CN110794111A - 一种分析地下水中氯代烃污染迁移转化规律的方法 - Google Patents

一种分析地下水中氯代烃污染迁移转化规律的方法 Download PDF

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贾瑞宝
孙韶华
刘正文
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刘树森
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Abstract

本发明公开了一种分析地下水中氯代烃污染转移规律的方法。本发明结合室内模拟实验与野外调查，将地下水氯代烃迁移转化模型与水文地球化学进行耦合，利用地下水化学组分数据，分析地下水中氯代烃进行生物降解的化学响应，确定地下水中氯代烃迁移转化规律，预测污染趋势。本发明将室内模拟实验与野外调查，减少实验结果的偏差；将复杂的地下水文条件进行简化处理；综合考虑了物理‑化学过程在内的不同作用，为地下水氯代烃的污染问题提供了一种保障，具有重要的生态效益。

Description

一种分析地下水中氯代烃污染迁移转化规律的方法
技术领域
本发明涉及一种分析地下水中氯代烃污染迁移转化规律的方法，属于水文地质分析领域。
背景技术
氯代烃作为工业中一种重要的有机溶剂，由于使用或储存不当等原因，氯代烃通过各种途径进入地下水中，成为地下水中最严重的有机污染物之一，前人对地下水氯代烃污染迁移转化规律的研究有很多，通常会利用的模拟实验或野外调查进行，但野外调查工作量大，会受到测定方法、布设采样等因素的影响，可能导致结果不确定性。单纯的模拟实验可能仅仅反应氯代烃的一个短期运移规律，可能导致实验的结果与实际情况出现较大偏差。
目前，用于研究地下水中氯代烃迁移转化规律的一种最重要的方法就是建立迁移转化模型。溶质在地下水中的运移不仅受到弥散、对流等物理作用的影响，也要符合最基本的水文地球化学原理，只有综合考虑物理-化学过程在内的不同作用才能更加准确的模拟地下水中氯代烃的迁移转化过程。随着数值模拟技术的不断更新与改进，地下水溶质运移模型也在不断完善，但许多模型局限于稳态流的一维、二维流场问题，耦合模型还存在许多问题有待讨论，应用与野外实际问题实例比较少。
发明内容
本发明克服了上述现有技术的不足，提供一种分析地下水中氯代烃污染迁移转化规律的方法。本发明结合室内模拟实验与野外调查，将地下水氯代烃迁移转化模型与水文地球化学进行耦合，利用地下水化学组分数据，分析地下水中氯代烃进行生物降解的化学响应，确定地下水中氯代烃迁移转化规律，预测污染趋势。
一种分析地下水中氯代烃污染迁移转化规律的方法，包括如下步骤：
(1)调查研究区域水文地质、地质、地下水化学组分变化、含水层性质与结构以及地下水水力特征，建立地下水流数值模型；
(2)收集、计算迁移转化模型参数；
(3)利用步骤(1)建立的地下水流数值模型结合步骤(2)获得的迁移转化模型参数建立地下水氯代烃迁移转化模型；
(4)利用步骤(3)获得的地下水中氯代烃迁移转化模型模拟研究区地下水氯代烃迁移转化规律，获得地下水中氯代烃污染转移规律。
进一步的，步骤(2)中所述迁移转化模型参数包括弥散系数、阻滞因子、降解速率、吸附参数和孔隙度。
进一步的，上述弥散系数通过示踪试验获得。
进一步的，上述吸附参数通过含水层不同介质对氯代烃的吸附实验获得。
进一步的，上述阻滞因子利用下列公式计算：
其中，ρ为固相介质干重，n为固相介质孔隙度，kd为分配系数，R为阻滞因子。
进一步的，上述降解速率指生物降解速率，通过下列公式计算：
Figure BDA0002323621310000022
其中，λ为生物降解速率常数，Vc为污染物的迁移速度(m/d),可通过Vx/R来获得，R为氯代烃在地下水中迁移的阻滞因子。
有益效果：
(1)将室内模拟实验与野外调查，减少实验结果的偏差。
(2)对研究区域的水文地质条件进行概化，可以将复杂的地下水文条件进行简化处理，既可以让数学计算更加方便，也可以将现有手段处理不了的实际问题转化为可以处理的理想化问题。
(3)综合考虑了物理-化学过程在内的不同作用，将地下水氯代烃迁移转化模型和水文地球化学模型进行了耦合，分析了地下水中微生物对氯代烃的降解作用，可更加全面的模拟地下水中氯代烃的迁移转化，预测氯代烃污染羽的发展趋势，为地下水氯代烃的污染问题提供了一种保障，具有重要的生态效益。
附图说明
图1为粉质黏土对四氯化碳溶液的吸附等温线图。
图2为灰岩对四氯化碳溶液的吸附等温线图。
图3为模型运行至2030年时四氯化碳污染羽分布。
图4为模型运行至2040年时四氯化碳污染羽分布。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本申请中的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步说明，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部，本发明不受下述实施例的限制。
