【技术交流】地下水生物修复专题 | 地下水循环井修复系统评估方法研究

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地下水循环井修复系统评估方法研究

刘玉兰1，李梦丹2，王　锴2，贾文娟2，彭杨皓2,3，程莉蓉2，牛　耕4，丁爱中2*，王森杰4，王海立4，林　威4，谷成功4，徐华清4

1. 大连市生态环境事务服务中心，辽宁 大连　116023

2. 北京师范大学水科学研究院，北京　100875

3. 华电煤业集团有限公司，北京　100035

4. 北京市市政四建设工程有限责任公司，北京　100037

摘要: 地下水循环井修复技术逐渐成为地下水污染治理的新方向。通过识别影响循环井修复效果的关键指标，基于高度概化的单一含水层条件结合数值模拟技术建立了两种地下水循环井修复系统评估方法，一种是无量纲分析方法，研究单因素对循环影响半径的影响，给出单因素影响下的循环影响半径公式；另一种是粒子跟踪方法，描述粒子的运动轨迹，研究筛管长度、筛管间距、抽注水量、各向异性、水力梯度对回收率的影响。结果表明：①在无水梯度条件下，循环影响半径与抽取筛管段长度、抽注水量、垂向渗透系数均呈对数关系，与注入筛管段长度、筛管间距均呈二次函数关系；叠加水力梯度后，无量纲化循环影响半径与无量纲化水力梯度呈对数关系，且当 Q/B2v (Q为抽注水量，B为含水层厚度，v为地下水流速)为0~5.3时，上游循环影响半径大于下游循环影响半径；当 Q/B2v大于5.3时，下游循环影响半径大于上游循环影响半径。②在无水梯度条件下，相同时间内抽注段筛管长度相同时，筛管长度、筛管间距、各向异性均与回收率呈负相关，抽注水量与回收率呈正相关；抽注段筛管长度不同时，筛管长度的变化对回收率的影响不显著。叠加水力梯度后，水力梯度越大，上游的回收率越大，下游的回收率越小。③回收率对参数敏感性分析显示，回收率对抽取、注入筛管长度变化、筛管间距变化、抽注水量变化均较不敏感，对各向异性值的变化最为敏感，即各向异性值越高的含水层对回收率的负面影响越大。研究显示，通过采用无量纲分析方法和粒子跟踪方法识别关键指标参数的变化规律，可有效评估地下水循环井修复系统。

关键词:地下水循环井  /  数值模拟  /  影响半径  /  粒子追踪  

我国工业场地地下水污染严重，地下水风险管控和修复工作日益得到政府和行业的高度关注，污染场地地下水修复具有很多挑战和不确定性[1-2]。近年来，地下水循环井修复技术(groundwater circulation well, GCW)[3-6]逐渐成为地下水污染治理的新方向，GCW是基于地下水三维循环的理念而开发出的一种原位修复技术[7]，该技术能够对土壤和地下水中挥发性、半挥发性有机物和无机物实现有效去除，对于低渗层也可产生较好效果[8]，且不会因为改变含水层储水量造成次生灾害(如地面沉降等)[9]，目前在国外应用广泛，并已成功应用在欧洲、美国、以色列等国家或地区[10-14]。 

GCW利用封塞将井筛分隔成上、下两段井筛段，以一段抽水、一段注水的方式运行，其中，下抽上注一般用于DNAPL (重非水溶相液体)修复[15]，而上抽下注可用于LNAPL (轻非水溶相液体)修复[16]。GCW在含水层形成一个三维循环流场[17]，其中，捕获区是指受循环井水力梯度控制的，只能进入循环井抽水筛管的所有上游水域；释放区是指循环井注入的水中部分不能进行循环返回循环井内，直接流向下游的水流所组成的区域。循环区的大小分布直接关系到污染修复的范围，一般将循环区的最大分布宽度称为循环井影响半径。此外，循环井的回收率对于修复的效率和成本控制十分重要，循环井回收率是指从注水筛流入到抽水筛的水量占总注水量的比例。 

早期研究主要利用解析解手段研究循环井水流路径、污染物迁移等基本特征[18-20]。Xia等[21]利用Runge-Kutta methods进行质点追踪，实现背景流条件下循环流场分区的可视化，并论证参数对各个分区的影响。此外，白静等[22-23]利用二维有机玻璃模拟槽进行实验，对地下水循环井的影响半径进行估算，并对影响半径所受影响因素进行研究，进而提出了最佳运行参数。 

