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地下水环境影响评价中污染物运移模拟软件的适宜性评估

张小茅 周俊 熊小锋 齐硕 施小清

张小茅, 周俊, 熊小锋, 齐硕, 施小清. 地下水环境影响评价中污染物运移模拟软件的适宜性评估[J]. 环境科学研究, 2019, 32(1): 10-16. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2018.08.08
引用本文: 张小茅, 周俊, 熊小锋, 齐硕, 施小清. 地下水环境影响评价中污染物运移模拟软件的适宜性评估[J]. 环境科学研究, 2019, 32(1): 10-16. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2018.08.08
ZHANG Xiaomao, ZHOU Jun, XIONG Xiaofeng, QI Shuo, SHI Xiaoqing. Evaluation of Contaminant Transport Modeling Software for Groundwater Environmental Impact Assessment[J]. Research of Environmental Sciences, 2019, 32(1): 10-16. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2018.08.08
Citation: ZHANG Xiaomao, ZHOU Jun, XIONG Xiaofeng, QI Shuo, SHI Xiaoqing. Evaluation of Contaminant Transport Modeling Software for Groundwater Environmental Impact Assessment[J]. Research of Environmental Sciences, 2019, 32(1): 10-16. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2018.08.08

地下水环境影响评价中污染物运移模拟软件的适宜性评估

doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2018.08.08
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41172206

国家自然科学基金项目 41672229

环保部财政科研专项 1441100022

详细信息
    作者简介:

    张小茅(1996-), 男(白族), 云南大理人, njuzxm@126.com

    通讯作者:

    施小清(1979-), 男, 江西上饶人, 教授, 博士, 博导, 主要从事地下水数值模拟的研究, shixq@nju.edu.cn

  • 中图分类号: X828

Evaluation of Contaminant Transport Modeling Software for Groundwater Environmental Impact Assessment

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 41172206

National Natural Science Foundation of China 41672229

Ministry of Environmental Protection′s Financial Research Project, China 1441100022

  • 摘要: 目前国内外已发展了一系列成熟的地下水污染物运移模拟软件,但是软件功能各异,易造成使用者的选择困扰.为满足HJ 610—2016《环境影响评价技术导则地下水环境》(简称“《导则》”)中关于环境影响预测工作精细化的要求,对国内外常用饱和带和包气带污染物运移模拟软件的适宜性进行了评估.首先,针对三款常用饱和带污染物运移模拟软件BIOSCREEN、AT123D和MT3D,基于理想算例对比4组水动力条件设置下的计算结果,分析软件的适宜性;其次,针对《导则》中暂未给出的包气带污染物运移模拟软件,以FEMWATER为例探讨了包气带阻滞作用对于地下水环境影响评价的重要性.结果表明:①BIOSCREEN由于忽略了分子扩散作用,当Pe(Peclet数)为0.25×10-3时,其预测的污染源下游10 m处污染物浓度为AT123D和MT3D计算值的1.8倍,存在高估污染风险的可能.②相比污染源直接设置于潜水面的情景,污染物从距潜水面11 m的地表泄露,经过包气带后污染源强降低了24%,下游85 m处污染物浓度达到0.1 mg/L的时间延迟了390 d.③当地下水流速较慢,分子扩散作用相比对流作用占优势时,适用MT3D开展数值模拟或者采用AT123D进行解析预测;当对流作用占优势且水文地质条件接近解析解假设时,可利用BIOSCREEN粗估污染风险.研究显示,包气带污染物运移模拟软件有助于合理地预测污染物在地下水环境中的运移转化行为,从而更准确地估计污染源强和判定地下水环境污染风险.

     

  • 图  1  饱和带理想算例概化示意

    Figure  1.  Generalized diagram for synthetic saturated-zone example

    图  2  不同Pe下的观测点C/C0-t曲线

    注:当Pe分别为41.67、0.83、0.017、0.25×10-3时,对应的渗透系数(K)分别为10-3、10-4、10-5、10-6 m/s.

