第六章(3)-地下水数值模拟模型的应用实例xiugai

其它结论地下水溶质运移模型模拟结果显示，受地下水流场的控制，污染物主要向北、东方向扩展。到2006年12月氯离子60mg/l等值线向北扩展250m左右，已经到达河西村。人中村处于地下水流动的上游，虽然离垃圾场很近，但被垃圾渗滤液污染的可能性较小。垃圾渗滤液将有可观的数量，排泄到地表水体中。地下水溶质运移模型—BTEX

BTEX在环境中的迁移转化途径主要包括大气、地表水及地下水中的转化（图5-26）。BTEX在环境中的自然转化图地下水系统中一个较长时间存在的污染源生物化学作用分区地下水溶质运移模型建立BTEX的生物降解化学反应模型在本次模拟中共考虑5个BTEX的降解过程：（1）有氧状态下有机物BTEX的好氧呼吸作用。（2）厌氧状态下在反硝化细菌作用下，NO3-作为电子接受体，接受电子氧化BTEX。（3）厌氧状态下在铁还原菌的作用下，Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)接受电子，氧化BTEX。（4）厌氧状态下在硫酸根还原菌的作用下，S6+还原为S2-接受电子，氧化BTEX。（5）厌氧状态下在产甲烷菌的作用下BTEX的降解。假设以上5个作用发生的顺序1→2→3→4→5，且所有的反应均发生在地下水中。模拟区范围及模拟放大区域位置图模拟结果分析1、BTEX在地下水中的迁移转化规律

从模拟结果看0.01mg/l等值线在垃圾场运行10年左右向北扩展50m、20年扩展84m。垃圾填埋场区BTEX浓度最高，整个场区浓度均在1.5mg/l以上。这是由于虽然垃圾填埋场中BTEX的降解速率是比较高的，但是由于垃圾渗滤液中BTEX不断补充，BTEX的浓度仍然保持上升的趋势，污染羽逐渐向四周扩展。BTEX浓度变化特点

图5-37为垃圾填埋场区BTEX浓度变化，从图中可以看出，从垃圾填埋场运行开始，填埋场内BTEX浓度波动上升，垃圾场运行10年左右BTEX浓度稳定在2mg/l左右。垃圾填埋场区BTEX浓度变化（mg/l）

图5-38为观测井DG3中BTEX浓度变化，该井距离垃圾填埋场约100m。从图中可以看出，垃圾填埋场运行16年（6000天）左右，该井中的地下水受到BTEX的影响。垃圾填埋场运行9000天左右，该井中BTEX浓度升高到0.0004mg/l。图5-38井DG3中BTEX浓度变化（mg/l）BTEX浓度变化特点2、溶解氧在地下水中的浓度分布规律

从图5-49～5-51中看出垃圾填埋场运行2年左右，填埋场中心区就完全进入缺氧状态，BTEX在该填埋场中主要通过厌氧条件下的生物化学作用降解。越远离垃圾场溶解氧的消耗速率越慢。当距填埋场中心超过150m左右时，可以看到溶解氧的浓度随季节变化明显，而填埋场中心溶解氧浓度则受季节降雨影响较弱.

这只是由于溶解氧在填埋场中心的消耗速率过快而将季节降雨的影响掩盖了。降雨是影响溶解氧浓度的因素之一。图5-49垃圾场中心（cellId：4867）溶解氧浓度变化曲线图5-50距垃圾场中心约100m（cellId：4467）溶解氧浓度变化曲线图5-51距垃圾场中心约150m（cellId：4227）溶解氧浓度变化曲线3、硫酸根在地下水中的浓度分布规律图5-64距垃圾场中心约250m（cellId：3987）硫酸根浓度变化曲线