Chen等[24]利用三维砂箱实验研究发现，当环流模式为3个筛段(从上至下分别为注入筛段、抽取筛段、注入筛段)时，比环流模式为2个筛段(从上至下分别是注入筛段、抽取筛段)的去除率高。Tu等[25]使用解析解分析了不同筛管长度变化对水位降深的影响。白静[22]探讨了不同筛管间距变化对循环井循环效果的影响，结果表明，筛管间距越大，水位降深越高。Stallard等[26]用二维循环井进行实验及数值模拟时发现，抽水量过大会造成受污染的水在井内停留的时间过短，从而影响到治理效果。此外，场地的水文地质条件如渗透系数、各向异性、背景流速、含水层厚度、非均质性等均对循环井控制区域有影响[17,27-28]。 

我国地下水污染问题日益突出，亟需大量高效的修复技术以提高对地下水污染的治理效果，然而现有的专家评估体系难以客观、科学地反映技术的真实性能，也很难促进其推广应用[29]。目前，GCW适用条件及参数设计缺乏明确科学的参考标准，不利于循环井技术的科学有效应用。因此，本研究基于一个高度概化的水文地质区，假定含水层为单一的均质岩性潜水含水层，含水介质高度均一无空间变异性，采用数值模拟方法，通过改变模型的水文地质条件参数和循环井结构参数来分析各参数对循环影响半径、循环井回收率等指标的影响，提出考虑循环修复空间范围与时间效率的地下水循环井修复系统综合评估方法，以期为污染场地地下水循环井修复工程的设计与实施提供科学依据与技术支撑。

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研究方法

1.1   数值模型建立

本研究选用Modflow地下水数值模拟软件进行循环井数值模拟计算。基于研究目的及研究方法需求，模型区为一个高度概化的水文地质区，设定为长宽各为100 m，厚为10 m的规则含水层，含水层假定为单一的均质岩性潜水含水层。模型区四周设为无流量边界，顶部为潜水面，底部为隔水底板，底板高程为0 m，初始水头设定为模型顶部潜水水位，在区域正中设置循环井。井和筛管在模型中的位置见图1。对模型的网格剖分采取矩形网格剖分，模型区一共被剖分为84行、84列、20层，在井附近网格加密为0.5 m×0.5 m的网格，其余网格加密为2.5 m×2.5 m。循环井设置2个筛段，分别为上部分的抽取段和下部分的注入段，循环井结构示意如图2所示。 

根据研究需要，该模型的含水介质高度均一，无空间变异性，模型初始条件采用潜水稳定流进行模拟，初始条件的各项参数为基准情景参数，当模型运行至稳定后模拟区水头统一为10 m等势面，以此为基础开展相关研究。本研究将数值模型作为研究方法进行理论研究，通过数值模拟研究均质潜水含水层中循环井的影响因素，包括改变模型的水文地质条件参数和循环井结构等参数来分析各参数对循环影响半径、循环井回收率等指标的影响，探讨地下水循环井修复系统的评估方法。

1.2   循环井情景设置

为研究循环井处理过程中地下水流变化及循环修复效率，选择对循环井处理最为重要的筛管长度、筛管间距、抽注水量、含水层厚度、渗透系数等作为循环井处理影响因素，以影响半径和回收率为目标，确定循环井单因素影响作用规律。选择模拟实验的循环井为两筛段结构，首先设定基准情形循环井参数，包括筛管长度及位置参数，以及水文地质参数。其中，2个筛管顶部高程分别为8.0、6.0 m，底部高程分别为4.0、2.0 m，上筛管长度(d1)、上下筛管间距(d2)、下筛管长度(d3)均为2.0 m，抽注水量均为3 m3/d；水文地质参数中，含水层厚度(B)为10 m，径向渗透系数(Kr)为5.0 m/d，垂直渗透系数(Kz)为5.0 m/d，各向异性值(Kr/Kz)为1.0，水力梯度(i)为0。

1.2.1   筛管长度及位置设置

循环井的筛管长度及位置变化分10种情况进行讨论，其中，情景1-1~1-5为抽注筛管长度不同，情景1-6~1-10为抽取筛管长度不同而注入筛管长度相同。参数设计条件见表1。

