在2025年，水污染问题依旧严峻，地下水污染因其隐蔽性、流动性，以及修复难度大等特性，成为环保领域的重点难题。工业活动是地下水污染的重要来源之一，随着城市化进程的推进，工业企业搬迁后遗留的污染场地，对地下水环境构成了长期威胁。数值模拟技术作为一种高效的研究手段，在地下水污染迁移预测与防治策略制定中发挥着关键作用。本文聚焦某化工厂地下水有机污染问题，运用三维数值模拟技术展开研究，旨在为地下水污染防治提供科学依据与技术支撑。
某化工厂占地约 23000 平方米，主要生产甲烷氯化物和四氯乙烯。《2025-2030年全球及中国水污染行业市场现状调研及发展前景分析报告》环境调查显示，该化工厂地下水中 1,2 - 二氯乙烷、三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯超标，对人体健康构成不可接受的风险。具体数据如下表所示：
鉴于此，为防控水污染，该化工厂拟采用地下水阻隔技术，对污染区域实施垂直阻隔，阻止污染物进一步扩散。
研究区涵盖化工厂区及其周边受影响区域，总面积约 77760 平方米。该区域属低山丘陵地貌，由低山地貌、丘陵地貌、平坝地貌和沟谷地貌组成，年平均降水量 780.7 毫米。研究区浅部地基土包含第四系全新统人工成因杂填土、第四系全新统冲洪积粉质粘土，以及侏罗系中统泥岩、砂岩。
研究区地层可分为三层：第一层为杂填土，厚度 4.80 - 9.20 米;第二层为冲洪积粉质粘土层，厚度 0.60 - 7.10 米，渗透性差，为相对隔水层，渗透系数为 5.0×10⁻⁶ - cm/s，由西至东逐渐增厚;第三层主要由强风化泥岩构成，区域含水层厚度 5 - 14.2 米，层厚 2.70 - 3.90 米，渗透系数为 3.5×10⁻⁴ - cm/s 。此外，存在一层隔水层，主要岩性为中风化泥岩，渗透系数平均值为 5.58×10⁻⁶ - cm/s，属微透水层。
研究区地下水类型分为上层滞水和基岩孔隙裂隙水。上层滞水主要分布在杂填土中，平均厚度约 6.0 米，主要由大气降水、周边居民生活用水及地表水渗透补给，通过蒸发、地下径流方式排泄。基岩孔隙裂隙水则赋存于砂岩、泥岩风化带及裂隙中，补给来源为降雨入渗和地下水侧向径流补给。
研究发现，第二层强风化泥岩渗透系数约 3.5×10⁻⁴ - cm/s，是地下水污染物快速扩散的主要通道。因此，计划在该含水层设置渗透系数达 10⁻⁶ - cm/s 的止水帷幕，以降低污染物迁移速度，防控水污染。
水文地质概念模型通过对含水层的边界性质、内部结构、渗透性质、水力特征及补给排泄条件进行概化，为数学与物理模拟奠定基础。在此基础上，构建地下水水流模型和地下水溶质运移模型。
地下水水流模型采用如下数学模型描述研究区域的地下水流动问题：⎩⎨⎧∂x∂(Kx∂x∂H)+∂y∂(Ky∂y∂H)+∂z∂(Kz∂z∂H)+W=μs∂t∂H,(x,y,z)∈S;H(x,y,z,t)=H0(x,y,z),(x,y,z)∈S,t=0;H∣B1=H1(x,y,z,t),(x,y,z)∈B1,t≥0K∂n∂K∣B2=q(x,y,z,t)=0,(x,y,z)∈B2,t≥0。其中，Kx、Ky、Kz为 x、y、z 方向的渗透系数(m/d);H 为地下水水头(m);B1为已知水头边界(第一类边界);B2为隔水边界;H1为水位(m);W 为源汇强度(d⁻¹);Q 为渗流区域;μs为储水率，取值 0.0009。
地下水溶质运移模型用于预测溶质在地下水中的运移，通过数学公式和基本条件描述溶质的运动、降解等物理化学过程。该模型由控制方程、初始条件和边界条件构成，具体如下：⎩⎨⎧Rθ∂t∂C=∂xi∂(θDij∂Xj∂C)−∂xi∂(θviC)−WCS−WC−λ1θC−λ2ρbC,(x,y)∈SC(x,y,t)=C0(x,y,t),(x,y)∈S,t=0C(x,y,t)∣Γ1=C1(x,y,t),(x,y)∈Γ1,t≥0θDij∂Xj∂C∣Γ2=f1(x,y,t),(x,y)∈Γ2,t≥0