实施例1
步骤一，进行野外调查以及室内氯代烃动态模拟实验，收集迁移转化模型参数，
1.1调查研究区域水文地质、地质、地下水化学组分变化、含水层性质与结构以及地下水水力特征；
1.2进行示踪实验，求取弥散系数，分析对流弥散作用；
1.3进行吸附实验，求取吸附参数，分析平衡吸附作用，阻滞效应；
以四氯化碳为例，根据研究区地质条件，分别选取含水层介质灰岩和粉质黏土进行平衡吸附实验，利用不同类型标准曲线拟合获取的数据，比较拟合度与相关系数R，确定最佳的吸附等温线。根据实验数据来分别计算灰岩和粉质黏土对四氯化碳的吸附量Q，并且以Q为横坐标，吸附平衡时地下水中四氯化碳的浓度C为纵坐标作图，得到如图1和图2所示不同介质对四氯化碳溶液的吸附等温线图。
1.4基于水文地球化学机理，根据污染物分布特征以及地下水化学组分的变化作为生物降解的响应，分析生物降解作用并利用公式计算生物降解速率。
以某市东部城区四氯化碳污染为例，污染羽的中部地带，PH值、EH值及SO4 2-浓度较低，Cl-浓度较高，但沿着水流方向，PH值、EH值和SO4 2-的浓度呈递减的趋势，地下水环境符合氯代烃生物降解的条件，故研究区存在着生物降解作用；
步骤二，建立地下水流数值模型和氯代烃迁移转化模型，
2.1以1.1为基础，建立地下水流数值模型；
以1.1为基础用MODFLOW软件建立地下水流数值模型：
(1)在GMS输入模型底图(2)定义模拟范围界限(3)创建源汇项(4)定义分区水文地质参数(5)进行网格剖分(6)网格高程插值(7)导入模型(将前面建立的概念模型导入到有限差数值模型中)(8)定义各层类型(9)模拟运行并观察结果(10)模型识别与验证。
地下水流数值模型可以将研究区的地下水***概化为为非稳定流、非均质各向异性、空间三维结构。
2.2结合步骤一中确定的迁移转化模型参数，以地下水流数值模型为基础，建立地下水中氯代烃迁移转化模型。
完成2.1中用MODFLOW建立的地下水流数值模型后，导入模拟计算的解，以2018年12月四氯化碳的初始浓度作为地下水氯代烃迁移转化模型的初始浓度，在MT3DMS模块中输入模型基础参数，运行模型。
地下水氯代烃迁移转化模型考虑的参数为迁移转化模型参数，主要包括弥散系数、阻滞因子、降解速率、吸附参数和孔隙度。
步骤三，模拟研究区地下水氯代烃迁移转化规律，预测地下水氯代烃污染趋势
结合步骤一中动态模拟实验获得的实际情况的实验数据，以及污染物在地下水环境中可能发生的对流弥散、平衡吸附以及生物降解作用等，将地下水氯代烃迁移转化模型与对流弥散、降解反应与吸附反应进行耦合，在MT3DMS软件中输入地下水氯代烃迁移转化模型相关系数，对地下水中氯代烃污染羽的发展趋势进行预测。
预测模型运行至2030、2040年时四氯化碳污染羽发展趋势，结果如图3、图4所示，显示随着时间的推移，研究区地下水中四氯化碳的污染范围在不断减小。

Claims (6)

1.一种分析地下水中氯代烃污染迁移转化规律的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)调查研究区域水文地质、地质、地下水化学组分变化、含水层性质与结构以及地下水水力特征，建立地下水流数值模型；
(2)收集、计算迁移转化模型参数；
(3)利用步骤(1)建立的地下水流数值模型结合步骤(2)获得的迁移转化模型参数建立地下水氯代烃迁移转化模型；
(4)利用步骤(3)获得的地下水中氯代烃迁移转化模型模拟研究区地下水氯代烃迁移转化规律，获得地下水中氯代烃污染转移规律。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述迁移转化模型参数包括弥散系数、阻滞因子、降解速率、吸附参数和孔隙度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述弥散系数通过示踪试验获得。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述吸附参数通过含水层不同介质对氯代烃的吸附实验获得。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述阻滞因子利用下列公式计算：
Figure FDA0002323621300000011
其中，ρ为固相介质干重，n为固相介质孔隙度，kd为分配系数，R为阻滞因子。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述降解速率指生物降解速率，通过下列公式计算：
Figure FDA0002323621300000012
其中，λ为生物降解速率常数，Vc为污染物的迁移速度(m/d),可通过Vx/R来获得，R为氯代烃在地下水中迁移的阻滞因子。
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