1.2.2   筛管间距及位置设置

5种不同的井筛管间距及位置情况如表2所示。 

1.2.3   抽注水量设置

循环井的抽注水量变化分为5种情况进行讨论， 5种不同的抽注水量设置如表3所示。

1.2.4   各向异性设置

5种不同各向异性设置情况如表4所示，各向异性值分别设置为1.0、2.0、5.0和10.0。

1.2.5   天然水力梯度设置

将模型的西侧边界设为定水头边界，东侧边界设为定水头边界，模拟区天然水力梯度分为5种情况进行讨论，参数设置见表5。

1.3   指标分析方法

1.3.1   影响半径无量纲分析

1.3.2   循环效率分析

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结果与讨论

2.1   地下水循环井流场降深及流向(基准情景)

通过分析模拟流场，选取流场驻点距循环井的水平距离作为影响半径，驻点处水平向速度为0 m/d，影响半径内为循环井修复的主要有效区。基准参数下循环影响半径动态变化如图3所示。由图3可见，循环影响半径在218 d时达到稳态，最终循环影响半径为11.9 m，该值作为后续各因素模拟计算的基准值。

2.2   单因素情景分析

2.2.1   筛管长度对循环影响半径的影响

抽注筛管长度相同(即d1=d3)时，不同筛管长度下循环影响半径随时间变化的曲线如图4(a)所示。由图4(a)可见，随着筛管长度的增加，循环井的影响半径增大，全部筛管长度计算模拟在130 d均未达到稳定状态。

抽注筛管长度不同时循环影响半径随时间变化的曲线如图4(b)所示，此时注入段筛管长不变，即d3=2.0m。随着抽取段长度的增加，循环影响半径随之增大。与抽注筛管长度相同情景类似，在相同运行时间下，抽取段长度越大，循环影响半径越大。无论抽注筛管长度是否相同，随着筛管长度的增加，循环影响半径增幅逐渐减小，这表明筛管长度对影响半径的促进作用是有上限的。 

2.2.2   筛管间距对循环影响半径的影响

由图5可见，随着筛管间距的增加，循环影响半径随之增大。这可能是因为随着筛管间距的增大，循环路径增大，垂向水力梯度减小，水流更倾向于在水平方向发生流动，因此循环影响半径增大。 

2.2.3   抽注水量对循环影响半径的影响

不同抽注水量下循环影响半径随时间变化的曲线如图6所示。由图6可见，随着抽注水量的增加，循环井的影响半径增大。抽注水量越大，循环影响半径达到稳定状态的时间越短，当抽注水量为50 m3/d时，循环影响半径在120 d已达稳定状态，而其他抽注水量均未达到稳定状态。

2.2.4   垂向渗透系数对循环影响半径的影响

不同垂向渗透系数下循环影响半径随时间变化的曲线如图7所示，此时径向渗透系数保持基准值不变。由图7可见，随着垂向渗透系数(Kz)的减小，循环影响半径均不同程度的增加，这与已有研究结果[27,30]相同。这主要由于垂向渗透系数越小，水更倾向于水平流动，导致循环影响半径越大。垂向渗透系数为0.5 m/d时，初次循环的时间推迟，在第1 天还未形成循环。此外，不同垂向渗透系数所产生的循环流场均未在130 d达到稳定状态。

2.2.5   天然水力梯度对循环影响半径的影响

不同天然水力梯度下上游与下游循环影响半径随时间变化的曲线如图8所示。由图8可见，叠加天然水力梯度后，地下水流线在上游和下游呈现不对称性。当水力梯度为0.001时，下游的循环影响半径显著大于上游。随着水力梯度的增加，下游的循环影响半径增幅逐渐减小，当水力梯度为0.010时，上游的循环影响半径大于下游。通过对比不同水力梯度下的循环影响半径可以看出，随着水力梯度的增加，上游和下游的循环影响半径均逐渐减小，达到稳定状态的时间也更短。 

