，而垂直于水流方向上的影响半径RT1与RT2相等，如图B-3所示。因

此，为了更加准确体现循环范围的大小，以循环井四个主方向上的影响半径RL1、RL2、RT1、

RT2以及以上影响半径之和Rto的大小，来反映循环范围的大小，数值越大表示运行效果越

好。

图B-3不同方向上三维水力循环带影响半径示意图

B.3污染物迁移模型

循环井水力环流驱动下地下水运动主要考虑其水动力条件的变化，因此可根据实际场地

污染物特征、水文地质条件以及场地调查的精度作出概化。

（1）溶质运移数学模型

溶质运移数学模型本质上就是根据概念模型中的条件，转换成相应的偏微分方程，再将

各个方程联立成一个方程组。数学模型中的方程包括溶质运移控制方程、初始条件及边界条

18

件方程，后两者统称为定解条件。

根据上小节所建立概念模型中的条件，模拟区三维溶质运移数学模型可以由以下方程组

成：

1）溶质运移控制方程

∂(nCK)∂∂∂k

Ckk（）

=nDij−+(nviC)qsCs4

∂∂∂∂

txixxji

式中：n—含水介质孔隙度，无量纲；—溶质K的浓度，ML-3；t—时间，T；—水

𝑘𝑘

动力弥散系数张量，L2T-1；—地下水渗流𝐶𝐶速度，LM-1；，—沿各自笛卡尔坐标轴的距𝐷𝐷𝑖𝑖𝑖𝑖

离，L；—含水层单位体积流量𝑣𝑣𝑖𝑖（源正，汇负），T-1；𝑥𝑥𝑖𝑖—溶质𝑥𝑥𝑗𝑗k的源通量或汇通量的浓

𝑘𝑘

度，ML-𝑞𝑞3。𝑠𝑠𝐶𝐶𝑠𝑠

2）初始条件方程

kk（）

C(,,,)xyztt=00=c(,,)xyzxyz,,∈Ω5

式中：(,,)—溶质K的初始浓度，ML-3；Ω—整个模型域。

𝑘𝑘

3）边界条件方程𝑐𝑐0𝑥𝑥𝑦𝑦𝑧𝑧

控制方程的解还需要定义边界条件。其每种边界条件及相应的数学方程如下：

①沿边界已知的溶质浓度（定浓度边界）；

kk（）

C(,,,)xyzt=c(,,,)xyztxyz,,∈τ1,t>06

②边界上溶质浓度是一个已知的函数（给定浓度边界）；

k（）

C(,,,)xyzt=Cxyz,,∈τ2,t>07

③零通量边界上补给或排泄的溶质浓度为0；其分别对应的边界条件方程为：

k（）

C(,,,)0xyzt=xyz,,∈τ3,t>08

式中：(,,,)—溶质K浓度的已知函数，ML-3；C—常数；τ—给定浓度边界；τ—

𝑘𝑘

定浓度边界𝑐𝑐；τ𝑥𝑥—𝑦𝑦零通量边界𝑧𝑧𝑡𝑡。12

（2）污染物3的迁移特征刻画

为了定量描述循环井驱动下修复范围的变化过程，选取污染物迁移半径（rm）和污染物

去除率（ŋ）来表征。rm可以描述循环范围修复的大小，而ŋ可以被用来定量反映循环井对

污染物的去除效率。

1）污染物迁移半径

19

将井轴线到污染物浓度变幅△C=0.1mg/L等值线的最大距离记为污染物迁移半径（rm），

如图B-4所示。

图B-4污染物迁移半径rm示意图

2）污染物去除率

污染物去除率（ŋ）是评价循环井修复效果的最直观参数，污染物去除率越高，修复效

果越好。污染物去除率等于循环井运行一定时间内，整个模拟区（或某一剖面上）剩余污染

物的总质量与初始污染物总质量的比值，可以用下式表示：

n

∑cvii1

i=1（）

η=1−n9

∑cvii

i=1

式中：i—单元代号；—相应单元污染物浓度，mg/L；—相应单元初始污染物浓度，

mg/L；—相应单元中水的体积，等于单元体积和孔隙度的乘积，𝐶𝐶𝑖𝑖1𝐶𝐶𝑖𝑖L3。

𝑉𝑉i

20

ICS13.020.40

CCSZ00

团体标准

T/CSERxxx—2024

地下水循环井水力环流模拟与水动力调控

参数优化设计技术指南

Guidelinesforhydrauliccirculationsimulationandhydrodynamiccontrolparameter

optimizationdesi