图5-63距垃圾场中心约200m污染羽边缘（cellId：4147）硫酸根浓度变化曲线图5-60垃圾场中心（cellId：4867）硫酸根浓度变化曲线在所有点中硫酸根都随季节有轻微的波动，这可能是由于雨季降雨对地下水中随酸根的稀释作用。在填埋场中心，由于硫酸根是补给源，硫酸根的浓度是持续上升的，并在6000d左右时基本稳定。随着距填埋场的距离增加，硫酸根上升的速率逐渐降低。在污染羽边缘（约200m）处，硫酸根先是降低然后增加，这是因为一开始该区域固有的硫酸根先与BTEX反应，而垃圾渗滤液中的硫酸根还没有补给到这一区域，所以硫酸根离子先降低，随后硫酸根逐渐补给，故其浓度又开始逐渐增加。在污染羽范围之外，硫酸根离子则是逐渐降低。4、亚铁离子在地下水中的浓度分布规律图5-71垃圾场中心（cellId：4867）亚铁离子浓度变化曲线图5-72距垃圾场中心约100m（cellId：4467）亚铁离子浓度变化曲线图5-73距垃圾场中心约150m（cellId：4307）亚铁离子浓度变化曲线

我们取三个点的浓度历时曲线来观察亚铁离子的浓度变化特点，很明显亚铁离子都是出于逐渐上升的趋势。在填埋场中心亚铁离子浓度在5000d左右时基本稳定在25mg/l。越接近填埋场中心，亚铁离子随季节降雨变化明显。

5、硝酸根在地下水中的浓度分布规律图5-82垃圾场中心（cellId：4867）硝酸根浓度变化曲线图5-83距垃圾场中心约100m（cellId：4467）硝酸根浓度变化曲线图5-84距垃圾场中心约200m（cellId：4867）硝酸根浓度变化曲线

硝酸根最容易参与BTEX的生物降解过程，作为电子受体，为微生物生长提供能量。模型中设定的补给浓度20mg/l，模拟结果显示，在垃圾填埋场区地下水中硝酸根离子浓度并不高。填埋场运行三年左右，填埋场中心的硝酸根浓度基本上为0，随季节降雨有非常轻微的浮动。距垃圾场约100m的地区在垃圾场运行4500d左右时，硝酸根浓度基本为0。越远离填埋场，硝酸根的消耗速率越慢。硝酸根的浓度值随季节降雨变化较明显。模型参数敏感性分析－－孔隙度随着孔隙度的增加，BTEX的浓度降低。随着孔隙度的增加，溶解氧的消耗速率降低。初期，随着孔隙度增加，硝酸根离子浓度减小。之后，随着孔隙度增加，硝酸根离子浓度增加。随着孔隙度增加，亚铁离子的浓度降低，直至亚铁离子的浓度均稳定在25mg/l

随着孔隙度增加，硫酸根离子的浓度降低孔隙度的改变对模型的各个反应过程均有影响，但最重要的结论是孔隙度的增加可以促进BTEX的降解。模型参数敏感性分析－－孔隙度模型参数敏感性分析－－纵向弥散系数

虽然纵向弥散系数对于BTEX生物降解模型的各个反应过程都有不同程度的影响，但综合来看，图5-90表示了在本模型中纵向弥散系数的改变对于BTEX降解的影响是微乎其微的。湖州松鼠岭垃圾填埋场渗滤液在

含水层中迁移规律数值模拟研究a：概念模型场区为三面环山地形，与单斜地层基本构成一独立的水文地质单元。填埋场地下方分布有新生界第四系及中生界侏罗系、古生界二叠系地层。本区第四系地层分布不甚规律，缺少全新统。上更新统下段洪积层（莲花组PLQ3）以黄色粘土、亚粘土组成，缺少砂砾层位。平均厚度约3米左右；中更新统洪积层（之江组PLQ2）以棕红色粘土、亚粘土组成，结构紧密，层厚一般为7米左右。第四系下覆有埋藏型裂隙岩溶水，含水层由古生界二叠系下统栖霞组（P3q）、石炭系上统船山组（C3c）、中统黄龙组（Czh）灰岩、白云质灰岩组成。