式中，C 为溶解于水中的污染组分浓度(mg・L⁻¹);Dij为水动力弥散系数张量(m²・d⁻¹)，模拟时弥散度取 0.528m，且DT=DL/10(DL为纵向弥散系数，DT为横向弥散系数);xi为空间位置坐标(m);vi为地下水渗流速度张量(m²・d⁻¹);W 为水流的源(正值)或汇(负值，1/d);θ 为介质的孔隙度(无量纲);Cs为源或汇中污染组分的浓度(mg・L⁻¹);λ1为溶解相一级反应速率(1/d);ρb为多孔介质的密度(mg・dm⁻³);C为介质骨架吸附的污染组分的浓度(mg・L⁻¹);t 为时间(d);R 为阻滞因子(无量纲)，考虑含水介质对污染物的滞后阻滞效应，取值 1;Γ1为已知浓度边界，C1(x,y,t)为已知浓度边界上的浓度值;Γ2为通量边界，f1(x,y,t)为边界Γ2上已知的弥散通量函数。
研究区域近似长方形，为提高模拟结果的精确度，对研究区网格进行剖分。根据现场实际情况，结合厂区及周边水文地质特征，平面采用 10×6m 网格，将区域划分为 36 行、36 列，单层网格数 1296 个，实际模拟平面面积为 77760 平方米。研究区域内地形高程采用散点输入结合 IDW 插值法模拟赋值。
通过模型预测和迭代，调整水文地质参数及各参数的分区大小，当模拟的地下水流场与实际地下水流场达到最佳拟合度时，可认为模拟结果可信。
运用上述构建的溶质模型，模拟天然状态下和阻隔情景下第 20 天、第 100 天、第 800 天、第 2000 天地下水污染物的扩散迁移情况。
天然状态下，第 20 天时，1,2 - 二氯乙烷污染物顺地下水力梯度在厂区范围内迁移扩散;第 100 天时，污染羽逐渐扩大;第 800 天时，污染羽经迁移扩散后逐渐融合，东南侧污染羽已扩散至厂区外;第 2000 天时，污染羽整体向地下水下游迁移，部分迁移至研究区域外。而在阻隔情景下，第 20 天至第 2000 天，1,2 - 二氯乙烷污染羽始终被控制在厂区范围内，有效防控了水污染扩散。
天然状态下，第 20 天时，三氯甲烷污染羽明显迁移扩散;第 100 天时，在水力梯度作用下污染羽间距缩小;第 800 天时，部分污染羽相互融合，东南侧污染羽迁移出厂区边界;第 2000 天时，污染羽沿地下水流向整体迁移和扩散，大部分迁移扩散至研究区域外。阻隔情景下，三氯甲烷污染羽扩散幅度较小，第 2000 天时仍被控制在厂区范围内，降低了水污染风险。
天然状态下，四氯化碳在水力梯度作用下快速迁移，第 800 天时污染已扩散至厂区范围外，第 2000 天时对研究区域外环境造成影响。阻隔情景下，水力梯度的影响被去除，四氯化碳只能通过浓度梯度扩散迁移，第 2000 天时污染羽仍被控制在阻隔区域内，有效防止了水污染范围的扩大。
天然状态下，四氯乙烯在地下水中快速扩散迁移，在水力梯度作用下污染羽形状呈细长状，第 800 天时已迁移至厂区外，第 2000 天时扩散至研究区域外。阻隔情景下，四氯乙烯仅随浓度梯度扩散迁移，迁移速率低，污染羽呈圆形或椭圆形，第 2000 天时仍被控制在厂区范围内，遏制了水污染的蔓延。
本文围绕某化工厂地下水有机污染问题，构建研究区水文地质概念模型和氯代烃污染物溶质运移模型，借助三维数值模拟技术，预测与评价地下水中污染物的分布迁移情况。研究结果表明，天然状态下，地下水污染物自第 20 天起逐步扩散，对厂区外环境造成影响。而在建立垂直阻隔后，污染物主要富集于污染中心附近，有效降低了地下水污染风险范围。相比于天然状况，建立垂直阻隔后，地块内水头趋近稳定，污染物在自身浓度差作用下运移，始终富集于污染中心附近。此外，地下水数值模拟结果显示，地下水阻隔技术可有效降低地下水流场对污染物扩散迁移的影响，该技术可与其他技术联用，如与抽出 - 处理技术结合，以应对地下水污染问题。本研究为地下水污染防治和风险管控提供了科学依据与技术参考，有望助力水污染治理领域的进一步发展。
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