2.3   循环影响半径无量纲分析

2.3.1   筛管长度

无量纲化循环影响半径随抽水筛管段长度的变化如图9所示。由图9可见，无量纲化循环影响半径与无量纲化抽取筛管段长度呈对数关系，关系式为

2.3.2 筛管间距

由图10可见，随着无量纲化筛管间距的增大，无量纲化循环影响半径先增大后减小。无量纲化循环影响半径与无量纲化筛管间距呈二次函数关系，关系式为 

上述结果表明，抽取筛管长度、注入筛管长度、筛管间距对于影响半径的作用机制并不相同。实际场地循环井修复工作中必须综合考虑抽取筛管长度、注入筛管长度以及筛管间距等因素才能达到最大的循环影响半径，实现循环井修复的空间范围最大化。

2.3.3   抽注水量

由图11可见，随着无量纲化抽注水量的增大，无量纲化循环影响半径逐渐增大。无量纲化循环影响半径与无量纲化抽注水量呈对数关系，关系式为

需要指出的是，抽水量的增加并不一定会引发循环影响半径的增大。当抽水量增至一定程度后，可能引起抽注筛管之间垂向捷径流通道的形成，出现“短路”现象，造成循环失败，修复范围大大缩小。

2.3.4   垂向渗透系数

由图12可见，无量纲化循环影响半径与无量纲化垂向渗透系数呈对数关系，关系式如式(6)所示。 

Zhang等[30]研究表明，径向和垂直渗透系数对循环影响半径的影响程度是不同的，随着含水层垂直渗透系数的增大，溶质运移的垂向范围也在逐渐增大，而水平范围变化相反，呈逐渐降低趋势。循环井的使用应在径向渗透系数与垂向渗透系数比例较大时使用。当垂向渗透系数过大时，含水层内垂向渗透速度过大，注入水更倾向于垂向运动至抽水井范围内，此时循环井只能作用到极小范围内的含水层。同样，若径向渗透系数与垂向渗透系数比例过大，此时的垂向渗透系数极小，虽然循环井水平影响半径很大，但其垂向冲洗效果较差。 

2.3.5   天然水力梯度

以循环影响半径与含水层厚度之比作为无量纲化循环影响半径，以抽注水量与含水层厚度的平方和流速乘积的比值作为无量纲化水力梯度，作进一步定量分析。由图13可见，无量纲化循环影响半径与无量纲化水力梯度呈对数关系，关系式如式(7)(8)所示，其中，式(7)为不同水力梯度下上游的拟合公式，式(8)为下游的拟合公式。

当Q/B2v为0~5.3时，循环井流场产生的上游循环影响半径大于下游循环影响半径，但其相差程度较小；当Q/B2v大于5.3时，下游循环影响半径大于上游循环影响半径，且下游循环影响半径的增幅明显高于上游循环影响半径。

2.4   循环效率分析

2.4.1   筛管长度对回收率的影响

通过模拟抽注筛管段相同(d1=d3)时和不同时的回收率可知，回收率随着筛管长度的增加而减小。在模拟后期，d1=2.0 m、d1=2.5 m和d1=3.0 m时的回收率相近。回收率随着筛管长度的增加而减小。但在运行模拟的后期(t>50 d)，不同抽取段长度对应的回收率相近。上述分析说明，在运行模拟后期抽注段筛管长度变化均对粒子回收率影响不大。 

2.4.2   筛管间距对回收率的影响

通过模拟不同筛管间距下回收率可知，回收率随筛管间距减小而增大，当d2=0.5 m时，粒子在123 d时已完全回收；当d2=4.0 m时，粒子在130 d时回收率仅达71%。若只对比d2=1.0 m、d2=2.0 m、d2=3.0 m和d2=3.5 m的粒子回收率，可以发现60 d以内回收率随着筛管间距的增大而降低；而在60 d后，筛管间距的增大对粒子回收率几乎无影响。结果表明，筛管间距的变化对回收率的影响在运行初期影响较明显，在运行后期影响不断减小。

2.4.3   抽注水量对回收率的影响

通过模拟不同抽注水量下回收率可知，随着抽注水量的增加，回收率增大，这与Zhu等[31]计算结果相同，抽注水量的增大加快了循环速率。当Q=50 m3/d时，在124 d已完全回收，其余的抽注水量情景在130 d内均未实现完全回收。结果表明，抽注水量增大会加快循环速率，但也存在上限，需综合考虑水文地质条件等因素确定合理的水量。