第四系中、上更新统地层主要物理性质为：天然含水率约22.3%~27.5%，天然容重约18.7~20.5KN/m3，比重约2.67~2.76/m3，孔隙比约0.65~0.91，天然渗透系数约4.7*10-6米/昼夜。填埋场处在地下水位以上，地面为中生界侏罗系黄尖组（J3h）含砾晶屑熔结凝灰岩风化后的黄色粘土。渗滤水对地下水的污染下渗过程，根据地下水污染源上游与下游水的化学、微生物等监测结果进行评价。地下水的试样是从完全穿透粘土层的3个监测井中取得，污染扩散效应见表5.湖州松鼠岭垃圾填埋场数值模拟研究

在填埋场上游处的地下水天然特性可由1号测井为代表。在距填埋场边缘约10米处的2号井和下游30米处的3号井数据相差不大，说明渗滤水的污染扩散效应较弱。同时，对填埋场东侧小溪流经的83029部队深井水质进行了调查。调查结果除F-含量为1.42mg/L，超GB5749-85标准外，其余指标均在饮用水质允许范围内。模拟区总体上可以概化为三个含水层：1.浅部孔隙水含水层；2.基岩孔隙—裂隙水含水层；3.下部基岩裂隙含水层。浅部孔隙水含水层与基岩孔隙—裂隙水含水层接受大气降水补给，一方面垂直入渗补给下部基岩裂隙含水层，另一方面从地势高处向低处排泄，于陡坎处以泉流方式出露地表，泉流量0.005-0.03l/s。地下水的流向基本与地形一直，从周边向沟谷方向流动，沿沟谷由北向南流动（图6-7）。研究区整可以概化为非均质各向异性的地下水三维非稳定流动系统湖州松鼠岭垃圾填埋场数值模拟研究图6-7松鼠岭垃圾填埋场周边环境、浅层地下水流向及部分采样点位置湖州松鼠岭垃圾填埋场数值模拟研究b:网格剖分本次模拟研究采用等间距矩形网格对模拟区域进行离散化，X方向网格间距约为39m，Y方向网格间距为40m。依据概念模型，根据岩性分布状况，模型在垂向上分为3层。平面上整个研究区剖分为1945个单元，整个模拟区域共剖分为5862个单元（右图）。湖州松鼠岭垃圾填埋场数值模拟研究湖州松鼠岭垃圾填埋场数值模拟研究网格剖分立体图c：初始水位

在地下水数值模拟中，通常根据研究区内所有观测孔、抽水孔(井)和地表水位资料，插值获得各结点的初始水头值。本次模拟研究开始于垃圾填埋场填埋时刻（1991年），因此很难获得当时的观测水位。由于研究区地下水位比较稳定且模拟面积较少的特点，根据水均衡原理，首先应用稳定流模型，模拟出初始流场(右图)，用作模型的初始水位。湖州松鼠岭垃圾填埋场数值模拟研究d：模拟时段及模型检验本次模拟时间从1991年1月-2050年1月，应力期以月为单位，时间步长为1天。由于该区没有长观孔，因此只能用调查的地表出露水位进行模型检验。该模拟区没有大的开采井，地下水位比较稳定，地表水出露较多，因此在没有观测井的情况下采用地表出露水位检验模型（右图）。从检验结果看，模型基本上能够反映出该区地下水位的变化状态。湖州松鼠岭垃圾填埋场数值模拟研究

湖州松鼠岭垃圾填埋场位于沟谷之内，较容易接受降雨的补给，垃圾产液量较高。在本次模拟中，采用降雨量即是垃圾渗滤液产量的方法，粗略模拟垃圾渗滤液的影响范围。湖州垃圾填埋场填埋垃圾已经达15年之久，采样分析时间只是在最近三年展开。从采样分析结果看,氯离子浓度非常高，且浓度变化大（图6-12）。因此本次模拟中应用五次采样的平均浓度（5547mg/l）作为垃圾渗滤液的氯离子浓度。图6-12垃圾渗滤液中氯离子含量变化图e：污染源强度及弥散参数取值由于该区地质条件复杂、岩性变化大，要获取准确的弥散参数非常困难，因此在本次模拟中采用经验值计算（表6.1）。研究中采用氯离子作为保守性离子模拟污染羽的扩展范围，没有考虑吸附解吸及其他化学作用表6.1溶质迁移模拟参数表