    Figure  2.  C/C0-t curves of observation point under different condition of Pe

    图  3  Pe为0.25×10-3时MT3D计算的污染羽形态

    Figure  3.  Contaminant plumes calculated by MT3D with Pe value of 0.25×10-3

    图  4  包气带理想算例概化示意

    Figure  4.  Generalized diagram of synthetic vadose zone example

    图  5  水流模拟结果

    Figure  5.  Simulation results of water flow

    图  6  污染物泄露578 d后的模拟结果

    Figure  6.  Simulation results of contaminant transport after 578 days of leaking

    图  7  潜水面污染源强

    Figure  7.  Pollution source intensity at the phreatic surface

    表  1  饱和带污染物运移模拟软件

    Table  1.   Brief introduction of contaminant transport modeling software in saturated zone

    软件名称 开发者 求解方法 可模拟过程 可视化程序 数据来源
    BIOSCREEN 美国环境保护局 解析法 可模拟一维稳定流场中污染物的对流、弥散、吸附以及耗氧降解和一阶反应过程 Excel 文献[5]
    AT123D Yeh G T 解析法 模拟污染物、放射性物质及热量在均质含水层中、稳定流条件下一维、二维、三维对流-弥散运移 SEVIEW、Delft DGPlume等 文献[6-8]
    MT3D ZHENG C M 数值法 适用于模拟污染物在地下水中的对流、弥散、扩散作用和一些基本的反应降解过程 GMS、Visual MODFLOW等 文献[9-11]
    FEMWATER Yeh G T 数值法 将饱和-非饱和带作为一个整体,模拟变饱和流场中变密度条件下的污染物运移问题 GMS 文献[12]
    FEFLOW 德国WASY公司 数值法 模拟变饱和流场中变密度条件下的多相流、热量运移及多组分反应的有限元模型 FEFLOW 文献[13]
    TOUGH2 Pruess K 数值法 模拟三维孔隙或裂隙介质中多相流、多组分及非等温的水流及热量运移 Petrasim 文献[14-15]
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    表  2  4组水动力条件的参数设置

    Table  2.   Four parameter sets for different hydrodynamic conditions

    参数 第1组 第2组 第3组 第4组
    渗透系数(K)/ (m/s) 10-3 10-4 10-5 10-6
    有效孔隙度(ne) 0.3 0.3 0.3 0.4
    体积密度(ρb)/ (kg/m3) 1.6×103 1.6×103 1.6×103 1.7×103
    水力梯度(I) 0.01 0.01 0.01 0.01
    介质特征长度(L)/m 1.25×10-3 0.25×10-3 0.5×10-4 10-5
    Pe 41.67 0.83 0.017 0.25×10-3
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    表  3  污染物运移参数

    Table  3.   Simulation parameters of contaminant transport

    参数 数值
    纵向弥散度(αx)/m 1.0
    横向弥散度(αy)/m 0.1
    垂向弥散度(αz)/m 0.01
    标化分配系数(KOC)/(m3/kg) 58.9
    土壤有机碳含量(fOC) 8.0×10-4
    分子扩散系数(D)/(m2/s) 10-9
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    表  4  包气带污染物运移模拟软件

    Table  4.   Brief introduction of contaminant transport modeling software in vadose zone

    软件名称 开发者 数值方法 模拟过程及适用条件 数据来源
    HYDRUS 美国盐实验室 有限单元 模拟非饱和土壤中水流、热与污染物的运移过程 文献[24]
    SUTRA[25] 美国地质调查局 有限单元 模拟饱和/非饱和、承压/非承压、变密度流条件下的污染物运移过程 文献[25]
    VS2D[26] 美国地质调查局 二维有限差分 配合VS2DT使用,可考虑污染物吸附解吸、离子交换、溶解沉淀、氧化还原过程以及一些生物化学过程 文献[26]
    VLEACH[27] 美国环境保护局 一维有限差分 模拟单一组分的吸附、液相对流以及气相扩散过程,适用于评估土壤中挥发性有机物对地下水质量的影响 文献[27]
    MACRO[28] Jarvis等 一维有限差分 模拟土壤裂隙中大孔隙优先流及污染物反应运移过程,适用农田土壤条件,已被欧盟用于杀虫剂污染风险评估 文献[28-29]
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    表  5  包气带算例相关参数

    Table  5.   Simulation parameters of vadose zone example

    参数 数值
    纵向弥散度(αx)/m 2.0
    侧向弥散度(αy)/m 0.2
    标化分配系数(KOC)/(m3/kg) 58.9
    土壤有机碳含量(fOC) 8.0×10-4
    体积密度(ρb)/(kg/m3) 1.7
    渗透系数(K)/(m/s) 5.0×10-5
    饱和含水率(θs) 0.35
    残余含水率(θr) 0.02
    经验参数(α)/m-1 50.0
    经验参数(n) 2.68
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-05
  • 修回日期:  2018-08-14
  • 刊出日期:  2019-01-25

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