2.4.4   垂向渗透系数对回收率的影响

通过模拟不同垂向渗透系数下回收率可知，当垂向渗透系数为5.0 m/d时，回收率最高且在130 d时达96%，而垂向渗透系数为0.5 m/d时回收率最低。在径向渗透系数一定时，垂向渗透系数越小，即各向异性值(Kr/Kz)越大，粒子的回收率越低，这意味着渗透系数的各向异性值越高的含水层对循环流场的负面影响越大。 

2.4.5   水力梯度对回收率的影响

通过模拟不同水力梯度下回收率可知，不同水力梯度下的上游和下游的回收率明显不同。在上游，粒子的回收率随水力梯度的增大而增加，当i=0.010时，粒子在37 d已完全回收；当i=0.001时，粒子在116 d已完全回收。在下游，所有水力梯度下粒子均未完全回收，且随着水力梯度的增加，粒子的回收率逐渐降低，与上游恰好相反。因此，在水力梯度过大的地区需预先在修复区设置水力控制工程，可通过改变局部地下水流场来减小水力梯度，实现回收率最大化。 

2.4.6   参数敏感性分析及回收率评估

上述结果揭示了不同条件下循环井回收率的变化规律，其中，筛管长度、筛管间距、抽注水量属人工条件，垂向渗透系数、水力梯度属天然场地条件。通过对比分析回收率对人工条件和天然场地条件各参数敏感性得知，回收率对抽水、注水筛管长度变化、筛管间距变化、抽注水量变化均较不敏感，对各向异性值的变化最为敏感，即各向异性值越高的含水层对回收率的负面影响越大。 

若以回收率作为修复效率的关键评价指标，循环井回收率越高，修复剂越难滞留造成二次污染[31]；但实际设计循环井结构时还应在保证回收率的前提下提升循环影响半径，以增大修复范围。本研究得到的结果可以作为实际场地修复的重要参考，如d1=2.0 m、d2=1.0 m、Q=30 m3/d时均可在80 d内完成90%注入水的回收，但其对应的循环影响半径分别为9.5 m、8.5 m、10.0 m，因此此时应考虑采用Q=30 m3/d，即增大抽水量的方式提升循环井修复效果。 

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结论

a)在无水梯度条件下，循环影响半径与抽取筛管段长度、抽注水量、垂向渗透系数均成对数关系，与注入筛管段长度、筛管间距均呈二次函数关系，叠加水力梯度后无量纲化循环影响半径与无量纲化水力梯度呈对数关系，且当 Q/B2v 为0~5.3时，循环井流场产生的上游循环影响半径大于下游循环影响半径，但其相差程度较小；当 Q/B2v 大于5.3时，下游循环影响半径大于上游循环影响半径，且下游循环影响半径的增幅明显高于上游循环影响半径。 

b)在无水梯度条件下，相同时间、抽注段筛管长度相同时，筛管长度、筛管间距、各向异性均与回收率呈负相关，抽注水量与回收率呈正相关；抽注段筛管长度不同时，筛管长度的变化对回收率的影响不显著，叠加水力梯度后，水力梯度越大，上游的回收率越大，下游的回收率越小。 

c)通过对比分析回收率对人工条件和天然场地条件各参数敏感性得知，回收率对抽取、注入筛管长度变化、筛管间距变化、抽注水量的变化均较不敏感，对各向异性值的变化最为敏感，即各向异性值越高的含水层对回收率的负面影响越大。 

d)值得注意的是，此次研究考虑单因素变化对地下水循环井修复效果的影响，定量化评价了各关键指标对修复效率的影响程度和趋势，在实际应用中需结合场地实际水文地质条件、运行时间等因素进行设计和实时调整。通过采用无量纲分析方法和粒子跟踪方法识别关键指标参数的变化规律，可有效评估地下水循环井修复系统，研究结果可为循环井在污染场地地下水修复的实际工程设计与应用中提供科学参考依据。 

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引用本文: 刘玉兰, 李梦丹, 王锴, 贾文娟, 彭杨皓, 程莉蓉, 牛耕, 丁爱中, 王森杰, 王海立, 林威, 谷成功, 徐华清. 地下水循环井修复系统评估方法研究[J]. 环境科学研究, 2024, 37(11): 2362-2371. DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2024.10.07

（转自：生态修复网）

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