参数第一层第二层第三层aL(m)0.50.20.20.40.30.2湖州松鼠岭垃圾填埋场数值模拟研究f：模拟结果分析垃圾填埋场从1991年开始填埋垃圾，到1996年12月孔隙含水层中5mg/l等值线向南移动800m左右。永力机械厂的供水深井HS119已经处于垃圾渗滤液的影响范围之内。第二模拟层中，到1996年12月氯离子5mg/l等值线向西南方向扩展300m左右。第三模拟层中地下水，到1996年12月几乎没有受到渗滤液影响。对比2008年12月与1996年12月第一模拟层氯离子等值线发现，5mg/l等值线展布范围在这12年中几乎没有发生迁移。分析原因可能是该区沟谷地形，地下水的侧向补给比较大，垃圾渗滤液到了下游受到的稀释作用比较大。f：模拟结果分析（2）

该模拟区最重要的一口开采深井为永力机械厂的供水井，处于垃圾填埋场下游800m左右的竹林中。图6-18为井HS119所在位置浅层含水层中氯离子浓度变化曲线。从图中可以看出，垃圾填埋场运行4年左右，该区就受到垃圾渗滤液的影响，氯离子浓度稳定在0.25mg/l左右。f：模拟结果分析（2）图6-18井HS119所在位置浅层含水层中氯离子浓度变化（mg/l）井HS119所在位置深层含水层中氯离子浓度变化（mg/l）

图为井HS119所在位置，深层含水层中氯离子浓度变化曲线。从图中可以看出垃圾填埋场运行14年（5000天）左右，该含水层受到垃圾渗滤液的影响，氯离子浓度稳定在0.00007mg/l左右。模拟结果显示该井明显的受到了垃圾渗滤液的影响，这与采样分析的结果相吻合。f：模拟结果分析（2）

在本次模拟中主要考虑地下水对垃圾渗滤液中污染物的传输作用，而没有模拟沟谷溪水对垃圾渗滤液的运移作用。实际上研究区沟谷中的小溪，对渗漏垃圾渗滤液的远距离输送起到非常关键的作用，可能会导致垃圾填埋场下游较远距离的地表水及地下水污染。f：模拟结果分析（2）

由于该区地质条件复杂、岩性变化大，模型的弥散参数采用经验值，因此只分析三个典型参数对模拟结果的影响，即水平渗透系数HorizonalK、垂直渗透系数VerticalK和孔隙度Porosity对模拟结果的影响。本次分析采用单一变量原则，分析对HorizonalK、VerticalK和Porosity放大到200%和缩小到50%后，与原模型参数相比.g：模型参数影响分析参数变化对水头的影响1、等水头线变化趋势与模型原参数变化趋势相同

2、局部放大后可发现，与模型原参数等水头线相比，50m等水头线都后退一段距离，这与水文地质学常识相符。

3、当三个参数都变化0.5倍时，孔隙度Porosity对水头的影响最大，其次为垂直渗透系数VerticalK和水平渗透系数HorizonalK可以初步得出结论，孔隙度Porosity对模型的影响更为敏感

1、等水头线变化趋势与模型原参数变化趋势相同2、局部放大后可发现，与模型原参数等水头线相比，50m等水头线都前进一段距离，这与水文地质学常识相符。3、观察上图可发现，1991年11月第三层50m等水头线的前后分布顺序与图6-17相符，都是绿色线前进最远，其次为红线和黑线。而2020年1月第一层的等水头线与参数不变化时相比前进一段距离，但三条等水头线基本重合，此时参数变化对模拟结果影响相同，分析其原因可能是由于局部岩性所致。(1)参数变化对水头的影响(2)参数变化对Cl-1浓度的影响

当三个参数分别缩小0.5倍时，HorizonalK、VerticalK和Porosity对三个网格Cl-的浓度变化影响很小，与模型原参数基本一致。由此可见，当参数缩小时，Cl-的浓度变几乎没有影响。

