基于地下水系统三维仿真模拟与井群运行优化的污染调控研究

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水源地的地下水质安全问题一直是近年来的热点话题,对于已经发生污染的水源地,一方面需对污染场地进行污染物的追踪溯源和环境影响评价,另一方面,则是应尽快制定出切实可行的修复方案,将水源地恢复至安全状态。采用基于抽灌处理的水力修复技术修复效率高、运行操作方便,且可避免给地下水水质带来潜在风险,因此常用于实际工程中。但是,不合理的布井方式和修复方案往往达不到预期的修复效果,同时会造成水资源的浪费和运行能耗过高的问题,甚至引起局部地下水降落漏斗或海水入侵等隐患。以往国内外研究者大多致力于未开发水源地的井群布设优化研究,而对于已投入使用的水源地发生污染状况下,水力修复方案的优化却少有提及,大多采用人工经验的调控方式。因此,开展污染条件下地下水系统水力修复实践并提出科学合理的优化调控方案,对于修复地下水系统水质,保障水资源安全且节能降耗等都具有非常重要的意义。为研究地下水系统污染条件下,水井位置、抽水流量等水力工况优化调控的效果,本文首先采用相似模拟法建立室内砂槽模型,开展多工况优化调控实验。通过物理实验与数值模拟相结合的方法提出合理、高效的污染物控制方案。抽水井群优化实验结果表明:抽出处理过程中,前20~30 min往往是抽水高效段,对污染物有较好的去除效率;较近的井间距离有利于形成集中的水力捕获带,可有效阻止污染物的逃逸,有利于实现污染物的快速捕获;在保证抽水井附近不被疏干的情况下,较大的抽水流量会缩短污染物的修复时间,但相应的总抽水量和运行能耗也会提高。实验证明,通过对地下水系统井群运行工况的调控,可以较好地实现对污染物去除效果及污染物扩散范围的优化控制。在实验研究的基础上,对某大型傍河水源地开展污染条件下地下水系统的井群优化调控实践。在对水源地地质参数、地下水水质状况等进行详细调研的基础上,对研究区域地下水环境进行概化,采用Visual MODFLOW软件建立地下水系统三维数值模型,并结合实测数据对渗透系数(K)、给水度(μ)等关键参数进行率定。针对研究区域内某化肥厂的氨氮泄漏事故,对地下水系统中污染物的迁移扩散特征进行模拟研究。在此基础上,采用井群运行工况的优化调控技术对污染场地开展异位修复。以污染范围约束和总抽水量最小化为目标,以单井抽水流量为优化变量,构建基于污染物控制的优化调控模型。将地下水三维数值模型与MGO优化模块相结合,对所建立的优化调控模型进行求解。根据实际需求,划定两种污染物约束区范围,分别对厂区附近18眼抽水井的运行工况进行优化调控计算并提出优化方案。根据优化结果可知:两种优化方案对污染物都具有较高的去除效率,平均去除率达到94%以上,在三个抽水约束时间限制下均能将污染物有效控制在约束区域内。对比两种方案的总抽水量发现,较大的约束区面积和较长的抽水约束时间使得最终形成的污染晕形状与约束区具有较高的贴合度,可以避免过度开采;保证“中心关键井”在高流量状态下持续工作,并适当地关闭一些边缘井可以达到减少总抽水量的目的。综上所述,相较于不采取任何修复措施及依赖人工经验的修复措施,采用本文所提出的井群运行优化调控方案,更具有科学性和有效性,可以有效地降低地下水系统污染物浓度,并控制污染物的扩散区域,在修复地下水水质的同时,也有效地保障了水环境安全。与此同时,所构建的优化调控方法具有较高的实用性,可作为地下水系统污染物精准捕获和水质安全管控的有力工具,从而广泛的应用于污染状态下地下水系统的修复过程中。
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