当三个参数分别放大2倍时，erticalK和Porosity对三个网格Cl-的浓度变影响很小，而当水平渗透系数HorizonalK放大两倍时，Cl-的浓度差别与其他三项差别很大。由此可见，水平渗透数HorizonalK对该地区Cl-分布较为敏感。主要成果及认识最终成果（1）嘉兴垃圾填埋场垃圾渗滤液在地下水中的迁移数值模拟研究报告（2）湖州松鼠岭垃圾填埋场垃圾渗滤液在地下水中的迁移数值模拟研究报告嘉兴垃圾填埋场研究结论嘉兴垃圾填埋场处于降雨丰富、河网密布的杭嘉湖平原上，是一个没有经过任何防护处理的垃圾堆放场。垃圾场从1996年开始堆放垃圾，至今已经堆放垃圾70万m3。由于垃圾山高出地面20多m，且没有经过有效的防护处理，导致垃圾渗滤液对周围的环境产生严重的影响。通过研究主要得出以下结论：（1）该垃圾场濒临北郊河、平湖塘，降雨时候，大量的垃圾渗滤液直接从垃圾山上流入河流，导致地表水体遭受严重污染。（2）野外采样分析发现，地下水中有机物单项指标浓度均不高，检出率较高的为二氯甲烷、氯仿、1.2-二氯甲烷、苯、1.2-二氯丙烷及甲苯。（3）通土柱淋滤实验研究发现：

a：在不同的土质中，Cl-保守性存在差异，当Cl-浓度较高时该区广泛分布的粉沙土对Cl-具有一定的吸附作用。在平衡浓度为4445mg/l时，氯离子的分配系数为0.18l/kg。

b：

SO42-和F-随垃圾渗滤液通过粉砂土时，能够被粉砂土大量的吸附，SO42-在平衡浓度为145mg/l时，分配系数为0.69l/kg。细沙对SO42-基本有吸附作用，壤土有小量的吸附。

c：离子交换作用从土柱中解吸出来的阴离子主要是NO3-。该区被垃圾渗滤液污染的地下水中NO3-将会有上升的趋势，会导致地下水中NO3-浓度超标。（4）虽然该区岩性渗透性较低，但模拟结果表明，到2009年1月份氯离子10mg/l等值线向北移动220m左右，到2011年整个河西浜完全处于垃圾渗滤液的影响范围。嘉兴垃圾填埋场研究结论（5）当BTEX的补给浓度为10mg/l时，通过多电子接受体（溶解氧、硝酸根、硫酸根、铁离子）的BTEX生物降解反应数值模型发现：

a：

BTEX0.01mg/l等值线在垃圾场运行10年左右向北扩展50m、20年扩展84m，垃圾填埋场区BTEX浓度最高，整个垃圾场区浓度均在1.5mg/l以上。ｂ：模型分析发现，垃圾填埋场运行两年左右，在垃圾填埋区就出现了无氧区。随着反应的进行亚铁离子不多积累，导致地下水中亚铁离子含量不断升高。硝酸根消耗较大，浓度不是很高。

嘉兴垃圾填埋场研究结论总的来说，该区地下水流动速度慢，微生物有较充分的时间及电子接受体来降解有机物，因此地下水中有机物浓度不是很高。湖州松鼠岭垃圾填埋场研究虽然湖州松鼠岭垃圾填埋场是一个经过防护处理的卫生填埋场，但由于其位于灰岩裂隙及岩溶较发育区的沟谷中，且垃圾渗滤液产量较高，可能对深部地下水造成严重的污染。

通过研究发现：（1）该垃圾填埋场渗滤液中有机物浓度含量极高，2007年1月份的采样分析发现COD为50539mg/l。（2）该垃圾填埋场渗滤液已经渗漏，且对周边灰岩产生强烈的侵蚀作用。监测发现该垃圾场渗滤液中含碳酸氢根的浓度极高（2007.1测为14490mg/l），分析主要因为垃圾渗滤液侵蚀灰岩导